生物傳感器的發展現狀及其應用展望

張李建　廉飛宇

摘要：生物傳感器由于具有很大的實際應用價值，是近年來研究的熱點。文章闡述了近年來生物傳感器技術在食品工業、環境監測、農業生產、微生物檢測以及醫學領域的應用現狀，并分析了預測未來生物傳感器的發展趨勢。

關鍵詞：生物傳感器；信息科學；生命科學；食品工業；環境監測；農業生產 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP212 文章編號：1009-2374（2016）03-0053-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.027

1 概述

生物傳感器是信息科學與生命科學結合而快速發展起來的一門新興學科。在生物研究范圍內，有數以萬計的固形、液形、氣體形狀的各種物質，生物學家們一直寄希望有一種快速便捷的方法來檢測這些物質。生物傳感器正是這樣一種器件，它是由生物敏感材料來收集生物信號，然后通過轉化器將其轉化成電信號后進行處理。生物傳感器的設想是Clark和Lyons在1962年首次提出的，距今已有50多年的發展歷史。在這半個多世紀的發展中，生物傳感器已經給人類的生產生活帶來了深刻的影響。本文介紹了近年來生物傳感器的應用現狀及展望。

2 生物傳感器的分類

2.1 根據生物物質分類

根據傳感器中的敏感物質及分子敏感識別元件可將其分為生物酶傳感器、微生物傳感器、細胞傳感器、組織內液傳感器和免疫傳感器。它們對應的敏感材料分別為生物酶、微生物本體、細胞器、動植物組織液、抗原和抗體。

2.2 根據信號轉換器分類

根據生物傳感器的信號換能裝置可將其分為生物電極傳感器、半導體生物傳感器、光電生物傳感器、壓電晶體生物換能傳感器等，這些轉換器依次可分為電化學導電電極、半導體電極、光電換能轉換器、熱敏電阻電容轉換器以及壓電晶體轉換器等。

2.3 根據被檢測目標與生物識別原件的相互作用分類

根據被檢測目標與生物識別原件的相互作用的方式不同可將其分為生物物質親和型生物傳感器、生物體代謝物質型傳感器和生物物質代謝催化型生物傳感器。

3 應用領域

3.1 食品工業的應用

生物傳感器在食品工業中的應用主要包括食品原料成分確定、食品添加劑的定性定量、食品中有毒有害物質檢測、食品新鮮度的測定以及食品物理特性的分析研究。魚降解過程中會產生磷酸肌苷、肌苷和次黃嘌呤，用生物傳感器可以快速準確地判斷魚的鮮度。黃曲霉毒素是威脅人類健康的一大毒素，傳統的檢測方法檢測周期長，并可能對檢測人員造成威脅。可以用枯草桿菌制劑制成的微生物傳感器對黃曲霉毒素中的B1進行檢測，其檢出限為0.8?g/mL，可以在一分鐘內完成檢測，并且不需要人體長時間近距離接觸，因此安全性極高。此外，還可以用類似的傳感器對蓖麻毒素、肉毒桿菌毒素B、葡萄球鏈球菌等毒素進行檢測。

農藥以及化肥殘留重金屬離子也是威脅食品安全的幾大因子，也可以用生物傳感器對這些物質進行快速準確的檢測，從而確保食品安全。

3.2 環境監測的應用

近幾年，環境污染越來越厲害，對人類的生產生活造成了很大的影響。人們希望能有一種對環境污染進行快速持續檢測的設備，生物傳感器滿足了人們這方面的要求。大氣中的二氧化硫是形成酸雨的最主要原因，傳統的檢測方法需要異常復雜繁瑣，并且受檢測周圍環境的影響比較大。現在已經有人將亞細胞類脂類物質固定在乙酸纖維膜上，并和氧電極制成固定型的生物傳感器，對酸雨、霧霾、酸霧等樣品可以進行快速準確的分析。

3.3 醫學領域的應用

生物傳感器在醫學領域發揮著越來越重要的作用。生物傳感器技術為基礎醫學的研究和臨床試驗診斷提供了一種快速簡便、穩定可靠的方法，并且由于其專一性強、靈敏度高、響應快速等特點，在軍事醫學和生物醫學中也有很廣袤的應用前景。

在臨床診斷中，生物酶電極傳感器是最早研發投入使用的一種傳感器。利用具備不同特征的微生物替代酶，可制成微生物酶傳感器。在生物醫學中，對生物毒素進行及時快捷的檢測是預防生化物質危害的有效措施。生物傳感器已經應用于多種細菌、病毒、毒素、抗原和抗體等的檢測。

3.4 發酵工業的應用

發酵產品中包含非常豐富的物質，傳統的檢測方法以化學法為主，它周期長、工作冗雜繁瑣、效率低下，不能滿足現在發酵工業的檢測要求。因此，生物傳感器成為了一種新的選擇。生物傳感器被廣泛譽為發酵工廠中的智能眼睛，是近幾年來這個行業中不可或缺的新工具。現在可以用L-賴氨酸氧化酶固定在明膠基質中與氧電極結合對L型賴氨酸進行檢測。此外可以用谷氨酸脫羧酶對谷氨酸進行脫羧，CO2電極制成的生物傳感器能快速測定谷氨酸。我國山東省生物研究所研制出的谷氨酸快速測定儀，已經在行業中普及應用。目前至少已知有9種氨基酸可以用生物酶電極傳感器來進行快速測定。

3.5 信息安全的應用

面對信息快速發展的今天，信息安全成為了人們關注的頭等大事，面對黑客攻擊、病毒侵害，傳統的方法是安裝防火墻、系統升級、設置訪問權限等手段，然而沒有一種非常有效的手段可以完全防止病毒的攻擊。現在新型生物傳感器可以用于信息安全，比如智能手機上的指紋識別技術、門禁系統上的面部識別技術、虹膜識別技術等都是將生物信號轉換成電信號并進行一系列快速的處理。這種生物傳感器技術安全、穩定、快速、高效，已成為信息安全領域中不可缺少的應用技術。

4 前景與展望

隨著生命科學、材料科學、微電子處理技術、信息科學等的發展，未來的生物傳感器將會具備以下四種特點：

4.1 功能多樣化

未來的生物傳感器將會深度涉及醫療衛生保健、疾病診斷治療、食品安全檢測、環境污染檢測、氣候變化追蹤、發酵工業以及軍事國防、民用等各個領域。

4.2 便攜化

隨著加工工藝和材料科學的不斷進步，生物傳感器將會越來越微型化，各種體積小、功能強大的生物傳感器的出現，使得人們能夠在家中進行疾病的診斷，在超市中和市場上能夠直接檢測食品中的農藥殘留。

4.3 高度智能和集成化

未來的生物傳感器必定與各種計算機緊密結合起來，自動采集分析所需的各種數據，更科學快速精準地提供分析結果，實現數據采集、分析處理、結果呈現的一條龍，形成分析檢測的全自動化。同時芯片技術將會越來越多地進入到新型傳感器領域，從而實現檢測系統的集成一體化。

4.4 高靈敏度化

生物傳感器已經發展幾十年了，但是目前為止，很多傳感器靈敏度不高，分析誤差比較大，結果可信賴度低，因此隨著傳感器技術的不斷進步，未來生物傳感器靈敏度將會更高，使得結果能夠準確體現。

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作者簡介：張李建（1990-），男，河南周口人，河南工業大學在讀研究生，研究方向：通信信號處理。

（責任編輯：陳 潔）