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生物傳感器

概述

生物傳感器（biosensor），是一種對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質）、適當的理化換能器（如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構成的分析工具或系統。生物傳感器具有接受器與轉換器的功能。

工作原理

生物傳感器由分子識別部分（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傳感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（傳感器）

各種生物傳感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（傳感器），二者組合在一起，用現代微電子和自動化儀表技術進行生物信號的再加工，構成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統。

生物傳感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，反復利用，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。

應用

生物傳感器是一門由生物、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、在復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、制藥、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。生物傳感器的研究開發，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。

1、食品工業

生物傳感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傳感器可用來分析白酒、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，也有成熟的測定傳感器。

Niculescu等人研制出一種安培生物傳感器，可用于檢測飲料中的乙醇含量。這種生物傳感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傳感器的性能。在目前進行的實驗中，該生物傳感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，采用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料制成的電流型二氧化硫酶電極可用于測定食品中的亞硫酸鹽含量，測定的線性范圍為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等采用天冬氨酶結合氨電極測定，線性范圍為2×10的負五次方——1×10的負三次方 mol/L。此外，也有用生物傳感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傳感器，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堿醋酶固定在銅絲碳糊電極表面，制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的克百威的生物傳感器，可用于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御大腸桿菌0157.H7一類的細菌。Kramerr等人研究的光纖生物傳感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。這種生物傳感器從檢測出病原體到從樣品中重新獲得病原體并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傳感器可以用于測量牛奶中雙氫除蟲菌素的殘余物，它是基于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，其線性范圍為5x10的負10次方——2x10的負4次方mol/L。

2、環境監測

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，生物傳感器滿足了人們的要求。已有相當部分的生物傳感器應用于環境監測中。

⑴水環境監測

生化需氧量（BOD）是一種廣泛采用的表征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，而且操作復雜，重復性差，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）制作一種微生物BOD傳感器。該BOD生物傳感器能同時精確測量葡萄糖和谷氨酸的濃度。測量范圍為0.5——40mg/L，靈敏度為5.84nA/mgL。該生物傳感器穩定性好，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傳感器，可用于測定三氯乙烯。該傳感器將假單細胞菌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。該傳感器線性濃度范圍為0.1—— 4 mg/L,適于檢測工業廢水。在最優化條件下，其響應時間不到10min。 [3]

⑵大氣環境監測

二氧化硫（S02）是酸雨酸霧形成的主要原因，傳統的檢測方法很復雜。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，和氧電極制成安培型生物傳感器，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傳感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。

3、發酵工業

在各種生物傳感器中，微生物傳感器具有成本低、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采用微生物傳感器作為一種有效的測量工具。

⑴原材料及代謝產物的測定

微生物傳感器可用于測量發酵工業中的原材料（如糖蜜、乙酸等）和代謝產物（如頭孢霉素、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。

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，采用顯微計數方法測定，這種測定方法耗時較多，不適于連續測定。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并產生電流。這種電化學系統可以應用于細胞數目的測定。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傳感器可以實現菌體濃度連續、在線的測定。

4、醫學

醫學領域的生物傳感器發揮著越來越大的作用。生物傳感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，酶電極是最早研制且應用最多的一種傳感器，已成功地應用于血糖、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，可制成微生物傳感器，在臨床中應用的微生物傳感器有葡萄糖、乙酸、膽固醇等傳感器。若選擇適宜的含某種酶較多的組織，來代替相應的酶制成的傳感器稱為生物電極傳感器。如用兔肝、牛肝、甜菜、南瓜和黃瓜葉制成的傳感器，可分別用于檢測谷酰胺、鳥嘌呤、過氧化氫、酪氨酸、維生素C和胱氨酸等。

DNA傳感器是目前生物傳感器中報道最多的一種，用于臨床疾病診斷是DNA傳感器的最大優勢，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，有助于對疾病的及時診斷和治療。此外，進行藥物檢測也是DNA傳感器的一大亮點。Brabec等人利用DNA傳感器研究了常用鉑類抗癌藥物的作用機理并測定了血液中該類藥物的濃度。

分類

生物傳感器并不專指用于生物技術領域的傳感器，它的應用領域還包括環境監測、醫療衛生和食品檢驗等。生物傳感器主要有下面三種分類命名方式：

1.根據生物傳感器中分子識別元件即敏感元件可分為五類：酶傳感器（enzymesensor），微生物傳感器（microbialsensor），細胞傳感器（organallsensor），組織傳感器（tis-suesensor）和免疫傳感器（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.根據生物傳感器的換能器即信號轉換器分類有：生物電極（bioelectrode）傳感器，半導體生物傳感器（semiconductbiosensor），光生物傳感器（opticalbiosensor），熱生物傳感器（calorimetricbiosensor），壓電晶體生物傳感器（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傳感器（affinitybiosensor）、代謝型或催化型生物傳感器。

三種分類方法之間實際互相交叉使用。

選型指南

1、根據測量對象與測量環境確定傳感器的類型

要進行—個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大小;被測位置對傳感器體積的要求;測量方式為接觸式還是非接觸式;信號的引出方法，有線或是非接觸測量;傳感器的來源，國產還是進口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。

2、靈敏度的選擇

通常，在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的廠擾信號。

傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器;如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

3、根據測量對象與測量環境確定傳感器的類型

要進行—個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大小;被測位置對傳感器體積的要求;測量方式為接觸式還是非接觸式;信號的引出方法，有線或是非接觸測量;傳感器的來源，國產還是進口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。

4、靈敏度的選擇

通常，在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的廠擾信號。

傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器;如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

5、穩定性

傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩定性。影響傳感器長期穩定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環境。因此，要使傳感器具有良好的穩定性，傳感器必須要有較強的環境適應能力。

在選擇傳感器之前，應對其使用環境進行調查，并根據具體的使用環境選擇合適的傳感器，或采取適當的措施，減小環境的影響。

傳感器的穩定性有定量指標，在超過使用期后，在使用前應重新進行標定，以確定傳感器的性能是否發生變化。

在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標定的場合，所選用的傳感器穩定性要求更嚴格，要能夠經受住長時間的考驗。

6、精度

精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關系到整個測量系統測量精度的一個重要環節。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。

如果測量目的是定性分析的，選用重復精度高的傳感器即可，不宜選用量值精度高的;如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設計制造傳感器。自制傳感器的性能應滿足使用要求。

注意事項

生物傳感器是一類特殊的傳感器，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采用固定化生物活性物質作催化劑，價值昂貴的試劑可以重復多次使用，克服了過去酶法分析試劑費用高和化學分析繁瑣復雜的缺點。

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有的生物傳感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復雜的物理化學傳感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。

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