生物医学传感器的发展与应用综述

收稿日期：２００７－１０－２６作者简介：夏西泉（１９６９—），男，重庆市人，重庆电子工程职业学院，高级讲师，主要从事传感与检测技术、通信技术的教学与研究；曹毅（１９６７—），男，重庆市人，副教授，重庆城市管理职业学院电子信息工程系主任，主要研究方向为计算机网络通信、生物医学信息处理。

第１７卷第１期重庆职业技术学院学报Ｖｏｌ．１７Ｎｏ．１２００８年１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌ＆ＴｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅＪａｎ．２００８传感技术是当代科学技术发展的一个重要标志，它是现代生物医学、自动化检测、环境保护等应用领域不可缺少的功能器件，它与通讯技术、计算机技术并称为现代信息产业的三大支柱。

２１世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探索领域和空间的拓展，人们需要获得的电子信息种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息采集技术———传感技术必须跟上信息化发展的需要。

生物传感器是近几十年内发展起来的一种新的传感器技术。

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与信息科学之间发展起来的一个交叉学科。

１生物传感器的定义生物传感器定义为“使用固定化的生物分子（ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）结合换能器，用来侦测生体内或生体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置”。

生物传感器由两个主要关键部分所构成，一为来自于生物体分子、组织部分或个体细胞的分子辨认组件，此一组件为生物传感器信号接收或产生部分，另一为属于硬件仪器组件部分，主要为物理信号转换组件，主要是由电化学或光学检测元件（如电流、电位测量电极，离子敏场效应晶体管，压电晶体等）。

然而，随着当前各种新材料、新原理和新技术的不断发展，特别是微电子机械系统（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ，ＭＥＭＳ）技术和生物芯片技术的出现，目前生物传感器的概念已经跳出了原来狭义的圈子，扩展为以微型化、集成化、智能化和芯片化为特征的生物检测、处理的微系统。

２生物传感器的结构与原理２．１生物传感器的结构生物传感器由两个主要关键部分所构成，第一部分是识别部件，如酶、微生物、细胞或组织、抗原或抗体等；第二部分是转换部件，将其他物理量转换成电学量（电压或电流），如：温度转化为电压，力学压力量转换为电学量等。

其余为辅助部分，完成系统测量或控制的功能。

生物传感器的组成框图如图１所示。

２．２生物传感器的原理被测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别（特异性结合）后，发生物理或化学反应，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，再经信号处理单元处理后输出，便可知道待测物的相关信息。

３生物传感器的种类根据生物传感器组成部分（识别部分和转换部分）的材料或原理的不同，可以有以下不同的分类方法。

（１）按照其感受器中所采用的生命物质分类，可分为微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、ＤＮＡ传感器等。

生物医学传感器的发展与应用综述夏西泉１，曹毅２（１．重庆电子工程职业学院，重庆４０１３３１；２．重庆城市管理职业学院，重庆４０００５５）摘要：随着现代生物工程技术的发展和需要，生物医学传感器的研究与开发得到了长足发展，特别是微传感器及生化传感器是目前发展的前沿技术，本文对生物医学传感器的发展、原理、应用领域以及发展趋势等作了详细论述。

关键词：生物医学传感器；传感器；应用中图分类号：Ｑ－１文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－００６７（２００８）０１－０１４９－０４图１生物传感器结构框图（２）按照传感器器件检测的原理分类，可分为热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。

（３）按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型和代谢型两种。

４生物传感器的发展状况生物传感器的发展，自１９６２年Ｃｌａｒｋ和Ｌｙｏｎ两人提出酵素电极的观念以后，ＹＳＩ公司于２０世纪７０年代积极投入商品化开发与生产，开启了第一代生物传感器，于１９７９年投入医检市场，最早的商品为血糖测试用酵素电极。

ＹＳＩ公司的上市成功与２０世纪８０年代电子信息业的蓬勃发展有很密切的关系，并且一举带动了生物传感器的研发热潮。

Ｍｅｄｉｓｅｎｓｅ公司继续以研发第一代酵素电极为主，于１９８８年由于成功的开发出调节（ｍｅｄｉａｔｏｒ）分子来加速响应时间与增强测试灵敏度而声名大噪，并以笔型（Ｐｅｎ）及信用卡型（ｃｏｍｐａｎｉｏｎ）之便携式小型生物传感器产品，于１９８８年上市后立即袭卷７０％以上的第一代产品市场，成为生物传感器业的盟主。

第二代的生物传感器定义为使用抗体或受体蛋白当分子识别组件，换能器的选用则朝向更为多样化，诸如场效半导体（ＦＥＴ），光纤（ＦＯＳ），压晶体管（ＰＺ），表面声波器（ＳＡＷ）等。

虽然第二代的生物传感器自８０年代中期即开始引起广泛的研发兴趣，但一般认为尚未达医检应用阶段，预定相关技术须待世纪末前方能成熟。

目前可称得上第二代的生物传感器产品为１９９１年上市的瑞典商Ｐｈａｒｍａｃｉａ所推出的ＢＩＡｃｏｒｅ与ＢＩＡｌｉｔｅ两项产品。

Ｐｈａｒｍａｃｉａ公司于１９８５年成功开发出表面薄膜共振技术（ＳＰＲ，ＳｕｒｆａｃｅＰｌａｓｍａＲｅｓｏｎａｎｃｅ），利用这一光学特性开发出可以于１０－６ｇ／ｍｌ到１０－１１ｇ／ｍｌ之低浓度下，进行生物分子间交互作用的实时侦测式生物感测仪器。

第三代的生物传感器定位则更具携带式、自动化、与实时测定功能。

随着现代微电子技术的发展，生物传感器也广泛采用了这一技术，具有代表性的是基于ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ）的生物微传感技术（Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ）。

生物微传感器的制备技术主要依托于ＭＥＭＳ制作技术，包括硅基微加工技术（如硅微电子平面加工技术、体微加工技术和表面微加工技术）、Ｘ射线光刻和深紫外光刻（ＬＩＧＡ）、能束加工技术，超精密加工技术以及集成组装技术等。

另外，生物微传感技术还包括生物化学技术和信号处理技术等。

目前，基于ＭＥＭＳ工艺的生物微传感器的研究已经有许多报道，其中以酶传感器的研究较为成熟，ＤＮＡ传感器的研究在不断深入，免疫传感器的研究则处于起步阶段。

生物微传感器所采用的信号转换器件中，以微悬臂梁、微电极、微型体声波谐振器和生物敏场效应晶体管最为典型。

５生物传感器在当前的主要应用领域５．１生物医学上的应用５．１．１基础研究生物传感器可实时检测生物大分子之间相互作用。

借助于这一技术动态观察抗原、抗体之间结合与解离的平衡关系，可较为准确地测定抗体的亲和力及识别抗原表位，帮助人们了解单克隆抗体特性，有目的地筛选各种具有最佳应用潜力的单克隆抗体，而且较常规方法省时、省力，结果也更为客观可信，在生物医学研究方面已有较广泛的应用。

５．１．２临床应用一些有临床诊断意义的基质（如血糖、乳酸、谷氨酰胺等）都可借助于生物传感器来检测。

血药浓度的检测能指导临床治疗，从经验性治疗转向科学性治疗。

这项工作的开展能减小药物的毒副作用，防止毒效发生，但要想开展好这项工作，必须具有科学的测试手段。

葡萄糖酶传感器现已广泛应用于血液里葡萄糖的检测中。

乳酸是肌肉连续运动的代谢产物，过多积累意味着疲劳，研究基础代谢和运动生理时都需要进行乳酸测定。

乳酸测定仪是迄今最成功的商品酶传感器之一。

５．１．３生物医药利用生物工程技术生产药物时，将生物传感器用于生化反应的监视，可以迅速地获取各种数据，有效地加强生物工程产品的质量管理。

生物传感器已在癌症药物的研制方面发挥了重要的作用。

如将癌症患者的癌细胞取出培养，然后利用生物传感器准确地测试癌细胞对各种治癌药物的反应，经过这种试验就可以快速地筛选出一种最有效的治癌药物。

５．２环境监测中的应用生物传感器在环境监测中的一个重要应用是水质分析，测定环境污染指标生化需氧量———ＢＯＤ（ＢｉｏｃｈｅｍｉｃａｌＯｘｙｇｅｎＤｅｍａｎｄ，生成需氧量）。

众所周知，ＢＯＤ是衡量水质受有机物污染程度的指标，同时也是污水处理工程的重要设计参数。

传统测量ＢＯＤ的方法所需时间长、操作复杂、准确度低，无法进行现场快速检测和连续在线分析，且需要昂贵仪器。

ＢＯＤ传感器由固定化微生物膜和氧电极组成，制备时，用醋酸纤维素（或聚四氟乙烯、聚乙烯）将微生物固定并制成微生物膜，将此膜紧贴在氧电极的透气膜上即可。

采用这种传感器测定水样，一般只需１５ｍｉｎ，且重现性好，线性响应范围宽。

微生物传感器也可监测ＣＯ２、ＮＯ２、ＮＨ３、ＣＨ４之类的气体。

如发酵工艺排水中ＮＨ３的测定传统方法多使用玻璃电极，但它易受挥发性氨或离子的影响，于是有人研制出微生物传感器来测定ＮＨ３。

所用的微生物包括硝化单胞菌和硝化杆菌，将它们吸附在多孔醋酸纤维素膜上，然后把此微生物膜紧贴在氧电极端部，并在其上覆盖一层透气膜即制成测定ＮＨ３的微生物传感器。

该传感器测量的线性范围为０．１～４２ｍｇ／Ｌ，相对误差为±４％，整个测量过程只需几分钟，用于农药和抗生素残留量的分析。

随着科学的发展，不断重庆职业技术学院学报第１７卷１５０夏西泉，等：生物医学传感器的发展与应用综述第１期有新的农药和抗生素用于农牧业，它们在给人类带来财富的同时，也给人类带来了危害。

所以对农药和抗生素残留量的测定，各国政府一向都非常重视。

近年来，人们就生物传感器在该领域中的应用做了一些探索，如Ｓｔａｒｏｄｕｂ等分别用乙酰胆碱脂酶（ＡＣｈＥ）和丁酰胆碱脂酶（ＢＣｈＥ）为敏感材料，制作了离子敏场效应晶体管酶传感器，两种传感器均用于蔬菜等样品中有机磷农药ＤＤＶＰ和伏杀磷等的测定，检测限为１０－７～１０－５ｍｏｌ／Ｌ。

５．３食品、医药工业中的应用在食品和医药工业中，为保证产品质量，必须实现生产过程的自动监控。

以发酵生产啤酒为例，为确保啤酒的质量，必须对啤酒中的几种主要成分进行在线监测。

生物传感器已用于啤酒中乙醇的检测，这种传感器由固定的微生物膜和氧电极组成，当它与乙醇溶液接触时，膜上的微生物具有把乙醇分解成碳酸气和水的功能，在反应中消耗了氧，由氧电极测出氧的消耗，进而测出样品中乙醇的浓度。

鲜度是评价食品品质的重要指标之一，通常用人的感观检测，主观性强，个体差异大，所以人们一直在寻找客观的理化指标来代替。

Ｖｏｌｐｅ等以黄嘌呤氧化酶为生物敏感材料，结合过氧化氢电极，通过测定鱼降解过程中产生的一磷酸肌苷（ＩＭＰ）、肌苷（ＨＸＲ）和次黄嘌呤（ＨＸ）的浓度，从而评价鱼的鲜度。

在医药工业上，一般采用发酵工艺生产谷氨酸，因此需要快速、连续、自动地测定发酵生成物浓度，以便进一步提高产率。