01、生物传感器概述

1●生物传感器的概念

生物传感器（Biosensor）是一种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。用固定化的生物敏感材料（如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）作为识别元件，采用适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等）及信号放大器作为分析工具所构成的检测系统，就是生物传感器。

1967年，乌普迪克（S. J. Updike）和希克斯（G. P. Hicks）在Nature第214卷上发表了论文The Enzyme Electrode（酶电极），称他们研制出了第一个生物传感器——葡萄糖传感器。首先，把葡萄糖氧化酶混合到聚丙烯酰胺胶体中，加以固化；然后，把这个胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，就制成了葡萄糖传感器。

把这种方法推而广之，如果改用其他的酶或微生物等固化膜，就可以制成检测与其对应的其他物质的传感器。这种制作生物传感器的方法称为固定感受膜方法，包括直接化学结合法、高分子载体法、高分子膜结合法等。

由于酶膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜、线粒体电子传递系统粒子膜等对生物物质的分子结构具有选择性识别功能，它们只对特定的反应起到催化、活化的作用，因此，生物传感器具有非常高的选择性。

生物传感器是生物活性材料与物理化学换能器有机结合的产物，是发展生物技术所必须的检测、监控仪器，也是对物质进行分子水平的快速、微量分析手段。在21世纪知识经济发展浪潮中，生物传感器技术必将是连接信息技术和生物技术的新的经济增长点，在临床诊断、工业控制、食品分析、药物分析、环境保护、生物技术、生物芯片、机器人等研究中有着广泛的应用前景。

2●生物传感器的功能

从生物传感器的概念容易看出，生物传感器具有接受器与转换器的功能。

在生物体中，能够选择性地分辨特定物质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些具有分子识别功能的物质，通过识别过程，可以与被测目标结合，构成新的复合物。例如，抗体和抗原的结合，酶与基质的结合。选择适于检测对象的识别功能物质，是设计生物传感器极为重要的前提，需要考虑所产生的复合物的特性。

根据具有分子识别功能的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方面。在敏感元件中，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，微电子学和现代传感技术的成果已经为检测这些信息提供了丰富的手段。

制作、使用生物传感器的过程为：首先，提取出动植物发挥感知作用的生物材料，包括生物组织、微生物、细胞器、酶、抗体、抗原、核酸、DNA等，实现生物材料或类生物材料的批量生产，反复利用，降低检测的难度和成本；其次，将生物材料感受到的持续、有规律的信息，转换为人们可以理解的信息；然后，将信息通过光学、压电、电化学、温度、电磁等方式展示出来，为人们的决策提供依据。

3●生物传感器的结构

生物传感器由分子识别部分和转换部分构成。分子识别部分用于识别被测对象，是可以引起某种物理变化或化学变化的敏感元件，是生物传感器选择性测定的基础。转换部分是把生物活性所表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器。

虽然各种生物传感器所检测的物质不同，但是它们都具有共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料，以及能把生物活性所表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器，二者组合在一起，用现代微电子技术和自动化仪表技术对生物信号进行再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

4●生物传感器的技术特点

传感器是一种可以获取信息、处理信息的特殊装置。人体的感觉器官就是一套完美的传感系统，通过眼、耳、皮肤来感知外界的光、声、温度、压力等物理信息，通过鼻、舌感知气味和味道等化学刺激。生物传感器是一类特殊的传感器，它以酶、抗体、核酸、细胞等生物活性单元为生物敏感单元，对被测物质具有高度的选择性。与其他传感器相比，生物传感器具有下面的技术特点。

（1）专一性强。很多生物传感器只对特定的物质起反应，且不受颜色、浓度的影响。

（2）准确度高。现代的生物传感器相对误差一般可以达到1%。

（3）分析速度快。很多生物传感器可以在1min内得到结果。

（4）检测系统操作比较简单，容易实现自动分析。

（5）多功能。在生产控制中，有的生物传感器能够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。

（6）生物传感器采用固定化生物活性物质作为催化剂，克服了过去酶法分析试剂费用高、化学分析繁琐复杂等缺点。

（7）在生物传感器中，价值昂贵的敏感元件可以重复使用多次，降低了成本。在连续使用时，每例测定只需几分钱。

（8）有的生物传感器能够可靠地指明微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。同时，它们还指明了增加产物得率的方向。

5●生物传感器的分类

一般按照下面三种分类方法对生物传感器进行分类，在实际中，三种分类方法之间经常互相交叉使用。

按照分子识别元件的不同进行分类，生物传感器可以分为五类，即酶传感器（Enzyme Sensor）、微生物传感器（Microbial Sensor）、细胞传感器（Organall Sensor）、组织传感器（Tissue Sensor）和免疫传感器（Immunol Sensor）。这五类传感器所使用的敏感材料分别为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。

按照换能器的不同进行分类，生物传感器可以分为五类，即生物电极传感器（Bio-electrode Sensor）、半导体生物传感器（Semiconductor Biosensor）、光生物传感器（Optical Biosensor）、热生物传感器（Calorimetric Biosensor）、压电晶体生物传感器（Piezoelectric Biosensor）。这五类传感器的换能器分别为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。

按照被测物质与分子识别元件的相互作用方式进行分类，生物传感器可以分为生物亲和型生物传感器（Affinity Biosensor）、代谢型生物传感器和催化型生物传感器。

6●衍生的传感器

（1）DNA生物传感器

DNA生物传感器是一种能将目标DNA的存在转变为可测电信号的装置。它由两部分组成，一部分是识别元件，即DNA探针，另一部分是换能器。识别元件主要用来感知样品中是否含有待测的目标DNA；换能器则将识别元件感知的信号转化为可以观察记录的信号。

DNA生物传感器的工作原理是，通过固定在换能器表面的已知核苷酸序列的单链DNA分子和另一条互补的ss-DNA分子杂交，形成的双链DNA会表现出一定的物理特性，然后由换能器反应出来。通常，在换能器上固化一条单链DNA，通过DNA分子杂交，对另一条含有互补序列的DNA进行识别，形成稳定的双链DNA，通过声、光、电信号的转换，对目标DNA进行检测。

（2）皮肤生物传感器

血液化验是跟踪某些人体健康指标的常用方法，但是，美国军方主导的一个新项目有可能改变监测健康状况的方式。事实表明，人体血液中流动的能够表征健康指标的特定物质，有很多在汗液中也存在。美国军方的这个项目，旨在开发出能够对军人汗液中的流动物质进行跟踪的皮肤生物传感器，以监测他们的健康状况。

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。实际上，这种皮肤生物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。美国军方希望利用这种技术，学会如何最有效地部署军人，如何让他们以最佳状态投入战斗。

02、生物传感生物传感器的应用领域器概述

生物传感器是生物、化学、物理、医学、电子技术等多学科互相渗透的高新技术，具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能够在线连续监测等优点，它还有高度自动化、微型化、集成化的特点，在近几十年获得了蓬勃的发展。

生物传感器并不是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。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，生物传感器都有广泛的应用前景。分子生物学、微电子学、光电子学、微细加工技术、纳米技术等新技术的融合，正改变着传统医学、环境科学、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。

1●食品工业

生物传感器在食品工业的应用包括食品成分分析、食品添加剂分析、农药残留量分析、有害毒物分析、食品鲜度测定等。

（1）食品成分分析

在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已经开发出来的酶电极型生物传感器，可以用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖。其他糖类，如果糖、麦芽糖等，也有成熟的测定传感器。

2002年，Niculescu等人研制的一种安培生物传感器，可以检测饮料中的乙醇含量。这种生物传感器是将一种醌蛋白醇脱氢酶埋在聚乙烯中，酶和聚合物的比例不同，将会影响该生物传感器的性能。该生物传感器可以连续自动在线监测酒发酵过程中乙醇的含量。已经对不同的酒类样品进行了实验,实验结果表明，该生物传感器对乙醇的测量极限为1nmol/L。

（2）食品添加剂分析

亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极，可以测定食品中的亚硫酸盐含量，测定的线性范围为0~6-4mol/L。又如饮料、布丁、醋等食品中的甜味素，Guibault等采用天冬氨酶结合氨电极测定，线性范围为2×10-5~1×10-3mol/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

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有机磷杀虫剂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10-7mol/L，在40℃下测定只要4min。Albareda等用戊二醛交联法将乙酞胆碱醋酶固定在铜丝碳糊电极表面，制成一种生物传感器，对氧磷的可检测浓度为10-10mol/L，对克百威的可检测浓度为10-11mol/L，可以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，大多数毒素有致癌、致畸、致突变的危险，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。

食用牛肉很容易被大肠杆菌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.H7一类的细菌。Kramerr等人研究的光纤生物传感器，可以在几分钟内检测出食物中的大肠杆菌0157.H7，而传统的方法则需要几天。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1天时间，而传统方法需要4天。

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。已经达到的检测极限为16.2ng/mL，一天可以检测20个牛奶样品。

（5）食品鲜度测定

在食品工业中，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苷（IMP）、肌苷（HXR）和次黄嘌吟（HX）的浓度，来评价鱼的鲜度，其线性范围为5×10-10~2×10-4mol/L。

2●环境监测

随着现代工业的快速发展，人们使用的工业产品越来越多，随之而来的工业废弃物也越来越多，给环境造成了严重的危害。现在，环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有能够对环境进行精确、快速、连续、在线监测的仪器，为环境保护提供决策支持。生物传感器可以部分满足人们的要求，目前，已经有相当多的生物传感器应用于环境监测中。

（1）水环境监测

生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）是指，在一定条件下，微生物分解存在于水中的可生化降解有机物所进行的生物化学反应过程中所消耗的溶解氧的数量，以毫克/升、百分率或ppm表示。它是反映水中有机污染物含量的一个综合性指标。如果进行生物氧化的时间为五天，就称为五日生化需氧量（BOD5）。相应地还有BOD10、BOD20。

常规的BOD测定需要5日的培养期，操作复杂，重复性差，耗时耗力，干扰性大，不适合现场监测。Siya Wakin等人利用毛孢子菌（Trichosporon Cutaneum）和芽孢杆菌（Bacillus Licheniformis）制作了一种微生物BOD传感器。该BOD生物传感器能够同时精确测量葡萄糖和谷氨酸的浓度，测量范围为0.5~40mg/L，灵敏度为5.84nA/mgL。该生物传感器响应速度快，稳定性好，在58次实验中，平均每次实验所需的反应时间为5~l0min，标准偏差仅为0.0362。

硝酸根离子是水污染的主要污染物之一，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，用于检测硝酸根离子。该装置对硝酸根离子的检测极限为7×10-5mol，响应时间不到50s，系统操作时间约为85s。

Han等人发明了一种新型微生物传感器，可用于检测三氯乙烯。将假单细胞菌JI104固定在直径为25 mm、孔径为0.45μm的聚四氟乙烯薄膜上，再将薄膜固定在氯离子电极上。把带有AgCl/Ag2S薄膜的氯离子电极和Ag/AgCI参比电极连接到离子计上，记录电压的变化，与标准曲线对照，测出三氯乙烯的浓度。该传感器线性浓度范围为0.1~4 mg/L，适于对工业废水进行检测，在最优化条件下，响应时间不到10min。

（2）大气环境监测

二氧化硫（SO2）是酸雾、酸雨形成的主要原因，对大气环境破坏性很严重。传统的检测方法非常复杂，使用很不方便。Martyr等人将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上，配上氧电极，制成安培型生物传感器，对SO2形成的酸雾、酸雨样品溶液进行检测，l0min内就可以得到稳定的测试结果。

NOx不仅是造成酸雾、酸雨的原因，同时也是光化学烟雾的罪魁祸首。Charles等人用多孔渗透膜、固定化硝化细菌和氧电极，制成微生物传感器，来检测样品中亚硝酸盐的含量，从而推知空气中NOx的浓度，检测极限为0.01×l0-6mo1/L。

3●发酵工业

在发酵工业中，广泛采用微生物传感器作为检测工具。微生物传感器成本低，设备简单，不受发酵液混浊程度限制，能够消除发酵过程中其他物质的干扰。

（1）原材料及代谢产物的测定

微生物传感器可以用于测量发酵工业中的原材料，如糖蜜、乙酸等，也可以测量原材料的代谢产物，如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、醇类、乳酸等。测量装置由适合的微生物电极与氧电极组成，测量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，从而得到被测物的浓度。

2002年，Tkac等人用一种以铁氰化物为媒介的葡萄糖氧化酶细胞生物传感器来测量发酵工业中的乙醇含量，测量灵敏度为3.5nA/mM，13s内就可以完成一次测量。该微生物传感器的检测极限为0.85nM，测量范围为2~270nM。该传感器的稳定性能很好，在连续8.5小时的检测中，灵敏度没有任何降低。

（2）微生物细胞数目的测定

发酵液中微生物的细胞数是指，单位发酵液中微生物的细胞数量，又称为菌体浓度。传统的测量微生物细胞数目的方法是，取一定量的发酵液样品，用显微计数的方法进行测定。这种方法对测量人员的要求很高，耗时较多，不适合连续测定。而在发酵控制方面，迫切需要能够直接测定细胞数目的简单而连续的方法。

研究人员发现，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数目的测定，测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，可以实现对菌体浓度的快速、连续、在线的测定。

4●医学领域

在医学领域，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、临床诊断提供了快速简便的检测方法，而且在军事医学方面也具有广泛的应用前景。

（1）临床医学

在临床医学中，酶电极是研制最早、应用最多的一种传感器，已经成功应用于血糖、乳酸、维生素C、尿酸、尿素、谷氨酸、转氨酶等物质的检测。酶电极的检测原理是：用固定化技术，把酶装在生物敏感膜上。若被检测样品中含有相应的酶底物，则发生化学反应，产生可接受的信息物质，指示电极发生响应，并转换成电信号的变化。根据这一变化，就可以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、乙酸、胆固醇等传感器。如果选择适宜的含某种酶较多的组织来代替相应的酶，所制成的传感器，称为生物电极传感器。例如，用猪肾、兔肝、牛肝、甜菜、南瓜和黄瓜叶等制成的传感器，可以分别用于检测谷酰胺、鸟嘌呤、过氧化氢、酪氨酸、维生素C和胱氨酸等。

DNA传感器经常用于临床疾病诊断，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，有助于及时诊断和治疗疾病。在法医学中，DNA传感器可以用作DNA鉴定，由此衍生出亲子鉴定等技术。此外，DNA传感器还能够进行药物检测。Brabec等人利用DNA传感器研究了常用铂类抗癌药物的作用机理，并测定了血液中该类药物的浓度。

美国普渡大学等机构的研究人员研制成功了一种新型的生物传感器，能够以非侵入的方式进行糖尿病测试，探测出人体唾液和眼泪中极低的葡萄糖浓度，降低利用针刺进行糖尿病测试的几率。这项技术无需过于繁复的生产步骤，从而可降低传感器的制造成本。

2019年底至2020年初，新冠肺炎在全球蔓延。新冠肺炎是一种急性感染性肺炎，其病原体是一种首次在人类中发现的2019新型冠状病毒（COVID-19）。COVID-19病毒粒子由几种蛋白组成的包膜结构，以及内部正链单链RNA组成。检测COVID-19核酸阳性是确诊病例的重要病原学证据之一。卫健委推荐使用的标准检测方法是，基于实时荧光定量PCR技术检测病毒RNA，这种方法需要相应的实时荧光定量PCR仪和专业技术人员等特定条件才能实现，因此，发展更为简便和易于推广的检测方法迫在眉睫。2020年2月22日，云南大学称，该校科研团队研发出了检测新冠肺炎病毒的电化学传感器，建立了灵敏、快速、便捷的检测方法，在病毒检测技术上取得了阶段性成果。研究团队与云南省第二人民医院合作，开展血清、咽拭子等临床样本的COVID-19病毒RNA的检测，与该院使用的标准检测方法相比，两种方法检出一致率高。该检测方法操作简便，检测成本低，检测装置价格便宜，易于携带，数据读取迅速直观，易于推广和应用。

（2）军事医学

在军事医学中，为了有效地防御生物武器，必须能够及时、快速、准确地检测出生物毒素。现有的生物传感器已经能够检测多种细菌、病毒或毒素，例如，炭疽芽孢杆菌、鼠疫耶尔森菌、埃博拉出血热病毒、肉毒杆菌类毒素等。

2000年，美军报道，他们已经研制出了一种生物传感器，能够检测出葡萄球菌肠毒素B、蓖麻素、土拉弗氏菌、肉毒杆菌等4种毒素，检测时间为3~l0min，灵敏度分别为10 mg/L、50mg/L、5×105cfu/ml和5×104cfu/ml。

Song等人研制成功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1×l0-5mol/L的霍乱毒素，而且有较高的敏感性和选择性，操作简单，使用方便。

03、生物传感器的发展趋势

二十世纪九十年代，开启了微流控技术，把生物传感器集成到微流控芯片上，为药物筛选与基因诊断等提供了新的技术前景。现在，生物传感器已经发展到了第二代，产生了微生物传感器、免疫传感器、酶免疫传感器和细胞传感器等，并开始研制第三代生物传感器，尝试把系统生物技术和电子技术结合起来，开发场效应生物传感器。

在生物科学、信息科学和材料科学发展成果的推动下，生物传感器技术飞速发展，但是，生物传感器的广泛应用仍然面临着一些困难。在今后一段时间里，生物传感器的研究工作将主要集中在下面几个方面：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；生物传感器的微型化等。可以预见，未来的生物传感器将具有以下特点。

1●多功能化

未来的生物传感器将进一步应用于食品检测、环境监测、发酵工业、医疗保健、疾病诊断等诸多领域。生物传感器研究的重要内容之一，就是研究能够代替生物视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉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。

2●集成化

随着大规模、超大规模集成电路的发展，以单片机为代表的芯片技术已经得到了普遍的应用。为了丰富生物传感器的功能，芯片技术必将融入到生物传感器之中，实现检测系统的集成化、一体化。

3●微型化

随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断微型化，各种便携式生物传感器使人们能够在家中进行疾病诊断，或者在市场上直接检测食品。

4●智能化

未来的生物传感器将与微型计算机紧密结合，能够自动采集数据，并把采集的数据送到计算机进行处理，科学、准确、直观地提供检测结果，实现采样、进样、结果一条龙，形成检测自动化系统。

5●实用化

随着生物传感器技术的不断进步，生物传感器的应用越来越广泛。为了加速生物传感器市场化、商品化的进程，需要不断降低成本，提高产品的灵敏度、稳定性和使用寿命。伴随着实用性的提高，生物传感器一定会给人们的生活带来巨大的变化，在市场上大放异彩。

04、文末送书

内容简介

电子元器件是电路设计的基础，而电阻、电容和电感又是电路设计中使用非常普遍的电子元器件。本书从物理层面来阐述这三类元器件的实现原理，帮助读者更好地理解这三类电子元器件的电气特性及其在电路中的应用。

本书分为三篇，每篇对应一类电子元器件，以问答的形式对三类元器件的原理和使用进行详细的解释。每篇还包括元器件的选型规范，帮助读者快速掌握元器件的选型原则。

本书内容深入浅出、浅显易懂，通过丰富的实例来剖析枯燥的原理，适合广大高校学生和电路设计相关工作的工程师。

作者简介

朱晓明，“硬件十万个为什么”