生物傳感器 醫(yī)學(xué)：什么是生物傳感器？
一、生物傳感器的發(fā)展歷程
20世紀(jì)的60年代，Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧電極組裝在一起，首先制成了第一種生物傳感器，即葡萄糖酶電極。到80年代生物傳感器研究領(lǐng)域已基本形成。其標(biāo)志性事件是：1985年《生物傳感器》國際刊物在英國創(chuàng)刊；1987年生物傳感器經(jīng)典著作在牛津出版社出版；1990年，首屆世界生物傳感器學(xué)術(shù)大會在新加坡召開。
生物傳感器是一個非常活躍的研究和工程技術(shù)領(lǐng)域，它與生物信息學(xué)、生物芯片、生物控制論、仿生學(xué)、生物計算機(jī)等學(xué)科一起，處在生命科學(xué)和信息科學(xué)的交叉區(qū)域。它們的共同特征是:探索和揭示出生命系統(tǒng)中信息的產(chǎn)生、存儲、傳輸、加工、轉(zhuǎn)換和控制等基本規(guī)律，探討應(yīng)用于人類經(jīng)濟(jì)活動的基本方法。
生物傳感器技術(shù)的研究重點(diǎn)是：廣泛地應(yīng)用各種生物活性材料與傳感器結(jié)合，研究和開發(fā)具有識別功能的換能器，并成為制造新型的分析儀器和分析方法的原創(chuàng)技術(shù)，研究和開發(fā)它們的應(yīng)用。生物傳感器中應(yīng)用的生物活性材料對象范圍包括生物大分子、細(xì)胞、細(xì)胞器、組織、器官等,以及人工合成的分子印跡聚合物(MIP)。
二、生物傳感器的基本原理
傳感器中包含抗體、抗原、蛋白質(zhì)、DNA 或者酶等生物活性材料，待測物質(zhì)進(jìn)入傳感器后，分子識別然后發(fā)生生物反應(yīng)并產(chǎn)生信息，信息被化學(xué)換能器或者物理換能器轉(zhuǎn)化為聲、光、電等信號，儀器將信號輸出，我們就能夠得到待測物質(zhì)的濃度。傳感器的主要組成部分是感受器和換能器，再將信號通過自動化儀表技術(shù)和微電子技術(shù)處理，就能構(gòu)成各種儀器或者系統(tǒng)。
三、生物傳感器的種類
生物傳感器的分類：
(1) 按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分類，可分為：微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器、酶傳感器、DNA傳感器等。
(2) 按照傳感器器件檢測的原理分類，可分為：熱敏生物傳感器、場效應(yīng)管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學(xué)生物傳感器、聲波道生物傳感器、酶電極生物傳感器、介體生物傳感器等。
(3) 按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分類,可分為親和型和代謝型兩種。
四、生物傳感器的特點(diǎn)
(1) 傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)檢驗大多是酶分析法，這種方法步驟繁瑣，費(fèi)用較高，而采用生物傳感器的方法，采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，價值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過去酶法分析試劑費(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。
(2) 專一性強(qiáng)，只對特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響。
(3) 分析速度快，可以在一分鐘得到結(jié)果。
(4) 準(zhǔn)確度高，一般相對誤差可以達(dá)到1%。
(5) 操作系統(tǒng)比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動分析。
(6) 成本低,在連續(xù)使用時，每例測定僅需要幾分錢人民幣。
(7) 有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生。
五、生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的運(yùn)用
生物傳感器有很多種，下面針對其中幾種傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的運(yùn)用展開分析。
(1) 微生物傳感器
微生物傳感器的感受器是含有微生物的膜，工作原理是微生物會消耗待測溶液中的溶解氧，放出熱量或者光，達(dá)到定量檢測待測物質(zhì)的目的。相對于酶傳感器，微生物傳感器使用穩(wěn)定并且成本更低，但是使用范圍不及酶傳感器，數(shù)據(jù)顯示，微生物傳感器能夠檢測的物質(zhì)約為 60 種到 70 種。微生物會受到待測物質(zhì)的毒害影響，這是影響傳感器準(zhǔn)確度和壽命的主要因素，解決了這個問題，微生物傳感器市場化指日可待。
(2)酶傳感器
這種傳感器的敏感元件是固定化酶，使用酶傳感器就不需要花費(fèi)大量精力去提取酶。臨床上測定尿素、葡萄糖、乳酸、天門冬酰胺等生化指標(biāo)可以采用酶傳感器，例如現(xiàn)在的葡萄糖酶傳感器已經(jīng)發(fā)展到了第四代，應(yīng)用范圍廣泛，并且國際上乳酸酶傳感器技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。臨床上要檢驗患者腎功能就要進(jìn)行腎功能診斷，然后針對性的實(shí)施人工透析，這種情況下就要使用尿素傳感器。酶傳感器研究時間和發(fā)展時間都較長，市場上的酶傳感器已經(jīng)達(dá)到了超過 200 種。
(3)基因傳感器
基因傳感器是近年來才出現(xiàn)的一種傳感器，但是技術(shù)先進(jìn)，國內(nèi)外也有很多專家學(xué)者針對基因傳感器進(jìn)行研究，現(xiàn)在已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)之一。基因傳感器的基礎(chǔ)是雜交高特異性，一般基因傳感器上有 30 個左右的核苷酸單鏈核酸分子，通過和靶序列雜交測定目標(biāo)核酸分子。現(xiàn)在研究和使用較多的基因傳感器是 DNA傳感器，主要用于結(jié)核桿菌、艾滋病毒和乙肝炎病毒等的檢測，從而達(dá)到診斷疾病的目的。
生物傳感器 醫(yī)學(xué)：生物傳感器
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生物傳感器
（生物學(xué)技術(shù)）
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生物傳感器(biosensor)，是一種對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)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(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）、適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。
中文名
生物傳感器
外文名
biosensor
類 型
儀器
用 途
進(jìn)行檢測
功 能
具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能
目錄
1
組成結(jié)構(gòu)
2
主要功能
3
歷史沿革
4
技術(shù)特點(diǎn)
5
設(shè)備分類
6
應(yīng)用領(lǐng)域
?
綜述
?
食品工業(yè)
?
環(huán)境監(jiān)測
?
發(fā)酵工業(yè)
?
醫(yī)學(xué)
7
操作實(shí)例
8
發(fā)展前景
9
衍生設(shè)備
生物傳感器組成結(jié)構(gòu)
語音
生物傳感器由分子識別部分（敏感元件）和轉(zhuǎn)換部分（換能器）構(gòu)成：以分子識別部分去識別被測目標(biāo)，是可以引起某種物理變化或化學(xué)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(chǔ)。把生物活性表達(dá)的信號轉(zhuǎn)換為電信號的物理或化學(xué)換能器（傳感器）各種生物傳感器有以下共同的結(jié)構(gòu)：包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達(dá)的信號轉(zhuǎn)換為電信號的物理或化學(xué)換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。生物傳感器實(shí)現(xiàn)以下三個功能：感受：提取出動植物發(fā)揮感知作用的生物材料，包括：生物組織、微生物、細(xì)胞器、酶、抗體、抗原、核酸、DNA等。實(shí)現(xiàn)生物材料或類生物材料的批量生產(chǎn)，反復(fù)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(xù)、有規(guī)律的信息轉(zhuǎn)換為人們可以理解的信息。反應(yīng)：將信息通過光學(xué)、壓電、電化學(xué)、溫度、電磁等方式展示給人們，為人們的決策提供依據(jù)。
生物傳感器主要功能
語音
生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器。
結(jié)構(gòu)
生物體中能夠選擇性地分辯特定物質(zhì)的物質(zhì)有酶、抗體、組織、細(xì)胞等。這些分子識別功能物質(zhì)通過識別過程可與被測目標(biāo)結(jié)合成復(fù)合物，如抗體和抗原的結(jié)合，酶與基質(zhì)的結(jié)合。在設(shè)計生物傳感器時，選擇適合于測定對象的識別功能物質(zhì)，是極為重要的前提。要考慮到所產(chǎn)生的復(fù)合物的特性。根據(jù)分子識別功能物質(zhì)制備的敏感元件所引起的化學(xué)變化或物理變化，去選擇換能器，是研制高質(zhì)量生物傳感器的另一重要環(huán)節(jié)。敏感元件中光、熱、化學(xué)物質(zhì)的生成或消耗等會產(chǎn)生相應(yīng)的變化量。根據(jù)這些變化量，可以選擇適當(dāng)?shù)膿Q能器。生物化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生的信息是多元化的，微電子學(xué)和現(xiàn)代傳感技術(shù)的成果已為檢測這些信息提供了豐富的手段。
生物傳感器歷史沿革
語音
1967年S.J.烏普迪克等制出了第一個生物傳感器葡萄糖傳感器。將葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺膠體中加以固化，再將此膠體膜固定在隔膜氧電極的尖端上，便制成了葡萄糖傳感器。當(dāng)改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得檢測其對應(yīng)物的其他傳感器。固定感受膜的方法有直接化學(xué)結(jié)合法；高分子載體法；高分子膜結(jié)合法。現(xiàn)已發(fā)展了第二代生物傳感器（微生物、免疫、酶免疫和細(xì)胞器傳感器），研制和開發(fā)第三代生物傳感器，將系統(tǒng)生物技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合起來的場效應(yīng)生物傳感器，90年代開啟了微流控技術(shù)，生物傳感器的微流控芯片集成為藥物篩選與基因診斷等提供了新的技術(shù)前景。由于酶膜、線粒體電子傳遞系統(tǒng)粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗體膜對生物物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)具有選擇性識別功能，只對特定反應(yīng)起催化活化作用，因此生物傳感器具有非常高的選擇性。缺點(diǎn)是生物固化膜不穩(wěn)定。生物傳感器涉及的是生物物質(zhì)，主要用于臨床診斷檢查、治療時實(shí)施監(jiān)控、發(fā)酵工業(yè)、食品工業(yè)、環(huán)境和機(jī)器人等方面。生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學(xué)換能器有機(jī)結(jié)合的一門交叉學(xué)科，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。在未來21世紀(jì)知識經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，生物傳感器技術(shù)必將是介于信息和生物技術(shù)之間的新增長點(diǎn)，在國民經(jīng)濟(jì)中的臨床診斷、工業(yè)控制、食品和藥物分析（包括生物藥物研究開發(fā)）、環(huán)境保護(hù)以及生物技術(shù)、生物芯片等研究中有著廣泛的應(yīng)用前景。
[1]
生物傳感器技術(shù)特點(diǎn)
語音
傳感器是一種可以獲取并處理信息的特殊裝置，如人體的感覺器官就是一套完美的傳感系統(tǒng)通過眼、耳、皮膚來感知外界的光、聲、溫度、壓力等物理信息，通過鼻、舌感知?dú)馕逗臀兜肋@樣的化學(xué)刺激。而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(xì)胞等）作為生物敏感單元，對目標(biāo)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(zhì)作催化劑，價值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過去酶法分析試劑費(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。⑵專一性強(qiáng)，只對特定的底物起反應(yīng)，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(jié)果。⑷準(zhǔn)確度高，一般相對誤差可以達(dá)到1%⑸操作系統(tǒng)比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動分析⑹成本低，在連續(xù)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(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生。在產(chǎn)控制中能得到許多復(fù)雜的物理化學(xué)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(chǎn)物得率的方向。
生物傳感器設(shè)備分類
語音
介紹生物傳感器的書籍
用固定化生物成分或生物體作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器（biosensor）。生物傳感器并不專指用于生物技術(shù)領(lǐng)域的傳感器，它的應(yīng)用領(lǐng)域還包括環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)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：
[2]
1．根據(jù)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(xì)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(yīng)用的敏感材料依次為酶、微生物個體、細(xì)胞器、動植物組織、抗原和抗體。2．根據(jù)生物傳感器的換能器即信號轉(zhuǎn)換器分類有：生物電極（bioelectrode）傳感器，半導(dǎo)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(xué)電極、半導(dǎo)體、光電轉(zhuǎn)換器、熱敏電阻、壓電晶體等。3．以被測目標(biāo)與分子識別元件的相互作用方式進(jìn)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(shí)際互相交叉使用。
生物傳感器應(yīng)用領(lǐng)域
語音
生物傳感器綜述
生物傳感器是一門由生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透成長起來的高新技術(shù)。因其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、在復(fù)雜的體系中進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測，特別是它的高度自動化、微型化與集成化的特點(diǎn)，使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發(fā)展。在國民經(jīng)濟(jì)的各個部門如食品、制藥、化工、臨床檢驗、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等方面有廣泛的應(yīng)用前景。特別是分子生物學(xué)與微電子學(xué)、光電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)及納米技術(shù)等新學(xué)科、新技術(shù)結(jié)合，正改變著傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)動植物學(xué)的面貌。生物傳感器的研究開發(fā)，已成為世界科技發(fā)展的新熱點(diǎn)，形成21世紀(jì)新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，具有重要的戰(zhàn)略意義。
生物傳感器食品工業(yè)
生物傳感器在食品分析中的應(yīng)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。
生物傳感器
⑴食品成分分析在食品工業(yè)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(biāo)。已開發(fā)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。在進(jìn)行的實(shí)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(yè)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(fù)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(jié)合氨電極測定，線性范圍為2×10的負(fù)五次方～1×10的負(fù)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(nóng)藥殘留量分析人們對食品中的農(nóng)藥殘留問題越來越重視，各國政府也不斷加強(qiáng)對食品中的農(nóng)藥殘留的檢測工作。Yamazaki等人發(fā)明了一種使用人造酶測定有機(jī)磷殺蟲劑的電流式生物傳感器，利用有機(jī)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(fù)七次方mol，在40℃下測定只要4min。Albareda等用戊二醛交聯(lián)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(fù)十次方mol/L的對氧磷和10的負(fù)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(nóng)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(fèi)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(qiáng)對食品中的病原性微生物及毒素的檢測至關(guān)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(xì)菌。Kramerr等人研究的光纖生物傳感器可以在幾分鐘內(nèi)檢測出食物中的病原體（如大腸桿菌0157.H7.），而傳統(tǒng)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(yǎng)基上獨(dú)立生長總共只需1天時間，而傳統(tǒng)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(xì)胞質(zhì)基因組的反應(yīng)，通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸信號。已達(dá)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(yè)中對食品鮮度尤其是魚類、肉類的鮮度檢測是評價食品質(zhì)量的一個主要指標(biāo)。Volpe等人以黃嗦吟氧化酶為生物敏感材料，結(jié)合過氧化氫電極，通過測定魚降解過程中產(chǎn)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(fù)10次方～2x10的負(fù)4次方mol/L。
生物傳感器環(huán)境監(jiān)測
環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，人們迫切希望擁有一種能對污染物進(jìn)行連續(xù)、快速、在線監(jiān)測的儀器，生物傳感器滿足了人們的要求。已有相當(dāng)部分的生物傳感器應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測中。⑴水環(huán)境監(jiān)測生化需氧量(BOD）是一種廣泛采用的表征有機(jī)污染程度的綜合性指標(biāo)。在水體監(jiān)測和污水處理廠的運(yùn)行控制中，生化需氧量也是最常用、最重要的指標(biāo)之一。常規(guī)的BOD測定需要5d的培養(yǎng)期，而且操作復(fù)雜，重復(fù)性差，耗時耗力，干擾性大，不適合現(xiàn)場監(jiān)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(wěn)定性好，在58次實(shí)驗中，標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.0362。所需反應(yīng)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(yīng)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(fù)5次方mol，響應(yīng)時間不到50s，系統(tǒng)操作時間約為85s。此外，Han等人發(fā)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(xì)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(biāo)準(zhǔn)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(yè)廢水。在最優(yōu)化條件下,其響應(yīng)時間不到10min。⑵大氣環(huán)境監(jiān)測二氧化硫(S02)是酸雨酸霧形成的主要原因，傳統(tǒng)的檢測方法很復(fù)雜。Martyr等人將亞細(xì)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(jìn)行檢測，lOmin可以得到穩(wěn)定的測試結(jié)果。
生物傳感器
NOx不僅是造成酸雨酸霧的原因之一，同時也是光化學(xué)煙霧的罪魁禍?zhǔn)住harles等人用多孔滲透膜、固定化硝化細(xì)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(fù)6次方mo1/L。
生物傳感器發(fā)酵工業(yè)
在各種生物傳感器中，微生物傳感器具有成本低、設(shè)備簡單、不受發(fā)酵液混濁程度的限制、可能消除發(fā)酵過程中干擾物質(zhì)的干擾等特點(diǎn)。因此，在發(fā)酵工業(yè)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(chǎn)物的測定微生物傳感器可用于測量發(fā)酵工業(yè)中的原材料（如糖蜜、乙酸等）和代謝產(chǎn)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(dá)到測量底物濃度的目的。2002年，Tkac等人將一種以鐵氰化物為媒介的葡萄糖氧化酶細(xì)胞生物傳感器用于測量發(fā)酵工業(yè)中的乙醇含量，13s內(nèi)可以完成測量，測量靈敏度為3.5nA/mM。該微生物傳感器的檢測極限為0.85nM，測量范圍為2～270nM，穩(wěn)定性能很好。在連續(xù)8.5h的檢測中，靈敏度沒有任何降低。⑵微生物細(xì)胞數(shù)目的測定發(fā)酵液中細(xì)胞數(shù)的測定是重要的。細(xì)胞數(shù)（菌體濃度）即單位發(fā)酵液中的細(xì)胞數(shù)量。一般情況下，需取一定的發(fā)酵液樣品，采用顯微計數(shù)方法測定，這種測定方法耗時較多，不適于連續(xù)測定。在發(fā)酵控制方面迫切需要直接測定細(xì)胞數(shù)目的簡單而連續(xù)的方法。人們發(fā)現(xiàn)：在陽極(Pt）表面上，菌體可以直接被氧化并產(chǎn)生電流。這種電化學(xué)系統(tǒng)可以應(yīng)用于細(xì)胞數(shù)目的測定。測定結(jié)果與常規(guī)的細(xì)胞計數(shù)法測定的數(shù)值相近。利用這種電化學(xué)微生物細(xì)胞數(shù)傳感器可以實(shí)現(xiàn)菌體濃度連續(xù)、在線的測定。
生物傳感器醫(yī)學(xué)
醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物傳感器發(fā)揮著越來越大的作用。生物傳感技術(shù)不僅為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)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(yīng)快等特點(diǎn)，在軍事醫(yī)學(xué)方面，也具有廣的應(yīng)用前景。⑴臨床醫(yī)學(xué)在臨床醫(yī)學(xué)中，酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器，已成功地應(yīng)用于血糖、乳酸、維生素C、尿酸、尿素、谷氨酸、轉(zhuǎn)氨酶等物質(zhì)的檢測。其原理是：用固定化技術(shù)將酶裝在生物敏感膜上，檢測樣品中若含有相應(yīng)的酶底物，則可反應(yīng)產(chǎn)生可接受的信息物質(zhì)，指示電極發(fā)生響應(yīng)可轉(zhuǎn)換成電信號的變化，根據(jù)這一變化，就可測定某種物質(zhì)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(yīng)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(yīng)的酶制成的傳感器稱為生物電極傳感器。如用豬腎、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(yōu)勢，它可以幫助醫(yī)生從DNA,RNA、蛋白質(zhì)及其相互作用層次上了解疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，有助于對疾病的及時診斷和治療。此外，進(jìn)行藥物檢測也是DNA傳感器的一大亮點(diǎn)。Brabec等人利用DNA傳感器研究了常用鉑類抗癌藥物的作用機(jī)理并測定了血液中該類藥物的濃度。⑵軍事醫(yī)學(xué)軍事醫(yī)學(xué)中，對生物毒素的及時快速檢測是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測多種細(xì)菌、病毒及其毒素，如炭疽芽孢桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等。2000年，美軍報道已研制出可檢測葡萄球菌腸毒素B、蓖麻素、土拉弗氏菌和肉毒桿菌等4種生物戰(zhàn)劑的免疫傳感器。檢測時間為3～lOmin，靈敏度分別為10，5Omg/L,5x10的5次方，和5x10的4次方cfu/ml。Song等人制成了檢測霍亂病毒的生物傳感器。該生物傳感器能在30min內(nèi)檢測出低于1xlO的負(fù)5次方mol/L的霍亂毒素，而且有較高的敏感性和選擇性，操作簡單。該方法能夠用于具有多個信號識別位點(diǎn)的蛋白質(zhì)毒素和病原體的檢測。此外，在法醫(yī)學(xué)中，生物傳感器可用作DNA鑒定和親子認(rèn)證等。
生物傳感器操作實(shí)例
語音
各種類型的傳感器有許多潛在的應(yīng)用。在研究與商用領(lǐng)域?qū)τ谏飩鞲衅鞯男枨笾饕獊碜杂趯τ谔囟繕?biāo)分子的辨別、生物識別成分的實(shí)用性以及在某些場合中優(yōu)于實(shí)驗室技術(shù)的可以一次性使用的檢測系統(tǒng)。下面是一些實(shí)例：應(yīng)用于探測葡萄糖濃度美國普渡大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員制成了新型生物傳感器，能夠以非侵入的方式進(jìn)行糖尿病測試，探測出人體唾液和眼淚中極低的葡萄糖濃度。這項技術(shù)無需過于繁復(fù)的生產(chǎn)步驟，從而可降低傳感器的制造成本，并可能幫助消除或降低利用針刺進(jìn)行糖尿病測試的幾率。
生物傳感器發(fā)展前景
語音
概述
芯片
隨著生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展成果的推動，生物傳感器技術(shù)飛速發(fā)展。但是，生物傳感器的廣泛應(yīng)用仍面臨著一些困難，今后一段時間里，生物傳感器的研究工作將主要圍繞選擇活性強(qiáng)、選擇性高的生物傳感元件；提高信號檢測器的使用壽命；提高信號轉(zhuǎn)換器的使用壽命；生物響應(yīng)的穩(wěn)定性和生物傳感器的微型化、便攜式等問題。可以預(yù)見，未來的生物傳感器將具有以下特點(diǎn)。功能多樣化未來的生物傳感器將進(jìn)一步涉及醫(yī)療保健、疾病診斷、食品檢測、環(huán)境監(jiān)測、發(fā)酵工業(yè)的各個領(lǐng)域。生物傳感器研究中的重要內(nèi)容之一就是研究能代替生物視覺、嗅覺、味覺、聽覺和觸覺等感覺器官的生物傳感器，這就是仿生傳感器，也稱為以生物系統(tǒng)為模型的生物傳感器。微型化隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)步，生物傳感器將不斷的微型化，各種便攜式生物傳感器的出現(xiàn)使人們在家中進(jìn)行疾病診斷，在市場上直接檢測食品成為可能。智能化集成化未來的生物傳感器必定與計算機(jī)緊密結(jié)合，自動采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，更科學(xué)、更準(zhǔn)確地提供結(jié)果，實(shí)現(xiàn)采樣、進(jìn)樣、結(jié)果一條龍，形成檢測的自動化系統(tǒng)。同時，芯片技術(shù)將愈加進(jìn)入傳感器，實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)的集成化、一體化。低成本高靈敏度高穩(wěn)定性高壽命生物傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，必然要求不斷降低產(chǎn)品成本，提高靈敏度、穩(wěn)定性和壽命。這些特性的改善也會加速生物傳感器市場化，商品化的進(jìn)程。在不久的將來，生物傳感器會給人們的生活帶來巨大的變化，它具有廣闊的應(yīng)用前景，必將在市場上大放異彩。生物傳感器實(shí)用性是生物體成分（酶、抗原、抗體、激素、DNA) 或生物體本身（細(xì)胞、細(xì)胞器、組織），它們能特異地識別各種被測物質(zhì)并與之反應(yīng)；后者主要有電化學(xué)電極、離子敏場效應(yīng)晶體管（ ISFET ) 、熱敏電阻器、光電管、光纖、壓電晶體（PZ) 等，其功能為將敏感元件感知的生物化學(xué)信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號。生物傳感器按所用分子識別元件的不同，可分為酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器等；按信號轉(zhuǎn)換元件的不同，可分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測熱型生物傳感器、測光型生物傳感器、測聲型生物傳感器等；按對輸出電信號的不同測量方式，又可分為電位型生物傳感器、電流型生物傳感器和伏安型生物傳感器。微生物傳感器是生物傳感器的一個重要分支。1975 年Divies 制成了第一支微生物傳感器，由此開辟了生物傳感器發(fā)展的又一新領(lǐng)域。在不損壞微生物機(jī)能情況下，可將微生物固定在載體上制作出微生物傳感器。微生物傳感器與酶傳感器相比，它有以下特點(diǎn)：⑴ 微生物的菌株比分離提純酶的價格低得多，因而制成的傳感器便于推廣普及；⑵ 微生物細(xì)胞內(nèi)的酶在適當(dāng)環(huán)境下活性不易降低，因此微生物傳感器的壽命更長；⑶ 即使微生物體內(nèi)的酶的催化活性已經(jīng)喪失，也可以因細(xì)胞的增殖使之再生；⑷ 對于需要輔助因子的復(fù)雜的連續(xù)反應(yīng)，用微生物則更易于完成
生物傳感器衍生設(shè)備
語音
DNA生物傳感器DNA生物傳感器是一種能將目標(biāo)DNA的存在轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測電信號的傳感裝置。它由兩部分組成，一部分是識別元件，即DNA探針，另一部分是換能器。識別元件主要用來感知樣品中是否含有待測的目標(biāo)DNA；換能器則將識別元件感知的信號轉(zhuǎn)化為可以觀察記錄的信號。通常是在換能器上固化一條單鏈DNA，通過DNA分子雜交，對另一條含有互補(bǔ)序列的DNA進(jìn)行識別，形成穩(wěn)定的雙鏈DNA，通過聲、光、電信號的轉(zhuǎn)換，對目標(biāo)DNA進(jìn)行檢測。DNA生物傳感器原理是通過固定在傳感器或稱換能器探頭表面上的已知核苷酸序列的單鏈DNA分子和另一條互補(bǔ)的ss－DNA分子雜交，形成的雙鏈DNA會表現(xiàn)出一定的物理信號，最后由換能器反應(yīng)出來。
[1]
皮膚生物傳感器驗血也許是跟蹤某些人體健康指標(biāo)的常用方法，但美國軍方主導(dǎo)的一個新項目有可能改變監(jiān)測健康狀況的方式。事實(shí)表明，人體血液中流動的健康指標(biāo)有很多在汗液中也存在。
[3]
美國軍方的這個項目旨在開發(fā)出能對軍人汗液中的流動物質(zhì)進(jìn)行跟蹤的皮膚“生物傳感器”，以監(jiān)測他們的健康狀況，提升他們的表現(xiàn)。研究人員說，這種高技術(shù)裝置看上去和摸上去都像膠布繃帶，可以用來收集心率、呼吸頻率等實(shí)時測量數(shù)據(jù)。
[3]
這種傳感器是一種被嵌入繃帶中的扁平狀電子芯片，其設(shè)計初衷是記錄可以下載到智能手機(jī)和電腦上的健康信息。美國軍方希望利用這種技術(shù)學(xué)會如何最有效地部署軍人，如何讓他們以最佳狀態(tài)投入戰(zhàn)斗。
[3]
結(jié)構(gòu)
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參考資料
1.
DNA生物傳感器的原理與應(yīng)用
．傳感器之家．2012-11-23[引用日期2013-05-01]
2.
什么是生物傳感器
．5聯(lián)網(wǎng)[引用日期2013-02-01]
3.
美軍開發(fā)“皮膚生物傳感器”監(jiān)測軍人健康狀況
．生物谷[引用日期2014-06-15]
生物傳感器 醫(yī)學(xué)：生物傳感器_1
生物傳感器(Biosensor)是一種對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)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(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）、適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學(xué)換能器有機(jī)結(jié)合的一門交叉學(xué)科，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。各種生物傳感器有以下共同的結(jié)構(gòu)：包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達(dá)的信號轉(zhuǎn)換為電信號的物理或化學(xué)換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。
生物傳感器 醫(yī)學(xué)：生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用
續(xù)的電信號表達(dá)出來，從而得出被檢測品的濃度。由于生物傳
感器為臨床檢驗提供了一條快速、操作簡便的新型手段，已引
起檢驗醫(yī)學(xué)界的關(guān)注。
生物傳感器是由生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等多
種學(xué)科互相滲透成長起來的高新技術(shù)，是一種將生物感應(yīng)元件
的專一性與一個能夠產(chǎn)生和待測物濃度成比例的信號傳導(dǎo)器結(jié)
合起來的分析裝置
[1]
，主要用于生物醫(yī)學(xué)信息的檢測。
1962年英國學(xué)者Clark和Lyons最先提出，可以將酶反應(yīng)的
高度特異性和電極響應(yīng)的高度靈敏結(jié)合起來，由此提出酶電極
概念
[2]
。1967年，updike和Hicks成功的研制出第一個以鉑電極
為基本的葡萄糖氧化酶傳感器
[3]
。70年代，相繼出現(xiàn)了電流型
和電位型微生物電極、組織電極、線粒體電極。80年代，利用
生物反應(yīng)的光效應(yīng)、熱效應(yīng)、場效應(yīng)和質(zhì)量變化而開發(fā)的生物
傳感器蓬勃發(fā)展，開始了生物電子學(xué)傳感器的新時代。我國的
生物傳感器就始于這一時期：1988年梁逸曾將其全面系統(tǒng)地介
紹給了國內(nèi)化學(xué)界
[4]
。90年代，雖然我國生物傳感器的某些研
究項目處于國際領(lǐng)先地位，但目前國內(nèi)尚無真正商品化的傳感
器面市，總體研究水平與國際上還有一段差距。到目前為止，
生物傳感器大致經(jīng)歷了3個發(fā)展階段：第一代生物傳感器是由固
定了生物成分的非活性基質(zhì)膜和電化學(xué)電極組成；第二代生物
傳感器是將生物成分直接吸附或共價結(jié)合到換能器表面，而無
需非活性的基質(zhì)膜，測定時不必向樣品中加入其它試劑；第三
代生物傳感器是把生物活性成分直接固定在電子元件上，它們
可以直接感知和放大界面物質(zhì)變化，從而把生物識別和信號轉(zhuǎn)
換處理結(jié)合在一起。
1 生物傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)
生物傳感器的檢測原理：待測物質(zhì)進(jìn)入生物活性材料(如
酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等)，經(jīng)分子識別，
發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的物理或化學(xué)換能器
轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電、聲、光等信號
[5]
。再經(jīng)二次儀表
放大并輸出，便可知道待測物濃度。傳感器的結(jié)構(gòu)一般由兩部
分組成，其一是生物分子識別元件(感受器)，是指將一種或數(shù)
生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用
魯然
[關(guān)鍵詞]
生物傳感器；醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
咱相關(guān)生物活性材料固定在其表面(也稱生物敏感膜)；其二是
能把生物活性表達(dá)的信號轉(zhuǎn)換為電、聲、光等信號的物理或化
學(xué)換能器，二者結(jié)合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動化儀表技術(shù)
進(jìn)行生物信號的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析
裝置、儀器和系統(tǒng)。
2 生物傳感器的分類及特點(diǎn)
2.1 生物傳感器的類型 生物傳感器的類型和命名方法比
較多而且不一，主要有兩種分法即按分子識別元件分類和按換
能器類型分類，兩種方法如圖1
[6]
。
2.2
生物傳感器的特點(diǎn)
①采用固定化生物活性物質(zhì)作催
化劑，
價值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，
克服了過去酶法分析
試劑費(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。
②專一性強(qiáng)(選擇特異
性強(qiáng))，
只對特定的底物起反應(yīng)，
而且不受顏色、
濁度的影響。
③分
析速度快，
可以在一分鐘得到結(jié)果。
④準(zhǔn)確度高，
一般相對誤差
可以達(dá)到1%。
⑤操作系統(tǒng)比較簡單，
容易實(shí)現(xiàn)自動化分析。
⑥成本
低，
在連續(xù)使用時，
每例測定僅需要幾分錢人民幣。
⑦有的生物傳
感器能夠可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的
產(chǎn)生，
能得到許多復(fù)雜的物理化學(xué)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(chǎn)物產(chǎn)率的方向。
3 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用
分子生物傳感器可以廣泛應(yīng)用于對體檢中的微量蛋白、小
分子有機(jī)物、核酸等多種物質(zhì)的檢測。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)檢驗中這些
項目是臨床診斷及病情分析的重要依據(jù)，能夠在體內(nèi)的實(shí)時監(jiān)
控生物傳感器對于手術(shù)中和重癥監(jiān)護(hù)的病人很有幫助。
3.1 酶傳感器的應(yīng)用
酶傳感器是由固定化酶作為敏感元件的生物傳感器。應(yīng)用
酶傳感器可以省去提純酶的復(fù)雜步驟。許多酶傳感器都可以用
于臨床生化指標(biāo)(葡萄糖、乳酸、尿素、尿酸、肌酸、肌酐、谷
氨酰胺、血清中總蛋白、血清中膽固醇、血清中甘油三脂、天
作者單位： 河北保定252醫(yī)院檢驗科 (魯然)
圖1 生物傳感器的分類
