化学学会评论

1、 化学学会评论生物传感器：传感与灵敏度本文是基于西奥菲勒斯红木奖牌和奖讲座，2012交付给英国皇家化学学会会议和爱尔兰，并提出了的生物传感器领域的个人概述。生物传感器产业现在价值数十亿美元，这个话题吸引了世界各地的国家计划的关注和成千上万的论文在该地区发表。这种过多的信息被浓缩成一个简明的帐户的关键成就。对成功的原因进行检查，一些更令人兴奋的新兴技术被强调，作者推测，生物传感器作为无处不在的未来的健康和维护的技术是很重要的的。主要学习要点尽管发表了大量的论文，生物传感器的领域，可能会被视为基本上包括两个广泛的类别的仪器：(a) 成熟，高通量实验室机能够快速、准确、方便的复杂生物的相互作用和成分

2、测量；（b）简单易用，由非专业人员使用的分散式的便携设备，原位或家庭的分析。前者是昂贵的，后者是大量生产和廉价的生物传感器在医学、制药、食品和过程控制、环境监测、国防和安全等方面的应用，但130亿美元的大部分市场是由医疗诊断，特别是糖尿病患者的血糖传感器驱动的。最明显的趋势可能会影响生物传感器是个性化医学的出现。电化学生物传感器目前占主导地位的领域，但主要集中在代谢产物监测，而生物亲和性进行监测主要采用光学技术。然而，传感器可随着压电、热、磁、微机械传感器在整个领域跨越。半合成和合成受体的出现，产生更强大的，灵活的和广泛适用的传感器，而纳米材料是促进高度敏感和方便的转换产生的结合和催化事件。不

3、断升级的医疗成本加上消费者的需求很有可能产生新一代廉价的穿戴，集成和微创传感器适合大规模生产，适合于大规模生产，以支持维护健康，照顾老人，药物开发和测试，和分布式诊断。 引言生物传感器是结合了生物传感元件的分析设备，他们利用复杂的生物分析测量与简单精致的灵敏度和特异性结合的生物传感器提供易于使用的格式。潜在的用途包含每一个可以想象的分析任务，从通过药物发现，食品安全，过程控制和环境监测的医疗诊断到国防和安全应用。在他的一个“酶电极的升级描述中，生物传感器的基本概念生物传感器的基本概念由Leyland C. Clark首次阐明。建立在Clark氧电极的最新发明，他认为电化学检测氧气或过氧化氢通过

4、适当的固定化酶的结合，可用于生物分析仪器的广泛范围的基础上。典型的例子是固定化葡萄糖氧化酶，它将一个简单的铂电极转换成一种功能强大的分析仪器，用于检测糖尿病患者的人体样品中的葡萄糖。二十年后，光学传感器可以与抗体结合创建实时的生物监测。这些免疫传感器为第二个主要的进化路线的传感仪器的奠定了基础。酶电极和生物传感器最初被实验室仪器效用发现，在制造业与介电电化学结合上提高，推出的酶为基础的系统沿着一个新的和非常成功的轨迹，家庭使用，这导致了目前超过130亿美元的营业额以及从事全世界主要的诊断公司。因此，电化学已经来占主导地位的分布式诊断，而光学技术已发现他们的利基主要在R&D。完成有关转导策略图，

5、声共振器件的进步当然值得注意，但温度和磁传导没有任何严重的实际影响。生物传感器领域的发展是显著的，当在该领域的主要期刊：生物传感器和生物电子学由 Elsevier在1985年发表时，一年的总发表在世界上约一百，它发表了约三十篇生物传感器论文，去年，有大约50千篇生物传感器上发表的论文，这代表超过10%的所有论文在这个主题上发表，顺便说一句，有趣的注意到，越来越多的这种文献由亚洲国家发表，现在占了约一半的论文发表在这上面以及与此密切相关的学科上。现在在欧洲这项工作正在减少，虽然来自美国的输出保持稳定。在这一点上，是需要道歉的，因为对于这些材料做出公平这显然是不可能的，这篇评论将呈现出关键技术员的

6、个人看法，一些关键技术的驱动程序以及生物传感器技术的应用和潜力。尽管发表的论文数量众多，生物传感器的领域可以被看作是基本上包括两个广泛的类别的仪器：（a）复杂的，高通量的实验室机器，能够快速，准确，方便的测量复杂的生物相互作用和组件；（b）易于使用的，由非专业人员使用的分散式的便携设备，前者是昂贵的，后者是大量生产和廉价的。生物监测：生物传感器的上述第一类是由Ingemar Lundstro m和他的团队在Linko ping大学和BIAcoret公司首创，然后从Pharmacia分拆出来并且现在由通用电气公司拥有。该装置的早期历史是被BIAcore工程师用一种出色的当代评论表现出来，其设计的

7、基本理念是可以在机器的后代看到基于表面等离子体共振（SPR）等检测技术，如谐振镜、衍射光栅干涉。SPR机器利用一个良好的物理现象通过全内反射光，接口光涂上薄薄的一层金属或半导体。这一事件在表面等离子体共振角度的平面偏振光激发依赖于折射率在金属界面（通常是黄金）与样品层。加入亲和素，如抗体、核酸序列或生物受体对生物结合的相互作用进行实时监测。制造这些工具的公司都相当重视优化固定化基质，精炼微流体，创造用户友好的软件。最终的结果是一系列非常成功的研究机器，在药物发现和生命科学研究中发现了特殊的用途。一些强有力的专利保护在固定化学使用硫醇固化羧基的羧甲基葡聚糖锚定到传感芯片表面，其次是乙酸（二甲基氨

8、基丙基）碳二亚胺（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）的葡聚糖基质使用所需的配体激活。这赋予了表面具有非常高的受体负载能力，良好的生物相容性并且充电效应可以帮助减少非特异性结合。考虑这些仪器的有点专业市场，对一次性芯片和仪器的价格仍然很高，而导致营业额保持温和，即在该地区的总额在每年1亿美元。然而，这个简单的数字掩盖了这些传感器的经济上的重要性，他们是一个非常重要的技术和生物医药产业。最近，在这部门出现了一个扩散的机器，它在可以理解的领域内找寻利用减少动物试验的压力和开发进步之间的压力，比如G蛋白偶联受体（GPCRs）、多能干细胞。鉴于他们在细胞生理学和病理生理学中的核心作用，800左右的人

9、类已知的G蛋白偶联受体长期以来一直是制药行业的一个关键目标。大约40%的上市药物靶蛋白和生物传感器为基础的筛选，在进一步阐明GPCR信号上发挥重要作用。原来的SPR仪器现在面临来自基于谐振波导光栅等光学仪器，比如粒化g EPIC和一系列的阻抗为基础的系统，这些无标签技术促进了激动剂，拮抗剂和逆激动剂的发现和表征，并为了药物发现提供了一个非常方便的工具。这样的结合分析出整个细胞传感器，这是简单的单一的文化固定在传感器测定生化需氧量（BOD）和演变成微合同印刷制作精良的芯片。干细胞技术的飞速发展提供了另一种技术的刺激。寻求产生人工器官的长期研究，在药物试验中使用适当的仪器的合成器官有一个更直接的应

10、用，这些替代动物测试已成为化妆品行业的一个先决条件，也可能对未来的药物发展产生重大影响。SPR设备也上升到需求的阵列与SPR成像引入传感。允许多个检测点同时监测。市场上的商业仪器能够测量900点和光激活肽合成可以提供2500个检测区域，现在的目标是达到7500同时检测的应用如表位作图和代谢组学。正如预料的那样，有各种不同的尝试降低仪器成本与SPR和类似的测量技术，一个值得注意的尝试是由德克萨斯仪器低廉的SPR芯片的介绍（美国）和几家公司都在数万美元的中档价格支架开发工具，与之相比，成千上万的要求购买高端机器，然而，到目前为止，随着典型的用户喜欢复杂的流体处理与易于使用和高吞吐量，这些更便宜的替

11、代品遇到了有限的成功。然而，在生物传感器研究社区，一个小小的革命，已与局部表面等离子体共振（LSPR）广泛采用的开发基于金纳米粒子。LSPR只需要一个光源和分光光度计测量从纳米材料或表面的反射光波长的变化。而对于SPR的等离子磁场的穿透深度是2001000 nm之间，这是1530 nm的LSPR。因此，散装影响有较小的影响。同时还负责电磁场增强支撑表面增强拉曼光谱，可以确定基于其独特的特定的目标分子的振动特性。LSP被创建时，纳米金属中自由电子的电磁辐射造成的粒子自由传导电子的电荷极化兴奋。根据自由电子的数量，局部介质的介电函数和介电系数产生强烈的光消光。消光的基础上的吸收和散射的组合，其中吸

12、收取决于颗粒的浓度和散射的颗粒浓度的平方成正比。振荡偶极子的最高吸收发生在他们的共振频率，这对于黄金纳米粒子，在于在非红外区域的光的频谱。确切的LSPR谱依赖于纳米颗粒的形状，大小，颗粒间的距离，介电性能，最重要的是，对周围介质的介电特性。这后者的属性起着关键的作用，在发展的生物传感器，以及通过修改的纳米颗粒的形状和大小的光谱的光谱特征的能力来定制。最经常的是，我们看到了金纳米棒用于这些系统，与硫醇修饰的金表面通过EDC/NHS化学添加固定化抗体、核酸适体或其他修饰核酸。各种金纳米结构进行了包括纳米棒、纳米环、纳米新月甚至纳米孔。一些最优雅的最近的电浆材料的工作已经在角纳米结构如立方体和金字塔

13、，作为边缘变得更清晰的增加。所以这样的收益敏感性亲和力分析比纳米棒、纳米球越可以稳定生物传感的目的与双层类脂膜的援助。虽然无标签检测是非常有吸引力的，由于其固有的简单性，标签和染料继续提供高灵敏度。例如，染料标记增强SPR，可以扩展能力的常规仪器检测和同时量化分子结合。在一个单一波长的多颜色分析可用于基因组学的部分测序或蛋白质组学研究。一个优雅的单细胞荧光的方法，适合于分散的应用，使用荧光编码微球，是最近在华盛顿海军研究实验室由弗兰集团出版的。他们用一个旋转的磁阱自动化临床样品的处理先于微仪定量病原体检测。对波形蛋白丝氨酸磷酸化检测另一种新的荧光生物传感器最近由郑某等人描述。他们描述了使用多色

14、的quenchbodies” 在carboxytetramethylrhodamine染料附着在N-端区域的单链抗体抗原结合时，这取决于去除淬火效果的内在的色氨酸残基。这种新的工作增加了一个广泛的文献描述非常敏感的光学实验，经常与波导器件相结合，为分布式诊断和环境监测提供实用的系统。无标记的亲和分析库同等重要的是，来压电和微机械器件。石英晶体微天平是一种行之有效的工具，当一个生物受体绑定了其互补的合作伙伴，可以监控相关的质量变化与空气或气体和复杂的粘弹性变化。工具设计已经细化到一个点，可靠的商业系统现在可以在市场上的研究和测量，例如，滥用毒品和炸药的边境控制。这些机器有资本的经验，从设计的SP

15、R仪器提供先进的技术、用户界面友好、易于使用的示例应用程序。在原则上，通过在更高的频率，表面声波器件也被用于气体传感器和生物传感器，特别是要利用在液体中提供的更高的灵敏度。 机械传感器的比较优势是最近由阿尔莱特等人回顾。他们强调用系统如振荡光束的装置，尤其是对于非特异性结合，在硅微加工所面临的挑战。巧妙的应用程序，规避这样的限制是一个权宜之计，如测量抗菌活性的微生物固定在振荡光束阵列的生长的比较。在这里，由于测量比较，非特异性结合已不再是一个主要的障碍。在实验优雅的极端结束时使用来自西尔伯贝格等人的论文的无标记技术。这个团队能够官能化一个200纳米针的抗体，用原子力显微镜插入一个活细胞并且衡量

16、解脱力。这几乎不是一个分布式诊断的一个例子，但说明了我们在生物传感器的研究应用上已经走了多远。这些研究人员能够使用他们的技术来研究细胞骨架干扰药物的效果，而观察到的影响，几乎检测不到使用光学或荧光的方法。糖尿病生物传感器：一个特殊的案例血糖管理的糖尿病的血糖测量包括约85%的世界市场的生物传感器。不管它是否真的值得追求，这一惊人的成功，都表明了该技术的实用性，并回避了这个问题。答案很大程度上取决于抱负。在投资一个高风险的发展项目中时，一个大公司通常需要看到一个超过1亿美元的市场。除了葡萄糖和妊娠试验，其他大规模的消费市场的廉价的生物传感器，迄今已被证明是难以捉摸的。然而，规模较小的公司已经满足

17、于追求市场规模较小的机会，要么为R开发生态位仪器。事实上，大多数生物传感器的创新是由初创企业，这已采取新的地面的风险，希望在中期或长期的贸易销售的一个温和的长期收入。这个经典的例子供家庭使用的是介导的安培型葡萄糖传感器的发展，第一个这样的设备进入市场，是由一个小的启动启动，最初由三人，被称为遗传学国际和后来的经营，这是在波士顿注册成立。它利用在克兰菲尔德和牛津高校的两组共同工作，给1987市场带来二茂铁介导的电化学特性。公司和技术最终被卖给了艾博特乔治（美国），在未来的市场上，用铁氰化钾介导葡萄糖氧化酶的版本，是Boehringer Mannheim（后来罗氏）利用技术从一个小公司购买美国所谓

18、的高大的橡树。紧随其后的是从另一个中小企业日本推出，京都第一化学（后来阿克雷），使用类似的介导的格式，但用毛细管填充从针刺样品的血液中绘制。许多原来的团队经营，然后加入医疗器械生产四分之一介导的系统，被约翰逊和约翰逊公司购买。这就是在葡萄糖传感市场所谓的“大四”。在它们中标占主导地位的90%的销售，当在拜耳从日本进口毛细管填充装置时完成了。这一经典案例展示了一个小的一群十几个科学家在一个小的、装备简陋的实验室里操作，可以为一个数十亿美元的产业播下种子。那么，我们能看到的基本要素是什么呢？回想起来，将这项技术成功地推动了商业成功？首先，是来自糖尿病社区的非凡的需求和需求。1990年年中，明确的证

19、据表明，随着出版的糖尿病控制和并发症试验，仔细监测和控制血糖可以减少与慢性糖尿病相关的可怕的副作用，即失明，截肢，肾脏和器官功能衰竭。需要每天监测血糖高达几次，驱使糖尿病患者寻求最便捷的技术，并且这种疾病的慢性性质使他们成为一个高度挑剔的客户。因此，相对温和的改进，被广泛赞赏，并以提供最佳的技术在这个有利可图的市场推动了比赛。那是什么技术？学术文献大部分学分设置二茂铁的电化学与家庭使用的安培型生物传感器现场，这是真的，该专利声称这个技术可以说是唯一一个真正经得起时间的考验。有趣的是，文件集中在四氯苯醌作为调解人和二茂铁只是作为原备案日期后几个月的补充文件。这也是真实的，铁氰化钾二茂铁为安培生物

20、传感器介质（在实验室分析仪器在1970年代后期由霍夫曼罗氏生产），随后成为商业成功的设备比例较大的介质选择。第二个技术驱动显然是机械制造。对经营设备之前，所有的商业传感器一直是手工制作，这几乎不是一个合适的方法来生产每年数十亿美元的一次性传感器。经营团队率先一次性生物传感器印上生产对苯二甲酸乙二醇酯（PET）丝网印刷适应性的基板。尽管其巨大的能动作用，这种生产技术没有专门的专利使用的球队，虽然他们在众多的后续专利从经营及其竞争对手声称部分特征。第三，有仪器设计。原来的MediSense ExacTech被容纳在一个笔形装置，仍然是一个最小的设备之一。事实证明的确是太小了，需要比市场能容纳更多的

21、灵活性和视觉敏锐性。最终成功的四分之一要素，不是来自于原来的经营团队，而是毛细管填充的概念。这个想法是由另一个贝德福德郡的实验室在英国申请专利， 提供了一种更方便的将小针刺血标本应用于感测条带的装置。然而，更重要的是，它减少了与蒸发的微小样品，它改变了液体的体积，引起冷却效果。这两个参数有非常显着的影响的设备的准确性。“shanks”毛细管填充专利随后赢得了联合利华的一小笔稿费，尽管公司本身不发射商业葡萄糖传感器进入这个市场。许多更多的创新遵循和这些主要在专利被记录，而不是传统的学术文献。这些包括巧妙的设计自动开关仪器时一条，以正确的方式在环境温度变化时，检测方法的样品引入装置和显示装置时是完

22、整的，有时是通过对这些参数的整合，往往通过粘度的间接测量，以弥补血血红蛋白含量的变的方式。介导的电流型葡萄糖传感器，现在被认为是一个成熟的产品，在许多公司，这意味着化学的进一步发展已陷入停滞，主要集中于从已经取得的投资收益的提取。然而，工程进展不断，已经有了一个主要的驱动器对进一步整合的采样，传感和数据处理这些设备的元素。商业产品现在可以在市场上提供的包装在磁盘，鼓的传感器上使用。因此，当他们每次要测量时，用户不再需要打开并单独的加载。取样的疼痛长期以来一直是一个障碍，病人的依从性和各种尝试已作出，用来减少与采取的血液样本的不适，并改善样品的转移到机器上。简述市场上提供的来自百利金技术公司（帕

23、洛阿尔托，美国）的产品，在使用电磁采样系统无痛采集的血液证明了足够数量的卖的太贵了。目前的国家的最先进的依赖于能够使测量非常小的血液样本(13 uL), 凸轮驱动的采血针、方便的人机工程学，如刺入装置的共定位。最近的一个重要的改进是信息技术的想象力的利用。这已经为众多有用的应用葡萄糖传感装置在一个插件辅助形式的iphonet一体化的创作。那么，为什么不打印整个设备？所有印刷锰氧化锌随着1-10毫安小时的容量的电池已经可以做功率微传感器和其它应用如RFID标签，透皮给药，化妆品补丁和智能打包。这些可作为商业产品如SoftBatterytfrom Enfucell公司（芬兰）。单色发光或反光的数字

24、显示可以同时在纸张上打印，要求围绕1-3 V代表一个反射型显示和110伏用于发射显示器。最近的一份报告描述了多种容易制造的有源矩阵显示器，特别适合于这种应用。电致变色显示像素与它们的相应的有机一起打印在PET基材的相对侧电化学晶体管，因而两种成分都有一个共同的电解质和导电聚合物。非易失性和灵活的存储器更多的基于铁电聚合物具有保留时间并且可批量生产。采用卷对卷技术生产和集成逻辑元件，传感器，电池和显示器在与保持趋势接口生物传感系统与电信薄膜铝或铜的触角也可用，在1千赫-1 GHz的范围内工作。所有印刷二极管在发展的高级阶段，电化学和电解质门控的OFET在0.51.5 V提供开关操作。这些的国家的

25、最先进的组合技术使我们能够制定一个全印传感。这里的一切是在一个简单的片材制造的仪器的PET层压成塑料外壳，形成信用卡状设备。在实践中，电路印刷技术落入要求有点短和硅的某个元素，技术仍然需要处理的信号，但是这可以减少到一分钟的芯片的尺寸，这样的工作的示范的一个例子如图2。植入式生物传感器和非侵入性的监控克拉克在他在1962年最初的论文中提到一种替代进化线到一次性带状传感器是植入式生物传感器。如通过Shichiriet人的针型皮下电极。然而，直到2005年，人们用糖尿病可以购买这些设备供个人使用。美敦力公司（美国）是第一家出售传感器连续进行血糖监测，这是销售作为。传感器自植入腹部和使用过氧化氢的古

26、典安培检测，葡萄糖氧化酶是产生葡萄糖的由催化氧化的结果。起初，这些传感器需要被每3天更换，并交付一个读数每5分钟，之后2小时是磨合期。在2006年，另一家美国公司，Dexcom推出与7天的使用年限传感器。可植入传感器已经为许多I型糖尿病（胰岛素依赖型糖尿病）和其他不能解决自己疾病的人所接受，但它们有严重的技术上的限制。美国联邦药物管理局（FDA）在作用于一个连续传感器的结果之前仍然要求一个指尖血样作用去管理胰岛素，而接上一个连续的传感器商用自动胰岛素泵是不允许的。在欧洲，一些自动化程度刚刚被批准，允许美敦力设备被用于关闭胰岛素如果血糖降得过低，以切断的胰岛素，因而可以避免低血糖的风险。这是对I

27、型糖尿病患者的最大的恐惧之一。这些传感器，非常有用的，但仍然是不够可靠的，问题的核心在于在体内植入一个有源器件的困难，完美的生物相容性从来没有实现，最好的植入物是由身体的耐受性。添加到这一点，要求保持一致的分析物的扩散，如葡萄糖穿过一个膜，虽然人体的多种防御机制在蛋白质中的传感器一个纤维囊，分析挑战可以开始被欣赏。电化学传感器的动态，催化设备运行消耗它们的靶基。如果这个分析是由身体不可预知的修正通道，其就会产生一个可靠的极其困难的连续的信号，这反映了真实的全身的葡萄糖浓度。 这些基本问题往往被热情的支持者的生物传感器和生物电子学系统，如生物燃料电池当在体内操作时，这是同样的问题。更具争议性的是

28、非侵入性血糖测量的替代区域，而有限的商业上的成功已经与微创技术如反离子透入法实现，使少量的间质液被皮肤中提取的，非侵入性的技术，如近红外光谱，迄今已证明是惨淡的商业失败。然而，这是营销人员的需求，谁清楚地确定，避免不得不采取血液样本将是一个范式转变的发展，数以百万计的，可能数十亿美元已花在追求这个梦想。三年前，我们进行了一项调查，并确定了96家公司，相信他们在两年内将在市场上的一种非侵入性的葡萄糖传感设备上市，而没有人成功地提供这一愿望。最近，Qualcomm Tricorder X奖已被宣布，提供1000万美元奖金的综合诊断技术，这一次可在消费者的移动设备，使用方便，将允许个人将健康知识和决

29、策融入到他们的日常生活。所面临的挑战包括糖尿病诊断为目标，并预计该设备是非侵入性的。在过去的20年中，许多技术已经被提出和发展，包括呼吸分析（包括粒子分析呼吸），皮肤挥发物，拉曼光谱，光学相干断层扫描，阻抗分析和智能纹身。然而，没有一个足够可靠的临床数据，这作者有信心在预测他们可能的成功。考虑到糖尿病市场的规模和重要性，改变范式的技术很快抓住了头条新闻，如果非侵入性监测成为可用的，它将信号在诊断行业的一个重大转变，而一个更具破坏性的技术可能存在与再生医学和多能性细胞。在接下来的十年里，球队正在寻求证明干细胞为基础的细胞替代治疗是有效和安全的治疗糖尿病的可能，及时进行血糖监测，完全多余的。公司如

30、ViaCyte公司（圣地亚哥，加利福尼亚）和betalogics（温哥华，加拿大）正致力于利用干细胞分化为胰岛细胞的前体，然后可以皮下或腹腔注入。它已被证明，这样的前体细胞成熟的内分泌细胞分泌胰岛素和其他激素在调节的方式来控制在小鼠的血糖水平。如果成功，在人类，这将有效地代表着一种cure”糖尿病会使人工胰腺（一个传感器连接到一个胰岛素泵）冗余。新兴技术已经写了很多关于葡萄糖传感器，由于他们在生物传感器领域的优势，但这个例子真的应该被视为在很大程度上是一个模型，可以复制数百个和潜在的成千上万的替代分析物。诚然，GOx已被证明是一个显着的有用的，多功能和强大的酶纳入生物传感器，但它已经被可选择性

31、的基于醌蛋白葡萄糖脱氢酶的蛋白质工程所替代。范围广泛的其他催化剂和亲和力的元素现在可用于传感器技术，使用电化学，光学或其他传感器技术，建立一个多样化的便携式和实验室的仪器。催化蛋白质的遗传操作结合最佳的氧化还原中心与蛋白质壳表现出最大的亲和力和特异性所需的代谢产物。同时，利用聚电解质和糖稳定干燥的试剂和产量稳定保质期长，稳定的艺术有所提高。电化学生物传感器在酶电极的形式上取得了最为显著的影响，电化学免疫分析法取得了一些显著的成果和一些次要的商业产品，一旦使用酶标签的初始概念已经建立，工人开始尝试各种生化放大计划。通过增加孵育时间和减少体积，极低浓度的分析物可以被记录在femtomolar甚至a

32、ttomolar范围。这些和其他标签为基础的技术借给自己掺入到的横向流格式，已成功地实现了怀孕测试带。在这一领域的商业应用，20年来严重下降由于原专利所有者所采取的积极立场，但现在，这些已经过期，我们看到许多系统推出了电化学，光学，甚至磁传感器，虽然后来没有辜负其令人兴奋的早期承诺。第二个重要的电化学免疫分析技术开发的场效应晶体管（FET）监测在晶体管的栅极从生化相互作用产生的电荷效应。这在1970年代末和80年初的原始工作经历了一个复兴的事情，最近的可用性刺激的纳米材料表现出非凡的电子性能如纳米线，使生物亲和性的相互作用的高灵敏检测。主体亲和素，抗体，也同样被修改，以减少多余的行李（抗体片段

33、），提高选择性（单克隆抗体），此外，选择的片段，形成多肽、核酸适体和分子印迹聚合物已成为构建亲和传感器的可行方式。特别是适体，因为他们同时发现在1990由拉里金和杰克绍斯塔克的团队吸引了相当多的关注以及andy ellington实验室技术的自动化。然而，更多的注意力集中在适体，这些随机选择的核酸结合序列也提供了一个强大的分析工具。现在古典工艺系统进化指数富集（SELEX）提供了新的具有约束力的合作伙伴，可以连接到电化学、光学、压电或其他微机械传感器，如振动梁结构，提供了一种新的多用途亲和传感器范围。这些化学合成的受体可以很容易修改，有固定到金表面可显示的构象变化，可以套在传导过程中或碳尾。当

34、良好的抗体是稀缺的或难以产生的，如在检测毒素的情况下，他们是特别有用的。虽然现在广泛用于医疗和环境传感器材料，SELEX过程本身是不完美的。由于体积的限制，SELEX经常只搜索about 1014 of a possible 1018 2060 mers，此外，非特异性的支持可能会发生，在过程中使用的聚合酶链反应往往不会放大二级结构。为了帮助提高适体的设计，我们最近报道了一项回顾性计算对接研究凝血酶适体（TBA）50-GGTTGGTGTGGTTGG-30。TBA的特异性相互作用通过两TT环原识别位点。我们用这种计算方法来确定观察SELEX为减少在潜在的粘合剂第一池筛选结构数量的第一步的结果，在

35、这方面，我们希望减少了找到一个适当的适体和增加找到最好的机会。另一个非免疫球蛋白，可用于传感器的作用，例如从细菌金黄色葡萄球菌的蛋白A免疫球蛋白结合B结构域。这个区域在模拟称为Z域遗传工程，通过诱变，进一步的修改，导致了一系列的高亲和性的分子，可作为亲和传感器和检测antibodies18替代品的生产。例如，我们已经取得了可喜的成果，使用这样的片段来检测过表达人表皮生长因子受体2（HER2），这是观察20%30%乳腺癌例。这样的半合成受体也可以组合使用，建立混合传感器的初始捕获分子的可能，例如一个适体，但第二识别元件如酶标单克隆抗体用于三明治格式来提高检测的特异性和灵敏度。这样的组合也可以结合

36、与磁性珠，以从复杂的媒体帮助分离，如血液，牛奶或混浊的环境样品。进一步从半合成生物受体完全合成的类似物可以提供新的传感器，显示所需的敏感性和特异性生物传感器产生，但在某些情况下，缺乏相应的不稳定性。已探索了多种合成受体用于此目的。但最有前途的方法是使用分子印迹聚合物。在共价和非共价形式中，在1970年代由古Gnther狼和klaus mosbach率先。这种模板辅助合成的形式可能终于到来了，基本概念是一个允许选择的功能性单体自组装周围的目标分析物。其次是聚合和随后除去所述模板。模板和可聚合的功能性单体之间的可逆的相互作用可能涉及可逆共价键，共价键聚合结合组，非共价相互作用通过模板切割活性，静电

37、相互作用和疏水相互作用或范德瓦尔斯激活。由此产生的结构包含空腔，它反映的目标物种的形状和化学功能，早期的工人生产的散装聚合物，必须在使用前先研磨，从而摧毁一些识别点提供可变的访问。此外，它往往是困难的，从散装聚合物除去模板，他们拥有一个范围的结合位点显示各种结合常数。虽然有一些作为一种亲和分离介质的效用，这些聚合物缺乏所需的更直接的分析应用。在该领域的主要进展是使用嫁接在传感器表面产生相对较薄的印迹层，纳米结构和一系列技术的发展创造了印迹聚合物纳米粒子，包括沉淀法、微乳液、微乳液和核壳乳液聚合，和核心壳接枝方法。这些印迹聚合物纳米粒子有效地表现为塑料抗体，提供接近一个单一的结合位点，每粒子和足

38、够小，是可溶的。然而，要找到广泛的适用性，它是必不可少的，有一个可靠的制造过程，结果在具有一致的属性的颗粒。最近的一篇论文报道了这样一种技术的基础上自动固相光反应器。在反应器的核心是固定的模板，它可以是一个小分子，多肽或蛋白质。这保证了表面铭印只形成纳米粒子的一面，模板可重复使用的后续批次的印迹聚合物的合成。反应器将模板合成与亲和分离相结合，从而保证了单克隆分子印迹纳米粒子的制备。批次100毫克的颗粒，可以在每个六小时周期内生产的模板，包括三聚氰胺(KD = 7 1010 M), 万古霉素(KD = 1.9 1010 M), 模型肽(5.5 1012 M)和各种蛋白质，利用SPR传感器测量得到

39、的亲和力表示。这种通用的方法自动合成的聚合物纳米颗粒在一致的和可重复的方式下提供monoclonal”质量材料这适用于作为抗体的直接替代和在各种应用中。它提供的合成速度和多个批次的聚合物纳米颗粒可以在连续的计算机控制下的24小时内产生。模板的再利用和内置的亲和分离，也确保一致的，经济和高品质的生产。 另一个相对较新的印迹的方法是特别有用的，因为把识别元件的薄膜电聚合物置于电化学传感器的表面。 精确控制薄层厚度的能力和它是在原位生成的事实使这种新的方法很有吸引力。在一些迄今未发表的作品中，我们发现肌钙蛋白传感器可以通过在肌钙蛋白作为模板的情况下，金电极上附有邻苯二胺的电聚合物的条件下制备。在 5

40、 mmol L1 K3Fe(CN)6中测量，所产生的电流与被分析物浓度成反比，因为测量结果取决于模板的电极表面的覆盖程度。由此产生的分子印迹肌钙蛋白生物传感器可用于心脏损伤的检测，在成本效益、储存稳定性、灵敏度和选择性方面有好处。甚至基因点突变的序列特异性的印记可以使用电聚合物。 Tiwari等人。描述了一个SS-DNA生物传感器，通过使用单链寡核苷酸（ss-ODNs）为模板和邻苯二胺为功能单体，在铟锡氧化物涂层的玻璃基板上制备电聚合物。14秒获得一个0.01-300FM的线性响，因此这提供一种用序列特异性聚合物电极检测p53基因点突变的方法。分子印迹最初获得牵引使用小分子作为模板，但最近的工

41、作已被证明较大的分子的技术的有用性，如表位印迹。在共同与其他抗体，如核酸适配体和肽阵列，印迹提供解决剧毒物等指标，很难提高抗体的能力。它还提供了一个解决问题的方法途径，如与自身免疫性疾病相关的自身抗体的检测，因为这些抗体会结合非特异性的任何抗体作为协议的一部分。大多数的印迹传感器，大多数的印迹传感器试图模仿免疫传感器，但一个有趣的可能性是一个人工酶电极的结构，其中被天然酶的分子印迹聚合物取代。贝尔蒂等，报道了准单维聚苯胺纳米结构增强的分子印迹聚合物传感。印迹模拟酪氨酸酶的活性位点结合纳米npedma聚合物层，从而介导的催化位点和电极之间的电子传导。聚合物纳米溅射金层对氧化铝多孔膜的一侧为模具。

42、电化学聚合苯胺单体的循环上的电压达到溅射膜，铝模，然后溶解在3 M NaOH三分钟，该系统表现出米凯利斯门顿动力学和竞争抑制性质类似的酪氨酸酶。在最近几年的文献中已经描述了大量的检测和传感器，但在作者的认知中，没有分子印迹传感器在市场上，虽然在英国的一家公司是已知的开发和制造的数量的麻醉气体的传感器。纳米技术的影响反思生物传感器发展的最后十年，人们可以清楚地看到纳米技术的影响，对电流型生物传感器的影响是第一个新的纳米材料的碳纳米管。这是融入一些配方提高电流密度和酶电极和酶标记免疫传感器的整体性能。安培酶电极受益于增强的反应NADH和过氧化氢在碳纳米管修饰电极和定向碳纳米管的forests”似乎

43、有助于直接电子转移的氧化还原中心的酶。目前为止，使用最广泛的纳米材料行业整体中使用最广泛的纳米材料是银纳米粒子。这些也被作为一个高度敏感的安培免疫用于分布式诊断和对发展中国家进行免疫一种廉价的解决方案，一个简单的电化学标签。在这种电化学夹心免疫分析法，银纳米粒子被用来作为一个强大的标签，结合反应发生后，采用硫氰酸盐，形成银螯合物。这可以被溶解。这种良性的化学取代早期的版本，使用积极的化学氧化剂，比如硝酸。一旦溶解，在一个单一使用的丝网印刷碳电极上的溶出伏安法，可以非常灵敏地确定银浓度。银胶体聚集体由于硫氰酸盐的存在和带负电荷的聚集体被碳电极的正电位预处理。CE与电极表面的直接接触，银氧化在0.

44、6 V形成可溶性的银离子的络合，立即由硫氰酸盐和接踵而至的阳极溶出伏安法检测。因此，分析物的浓度产生一个信号，这是直接正比于银的阳极溶出伏安峰。举一个例子，心脏标志物肌红蛋白被测量下降到3 ng mL-1,这与传统的酶联免疫吸附试验兼容。样品体积小于50毫升，可以处理和检测工作在混浊的解决方案，而不需要样品清理。各种其他的纳米粒子为基础的策略已被描述在文献中的电化学亲和试验，我们最近进行了综述，一些转导的类型主要包括电导、溶出伏安法、多量子点标记和分子信标。在电导的配置中，金属或导电聚合物的纳米颗粒被用于标记的微电极阵列上的结合相互作用和系统的电导或阻抗测量。黄金和银纳米粒子可以用于剥离模式，

45、如以上所述更详细。已有报道，通过电化学可以分别检测生物亲和反应中作为标记的镉，锌，铜等量子点。可以通过分子信号检测构象的改变。例如靶向适配体，在该设计中，二茂铁固定在适配体上。另一端连上核酸序列。设计开关模式键连适配体，通过二茂铁在电极表面的反应来检测构象改变。还可以制备纳米级来提高负载量和信号强度，也可以负载纳米金来提高传感器的性能。 目前，可以用纳米材料进行非标记电化学免疫测定。Justin Gooding的研究小组直接在纯牛奶中利用电化学免疫检测传感器检测兽药的残留物质。这种非标记的免疫传感器的检测限很低，而且线性范围也很宽。另一个电化学生物亲和型传感器的目标物是DNA，荧光检测DNA很

46、受关注。很多的电化学DNA传感器的目标都是与遗传疾病相关的单核苷酸多态或者是特定有机体内的DNA片段。其中已成功的建立了用氧化还原标记核苷酸，以此来检测键连或取代的电化学活性表达的方法，然而，还有一些可以提高灵敏性和专一性的方法。Nasef et al.描述了一种利用熔化曲线检测二茂铁功能化DNA在电极上的活性表达，随着温度的变化追踪氧化还原标记物。这种温度的调制提高了电化学测量方法。展示了瞬间产生额外的信息和提高信息质量的能力。这个策略可以用在其他体系中，找到可调控的第二个参数，产生简接的信息。延伸出一种可调控的传感开关。例如聚N-异丙基丙烯酰胺，就是一种温度响应的聚合物。温度响应聚合物也可

47、用于催化传感开关。这种策略可以发展为各式各样的传感器，检测各种人体内蛋白质和激素水平。 传感器技术已经发展到可以实现单分子检测， Hagan Bayley and his team率先提出的用DNA纳米孔技术进行DNA排序。这一观念可以追溯到19世纪，随后也得到了一些技术上的改观。基本的原理就是控制纳米孔的大小，使单一的核苷酸通过产生离子电流。之后进一步改进通过石墨烯片纳米孔，增加了信号强度，但是也会多一些干扰。目前，这项技术的挑战主要是如何在高速迁移的核苷酸和产生的微小电流之间建立联系。其中混合纳米结构，例如，纳米孔和纳米线组合检测场效应检测亲和反应是很有前景的尝试。不过如何精确控制纳米孔的

48、尺寸依然是待解决的难题。在医疗保健中生物传感的角色 随着对生物分析过程中轻便小型设备的需求，文献中相关的报道有很多。不过，无论是以前还是现在，生物传感在医疗保健中的应用还是最重要。技术和诊断是治疗和预防疾病的先决条件。其中食品安全和环境监测应该是中心目标。迫切希望医疗保健专家和志愿者们加强诊断力度。世界上1/4的死亡来源于传染疾病，尽管20年以来有所减少，但是其他的原因依然很流行。再发展中国家，之前每年有180万的人死于HIV/AIDS和肺结核，后来依然有1/3的世界人口受到了影响。尽管近几年该影响下降了2.2%，但是世界卫生组织2012年的数据显示全世界依然有140万人死亡。此外有250万的人死于腹泻感染和80万的人死于疟疾。2008年大概有5700万人死亡，其中3600万人死于非传染疾病。随着人口的增长以及寿命的延长。60岁以上人预计在2050将达到20亿。心血管疾病死亡人数将从2008年的1700万提高到2030年的2500万。癌症死亡人数将从760万提高到1300万。总的来说2030年非传染性疾病死亡人数将达到5500万