生物传感器技术及其应用

生物传感器技术及其应用一生物传感器技术简介二生物传感器基本分类及原理三生物传感器技术的应用四前景

随着生物技术的发展，生物检测技术广泛的应用到食品，环境，医学各个领域，如生物酶技术，PCR技术，生物传感器技术，生物芯片技术等，本文重点介绍生物传感器技术及其在各领域的应用。

生物感应器技术简介

生物传感器起源于20世纪中期，1962年，Clark和Lyons首次把嫁接酶法和离子敏感氧电极技术结合，研制了测定葡萄糖含量的酶电极，开创了生物传感器研究的先河。7O年代中期开始，生物传感器不再局限于生物反应的电化学过程，而是根据生物学反应中产生的各种信息(如热效应、光效应、场效应和质量变化等)来设计各种精密的探测装置。9O年代后生物传感器的市场开发获得显著成绩，以表面等离子体和生物芯片为代表的生物亲和传感器技术成为生物传感器发展的又一高潮。经过30多年的不断发展，生物传感器技术现已广泛应用在环境监测、食品分析、医疗保健、医药和军事医学等方面。

生物传感器的分类及原理分类根据传感器输出信号的产生方式：亲和型生物传感器、代谢型生物传感器、催化型生物传感器。根据生物传感器中信号检测器（分子识别元件）上的敏感物质分类：生物传感器可分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞及细胞器传感器、基因传感器、免疫传感器等。根据生物传感器的信号转换器分类：电化学生物传感器、半导体生物传感器、热学型生物传感器、光学型生物传感器、声学型生物传感器等。根据检测对象的多少：以单一化学物质为检测对象的单功能型生物传感器和同时检测微量多种化学物质的多功能型生物传感器。根据生物传感器的用途：免疫传感器、药物传感器等。基本原理生物传感器以生物活性材料(如酶、抗体、核酸、细胞等)作为敏感元件。生物传感器由生物识别元件(biore—ceptor)和换能器(transducer)两个部分组成。待测样品中被分析物经扩散进入固定化生物功能膜层，通过固定化生物功能分子对待测分子的识别作用发生生物或化学反应，引起某些物理量或化学量的变化，这些信息的变化经物理、化学及其它换能器转变成可定量和可处理的信号，并经信号放大器放大后输出，从而得出待测物的分析量。生物识别元件或称生物敏感膜(biosensitivemembrane)或生物功能膜(biofunctionmembrane)，是生物传感器的核心器件，其分子识别能力决定生物传感器的选择性和灵敏度，直接影响传感器的性能和质量。生物膜中固定的生物活性材料可以是酶、核酸、抗原和抗体、细胞及生物组织或它们的组合，随着相关技术的发展还引入了高分子聚合物模拟酶及人工合成的受体等，使生物识别元件的概念进一步延伸。换能器的作用则是将生物或化学反应过程中产生的各种信息转变成可方便测量的信号，反应的信息是多元化的，包括各种生物、化学和物理信息，现代电子学、微电子学及传感技术的成果为检测这些信息提供了丰富的手段。生物传感在线分析系统在食品安全上的应用

可用于食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析。

Rasooly等的用抗体作为检测器做成丁一个实时生物传感器，用于检测牛奶、热狗等食品的葡萄糖球菌肠毒素，灵敏度可达10—100ng／g，而且检测过程不

超过4min。陶涛等研制了一种检测蝮蛇毒的压电免传感器，用巯基丙酸在镀银电极石英晶体表面自组装巯基丙酸单分子膜，偶联抗蝮蛇毒球蛋白构建传感器探头，组成的检测器对蝮蛇毒响应良好。传感器最低检测浓度为0.1μg

／mL，检测限范围为O.1—5.0μg

／mL。

Vo1pe等以氧化酶为生物敏感材料，结合过氧化氢电极制备出的生物传感器，可通过测定鱼降解过程中产生的代谢物如：一磷酸肌苷(IMP)、次黄嘌呤(HX)、和肌苷(HXR)的浓度来评测鱼的新鲜度。

在医学领域中的应用生物传感技术因为专一、灵敏、响应快等特点为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法，具有广泛的应用前景。

zeng等将白血病单克隆抗体通过纳米金一蛋白A(Gold

NanopaIticle—labeledProteinA)固定在晶体表面，研制出临床检测急性白血病的石英晶体微天平免疫传感器，传感器为2×2型探针，经过技术改进的传感器能在5min内迅速检测出白血病样品，并可以动态地监测免疫反应过程。

在环境检测中的应用生物传感器能对污染物进行连续、快速、实时监测。

Timur等，以恶臭假单细胞菌——DSM50026细胞作为敏感元件研究出的测酚生物传感器，其工作原理为：假单细胞菌催化氧化酚，最终生成CO2和H2O。在此过程中的电子转移通过锇络合物传递给电极，从而根据电流变化检测环境中酚的浓度。

在军事领域中的应用生物战剂将是对国家安全造成严重威胁的高科技武器，其危险性仅次于核武器。所以，未来世界各国国防的重点将会侧重于研究简捷、迅速、便于野外作业的生物传感器，用于监测生物战剂。因此在军事上有着更为宽广的应用前景。

clareJTaylor等研发了两种受体生物传感器：烟碱乙酰胆碱受体生物传感器和某种麻醉剂受体生物传感器，在10s内，二者皆可侦检浓度级为10-9的生物战剂(流感病毒、黄热病毒、炭疽杆菌等)。在海湾战争中，美国海军成功使用DNA探针生物传感器检生物战剂。

前景生物传感器是多学科综合交叉的一门技术，主要的发展趋势是微型化、多功能化、智能化和集成化。