生物传感器

生物传感器生物传感器(biosensor)对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。

是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。

生物传感器具有接受器与转换器的功能。

目录简介解释定义分类生物研究结构原理应用领域应用实例简介生物传感器（biosensor）对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。

是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能结构器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。

生物传感器具有接受器与转换器的功能。

对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。

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）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[1]。

1967年S.J.乌普迪克等制出了第一个生物传感器葡萄糖传感器。

将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了葡萄糖传感器。

当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得检测其对应物的其他传感器。

固定感受膜的方法有直接化学结合法；高分子载体法；高分子膜结合法。

现已发展了第二代生物传感器（微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器），研制和开发第三代生物传感器，将系统生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器，90年代开启了微流控技术，生物传感器的微流控芯片集成为药物筛选与基因诊断等提供了新的技术前景。

由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能，只对特定反应起催化活化作用，因此生物传感器具有非常高的选择性。

缺点是生物固化膜不稳定。

生物传感器涉及的是生物物质，主要用于临床诊断检查、治疗时实施监控、发酵工业、食品工业、环境和机器人等方面。

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。

在未来21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，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。

[2]解释传感器是一种可以获取并处理信息的特殊装置，如人体的感觉器官就是一套完美的传感系统通过眼、耳、皮肤来感知外界的光、声、温度、压力等物理信息，通过鼻、舌感知气味和味道这样的化学刺激。

而生物生物传感器传感器是一类特殊的传感器，它以生物活性单元（如酶、抗体、核酸、细胞等）作为生物敏感单元，对目标测物具有高度选择性的检测器。

生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。

因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、在复杂的体系中进行在线连续监测，特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点，使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。

在国民经济的各个部门如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。

特别是分子生物学与微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术等新学科、新技术结合，正改变着传统医学、环境科学动植物学的面貌。

生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点，形成21世纪新兴的高技术产业的重要组成部分，具有重要的战略意义。

定义分类用固定化生物成分或生物体作为敏感元件的传感器称为生物传感器（biosensor）。

生物传感器并不专指用介绍生物传感器的书籍于生物技术领域的传感器，它的应用领域还包括环境监测、医疗卫生和食品检验等。

生物传感器主要有下面三种分类命名方式：[3]1．根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器（enzymesensor），微生物传感器（microbialsensor），细胞传感器（organallsensor），组织传感器（tis-suesensor）和免疫传感器（immunolsensor）。

显而易见，所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。

2．根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有：生物电极（bioelectrode）传感器，半导体生物传感器（semiconductbiosensor），光生物传感器（opticalbiosensor），热生物传感器（calorimetricbiosensor），压电晶体生物传感器（piezoelectricbiosensor）等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。

3．以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲和型生物传感器（affinitybiosensor）、代谢型或催化型生物传感器。

三种分类方法之间实际互相交叉使用。

生物研究[4]Open Journal of Applied Biosensor (OJAB) is an openly accessible journal published quarterly. The goal of this journal is to provide a platform for scientists and academicians all over the world to promote, share, and discuss various new issues and developments in different areas of Biosensor.应用生物传感器（OJAB）是一本季度性出版的开源期刊。

这本杂志的目的是提供一个平台，促进世界各地的科学家和学者，共享和讨论在不同领域的生物传感器各种新的问题和发展。

包括以下研究领域：Biological Materials生物传感器Biosensor ApplicationsBiosensor FabricationBiosensor Interfaces and Membrane TechnologyBlood Glucose BiosensorDNA ChipsInstrumentation, Signal Treatment andUncertainty Estimation in BiosensorsLab-on-a-chip Technology in BiosensorsMicrofluidic Devices in BiosensorsNanobiosensors and Nanotechnology Used in Biosensors结构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，结构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。

生物体中能够选择性地分辩特定物质的物质有酶、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等会产生相应的变化量。

根据这些变化量，可以选择适当的换能器。

生物化学反应过程产生的信息是多元化的，微电子学和现代传感技术的成果已为检测这些信息提供了丰富的手段。

应用领域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。

⑴食品成分分析生物传感器在食品工业中，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。

其它糖类，如果糖，啤酒、麦芽汁中的麦芽糖，也有成熟的测定传感器。

Niculescu等人研制出一种安培生物传感器，可用于检测饮料中的乙醇含量。

这种生物传感器是将一种配蛋白醇脱氢酶埋在聚乙烯中，酶和聚合物的比例不同可以影响该生物传感器的性能。

在目前进行的实验中，该生物传感器对乙醇的测量极限为1nmol/L。

⑵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盐含量，测定的线性范围为0～6的负四次方mol/L。

又如饮料、布丁、醋等食品中的甜味素，Guibault等采用天冬氨酶结合氨电极测定，线性范围为2×10的负五次方～1×10的负三次方mol/L。

此外，也有用生物传感器测定色素和乳化剂的报道。

⑶农药残留量分析人们对食品中的农药残留问题越来越重视，各国政府也不断加强对食品中的农药残留的检测工作。

Yamazaki等人发明了一种使用人造酶测定有机磷杀虫剂的电流式生物传感器，利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测定极限为10的负七次方mol，在40℃下测定只要4min。

Albareda等用戊二醛交联法将乙酞胆碱醋酶固定在铜丝碳糊电极表面，制成一种可检测浓度为10的负十次方mol/L的对氧磷和10的负十一次方mol/L的克百威的生物传感器，可用于直接检测自来水和果汁样品中两种农药的残留。

⑷微生物和毒素的检验食品中病原性微生物的存在会给消费者的健康带来极大的危害，食品中毒素不仅种类很多而且毒性大，大多有致癌、致畸、致突变作用，因此，加强对食品中的病原性微生物及毒素的检测至关重要。

食用牛肉很容易被大肠杆菌0157.H7.所感染，因此，需要快速灵敏的方法检测和防御大肠杆菌0157.H7一类的细菌。

Kramerr等人研究的光纤生物传感器可以在几分钟内检测出食物中的病原体（如大肠杆菌0157.H7.），而传统的方法则需要几天。

这种生物传感器从检测出病原体到从样品中重新获得病原体并使它在培养基上独立生长总共只需1天时间，而传统方法需要4天。

还有一种快速灵敏的免疫生物传感器可以用于测量牛奶中双氢除虫菌素的残余物，它是基于细胞质基因组的反应，通过光学系统传输信号。

已达到的检测极限为16.2ng/mL。

一天可以检测20个牛奶样品。

⑸食品鲜度的检测食品工业中对食品鲜度尤其是鱼类、肉类的鲜度检测是评价食品质量的一个主要指标。