生物传感器的应用及发展趋势

生物传感器的应用及发展趋势

摘要: 生物传感器是一类特殊的化学传感器，是以生物体成分（如酶,抗原,抗体,激素等）或生物体本身(细胞,微生物,组织等)作为生物体敏感元件,对被测目标物具有高度选择性的检测器件。生物传感器不仅广泛用于传统医学领域，推动医学发展，而且还在空间生命科学、食品工业、环境监测和军事等领域广泛应用。

关键词:生物传感器种类；原理；应用；趋势

一.生物传感器基本结构和工作原理

生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换能器）构成，以分子识别部

分去识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部分

是生物传感器选择性测定的基础。生物传感器通过物理，化学型信号转换器捕捉目标物

与敏感元件之间的反应，并将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来，从而得出

被测量。

生物体中能够选择性地分辨特定特质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识

别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原的结合、酶与基质的

结合。在设计生物传感器时，选择适合于测定对象的识别功能物质，是极为重要的前提；

要考虑到所产生的复合物的特性。根据分子识别功能物质制备的敏感元件所引起的化学变

化或物理变化，去选择换能器，是研制高质量生物传感器的另一重要环节。敏感元件中光、热、化学物质的生成或消耗会产生相应的变化量。根据这些变化量，可以选择适光的换能器。

二.生物传感器的分类及应用

1.酶生物传感器

酶传感器是生物传感器的一种，是利用生化反应所产生的或消耗的物质的量，通过电化学

装置转换成电信号，进而选择性地测定出某种成分的器件。酶生物传感器应用于检测血糖

含量，检测氨基酸含量，测定血脂，测定青霉素和浓度，测定尿素，测定血液中的酶含量

酶传感器中应用的新技术：纳米技术

固定化酶时引入纳米颗粒能够增加酶的催化活性，提高电极的响应电流值。首先，纳米颗

粒增强在载体表面上的固定作用；其次是定向作用，分子在定向之后，其功能会有所改善；第三，由于金、铂纳米颗粒具有良好的导电性和宏观隧道效应，可以作为固定化酶之间、

固定化酶与电极之间有效的电子媒介体，从而使得氧化还原中心与铂电极间通过金属颗粒

进行电子转移成为可能，酶与电极间可以近似看作是一种导线来联系的。这样就有效地提

高了传感器的电流响应灵敏度。孟宪伟等首次研究了二氧化硅和金或铂组成的复合纳米颗

粒对葡萄糖生物传感器电流响应的影响，其效果明显优于这=种纳米颗粒单独使用时对葡萄糖生物传感器的增强作用。其原因是纳米粒子具有吸附浓缩效应、吸附定向和量子尺寸颗

粒效应，复合纳米颗粒比单独一种纳米颗粒更易于形成连续势场，降低电子在电极和固定

化酶间的迁移阻力，提高电子迁移率，有效地加速了酶的再生过程，因此复合纳米颗粒可

以显著增强传感器的电流响应。

2.免疫传感器

免疫传感器应用于检测食品中的毒素和细菌，检测DNA 光纤，检测残留的农药，毒品和滥

用药物的检测。

原理：一旦有病原体或者其他异种蛋白(抗原)侵入某种动物体内，体内即可产生能识别这

些异物并把它们从体内排除的抗体。抗原和抗体结合即发生免疫反应，其特异性很高，即

是具有极高的选择性和灵敏度。免疫传感器就是利用抗原(抗体)对抗体(抗原)的识别功能

而研制成的生物传感器。使用光敏元件作为信息转换器，利用光学原理工作的光学免疫传

感器，是免疫传感器家族的一个重要成员。光敏器件有光纤、波导材料、光栅等。生物识

别分子被固化在传感器，通过与光学器件的光的相互作用，产生变化的光学信号，通过检

测变化的光学信号来检测免疫反应。

免疫传感器提高了灵敏度，降低了检测下限；减少分析时间；简化分析过程；设备小型化；测量过程自动化。光学免疫传感器可以高灵敏地检测免疫反应，并进行精细免疫化学分析。其中发展最迅速的是光纤免疫传感器，它除了灵敏度高、尺寸小、制作使用方便以外，还在于检测中不受外界电磁场的干扰。

3.DNA传感器

DNA传感器以DNA为敏感元件，通过换能器将DNA与DNA、DNA与RNA与DNA与其它有机无

机离子之间的作用的生物学信号转变为可检测的光、电、声波等物理信号。近年米，DNA

传感器在基因诊断、环境监控、药物研究等领域的应用研究受到广泛重视。

微生物对特定有机物的降解功能取决于其DNA 分子中具有的相应功能基因,如多环芳烃降

解基因、氨单加氧酶基因、有机磷水解酶基因、酚类化合物降解基因、脱色相关基因等。

研究环境微生物群落功能基因多样性分布与表达, 对了解微生物降解过程的本质具有重要

意义，同时某些特殊的功能基因也能作为检测特定微生物的靶基因。目前基因传感器的研

究主要是针对人体、动植物、土壤、水、食品等介质中病原菌、病毒和降解微生物的功能

基因的检测研究。

三．未来生物传感器发展趋势将在以下几个方面：

1.应用领域不断拓宽：由于生物传感器潜在的巨大优势,它必将向更广阔的应用范围发展。如向心理学方面发展。研制心理传感器,传感人们的心理活动,这对心理学、生理

学以及社会科学的研究都将有推动作用。此外,传感器在仿生学方面将有更大发展。光

导纤维可代替人的神经纤维,效应管生物传感器可起到细胞膜的作用。总之生物传感器

将向医学所有领域伸展。

2.小型化、集成化：未来的生物传感器将趋于小型化,向体内监测、在线监测的方向发展。已报道有植入体内的微小传感器实时监测血糖变化或通过病人脑电波的监测预知

癫痫的发作。同时芯片技术将愈加进入传感器, 实现检测系统的集成化、一体化。

3.智能化：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,采样、进样、结果一条龙,形成检测的自动化系统。

4.联用技术：生物传感器将不断与其它分析技术联用,如流动注射技术、色谱等,互相

取长补短。生物传感器必将在发展中不断完善,成为医学发展的巨大推动力。

四．结语：

生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域,它具有重要的理论意义和应用价值，它为生命科学的研究提供了一种新技术、新方法。尤其在医学领域中具有广泛的

应用前景和巨大的潜在价值，但作为一种新技术新方法,要其真正作为广泛普及的常规

分析检测仪器,还要经历一个长远的发展过程。相信随着一些关键技术(如固定化技

术) 的进一步完善,随着人们对生物体认识的不断深入, 随着各学科的不断发展, 生物

传感器在未来的医学上必将会有更大的作为。