简介　　生物传感器(biosensor)对生物物质敏感并将其转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括、、、、、、等生物活性物质）与适当的理化换能 器（如、光敏管、、等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与的功能。 对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。生物传感器具有接受器与转换器的功能。 　　1967年S.J.乌普迪克等制出了{dy}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{jd0}上，便制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得检测其对应物的其他传感器。固定感受膜的方法有直接化学结合法；高分子载体法；高分子膜结合法。现已发展了第二代生物传感器（微生物、、酶免疫和细胞器传感器），研制和开发第三代生物传感器，将和电子技术结合起来的场效应生物传感器，90年xx启了，生物传感器的集成为xx筛选与等提供了新的技术前景。由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能，只对特定反应起活化作用，因此生物传感器具有非常高的选择性。缺点是生物固化膜不稳定。生物传感器涉及的是生物物质，主要用于临床诊断检查、xx时实施监控、发酵工业、食品工业、环境和机器人等方面。 　　生物传感器是用生物活性材料（酶、、、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学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。在未来21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和xx分析（包括生物xx研究开发）、环境保护以及生物技术、生物等研究中有着广泛的应用前景。 　　传感器是一种可以获取并处理信息的特殊装置，如人体的感觉器官就是一套xx的传感系统通过、、来感知外界的光、声、温度、压力等物理信息，通过、感知气味和味道这样的化学刺激。而生物 传感器是一类特殊的传感器，它以生物活性单元（如酶、抗体、核酸、细胞等）作为生物敏感单元，对目标测物具有高度选择性的检测器。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、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。特别是分子生物学与微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术等新学科、新技术结合，正改变着、动植物学的面貌。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。 　　用固定化生物成分或生物体作为敏感元件的传感器称为生物传感器（biosensor）。生物传感器并不专指用 于生物技术领域的传感器，它的应用领域还包括环境监测、医疗卫生和食品检验等。 生物传感器主要有下面三种分类命名方式： 　　1．根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器（enzymesensor），微生物传感器（microbialsensor），细胞传感器（organallsensor），组织传感器（tis-suesensor）和免疫传感器（immunolsensor）。显而易见，所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。 　　2．根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有：生物电极（bioelectrode）传感器，半导体生物传感器（semiconductbiosensor），光生物传感器（opticalbiosensor），热生物传感器（calorimetricbiosensor），压电晶体生物传感器（piezoelectricbiosensor）等，换能器依次为电化学电极、半、、、压电晶体等。 　　3．以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲合型生物传感器（affinitybiosensor）。 　　三种分类方法之间实际互相交叉使用。 　　生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换能器）构成，以分子识别部分去识别被测目标， 是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础。 生物体中能够选择性地分辩特定物质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原的结合，酶与基质的结合。在设计生物传感器时，选择适合于测定对象的识别功能物质，是极为重要的前提。要考虑到所产生的复合物的特性。根据分子识别功能物质制备的敏感元件所引起的化学变化或物理变化，去选择换能器，是研制高质量生物传感器的另一重要环节。敏感元件中光、热、化学物质的生成或消耗等会产生相应的变化量。根据这些变化量，可以选择适当的换能器。 　　生物化学反应过程产生的信息是多元化的，和现代传感技术的成果已为检测这些信息提供了丰富的手段。

食品工业

　　生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、、有害毒物及食品鲜度等的测定分析。 　　(1)食品成分分析 　　在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已开发的酶电极型生物传感器可用来分析、、和中的葡萄糖。其它糖类，如果糖，、麦芽汁中的，也有成熟的测定传感器。 　　Niculescu等人研制出一种安培生物传感器，可用于检测中的含量。这种生物传感器是将一种配蛋白醇脱氢酶埋在中，酶和聚合物的比例不同可以影响该生物传感器的性能。在目前进行的实验中，该生物传感器对乙醇的测量极限为lnM。 　　(2)食品添加剂的分析 　　通常用作食品工业的和，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型酶电极可用于测定食品中的亚硫酸盐含量，测定的线性范围为0-6的四次方mol/L。又如饮料、、昔等食品中的甜味素，Guibault等采用天冬氨酶结合氨电极测定，线性范围为2x10的负五次方-1xlO的负三次方mol/L。此外，也有用生物传感器测定色素和乳化剂的报道。 　　(3)农药残留量分析 　　近年来，人们对食品中的农药残留问题越来越重视，各国政府也不断加强对食品中的农药残留的检测工作。 　　Yamazaki等人发明了一种使用人造酶测定的电流式生物传感器，利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测定极限为10的负七次方mol，在40℃下测定只要4min。Albareda等用交联法将乙酞胆碱醋酶固定在铜丝碳糊电极表面，制成一种可检测浓度为10的负10次方mol/L的对氧磷和10的负11次方mol/L的克百威的生物传感器，可用于直接检测自来水和果汁样品中两种农药的残留。 　　(4)微生物和毒素的检验 　　食品中病原性微生物的存在会给消费者的健康带来极大的危害，食品中毒素不仅种类很多而且毒性大，大多有致癌、致畸、致突变作用，因此，加强对食品中的病原性微生物及毒素的检测至关重要。 　　食用很容易被0157.H7.所感染，因此，需要快速灵敏的方法检测和防御大肠杆菌0157.H7一类的xx。Kramerr等人研究的光纤生物传感器可以在几min内检测出食物中的(如大肠杆菌0157.H7.)，而传统的方法则需要几d。这种生物传感器从检测出病原体到从样品中重新获得病原体并使它在培养基上独立生长总共只需1d时间，而传统方法需要4d。 　　还有一种快速灵敏的免疫生物传感器可以用于测量牛奶中双氢除虫菌素的残余物，它是基于细胞质基因组的反应，通过光学系统传输信号。已达到的检测极限为16.2ng/ml。{yt}可以检测20个牛奶样品。 　　(5)食品鲜度的检测 　　食品工业中对食品鲜度尤其是鱼类、肉类的鲜度检测是评价食品质量的一个主要指标。Volpe等人以黄嗦吟氧化酶为生物敏感材料，结合过氧化氢电极，通过测定鱼降解过程中产生的一磷酸肌昔(IMP)肌昔(IIXR)和次黄嗓吟(HX)的浓度，从而评价鱼的鲜度，其线性范围为5x10的负10次方-2x10的负4次方mol/L。

环境监测

　　近年来，环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器，生物传感器满足了人们的要求。目前，已有相当部分的生物传感器应用于环境监测中。 　　(1)水环境监测 　　(BOD)是一种广泛采用的表征有机污染程度的综合性指标。在水体监测和污水处理厂的运行控制中，生化需氧量也是最常用、最重要的指标之一。常规的BOD测定需要5d的培养期，而且操作复杂，重复性差，耗时耗力，干扰性大，不适合现场监测。SiyaWakin等人利用一种毛抱子菌(Trichosporoncutaneum)和芽抱杆菌(Bacilluslicheniformis)制作一种微生物BOD传感器。该BOD生物传感器能同时xx测量葡萄糖和的浓度。测量范围为0.5-40mg/L，灵敏度为5.84nA/mgL。该生物传感器稳定性好，在58次实验中，标准偏差仅为0.0362。所需反应时间为5-lOmin。 　　NO3离子是主要的水污染物之一，如果添加到食品中，对人体的健康极其有害。Zatsll等人提出了一种整体化酶功能场效应管装置检测NO;离子的方法。该装置对NO,’离子的检测极限为7x10的负5次方mol，响应时间不到50s，系统操作时间约为85s。 　　此外，还有报道Han等人将xx胞菌固定在抓离子电极上，实时监测工业废水中，检测范围0.1一4mg/L，检测时间在lOmin内。 　　(2)大气环境监测 　　二氧化硫(S02)是酸雨酸雾形成的主要原因，传统的检测方法很复杂。Martyr等人将亚细胞类脂类(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形成的酸雨酸雾样品溶液进行检测，lOmin可以得到稳定的测试结果。 　　NOx不仅是造成酸雨酸雾的原因之一，同时也是光化学烟雾的罪魁祸首。Charles等人用多孔渗透膜、固定 化硝化xx和氧电极组成的微生物传感器来测定样品中亚硝酸盐含量，从而推知空气中NO=的浓度。其检测极限为0.01xl0负6次方mo1/L。

发酵工业

　　在各种生物传感器中，微生物传感器具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、可能xx发酵过程中干扰物质的干扰等特点。因此，在发酵工业中广泛地采用微生物传感器作为一种有效的测量工具。 　　(1)原材料及代谢产物的测定 　　微生物传感器可用于测量发酵工业中的原材料(如、等)和代谢产物(如头抱霉素、谷氨酸、、醇类、等)。测量的装置基本上都是由适合的微生物电极与氧电极组成，原理是利用微生物的同化作用耗氧，通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。 　　2002年，Tkac等人将一种以铁氰化物为媒介的葡萄糖氧化酶细胞生物传感器用于测量发酵工业中的乙醇含量，13s内可以完成测量，测量灵敏度为3.SnAlnmol.L-1。该微生物传感器的检测极限为0.85nmo1.L-1，测量范围为2-270nmo1.L-1，稳定性能很好。在连续8.5h的检测中，灵敏度没有任何降低。 　　(2)微生物细胞数目的测定 　　发酵液中细胞数的测定是重要的。细胞数(菌体浓度)即单位发酵液中的细胞数量。一般情况下，需取一定的发酵液样品，采用显微计数方法测定，这种测定方法耗时较多，不适于连续测定。在发酵控制方面迫切需要直接测定细胞数目的简单而连续的方法。人们发现：在阳极(Pt)表面上，菌体可以直接被氧化并产生电流。这种电化学系统可以应用于细胞目的侧定。侧定结果与常规的细胞计数法测定的数值相近。利用这种电化学微生物细胞数传感器可以实现菌体浓度连续、在线的测定。

医学

　　医学领域的生物传感器发挥着越来越大的作用。生物传感技术不仅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，而且因为其专一、灵敏、响应快等特点，在军事医学方面，也具有广的应用前景。 　　(1)临床医学 　　在临床医学中，是最早研制且应用最多的一种传感器，目前，已成功地应用于血糖、乳酸、维生素C、尿酸、尿素、谷氨酸、等物质的检测。其原理是:用固定化技术将酶装在生物敏感膜上，检测样品中若含有相应的酶底物，则可反应产生可接受的信息物质，指示电极发生响应可转换成电信号的变化，根据这一变化，就可测定某种物质的有无和多少。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物传感器，在临床中应用的微生物传感器有葡萄糖、乙醉、胆固醇等传感器。若选择适宜的含某种酶较多的组织，来代替相应的酶制成的传感器称为生物电极传感器。如用猪肾、兔肝、牛肝、甜菜、南瓜和黄瓜叶制成的传感器，可分别用于检测谷酰胺、、、、和等。 　　DNA传感器是目前生物传感器中报道最多的一种，用于临床疾病诊断是DNA传感器的{zd0}优势，它可以帮助医生从DNA,RNA、蛋白质及其相互作用层次上了解疾病的发生、发展过程，有助于对疾病的及时诊断和xx。此外，进行xx检测也是DNA传感器的一大亮点。Brabec等人利用DNA传感器研究了常用铂类xxxx的作用机理并测定了血液中该类xx的浓度。 　　(2)军事医学 　　军事医学中，对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种xx、病毒及其毒素，如炭疽芽胞杆菌、、埃博拉出血热病毒、肉毒杆菌类毒素等。 　　2000年，美军报道已研制出可检测葡萄球菌肠毒素B，蓖麻素、土拉弗氏菌和肉毒杆菌等4种生物战剂的免疫传感器。检测时间为3-lOmin，灵敏度分别为10，5Omg/L,5x10的5次方，和5x10的4次方cfu/ml。Song等人制成了检测霍乱病毒的生物传感器。该生物传感器能在30min内检测出低于1xlO的负5次方mol/L的霍乱毒素，而且有较高的敏感性和选择性，操作简单。该方法能够用于具有多个信号识别位点的蛋白质毒素和病原体的检测。 　　此外，在法医学中，生物传感器可用作DNA鉴定和亲子认证等。 　　（1）采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。 　　（2）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。　 　　（3）分析速度快，可以在一分钟得到结果。 　　（4）准确度高，一般相对误差可以达到1％ 　　（5）操作系统比较简单，容易实现自动分析 　　（6）成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。 　　（7）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。

概述

　　近年来，随着生物科学、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。但是，目前， 生物传感器的广泛应用仍面临着一些困难，今后一段时间里，生物传感器的研究工作将主要围绕选择活性强、选择性高的生物传感元件；提高信号检测器的使用寿命；提高信号转换器的使用寿命；生物响应的稳定性和生物传感器的微型化、便携式等问题。可以预见，未来的生物传感器将具有以下特点。

功能多样化

　　未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。目前，生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物、、、和等感觉器官的生物传感器，这就是仿生传感器，也称为以生物系统为模型的生物传感器。

微型化

　　随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断的微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检测食品成为可能。

智能化集成化

　　未来的生物传感器必定与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、结果xxx，形成检测的自动化系统。同时，芯片技术将愈加进人传感器，实现检测系统的集成化、一体化。

低成本高灵教度高穗定性高寿命

　　生物传感器技术的不断进步，必然要求不断降低产品成本，提高灵敏度、稳定性和寿命。这些特性的改善也会加速生物传感器市场化，商品化的进程。在不久的将来，生物传感器会给人们的生活带来巨大的变化，它具有广阔的应用前景，必将在市场上大放异彩。