生物传感器的应用现状及发展前景

生物传感器的应用现状及发展前景

摘要：到来后，获取准确可靠的信息对现代化生产有着重大作用，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。其中生物传感器早已渗透到国民经济的各个部门如食品、制药、、、环境监测等方面。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点。相信不久的将来，生物传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

关键词：生物传感器、应用、前景

一、传感器概述

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由和转换元件组成”。

随着的到来，世界开始进入。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

传感器早已渗透到工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等各个领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

由此可见，在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

传感器的特点主要有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。

常见传感器有、、、、、、、以及等。

二、生物传感器概述

生物传感器是用生物活性材料（酶、、、抗体、抗原等）与换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。

1967年.乌普迪克等制出了第一个生物传感器--葡萄糖传感器。将包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了这种葡萄糖传感器。

生物传感器的分类：

⑴按照感受器生命物质分类，可分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、、DNA传感器等等。

⑵按照传感器检测原理分类，可分为：热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。

⑶按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型和代谢型两种。

生物传感器的特点：

⑴采用固定化生物活性物质作催化剂，试剂可以重复使用，克服了过去试剂费用高和步骤繁琐复杂的缺点。

⑵专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。

⑶分析速度快，可以在一分钟得到结果。

⑷高，一般可以达到1%。

⑸比较简单，容易实现自动分析。

⑹成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。

⑺有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。在生产控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。同时它们还指明了增加产物得率的方向。

改进方向：

尽管生物传感器技术己经有了50多年的发展历史，但离大规模的产业化仍然有一些问题需要进一步的研究，至少应从以下几个方面来改善它的性能：

1)稳定性：传感器表面固定化的生物材料易失活，重现性差。因此，在设计时一方面要高要求的选择生物敏感元件，另外，要采用对生物活性单元有稳定作用的介质克服生物材料的易变性，因此生物材料在传感器表面的固定化技术一直是研究的重点。

2)选择性：一是要降低生物活性单元与信号转换器之间的联系以减少干扰，二是要改善新的活性单元以增加其对目标分子的亲和力，从而提高生物传感器的选择性；

3)再生性：虽有一些研究表明在实验室可以通过一些方法对传感器进行表面的处理，但在实际的在线检测中还需要进一步的研究；4)经济性：生物传感器所需的费用较高，如果能批量生产以及循环使用可以大大降低它的使用成本，提高使用效率。

三、生物传感器的应用

生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、在复杂的体系中进行在线连续监测，特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点，使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。

在国民经济的各个部门如食品、制药、、临床检验、、环境监测等方面有广泛的应用前景。生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点，形成21世纪新兴的高技术产业的重要组成部分，具有重要的战略意义。

生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、、有害毒物及食品等的测定分析。如利用酶电极型生物传感器测定食物中葡萄糖的含量；采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型酶电极测定食品添加剂中的亚硫酸盐含量；使用人造酶测定的电流式生物传感器，对；利用生物传感器检测食物中的等等。

生物传感器在环境监测中的应用包括对水环境和大气环境的监测。如利用测定工业废水的BOD；将类脂类（含亚硫酸盐氧化酶的肝微粒体）固定在醋酸纤维膜上，和氧电极制成安培型生物传感器，对S02形成的溶液进行检测。

生物传感器在发酵工业中的应用包括对原材料、代谢产物的测定和微生物细胞数目的测定。如利用酶细胞生物传感器测定原材料、等或代谢产物头孢霉素、、等；利用电化学微生物细胞数传感器实现菌体浓度连续、在线的测定。

生物传感器在医学中的应用涉及临床医学、军事医学和法医学。如应用对血糖、乳酸、维生素C、等物质的检测；利用生物传感器监测多种细菌、病毒及其毒素，如、、埃博拉出血热病毒等；以及用作DNA鉴定和亲子认证等。

四、生物传感器的发展前景

随着、信息科学和材料科学发展成果的推动，生物传感器技术飞速发展。

英国纽卡斯尔大学科学家研发了可用于检测肿瘤蛋白以及耐药性MASA细菌的微型生物传感器。该系统利用一个回旋装置来检测，类似导航系统和气袋的原理。振荡晶片的大小类似于一颗尘埃尺寸，有望可使医生诊断和监测常见类型的肿瘤，获得最佳治疗方案。该装置可以鉴定肿瘤标志物－蛋白以及其它肿瘤细胞产生的丰度不同的生物分子。

来自加州大学洛杉矶分校的研究者使用GeneFluidics开发的新型生物传感器来鉴定引起感染的特定革兰氏阴性菌，该结果表明利用微型电化学传感器芯片已经可以用于人临床样本的细菌检查。

美国军方发明了皮肤生物传感器。研究表明，人体血液中流动的健康指标有很多在汗液中也存在。这种传感器是一种被嵌入绷带中的扁平状电子芯片，其设计初衷是记录可以下载到智能手机和电脑上的健康信息。研究人员说，这种高技术装置看上去和摸上去都像胶布绷带，可以用来收集心率、呼吸频率等实时测量数据。

还有纳米生物传感器的广泛应用也大大推动了生物传感器的发展。纳米材料在生物传感器中的应用是当下的一个热门课题。纳米材料因具有较大的比表面积，高的表面自由能，良好的生物兼容性，利于将大量的生物分子固定到电极表面，保持其构型及活性，被广泛用于构建特异性生物传感器。碳纳米管因独特的结构和物理及化学性质，在电子器件、复合材料、催化剂载体等许多领域取得重大突破。另外，碳纳米管比表面积大、表面活性高、催化效率高、表面易修饰，能提高生物分子的固定效率，是理想的生物传感器制作材料。

另外通过对医疗传感器的微型化和新型轻质高强底免疫原性材料适应性改进，增加传感器的感应电源与数据传输，以及低功耗传感器射频器件，最终可解决医疗实践中电子传感器植入皮下或人体的需求，达到检测人群身体生理指标，起到预防保健作用，从而保障人民生活健康，提高人们的生活质量。