生物传感器产业现状和发展前景

生物传感器产业现状和发展前景

冯德荣

1.1 生物传感器概述

生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。它们的共同特征是：探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律,探讨应用于人类经济活动的基本方法。生物传感器技术的研究重点是：广泛地应用各种生物活性材料与传感器结合，研究和开发具有识别功能的换能器，并成为制造新型的分析仪器和分析方法的原创技术，研究和开发它们的应用。生物传感器中应用的生物活性材料对象范围包括生物大分子、细胞、细胞器、组织、器官等，以及人工合成的分子印迹聚合物(molecularly imprinied polymer，MIP)。由于研究DNA分子或蛋白质分子的识别技术已形成生物芯片（DNA芯片、蛋白质芯片）独立学科领域，本文对这些领域将不进行讨论。

生物传感器研究起源于20世纪的60年代，1967年Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧电极组装在一起，首先制成了第一种生物传感器，即葡萄糖酶电极。到80年代生物传感器研究领域已基本形成。其标志性事件是：1985年“生物传感器”国际刊物在英国创刊；1987年生物传感器经典著作在牛津出版社出版；1990年首届世界生物传感器学术大会在新加坡召开，并且确定以后每隔二年召开一次。

此后包括酶传感器的生物传感器研究逐渐兴旺起来，从用一种或多种酶作为分子识别元件的传感器，逐渐发展设计出用其他的生物分子作识别元件的传感器，例如酶—底物、酶—辅酶、抗原—抗体、激素—受体、DNA双螺旋拆分的分子等，把它们的一方固定化后都可能作为分子识别元件来选择地测量另一方。除了生物大分子以外，还可以用细胞器、细胞、组织、微生物等具有对环境中某些成分识别功能的元件来作识别元件。甚至可以用人工合成的受体分子与传感器结合来测定微生物、细胞和相关的生物分子。

与生物活性材料组合的传感器可以是多种类型的物理或化学传感器，如电化学（电位测定、电导测定、阻抗测定）、光学（光致发光、共振表面等离子体）、机械（杠杆、压电反应）、热（热敏电阻）或者电（离子或者酶场效应晶体管）等等。所有这些具有生物识别功能的组合体通称为生物传感器。

按期召开的世界生物传感器学术大会记录了生物传感器技术发展的历程，总汇了这一领域的发展新动向。例如1992年在德国慕尼黑“国际生物传感器流动注射分析与生物工艺控制”学术会议上对生物工艺控制和在线系统进行研讨，至今仍作为研究者攻关的课题。2004年在西班牙格拉纳达会展中心召开的第八届世界生物传感器大会可以说是世界生物分析系统领域的一次大的盛会［1］，参会代表人数和发表论文数量都创造了历史新高。共有700余名来自世界各地的学者参加了本届大会，第八届世界生物传感器大会涉及领域内容空前广泛，对9个专题进行了分组讨论。包括核酸传感器和DNA芯片、免疫传感器、酶传感器、组织和全细胞传感器、用于生物传感器的天然与合成受体、新的信号转导技术、系统整合/蛋白质组学/单细胞分析、生物电化学/生物燃料/微分析系统、商业发展和市场。其中，单分子/细胞分析和生物印迹生物传感器由于它们良好的发展态势及在生命科学研究中的重要位置成为与会学者讨论的热点问题。

1.2 中国生物传感器技术发展的过程

中国生物传感器研究始于20世纪八十年代初，从事生物传感器研究的科研机构有中国科学院微生物所、中国科学院上海生化所、上海冶金所、中国科学院武汉病毒所、华东理工大学和山东省科学院生物研究所等单位，直至今日，这些单位仍在生物传感器领域进行着创新研究和开发。最早展开生物传感器的研讨活动是1986年由中国微生物协会酶工程专业技术委员会组织的第一届工业生化及酶工程全国学术会议。中国酶工程专业技术委员对这一领域的国内外学术交流起到很好的作用，其活动包括定期召开的全国性酶工程学术会议和每隔二年一次的中日酶工程学术会议，其中生物传感器都是重要的研讨议题。

20世纪九十年代至今我国生物传感器研究队伍逐渐扩大，其标志之一是近10年来在中国国内期刊上发表的以生物传感器为关键詞的论文总数达到650篇，其中2003年的论文数量比1994年增加了约一倍(表3-30)。近十年的该领域专家的研究背景也从生物学扩大到化学和电子学。1999年这一领域主要研究单位和专家集体编撰的专著“中国生物传感器进展”一书在美国出版［2］，表明了生物传感器领域学科相互交叉的趋势。表3-31列出了我国生物传感器的有代表性的主要研究机构。

表3-30近十年来在中国期刊发表的生物传感器论文

年份1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 论文数量48 64 36 47 51 56 67 66 118 90 表3-31我国生物传感器领域的主要研究机构

单位研究方向

中国科学院微生物所临床诊断分析用生物传感器

中国科学院武汉病毒所生物传感器和生物芯片、分析用酶的分子工程，BOD微生物传

感器，手掌型血糖分析仪研制

山东省科学院生物研究所山东省生物传感器重点实验室主任固定化酶生物传感分析系统及其应用

生物传感在线分析系统、系列化生物传感分析仪器的制造技术、系列化固定化酶膜及配套试剂盒

清华大学生物技术系生物膜

重点实验室

用于分子识别分析的SPR生物传感器的研制和应用上海工业微生物研究所手掌型血糖分析仪研制和产业化

中国科学院上海生化所生物传感器技术的最新发展

中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室氢离子敏场效应管，仿生生物传感器，小型台式SPR测试仪,微全分析系统

上海冶金研究所生物传感器技术的最新发展

中国科学院长春应用化学所主编的中国生物传感器进展一书在美国出版，BOD微生物传感

器

基于化学修饰电极的电流型酶电极

华东师范大化学系基于化学修饰电极的电化学生物传感器

复旦大学化学系电化学的酶、组织、微生物传感器

湖南大学化工系组织、免疫传感器