生物传感器

第三节生物传感器

一、生物传感器的基本概念

生物体的基本特征之一，是能够对外界的各种刺激做出反应。其所以能够如此，首先是由于生物体能感受外界的各类刺激信号，并将这些信号转换成体内信息处理系统所能接收并处理的信号。例如，鹰的眼睛具有犀利的视觉，它能在半英里外搜捕猎物，从上千英尺的高空扎向反光的水面抓鱼；苔藓植物的叶大都只有一层细胞，二氧化硫等有毒气体可以从背、腹两面侵入叶细胞，所以，苔藓植物对二氧化硫等有毒气体十分敏感，在污染严重的城市和工厂附近很难生存。人们利用这个特点，把苔藓植物当作监测空气污染程度的指示植物。

生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。有人把21世纪称为生命科学的世纪，也有人把21世纪称为信息科学的世纪。生物传感器正是在生命科学和信息科学之间发展起来的一个交叉学科。必将在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。

二、生物传感器的基本构成及工作原理

各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜），以及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

生物传感器的基本构成及工作原理如图所示：

三、生物传感器与传统的各种物理传感器和化学传感器的区别

传感器主要由信号感受器和信号转换器组成，它能够感受一定的信号并将这种信号转换成信息处理系统便于接收和处理的信号（如电信号和光信号）。例如，压力传感器能感受压力信号并将压力信号转换成电信号，湿度传感器能感受湿度的大小并将湿度大小转换成电信号等。

在传统的传感器中，信号感受器完全是由非生命物质组成的。而生物传感器与传统的各种物理传感器和化学传感器的最大区别，在于生物传感器的感受器中含有生命物质。例如，将一定的植物细胞或动物细胞作为感觉器，可以制成各种细胞传感器；用生物组织作感受器可制成组织传感器（或称为组织电极）；将一些特定的细胞器从细胞里分离出来作为感受器，可制成细胞器传感器；将微生物作为感受器可制成生物传感器；而将生物分子如蛋白质、核酸等作为感受器，更成为当代生物传感器发展的主流。

四、生物传感器的特点

（1）采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。例如：矿山环境中硫化物的测定，是用从硫铁矿附近酸性土壤中分离筛选得到的专性、自养、好氧性氧化硫硫杆菌制成的微生物传感器。在pH=2.5、31℃时一周测量200余次，活性保持不变，两周后活性降低20%。传感器寿命为7天，其设备简单，成本低，操作方便。

（2）专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。例如在微生物发酵过程中葡萄糖的测定对过程控制尤其重要，用荧光假单胞菌代谢消耗葡萄糖的作用，通过氧电极进行检测，可以估计葡萄糖的浓度。这种微生物电

极和葡萄糖酶电极型相比，测定结果是类似的，而微生物电极灵敏度高，重复实用性好，而且不必使用昂贵的葡萄糖酶。并且不受发酵液里各组分和浊度的影响。

（3）分析速度快，可以在一分钟得到结果。例如：生化需氧量（BOD）的测定是监测水体被有机物污染状况的最常用指标。常规的BOD测定需要5天的培养期，操作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大，不宜现场监测，所以迫切需要一种操作简单、快速准确、自动化程度高、适用广的新方法来测定。目前，有研究人员分离了两种新的酵母菌种SPT1和SPT2，并将其固定在玻璃碳极上以构成微生物传感器用于测量BOD，其重复性在±10%以内。将该传感器用于测量纸浆厂污水中BOD的测定，其测量最小值可达2mg/l，所用时间为5min。

（4）准确度高，一般相对误差可以达到1％。例如：微藻素是一种从蓝藻细菌引起的水华中产生的细菌肝毒素，一种固定有表面细胞质粒基因组的生物传感器已经制得，用于测量水中微藻素的含量，它直接的测量范围是50 ～ 1000×10-6g/l。

（5）操作系统比较简单，容易实现自动分析

（6）成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。

五、生物传感器的种类

（1）根据感受器中所采用的生命物质可分为：组织传感器、细胞传感器、酶传感器等等。（2）根据所监测的物理量、化学量或生物量可分为：热传感器、光传感器、胰岛素传感器等。（3）还可根据传感器的用途分为：免疫传感器。药物传感器等等。

六、生物传感器四大应用领域

生物传感器正进入全面深入研究开发时期，各种微型化、集成化、智能化、实用化的生物传感器与系统越来越多。

（一）食品工业

生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析。

食品成分分析。在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖等。

食品添加剂的分析。亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。此外，也有用生物传感器测定色素和乳化剂的报道。

（二）环境监测

近年来，环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器，生物传感器满足了人们的要求。目前，已有相当部分的生物传感器应用于环境监测中。

大气环境监测。二氧化硫(SO

)是酸雨酸雾形成的主要原因,传统的检测方

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法很复杂。Marty等人将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上,和氧电极制成安培型生物传感器，对酸雨酸雾样品溶液进行检测。

（三）发酵工业

在各种生物传感器中，微生物传感器具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、可能消除发酵过程中干扰物质的干扰等特点。因此，在发酵工业中广泛地采用微生物传感器作为一种有效的测量工具。

微生物传感器可用于测量发酵工业中的原材料和代谢产物。另外，还用于微生物细胞数目的测定。利用这种电化学微生物细胞数传感器可以实现菌体浓度连续、在线的测定。

（四）医学领域

医学领域的生物传感器发挥着越来越大的作用。生物传感技术不仅为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法，而且因为其专一、灵敏、响应快等特点，在军事医学方面，也具有广阔的应用前景。

在临床医学中，酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物传感器。在军事医学中，对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。

七、未来生物传感器发展趋势

近年来，随着生物科学、信息科学和材料科学发展的推动，生物传感器技术飞速发展。可以预见，未来的生物传感器将具有以下特点。

功能多样化：未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。目前, 生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器,即仿生传感器。

微型化：随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检测食品成为可能。

智能化与集成化：未来的生物传感器必定与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙,形成检测的自动化系统。同时, 芯片技术将越来越多地进入传感器领域,实现检测系统的集成化、一体化。

低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命:生物传感器技术的不断进步,必然要求不断降低产品成本，提高灵敏度、稳定性和延长寿命。这些特性的改善也会加速生物传感器市场化、商品化的进程。