生物感測器

生物感測器由分子識別部分（敏感元件）和轉換部分（換能器）構成：

• 以分子識別部分去識別被測目標，是可以引起某種物理變化或化學變化的主要功能元件。分子識別部分是生物感測器選擇性測定的基礎。

• 把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學換能器（感測器）

各種生物感測器有以下共同的結構：包括一種或數種相關生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學換能器（感測器），二者組合在一起，用現代微電子和自動化儀錶技術進行生物信號的再加工，構成各種可以使用的生物感測器分析裝置、儀器和系統。

生物感測器實現以下三個功能：

• 感受：提取出動植物發揮感知作用的生物材料，包括：生物組織、微生物、細胞器、酶、抗體、抗原、核酸、DNA等。實現生物材料或類生物材料的批量生產，反覆利用，降低檢測的難度和成本。

• 觀察：將生物材料感受到的持續、有規律的信息轉換為人們可以理解的信息。

• 反應：將信息通過光學、壓電、電化學、溫度、電磁等方式展示給人們，為人們的決策提供依據。

生物感測器具有接受器與轉換器的功能。對生物物質敏感並將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。

生物體中能夠選擇性地分辯特定物質的物質有酶、抗體、組織、細胞等。這些分子識別功能物質通過識別過程可與被測目標結合成複合物，如抗體和抗原的結合，酶與基質的結合。

在設計生物感測器時，選擇適合於測定對象的識別功能物質，是極為重要的前提。要考慮到所產生的複合物的特性。根據分子識別功能物質製備的敏感元件所引起的化學變化或物理變化，去選擇換能器，是研製高質量生物感測器的另一重要環節。敏感元件中光、熱、化學物質的生成或消耗等會產生相應的變化量。根據這些變化量，可以選擇適當的換能器。

生物化學反應過程產生的信息是多元化的，微電子學和現代感測技術的成果已為檢測這些信息提供了豐富的手段。

1967年S.J.烏普迪克等制出了第一個生物感測器葡萄糖感測器。將葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯醯胺膠體中加以固化，再將此膠體膜固定在隔膜氧電極的尖端上，便製成了葡萄糖感測器。當改用其他的酶或微生物等固化膜，便可製得檢測其對應物的其他感測器。固定感受膜的方法有直接化學結合法；高分子載體法；高分子膜結合法。現已發展了第二代生物感測器（微生物、免疫、酶免疫和細胞器感測器），研製和開發第三代生物感測器，將系統生物技術和電子技術結合起來的場效應生物感測器，90年代開啟了微流控技術，生物感測器的微流控晶元集成為藥物篩選與基因診斷等提供了新的技術前景。由於酶膜、線粒體電子傳遞系統粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗體膜對生物物質的分子結構具有選擇性識別功能，只對特定反應起催化活化作用，因此生物感測器具有非常高的選擇性。缺點是生物固化膜不穩定。生物感測器涉及的是生物物質，主要用於臨床診斷檢查、治療時實施監控、發酵工業、食品工業、環境和機器人等方面。

生物感測器是用生物活性材料（酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學換能器有機結合的一門交叉學科，是發展生物技術必不可少的一種先進的檢測方法與監控方法，也是物質分子水平的快速、微量分析方法。在未來21世紀知識經濟發展中，生物感測器技術必將是介於信息和生物技術之間的新增長點，在國民經濟中的臨床診斷、工業控制、食品和藥物分析（包括生物藥物研究開發）、環境保護以及生物技術、生物晶元等研究中有著廣泛的應用前景。

感測器是一種可以獲取並處理信息的特殊裝置，如人體的感覺器官就是一套完美的感測系統通過眼、耳、皮膚來感知外界的光、聲、溫度、壓力等物理信息，通過鼻、舌感知氣味和味道這樣的化學刺激。而生物感測器是一類特殊的感測器，它以生物活性單元（如酶、抗體、核酸、細胞等）作為生物敏感單元，對目標測物具有高度選擇性的檢測器。

⑴採用固定化生物活性物質作催化劑，價值昂貴的試劑可以重複多次使用，克服了過去酶法分析試劑費用高和化學分析繁瑣複雜的缺點。

⑵專一性強，只對特定的底物起反應，而且不受顏色、濁度的影響。

⑶分析速度快，可以在一分鐘得到結果。

⑷準確度高，一般相對誤差可以達到1%

⑸操作系統比較簡單，容易實現自動分析

⑹成本低，在連續使用時，每例測定僅需要幾分錢人民幣。

⑺有的生物感測器能夠可靠地指示微生物培養系統內的供氧狀況和副產物的產生。在產控制中能得到許多複雜的物理化學感測器綜合作用才能獲得的信息。同時它們還指明了增加產物得率的方向。

用固定化生物成分或生物體作為敏感元件的感測器稱為生物感測器（biosensor）。生物感測器並不專指用於生物技術領域的感測器，它的應用領域還包括環境監測、醫療衛生和食品檢驗等。生物感測器主要有下面三種分類命名方式：

1．根據生物感測器中分子識別元件即敏感元件可分為五類：酶感測器（enzymesensor），微生物感測器（microbialsensor），細胞感測器（organallsensor），組織感測器（tis-suesensor）和免疫感測器（immunolsensor）。顯而易見，所應用的敏感材料依次為酶、微生物個體、細胞器、動植物組織、抗原和抗體。

2．根據生物感測器的換能器即信號轉換器分類有：生物電極（bioelectrode）感測器，半導體生物感測器（semiconductbiosensor），光生物感測器（opticalbiosensor），熱生物感測器（calorimetricbiosensor），壓電晶體生物感測器（piezoelectricbiosensor）等，換能器依次為電化學電極、半導體、光電轉換器、熱敏電阻、壓電晶體等。

3．以被測目標與分子識別元件的相互作用方式進行分類有生物親和型生物感測器（affinitybiosensor）、代謝型或催化型生物感測器。

三種分類方法之間實際互相交叉使用。

生物感測器是一門由生物、化學、物理、醫學、電子技術等多種學科互相滲透成長起來的高新技術。因其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、在複雜的體系中進行在線連續監測，特別是它的高度自動化、微型化與集成化的特點，使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發展。

在國民經濟的各個部門如食品、製藥、化工、臨床檢驗、生物醫學、環境監測等方面有廣泛的應用前景。特別是分子生物學與微電子學、光電子學、微細加工技術及納米技術等新學科、新技術結合，正改變著傳統醫學、環境科學動植物學的面貌。生物感測器的研究開發，已成為世界科技發展的新熱點，形成21世紀新興的高技術產業的重要組成部分，具有重要的戰略意義。

生物感測器在食品分析中的應用包括食品成分、食品添加劑、有害毒物及食品鮮度等的測定分析。

⑴食品成分分析在食品工業中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和貯藏壽命的一個重要指標。已開發的酶電極型生物感測器可用來分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖。其它糖類，如果糖，啤酒、麥芽汁中的麥芽糖，也有成熟的測定感測器。

Niculescu等人研製出一種安培生物感測器，可用於檢測飲料中的乙醇含量。這種生物感測器是將一種配蛋白醇脫氫酶埋在聚乙烯中，酶和聚合物的比例不同可以影響該生物感測器的性能。在目前進行的實驗中，該生物感測器對乙醇的測量極限為1nmol/L。

⑵食品添加劑的分析

亞硫酸鹽通常用作食品工業的漂白劑和防腐劑，採用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料製成的電流型二氧化硫酶電極可用於測定食品中的亞硫酸鹽含量，測定的線性範圍為0～6的負四次方mol/L。又如飲料、布丁、醋等食品中的甜味素，Guibault等採用天冬氨酶結合氨電極測定，線性範圍為2×10的負五次方～1×10的負三次方 mol/L。此外，也有用生物感測器測定色素和乳化劑的報道。

⑶農藥殘留量分析

人們對食品中的農藥殘留問題越來越重視，各國政府也不斷加強對食品中的農藥殘留的檢測工作。

Yamazaki等人發明了一種使用人造酶測定有機磷殺蟲劑的電流式生物感測器，利用有機磷殺蟲劑水解酶，對硝基酚和二乙基酚的測定極限為10的負七次方mol，在40℃下測定只要4min。Albareda等用戊二醛交聯法將乙酞膽鹼醋酶固定在銅絲碳糊電極表面，製成一種可檢測濃度為10的負十次方mol/L的對氧磷和10的負十一次方mol/L的克百威的生物感測器，可用於直接檢測自來水和果汁樣品中兩種農藥的殘留。

⑷微生物和毒素的檢驗

食品中病原性微生物的存在會給消費者的健康帶來極大的危害，食品中毒素不僅種類很多而且毒性大，大多有致癌、致畸、致突變作用，因此，加強對食品中的病原性微生物及毒素的檢測至關重要。

食用牛肉很容易被大腸桿菌0157.H7.所感染，因此，需要快速靈敏的方法檢測和防禦大腸桿菌0157.H7一類的細菌。Kramerr等人研究的光纖生物感測器可以在幾分鐘內檢測出食物中的病原體（如大腸桿菌0157.H7.），而傳統的方法則需要幾天。這種生物感測器從檢測出病原體到從樣品中重新獲得病原體並使它在培養基上獨立生長總共只需1天時間，而傳統方法需要4天。

還有一種快速靈敏的免疫生物感測器可以用於測量牛奶中雙氫除蟲菌素的殘餘物，它是基於細胞質基因組的反應，通過光學系統傳輸信號。已達到的檢測極限為16.2ng/mL。一天可以檢測20個牛奶樣品。

⑸食品鮮度的檢測

食品工業中對食品鮮度尤其是魚類、肉類的鮮度檢測是評價食品質量的一個主要指標。Volpe等人以黃嗦吟氧化酶為生物敏感材料，結合過氧化氫電極，通過測定魚降解過程中產生的一磷酸肌苷(IMP)、肌苷(HXR)和次黃嘌吟(HX)的濃度，從而評價魚的鮮度，其線性範圍為5x10的負10次方～2x10的負4次方mol/L。

環境污染問題日益嚴重，人們迫切希望擁有一種能對污染物進行連續、快速、在線監測的儀器，生物感測器滿足了人們的要求。已有相當部分的生物感測器應用於環境監測中。

⑴水環境監測

生化需氧量(BOD）是一種廣泛採用的表徵有機污染程度的綜合性指標。在水體監測和污水處理廠的運行控制中，生化需氧量也是最常用、最重要的指標之一。常規的BOD測定需要5d的培養期，而且操作複雜，重複性差，耗時耗力，干擾性大，不適合現場監測。SiyaWakin等人利用一種毛孢子菌(Trichosporoncutaneum）和芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis）製作一種微生物BOD感測器。該BOD生物感測器能同時精確測量葡萄糖和谷氨酸的濃度。測量範圍為0.5～40mg/L，靈敏度為5.84nA/mgL。該生物感測器穩定性好，在58次實驗中，標準偏差僅為0.0362。所需反應時間為5～lOmin。

硝酸根離子是主要的水污染物之一，如果添加到食品中，對人體的健康極其有害。Zatsll等人提出了一種整體化酶功能場效應管裝置檢測硝酸根離子的方法。該裝置對硝酸根離子的檢測極限為7x10的負5次方mol，響應時間不到50s，系統操作時間約為85s。

此外，Han等人發明了一種新型微生物感測器，可用於測定三氯乙烯。該感測器將假單細胞菌JI104固定在聚四氟乙烯薄膜（直徑：25 mm，孔徑：0.45μm)上。再將薄膜固定在氯離子電極上。帶有AgCl/Ag2S薄膜(7024L,DKK,日本)的氯離子電極和Ag/AgCI參比電極連接到離子計(IOL-50,DKK,日本)上，記錄電壓的變化，與標準曲線對照，測出三氯乙烯的濃度。該感測器線性濃度範圍為0.1～ 4 mg/L,適於檢測工業廢水。在最優化條件下，其響應時間不到10min。

⑵大氣環境監測

二氧化硫(S02)是酸雨酸霧形成的主要原因，傳統的檢測方法很複雜。Martyr等人將亞細胞類脂類（含亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體）固定在醋酸纖維膜上，和氧電極製成安培型生物感測器，對S02形成的酸雨酸霧樣品溶液進行檢測，lOmin可以得到穩定的測試結果。

NOx不僅是造成酸雨酸霧的原因之一，同時也是光化學煙霧的罪魁禍首。Charles等人用多孔滲透膜、固定化硝化細菌和氧電極組成的微生物感測器來測定樣品中亞硝酸鹽含量，從而推知空氣中NOx的濃度。其檢測極限為0.01xl0負6次方mo1/L。

在各種生物感測器中，微生物感測器具有成本低、設備簡單、不受發酵液混濁程度的限制、可能消除發酵過程中干擾物質的干擾等特點。因此，在發酵工業中廣泛地採用微生物感測器作為一種有效的測量工具。

⑴原材料及代謝產物的測定

微生物感測器可用於測量發酵工業中的原材料（如糖蜜、乙酸等）和代謝產物（如頭孢黴素、谷氨酸、甲酸、醇類、乳酸等）。測量的裝置基本上都是由適合的微生物電極與氧電極組成，原理是利用微生物的同化作用耗氧，通過測量氧電極電流的變化量來測量氧氣的減少量，從而達到測量底物濃度的目的。

2002年，Tkac等人將一種以鐵氰化物為媒介的葡萄糖氧化酶細胞生物感測器用於測量發酵工業中的乙醇含量，13s內可以完成測量，測量靈敏度為3.5nA/mM。該微生物感測器的檢測極限為0.85nM，測量範圍為2～270nM，穩定性能很好。在連續8.5h的檢測中，靈敏度沒有任何降低。

⑵微生物細胞數目的測定

發酵液中細胞數的測定是重要的。細胞數（菌體濃度）即單位發酵液中的細胞數量。一般情況下，需取一定的發酵液樣品，採用顯微計數方法測定，這種測定方法耗時較多，不適於連續測定。在發酵控制方面迫切需要直接測定細胞數目的簡單而連續的方法。人們發現：在陽極(Pt）表面上，菌體可以直接被氧化併產生電流。這種電化學系統可以應用於細胞數目的測定。測定結果與常規的細胞計數法測定的數值相近。利用這種電化學微生物細胞數感測器可以實現菌體濃度連續、在線的測定。

醫學領域的生物感測器發揮著越來越大的作用。生物感測技術不僅為基礎醫學研究及臨床診斷提供了一種快速簡便的新型方法，而且因為其專一、靈敏、響應快等特點，在軍事醫學方面，也具有廣的應用前景。

⑴臨床醫學

在臨床醫學中，酶電極是最早研製且應用最多的一種感測器，已成功地應用於血糖、乳酸、維生素C、尿酸、尿素、谷氨酸、轉氨酶等物質的檢測。其原理是：用固定化技術將酶裝在生物敏感膜上，檢測樣品中若含有相應的酶底物，則可反應產生可接受的信息物質，指示電極發生響應可轉換成電信號的變化，根據這一變化，就可測定某種物質的有無和多少。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可製成微生物感測器，在臨床中應用的微生物感測器有葡萄糖、乙酸、膽固醇等感測器。若選擇適宜的含某種酶較多的組織，來代替相應的酶製成的感測器稱為生物電極感測器。如用豬腎、兔肝、牛肝、甜菜、南瓜和黃瓜葉製成的感測器，可分別用於檢測谷醯胺、鳥嘌呤、過氧化氫、酪氨酸、維生素C和胱氨酸等。

DNA感測器是目前生物感測器中報道最多的一種，用於臨床疾病診斷是DNA感測器的最大優勢，它可以幫助醫生從DNA,RNA、蛋白質及其相互作用層次上了解疾病的發生、發展過程，有助於對疾病的及時診斷和治療。此外，進行藥物檢測也是DNA感測器的一大亮點。Brabec等人利用DNA感測器研究了常用鉑類抗癌藥物的作用機理並測定了血液中該類藥物的濃度。

⑵軍事醫學

軍事醫學中，對生物毒素的及時快速檢測是防禦生物武器的有效措施。生物感測器已應用於監測多種細菌、病毒及其毒素，如炭疽芽孢桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等。

2000年，美軍報道已研製出可檢測葡萄球菌腸毒素B、蓖麻素、土拉弗氏菌和肉毒桿菌等4種生物戰劑的免疫感測器。檢測時間為3～lOmin，靈敏度分別為10，5Omg/L,5x10的5次方，和5x10的4次方cfu/ml。Song等人製成了檢測霍亂病毒的生物感測器。該生物感測器能在30min內檢測出低於1xlO的負5次方mol/L的霍亂毒素，而且有較高的敏感性和選擇性，操作簡單。該方法能夠用於具有多個信號識別位點的蛋白質毒素和病原體的檢測。

此外，在法醫學中，生物感測器可用作DNA鑒定和親子認證等。

各種類型的感測器有許多潛在的應用。在研究與商用領域對於生物感測器的需求主要來自於對於特定目標分子的辨別、生物識別成分的實用性以及在某些場合中優於實驗室技術的可以一次性使用的檢測系統。下面是一些實例：

應用於探測葡萄糖濃度

美國普渡大學等機構的研究人員製成了新型生物感測器，能夠以非侵入的方式進行糖尿病測試，探測出人體唾液和眼淚中極低的葡萄糖濃度。這項技術無需過於繁複的生產步驟，從而可降低感測器的製造成本，並可能幫助消除或降低利用針刺進行糖尿病測試的幾率。

概述

隨著生物科學、信息科學和材料科學發展成果的推動，生物感測器技術飛速發展。但是，目前，生物感測器的廣泛應用仍面臨著一些困難，今後一段時間裡，生物感測器的研究工作將主要圍繞選擇活性強、選擇性高的生物感測元件；提高信號檢測器的使用壽命；提高信號轉換器的使用壽命；生物響應的穩定性和生物感測器的微型化、攜帶型等問題。可以預見，未來的生物感測器將具有以下特點。

功能多樣化

未來的生物感測器將進一步涉及醫療保健、疾病診斷、食品檢測、環境監測、發酵工業的各個領域。生物感測器研究中的重要內容之一就是研究能代替生物視覺、嗅覺、味覺、聽覺和觸覺等感覺器官的生物感測器，這就是仿生感測器，也稱為以生物系統為模型的生物感測器。

微型化

隨著微加工技術和納米技術的進步，生物感測器將不斷的微型化，各種攜帶型生物感測器的出現使人們在家中進行疾病診斷，在市場上直接檢測食品成為可能。

智能化集成化

未來的生物感測器必定與計算機緊密結合，自動採集數據、處理數據，更科學、更準確地提供結果，實現採樣、進樣、結果一條龍，形成檢測的自動化系統。同時，晶元技術將愈加進入感測器，實現檢測系統的集成化、一體化。

低成本高靈敏度高穩定性高壽命

生物感測器技術的不斷進步，必然要求不斷降低產品成本，提高靈敏度、穩定性和壽命。這些特性的改善也會加速生物感測器市場化，商品化的進程。在不久的將來，生物感測器會給人們的生活帶來巨大的變化，它具有廣闊的應用前景，必將在市場上大放異彩。

生物感測器實用性

是生物體成分（酶、抗原、抗體、激素、DNA) 或生物體本身（細胞、細胞器、組織），它們能特異地識別各種被測物質並與之反應；後者主要有電化學電極、離子敏場效應晶體管（ ISFET ) 、熱敏電阻器、光電管、光纖、壓電晶體（PZ) 等，其功能為將敏感元件感知的生物化學信號轉變為可測量的電信號。

生物感測器按所用分子識別元件的不同，可分為酶感測器、微生物感測器、組織感測器、細胞器感測器、免疫感測器等；按信號轉換元件的不同，可分為電化學生物感測器、半導體生物感測器、測熱型生物感測器、測光型生物感測器、測聲型生物感測器等；按對輸出電信號的不同測量方式，又可分為電位型生物感測器、電流型生物感測器和伏安型生物感測器。微生物感測器是生物感測器的一個重要分支。1975 年Divies 製成了第一支微生物感測器，由此開闢了生物感測器發展的又一新領域。

在不損壞微生物機能情況下，可將微生物固定在載體上製作出微生物感測器。微生物感測器與酶感測器相比，它有以下特點：

⑴ 微生物的菌株比分離提純酶的價格低得多，因而製成的感測器便於推廣普及；

⑵ 微生物細胞內的酶在適當環境下活性不易降低，因此微生物感測器的壽命更長；

⑶ 即使微生物體內的酶的催化活性已經喪失，也可以因細胞的增殖使之再生；

⑷ 對於需要輔助因子的複雜的連續反應，用微生物則更易於完成

DNA生物感測器

DNA生物感測器是一種能將目標DNA的存在轉變為可檢測電信號的感測裝置。它由兩部分組成，一部分是識別元件，即DNA探針，另一部分是換能器。識別元件主要用來感知樣品中是否含有待測的目標DNA；換能器則將識別元件感知的信號轉化為可以觀察記錄的信號。通常是在換能器上固化一條單鏈DNA，通過DNA分子雜交，對另一條含有互補序列的DNA進行識別，形成穩定的雙鏈DNA，通過聲、光、電信號的轉換，對目標DNA進行檢測。

DNA生物感測器原理是通過固定在感測器或稱換能器探頭表面上的已知核苷酸序列的單鏈DNA分子和另一條互補的ss－DNA分子雜交，形成的雙鏈DNA會表現出一定的物理信號，最後由換能器反應出來。

皮膚生物感測器

驗血也許是目前跟蹤某些人體健康指標的常用方法，但美國軍方主導的一個新項目有可能改變監測健康狀況的方式。事實表明，人體血液中流動的健康指標有很多在汗液中也存在。

美國軍方的這個項目旨在開發出能對軍人汗液中的流動物質進行跟蹤的皮膚“生物感測器”，以監測他們的健康狀況，提升他們的表現。研究人員說，這種高技術裝置看上去和摸上去都像膠布繃帶，可以用來收集心率、呼吸頻率等實時測量數據。

這種感測器是一種被嵌入繃帶中的扁平狀電子晶元，其設計初衷是記錄可以下載到智能手機和電腦上的健康信息。美國軍方希望利用這種技術學會如何最有效地部署軍人，如何讓他們以最佳狀態投入戰鬥。