生物傳感器研究及其應用進展

趙晧凱

摘 要 在近幾年的研究中，生物傳感器因其實用價值巨大被越來越多的人關注和研究。本文首先對生物傳感器進行了分類，并通過生物傳感器的實際運用分別從食品、環境監測、醫學、信息安全、軍事上進行了介紹，最后分析了生物傳感器的市場潛力和未來發展趨勢。

關鍵詞 生物傳感器；應用；進展

中圖分類號 TP2 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）15-0191-02

1 生物傳感器的分類

1.1 按生物物質分類

按照傳感器中分子敏感識別元件和敏感物質，可以把生物傳感器分為生物酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、細胞傳感器、組織傳感器，具體如圖1所示。

1.2 按信號轉換器分類

按生物傳感器信號換能裝置對生物傳感器進行分類，具體可分為生物電極、半導體生物、光電生物、壓電晶體生物換能等傳感器。

1.3 按生物識別原件和被監測目標兩者間的相互作用進行分類

按照兩者間相互作用方式上的區別，將生物傳感器分為生物體代謝物質型以及生物物質的親和型和代謝催化型等傳感器。

2 生物傳感器的實際運用

2.1 食品工業上的運用

在食品工業上，生物傳感器的應用主要體現在確定原料成分，對食品添加劑做定性定量，測定食品新鮮程度，分析食品物理特性，檢測有毒和有害物質等方面。魚在進行降解中會生成黃嘌呤、肌苷、酸肌苷，運用生物傳感器能更準確迅速的對魚新鮮程度進行判斷。可以危害人體身體健康的毒素很多，黃曲霉就是重要毒素之一，但是，在對黃曲霉進行檢測過程中，若運用傳統檢測方式不僅會危害檢測人員身體健康，而且檢測周期也很長。而運用微生物傳感器對黃曲霉進行檢測卻能在一分鐘之內完成，檢測時間短，就不會造成檢測員近距離的長期與該毒素進行接觸，極大地提高了安全性。當然運用生物傳感器還可以對威脅食品安全的肉毒桿菌毒素B、蓖麻等毒素以及農藥和化肥中余留的重金屬離子進行檢測，不僅檢測結果準確，而且速度快，有利于保障食品的安全和人們的健康。

2.2 環境監測上的運用

隨著人們生產量的加大和工業的不斷發展，環境污染也越發嚴重，給人們的生活帶來了很大的影響。正是在這樣的情況下，在環境污染檢測上就更需要一種持續且高效率的檢測設備，而生物傳感器能達到這些要求。酸雨的形成主要是大氣中SO2過多造成的，對酸雨的傳統檢測方法不僅復雜，還易受周圍環境的影響。目前已應用生物傳感器對酸雨和霧霾等進行準確快速的分析，具體是通過在乙酸纖維膜上固定上一些亞細胞類脂類物質，從而同氧電極制成固定型生物傳

感器。

2.3 在醫學上的運用

在醫學領域，生物傳感器有著十分重要的作用。生物傳感器技術具備靈敏度高、專一性強、響應速度快、操作簡便等特點，因此，它的應用不僅給臨床試驗和基礎醫學提供了更穩定快速的診斷方法，并且在生物和軍事等醫學上應用前景廣。生物酶電極傳感器即運用各微生物間不同特點來代替酶，在臨床診斷中是最早使用的一種傳感器，而且在生物醫學中能更快捷及時的對生物毒素進行檢測，有效防范生化物質的危害。醫學領域在各類細菌、毒素、抗體等已應用了生物傳感器進行

檢測。

2.4 在信息安全中的運用

互聯網和信息高速發展，信息安全也成為人們十分關注的話題，傳統的系統升級和防火墻等手段已無法阻止病毒和黑客的攻擊。在信息安全方面，可運用現代新型生物傳感器，比如人臉識別、虹膜識別、指紋識別等技術，這些技術都是通過把生物信號不斷轉換為電信號進行高速處理的過程，不僅高效，而且安全穩定，在信息安全領域中，已是不可或缺的

技術。

2.5 在軍事上的運用

隨著生化武器、核武器等的出現，未來戰爭中高科技武器的破壞和威脅也越來越大，在這些高科技武器中，生物戰劑嚴重威脅著國家安全，所帶來的威脅性與核武器有比肩趨勢，因此，世界各國國防也會把監測生物戰劑的生物傳感器作為核心項目之一。壓電免疫傳感器能夠對引發人、動物、植物患病的細菌進行監測，比如沙門氏菌、霍亂弧菌、肉毒桿菌等。納米、生物、微電子、計算機信息處理等技術的飛速發展和運用，有利于微型生物傳感器和超敏感生物傳感器的研發和應用，在軍事領域，生物傳感器因其在生物戰劑檢測上更加靈敏、快速且操作簡捷，應用范圍廣闊且前景

良好。

3 生物傳感器的市場潛力和發展趨勢

3.1 傳感器由單一成分轉為系列成分

食品是一種復雜體系，由很多物質所組成，而我們在對食物進行分析中需對多種成分進行測定。所以，要求生物傳感器在分析測定上需具備多種功能。人們正逐步采用三維高速立體噴墨、光刻、激光解吸、自組裝等技術來發展生物傳感器的多項功能，在面積相對較小的情況下，最大范圍地排列更多傳感器，比如測定葡萄糖、乙醇等濃度的生物多功能傳感器，以及測定乳酸鹽、亞硫酸鹽等濃度的生物多功能傳

感器。

3.2 在基因工程技術上的運用

在基因工程上運用生物傳感器能研發出具備更強檢測力的生物元件。比如對有機磷進行檢測，來源不一樣的酶其敏感性差別十分大，運用定點突變能有效提高酶的敏感性。

3.3 生物傳感器同其他儀器進行集成

通過相關研究機構的研發，HPLC以及CE能夠同靈敏度高且選擇性強的生物傳感器系統進行聯合，從而進行檢測。比如，生物傳感器與HPLC的集成，能夠對5種有機醇，7種氨基酸和維生素等進行組合的混合物質進行檢測。

3.4 發展趨勢

生物傳感器會不斷向選擇性更高、靈敏度更高的方向發展，此外成本會降低，操作也更為便捷。對食品生物毒素或者農藥殘留做分析中，需要不斷加強生物傳感器的靈敏度，提高其穩定性，不斷改善生物材料性能和結構，研制更高的生物敏感材料，這也是生物傳感器發展的新趨勢。

4 結論

生物傳感器無論是在食品、環境上，還是在醫學、信息安全、軍事上都有著非常廣闊的發展前景。隨著材料科學、計算機和生物、微電子、光電子等技術的不斷發展和應用，生物傳感器的需求迫切性也越發明顯，有效推動了生物傳感器的研發和

應用。

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