生物传感器的应用现状和发展趋势

生物传感器的应用现状和发展趋势

【摘要】改革开放以来，国民生活的各个方面都取得了明显的进步。随着科学的发展生产力的不断提高，生物传感器的应用越来越广泛。为我们的生产生活带来了很大的方便，研究生物传感器的应用现状和发展趋势，有利于我们对生物传感器进行全面深入的了解，有利于生物传感器的自身发展，同时有利于生物传感器的应用广泛推广。因此有必要详细说明生物传感器的应用现状和发展趋势。

【关键词】生物传感器；应用现状；发展趋势

1.前言

生物传感器作为一种高科技手段，在医学、军事、食品、农业等各个领域均得到了广泛的应用。它具有传感器不可替代的地位，利用生物中独特的物质，通过一系列的化学反应，检测出相关物质。生物传感器相对与传统的传感器相比，具有高灵敏度、高选择度、成本低廉、运用普及度高、污染程度小的特点。因此，研究生物传感器的应用现状和发展趋势具有重要意义。

2.简要介绍生物传感器

Gronow将生物传感器定义为一种含有固定化生物物质（如酶、抗体、全细胞、细胞器或其联合体）并与一种合适的换能器紧密结合的分析工具或系统，它可以将生化信号转化为数量化的电信号。生物传感器一般由两个主要部分组成：一是生物分子识别元件（感受器），是具有分子识别能力的生物活性物质（如酶、抗体、组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、核酸、有机物分子等）；二是信号转换器（换能器），主要有电化学电极、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等。当待测物与分子识别元件特异性结合后，所产生的复合物通过信号转换器转变为可以输出的电信号、光信号等，从而达到分析检测的目的。

3.生物传感器的具体应用

3.1 制药方面

生物传感器在生产药物时具体作用表现为对具体进行生化反应进行检测，生物传感器可以及时的测量有关生化反应的各项数据，并将它及时反馈给系统。在抗癌药物及癌症治疗方面，生物传感器发挥了极其重要的作用。在实验室中对癌细胞进行培养，并把用相应药物与之发生反应，通过生物传感器对实验数据进行测量，来具体观察药物对癌细胞的作用。在不同药物间的对比中，选出最具有抗癌性的药物。

3.2 食品方面

在具体的食品生产过程中，需要利用生物传感器及时对有关数据进行测量。在啤酒发酵的过程中，为了保证啤酒的质量与口味，我们必须要对啤酒的有关性质进行有效测量。目前，生物传感器在啤酒的生产过程中得到了广泛的应用，它的主要组成部分就是电极和氧化膜。生物传感器利用它独有的氧化膜把乙醇的含量以氧气的浓度体现出来，对于食品来说，食品的鲜度是作为食重要参考指标。传统测量食品鲜度的方法就是通过人的主观感受来评价一种食品的鲜度。但这种方法受人的主观性太强。因此人民要通过一定的侧耳量指标来说明。食品鲜度的测量与乙醇浓度的测量方法相似，都是通过一定的电极把相关的物质反应出来，并测量该物质的浓度，从而体现食品的鲜度。

3.3 军事方面

生物传感器在医药方面的应用主要体现在对谷氨酸的测量，所以必须及时准确的测量谷氨酸的含量，从而提高生产能力。1980年谷氨酸生物传感器问世以来，生物传感器得到了广泛的应用。在生化武器的战争中，侦检、鉴定和监测是生化战争中不可缺少的一部分，是打好生化武器战争的必要条件。因此，生物传感器凭借着其高灵敏度、高选择性的特点，成为了生化战争中不可缺少的装备。1981年诞生的乙酰胆碱传感器和某种麻醉剂传感器，可以测量较多数的病毒。例如，委内瑞拉病毒、流感病毒等。近期，美观相关科学机构研究出来的生物传感器可以同时检测出22种不同的病毒，这是生物传感器应用的又一巨大进步。用DNA探针的方法来生产出的生物传感器，反应迅速灵敏、特异性强，可以较好地实现对传统生化武器的及时测量。随着单克隆抗体和微电子学的不断发展，生物传感器的应用也变得越来越广泛。生物传感器的能力和适用范围也不断提高。

3.4 诊断方面

对于生物体内的多项指标，例如：核酸、蛋白质、维生素、酶、葡萄糖、激素等。在现代医学检验中，这些项目是临床诊断和病情分析的重要依据。利用生物传感器可以及时转缺的测量这些指标、因此，生物传感器在医学上具有广泛的应用。对于痛风病患者来说，有了生物传感器，就可以在家里对自身的状况进行检测。在医学领域，我国已经自主研发了多种生物芯片，如，地中海贫血检测生物芯片、丙型肝炎病毒分型检测生物芯片、苯丙酮酸尿毒症检测生物芯片和肿瘤基因检测生物芯片等。

4.展望生物传感器的未来发展趋势

虽然生物传感器的发展已有30多年的历史，但由于生物单元的引入，生物结构固有的不稳定性、易变性，生物传感器实用化还存在着不少问题，所以目前真正商品化的生物传感器还很少。因此人们做出了许多努力设想来提高生物传感器的性能。从而使其应用更广泛。

4.1 选择性

可从两个主要方面提高生物传感器的选择性：一是改善生物单元与信号转换器之间的联系以减少干扰；二是选择、设计新的活性单元以增加其对目标分子的亲和力。如在酶电极中加入介体或对酶进行化学修饰可提高这类电极的选择性，其中介体或用于修饰的物质大都具有一定的电子运载能力。

受此启发，一些研究者设想将酶活性中心与换能器之间用一些分子导线通过自组装技术连接起来以消除电化学干扰。另外，随着计算化学的发展，更精确地模拟、计算生物分子之间的结合作用已经成为可能。在此基础上就可根据目标分子的结构特点设计、筛选出选择性和活性更好的敏感基元。

4.2 稳定性

克服生物单元结构的易变性，增加其稳定性，最常用的手段是采用对生物单元具有稳定作用的介质、固定剂。研究表明选用合适的溶胶-凝胶作为生物单元的固定剂应用于酶电极，可大大提高生物单元的稳定性。从而提高生物传感器在具体生产实践过程中的应用。4.3 灵敏度

对于一些特定的分析对象，已研究出一些能大幅度提高灵敏度、降低检测限的方法。如基于酚-醌氧化还原电对进行循环氧化还原来放大信号而将苯酚的检测限降至10-9数量级的气相微型生物传感器。Turner等人研制的一种以NDA为敏感源的传感器，利用液晶分散技术将DNA聚阳离子配合物固定在换能器上，所有能影响DNA分子间交联度的化学和物理因素均能被灵敏地捕获，并反映为一个强的、具有/指纹0结构的圆二色谱吸收峰。在用NDA-鱼精蛋白配合物测量胰蛋白时，检测限低至10-14mol/L。随着生物传感器在生物医学、环境监测、食品、军事和过程监控等方面应用范围的扩大，对生物传感器提出了更高的要求。为了获得选择性好、灵敏度高、稳定性强、成本低的生物传感器，人们正着力于下面的研究与开发。功能材料是发展传感器技术的重要基础。由于材料科学的进步，人们可以控制材料的成分，从而设计与制造出多种用于传感器的功能材料。传感器的敏感元件性能除了由功能材料决定外，还与其加工工艺有关，集成加工技术、微细加工技术、薄膜技术等的引入有助于制造出性能稳定、可靠性高、体积小、重量轻的敏感元件。对于复杂体系多种组分的同时测定，生物传感器阵列提供了一种直接、简便的解决方法。人们正尝试用干涉、三维高速立体喷墨、光刻、自组装和激光解吸等技术发展多功能集成传感器，在尽可能小的面积上排列尽可能多的传感器。目前，国外市场上已有可同时测定血液中6种组分的便携式分析仪和可测定16种组分的固定式分析仪。

5.结语

本文对生物传感器的具体含义做出了具体的阐述。同时向读者具体阐述了生物传感器在食品、医药、军事方面的具体应用。从而使读者认识到生物传感器在科学中巨大的作用和不可替代的地位。同时，作者对未来生物传感器的发展做出了展望。针对生物传感器的具体特点，提出了未来的发展要求。这既为生物传感器的发展指明了方向，同时又为未来生物传感器可能出现的情况做出了具体的说明。