生物傳感器的原理與應用

雷梓閣

摘 要：現階段，生物傳感器的敏感元件是生物活性單元， 借助相應的物理轉換裝置以及化學轉換裝置可以對所規定的被分析物實施檢測與分析，由于其具有相對較高的靈敏度、檢測速度以及相對較低的成本，故可以實施連續性的動態化監測。該文首先描述生物傳感器工作原理、結構、特點和分類等，然后描述生物傳感器在食品工業、環境監測和醫學等領域中的應用現狀。

關鍵詞：生物傳感器 原理 應用

中圖分類號：R318 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（a）-0023-02

自1967年世界上第一支酶電極問世以來，生物傳感器技術作為融合了生物、化學、物理、醫學、電子技術和控制技術等的新技術，在過去40多年里，得到了充分的發展和廣泛的應用，目前，生物傳感器的選擇性高、靈敏度高和可連續測定等，成為醫學行業、生物工程、食品工業和環境污染物檢測等諸多行業重要的檢測和監控設備。

1 生物傳感器原理

生物傳感器是一種以生物活性物質如酶、蛋白質、微生物、DNA及生物膜等作為敏感元件與適當的物理或化學轉換器有機結合而組成的分析檢測裝置。

其工作原理[1]如下：待測物質經擴散作用進入分子識別元件（生物活性材料） ，經分子識別作用與分子識別元件特異性結合，發生生物化學反應， 產生的生物學信息通過相應的信號轉換元件轉換為可以定量處理的光信號或電信號，再經電子測量儀的放大、處理和輸出，即實現分析檢測的目標。

如圖1所示，生物物傳感器具有接受器與轉換器的功能，由分子識別元件、轉換器和信號放大裝置組成。其中分子識別元件即固定化的生物敏感材料或者生物敏感膜，主要包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸和高分子聚合物等；轉換器的作用在于將各種生物的、化學的和物理的信息轉換成電信號。微電子學和傳感器技術的不斷發展為檢測生物學反應過程產生的信息提供了豐富的手段，常見的轉換器有氧電極、光敏管、場效應管和壓電晶體等。

生物傳感器存在多種分類方式。（1）是按照生物活性物質實施分類，主要可以劃分成酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、免疫傳感器、細胞傳感器以及DNA傳感器等；（2）是按照具體檢測原理進行劃分，可以劃分成光學生物傳感器、壓電傳感器以及電化學傳感器等；（3）是根據相應的生物敏感物質之間的作用類型實施分類，主要可以劃分成親和型與代謝型；（4）是按照所監測到的生物量、物理量以及化學量情況，將其劃分成胰島素傳感器、熱傳感器以及光傳感器等。

從生物傳感器的具體特點進行分析，具體情況如下。

（1）生物傳感器的速度相對較快，且成本較低。比如，固定化酶生物傳感分析儀主要是利用固定化酶膜為相應的分析工具，其酶法分析試劑能夠進行反復使用，大約可以利用數千次，這種情況下，其分析成本僅僅是手掌型血糖分析儀的大約十分之一。而且具有相對較高的分析速度，一般情況下不到二十秒就會得到相應的分析結果與檢測結果。（2）具有較強的專一性，通常情況下，生物傳感器僅僅只對一些特定物質起反應，不會受到顏色以及濁度等的影響，也不需要實施樣品預處理。（3）穩定性較好，具有較強的分析精度。最后，操作系統相對簡單，非常容易實現自動化分析處理。

2 生物傳感器的應用

2.1 在食品工業中的應用

主要包括如下幾點：

（1） 食品品質檢測[3]包括畜禽肉、魚肉和牛乳新鮮度的評定上，目前，加拿大、日本正在出售檢測魚新鮮度的生物傳感器；還有食品滋味及熟度的檢測，日本農林水產省研制出一種傳感器，可“品嘗”肉湯的風味；（2）食品成分快速分析 包括蛋白質和氨基酸的檢測，糖含量的檢測，有機酸和醇類等物質的檢測等；（3）食品安全檢查 包括食品中微生物的檢測，生物毒素的檢測，殘留農藥的檢測，食品添加劑的檢測[2]。

2.2 在環境監測中的應用

（1）水質監測，目前，生物傳感器已用水中生化需氧量（BOD），酚、三氯乙烯、硝酸鹽及其他有機污染物的檢測。（2）大氣質量監測，生物傳感器可監測大氣中的CO2，NOx，NH3CH4等[3]。

2.3 在醫學的應用

生物傳感器在醫學領域發揮的作用越來越大。例如，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。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，制成微生物傳感器。在軍事醫學中，生物毒素的及時快速檢測是防御生物武器的有效措施。目前，生物傳感器已應用于監測多種細菌、毒素與病毒，還可以測量乙酸、乳酸以及尿酸等[4]。

2.4 在其他領域的應用

生物傳感器在發酵工業和軍事領域等也有廣泛的應用。例如，微生物傳感器已用于發酵工業中的原材料、代謝產物和微生物細胞數目的測定，在軍事上，生物傳感器在化學、生物戰劑的偵檢方面具有獨特的優勢，已應用于監測多種細菌、病毒等[2]。

3 結語

生物傳感器技術已經取得了長足的發展和進步，未來還將遇到各種問題和挑戰，但是它的應用前景和自身優勢毋庸置疑。可以預見，未來的生物傳感器將實現功能多樣化、微型化、智能化、集成化等特點，并成為人們生產和生活中不可缺少的重要工具。

參考文獻

[1] 馬莉萍，毛斌，劉斌，等.生物傳感器的應用現狀與發展趨勢[J].傳感器與微系統，2009，28（4）：1-4.

[2] 陳輝，朱鴻杰.生物傳感器研究進展[J].河北農業科學，2010，14（9）：149-151.

[3] 蔣雪松，王劍平，應義斌，等.用于食品安全監測的生物傳感器的研究進展[J].農業工程學報，2007，23（5）：272-277.

[4] 羅宏，劉勁，鄧剛.生物傳感器在醫學中的應用現狀與發展前景[J].醫療設備信息，2006，21（11）：40-44.