生物傳感器課件

biosensor生物傳感器授課老師：周東坡

學(xué)生：寇秋莉賈麗麗Outline：生物傳感器概念生物傳感器類生物傳感器結(jié)構(gòu)和原理生物傳感器應(yīng)用領(lǐng)域生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器微生物傳感器一、whatisbiosensor?1、概述

傳感器是一種信息獲取與處理的裝置。對(duì)物質(zhì)成分傳感的器件就是化學(xué)傳感器，它是一種小型化的、能專一和可逆地對(duì)某種化學(xué)成分進(jìn)行應(yīng)答反應(yīng)的器件，并能產(chǎn)生與該成分濃度成比例的可測(cè)信號(hào)。生物傳感器是一類特殊的化學(xué)傳感器，它是以生物活性單元(如酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜、微生物、細(xì)胞等)作為識(shí)別元件，將生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成可定量的物理、化學(xué)信號(hào)，從而能夠進(jìn)行生命物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)和監(jiān)控的裝置。2、生物傳感器與傳統(tǒng)的分析方法相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)：1）.生物傳感器是由選擇性好的生物材料構(gòu)成的分子識(shí)別元件，因此一般不需要樣品的預(yù)處理，樣品中的檢測(cè)組分的分離和檢測(cè)同時(shí)完成，且測(cè)定時(shí)一般不需加入其它試劑；2）.由于它的體積小，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測(cè)；3）.響應(yīng)快，樣品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反復(fù)多次使用；4）.傳感器連同測(cè)定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀器，便于推廣普及。二、生物傳感器分類1、根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的產(chǎn)生方式：生物親和型生物傳感器（affinitybiosensor）代謝型生物傳感器催化型生物傳感器2、根據(jù)生物傳感器中生物分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)分：酶?jìng)鞲衅鳎╡nzymesensor）微生物傳感器（microbialsensor）組織傳感器（tis-suesensor）基因傳感器細(xì)胞傳感器（organallsensor）免疫傳感器（immunolsensor）生物傳感器分類示意圖生物傳感器按生物分子識(shí)別元件敏感物質(zhì)分類組織傳感器固定化微生物微生物傳感器固定化酶免疫傳感器酶?jìng)鞲衅鞴潭ɑ贵w生物組織切片固定化寡鏈核苷酸生物分子識(shí)別元件基因傳感器3、根據(jù)生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)化器分：電化學(xué)生物傳感器（bioelectrode）半導(dǎo)體生物傳感器（semiconductbiosensor）測(cè)熱型生物傳感（calorimetricbiosensor）測(cè)光型生物傳感器（opticalbiosensor）壓電晶體生物傳感器（piezoelectricbiosensor）三、生物傳感器結(jié)構(gòu)和原理轉(zhuǎn)換器（換能器transducer

）分子識(shí)別元件即感受器，具有分子識(shí)別能力的生物活性物質(zhì)（如組織切片、細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞膜、酶、抗體、核酸、有機(jī)物分子等）；

主要有電化學(xué)電極（如電位、電流的測(cè)量）、光學(xué)檢測(cè)元件、熱敏電阻、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、壓電石英晶體及表面等離子共振器件等，從而達(dá)到分析監(jiān)測(cè)的目的。生物傳感器的選擇性取決于它的生物敏感元件，而生物傳感器的其他性能則和它的整體組成有關(guān)。生物傳感器的傳感原理電信號(hào)電極、半導(dǎo)體等熱敏電阻光纖、光度計(jì)壓電晶體等表面等離子共振信號(hào)轉(zhuǎn)換器生物功能性膜分子識(shí)別化學(xué)物質(zhì)熱光質(zhì)量介電性質(zhì)

四、生物傳感器中的信

號(hào)轉(zhuǎn)換器1.電化學(xué)型信號(hào)轉(zhuǎn)換器電化學(xué)電極（固體電極、離子選擇性電極、氣敏電極等）作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器已廣泛用于酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器及其他類型的生物傳感器中?；瘜W(xué)反應(yīng)與電荷變化密切相關(guān)，將待測(cè)物質(zhì)以適當(dāng)形式置于電化學(xué)反應(yīng)池，測(cè)量其電化學(xué)性質(zhì)（如電位、電流和電容等）變化可實(shí)現(xiàn)物質(zhì)含量的測(cè)定。1.1基本電化學(xué)概念（1）固體電極的相間電位將金屬電極插入電解質(zhì)溶液中，從外表看，似乎不起什么變化。但實(shí)際上，金屬晶格上原子被水分子極化、吸引，最終有可能脫離晶格以水合離子形式進(jìn)入溶液。同樣，溶液中金屬離子也有被吸附到金屬表面的，最終二者達(dá)到一個(gè)平衡。

由于核電粒子在界面間的凈轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生了一定的界面電位差。該類電位主要產(chǎn)生于金屬為基體的電極，它與金屬本性、溶液性質(zhì)、濃度等有關(guān)。

固體電極的相間電位（2）液體接界電位（濃差電位）其產(chǎn)生的條件是相互接觸的兩液存在濃差梯度，同時(shí)擴(kuò)散的離子其淌度不同。界面兩側(cè)HCl濃度不同，左側(cè)的H+和Cl-不斷向右側(cè)擴(kuò)散，同時(shí)由于H+的淌度比Cl-淌度大，最終界面右側(cè)將分布過剩正電荷，左側(cè)有相應(yīng)的負(fù)電荷，形成了液體接界電位。液體接界電位（濃差電位）（3）膜電極電位一個(gè)離子選擇性膜與兩側(cè)溶液相接觸，膜相中離子I+與溶液中I+發(fā)生交換反應(yīng)，最終在兩個(gè)界面處會(huì)形成兩個(gè)液體接界電位（即道南電位1和2）由于膜較厚，膜相內(nèi)也會(huì)存在不同離子擴(kuò)散所產(chǎn)生的擴(kuò)散電位d，因此整個(gè)膜電位m=D1+D2+d1.2基本電化學(xué)信號(hào)測(cè)量技術(shù)（1）電位信號(hào)測(cè)量方法對(duì)于一個(gè)選擇性膜電極，當(dāng)其他外界條件固定時(shí)，膜電位與溶液中待測(cè)離子活度（或濃度）的對(duì)數(shù)值呈線性關(guān)系，即符合能斯特關(guān)系式。由于單個(gè)電極電位值是無法測(cè)量的，通常將待測(cè)電極與一個(gè)參比電極組成一個(gè)電池，測(cè)量其電位差值。采用的參比電極處理可使用標(biāo)準(zhǔn)氫電極外常常使用甘汞電極和銀-氯化銀電極（結(jié)構(gòu)如下圖）。生物傳感器中常涉及用電位法測(cè)量H+NH3、CO2的濃度。1.電引線2.電極帽3.甘汞芯4.玻璃外殼5.飽和KCl6.多孔陶瓷塞7.KCl補(bǔ)液口

甘汞電極（2）電流信號(hào)測(cè)量方法

物質(zhì)在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)與其自身的電極電位相關(guān)，控制電極電位可以有選擇地使溶液中某成分發(fā)生氧化或還原反應(yīng)。當(dāng)電路中有電流通過時(shí)電極將發(fā)生極化現(xiàn)象，使得電極電位偏離平衡電位值。為了有效的測(cè)量和控制研究電極的電位，通?？刹捎萌姌O測(cè)量體系如圖所示。用于電流測(cè)量的三電極測(cè)量體系

電解回路由工作電極和對(duì)電極構(gòu)成，電位的測(cè)量和控制由參比電極與工作電極回路實(shí)現(xiàn)。測(cè)量時(shí)采用線性掃描法、恒電位法等方式，測(cè)量的電流信號(hào)與發(fā)生電極氧化（或還原）的物質(zhì)濃度相關(guān)。生物傳感器中常涉及用電流法測(cè)量O2、H2O2等其他活性物質(zhì)濃度。1.3特點(diǎn)與應(yīng)用

電化學(xué)電極及相關(guān)的電化學(xué)測(cè)試技術(shù)具有性能穩(wěn)定、適用范圍廣、易微型化特點(diǎn)，已在酶?jìng)鞲衅鳌⑽⑸飩鞲衅?、免疫傳感器、DNA傳感器中得到應(yīng)用。目前，微電極技術(shù)也已應(yīng)用于探討細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能、腦神經(jīng)系統(tǒng)的在體研究（如多巴胺、去甲腎上腺素在體測(cè)量）等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。2.離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管型信號(hào)轉(zhuǎn)器

ionsensitiveeffecttransistor，

簡(jiǎn)稱ISFET2.1結(jié)構(gòu)與原理場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)圖

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）有四個(gè)末端，當(dāng)柵極與基-片P-Si短路時(shí)，源極與漏極之間的電流為漏電流。如果施加外電壓，同時(shí)柵極電壓對(duì)基片為正，電子便被吸引到柵極下面，促進(jìn)了源極和漏極兩個(gè)n區(qū)導(dǎo)通。因此柵極電壓變化將控制溝道區(qū)導(dǎo)電性能-漏電流的相應(yīng)變化。因此只要設(shè)法利用生物反應(yīng)過程所產(chǎn)生的物質(zhì)來影響柵極電壓，便可設(shè)計(jì)出半導(dǎo)體生物傳感器。氫離子敏的FET是常用的信號(hào)轉(zhuǎn)換器。將生物活性物質(zhì)如酶固定在柵極氫離子敏感膜（SiO2水化層）表面，樣品溶液中的待測(cè)底物擴(kuò)散進(jìn)入酶膜。假設(shè)是檢測(cè)酶催化后的產(chǎn)物（反應(yīng)速率取決于底物濃度），產(chǎn)物向離子選擇性膜擴(kuò)散的分子濃度不斷積累增加，并在酶膜和離子選擇性膜界面達(dá)到衡定。通常，酶-FET傳感器都含有雙柵極，一只柵極涂有酶膜，作為指示用FET，另一支涂上非活性酶膜或清蛋白膜作為參比FET，兩個(gè)FET制作在同一芯片上，對(duì)pH和溫度以及外部溶液電場(chǎng)變化具有同樣的敏感性，也就是說，如果兩支FET漏電流出現(xiàn)了差值，那只能是酶FET中催化反應(yīng)所致，而與環(huán)境溫度pH加樣體積和電場(chǎng)噪聲等無關(guān)，故其差值與被測(cè)產(chǎn)物的濃度呈比例關(guān)系。2.2特點(diǎn)與應(yīng)用FET的特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，便于批量制作，成本低：②屬于固態(tài)傳感器，機(jī)械性能好、耐震動(dòng)、壽命長(zhǎng)；③輸出阻抗低，與檢測(cè)器的連接線甚至不用屏蔽，不受外來電場(chǎng)干擾，測(cè)試電路簡(jiǎn)化；④可在同一硅片上集成多種傳感器，對(duì)樣品中不同成分同時(shí)進(jìn)行測(cè)量分析。FET的應(yīng)用：離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管可作為酶（水解酶）、微生物傳感器中的信號(hào)轉(zhuǎn)換器。3.熱敏電阻型信號(hào)轉(zhuǎn)換器

熱敏電阻是由鐵、鎳、鈷、鈦等金屬氧化物構(gòu)成的半導(dǎo)體。從外形上分類有珠型、片型、棒型、厚膜型、薄膜型與觸點(diǎn)型等。凡有生物體反應(yīng)的地方，大都可觀察到放熱或吸熱反應(yīng)的熱量變化（焓變化）。熱敏電阻生物傳感器就是以測(cè)定生化反應(yīng)焓（enthalpy)變化作為測(cè)定基礎(chǔ)。若測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)絕熱系統(tǒng)，借助于熱敏電阻，可根據(jù)對(duì)系統(tǒng)溫度變化的測(cè)量實(shí)現(xiàn)試樣中待測(cè)成分的測(cè)定。酶熱敏電阻的測(cè)量系統(tǒng)3.2特點(diǎn)與應(yīng)用作為溫度傳感器的熱敏電阻具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：1.靈敏度高，溫度系數(shù)為-4.5%/K，靈敏度約為金屬的10倍；2.因體積很小故熱容量小、響應(yīng)速度快；3.穩(wěn)定性好，使用方便，價(jià)格便宜。

因?yàn)閷?duì)于許多生物體反應(yīng)都可觀察到放熱或吸熱反應(yīng)的熱量變化（焓變化），所以酶熱敏電阻生物傳感器測(cè)量對(duì)象范圍廣泛，使用于的分子識(shí)別元件包括酶、抗原、抗體、細(xì)胞器、微生物、動(dòng)物細(xì)胞、植物細(xì)胞、組織等。在檢測(cè)時(shí)，由于識(shí)別元件的催化作用或因構(gòu)造和物性變化引起焓變化，可借助熱敏電阻把其變換為電信號(hào)輸出?，F(xiàn)已在醫(yī)療、發(fā)酵、食品、環(huán)境、分析測(cè)量等很多方面得到應(yīng)用，如在發(fā)酵生化生產(chǎn)過程中，廣泛用于測(cè)定青霉素、頭孢菌素、酒精、糖類和苦杏仁等。4.壓電晶體信號(hào)轉(zhuǎn)換器4.1結(jié)構(gòu)與原理壓電晶體型信號(hào)轉(zhuǎn)換器是基于石英晶體的壓電效應(yīng)。在一定方向上施加機(jī)械力時(shí)石英晶體產(chǎn)生變形，就會(huì)引起它們內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移而產(chǎn)生極化，從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對(duì)表面（極化面）上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，當(dāng)外力消失后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當(dāng)外力發(fā)生變化時(shí)表面電荷極性隨之改變，這種現(xiàn)象物理學(xué)稱為（順）壓電效應(yīng)。壓電晶體型轉(zhuǎn)換器

若對(duì)石英晶體施加電場(chǎng)作用時(shí)，同樣會(huì)引起內(nèi)部正、負(fù)電荷中心的相對(duì)位移而導(dǎo)致石英晶體變形，且應(yīng)變與外電場(chǎng)強(qiáng)度成正比；外電場(chǎng)方向改變，石英晶體形變方向也隨之改變。當(dāng)外加電場(chǎng)的振蕩頻率與石英晶體固有振蕩頻率一致時(shí)，石英晶體處于諧振狀態(tài)。通常使用的是AT切割型石英晶體（頻率溫度系數(shù)最?。⒃谄鋬擅嬲婵諊婂円粚訉?dǎo)電用的金屬電極。采用TTL-IC振蕩電路驅(qū)使石英晶體諧振于其固有的頻率，圖是壓電石英晶體傳感器的工作系統(tǒng)。壓電石英晶體傳感器的工作系統(tǒng)當(dāng)石英晶體便面附著層的質(zhì)量改變時(shí)其頻率隨之改變，用Sauerbrey方程來描述。即△F=KF2△m/A，式中，△F是晶體吸附外表物質(zhì)后振動(dòng)頻率（Hz）的變化；K為常數(shù)；F為壓電晶體的基礎(chǔ)頻率（MHz）；△m為附著層物質(zhì)的質(zhì)量變化。通常可檢測(cè)低至10-10g/cm2級(jí)的痕量物質(zhì)，因此常稱之為石英晶體微天平。4.2特點(diǎn)與應(yīng)用壓電石英晶體傳感器的特點(diǎn)：1.儀器裝置簡(jiǎn)單、成本低廉；2.靈敏度高、易自動(dòng)化、使用范圍廣；3.可發(fā)展一類非標(biāo)記的親和型生物傳感器檢測(cè)方法。在免疫學(xué)、微生物學(xué)、基因檢測(cè)、血液流變、藥理研究以及環(huán)境等科學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值和開發(fā)前景。5.光纖光學(xué)型信號(hào)轉(zhuǎn)換器

5.1結(jié)構(gòu)與原理光纖是用來傳輸光波能量的。在傳播過程中，光波的導(dǎo)波參量會(huì)發(fā)生變化，如振幅、相位、偏振度、強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率等，尤其是外界因素（如壓力、溫度、振動(dòng)、濃度）對(duì)光纖的作用更會(huì)引起上述參量發(fā)生較大的變化。光纖生物傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換器主要由光纖和生物敏感膜組成。分析測(cè)試時(shí)將傳感器端插入待測(cè)溶液中，當(dāng)光通過光纖達(dá)到傳感端時(shí)，由于傳感膜中生物活性成分和待測(cè)組分之間的相互作用引起傳感層光學(xué)性質(zhì)變化。將酶、輔酶、生物的受體、抗原、抗體、核酸、動(dòng)植物組織或細(xì)胞、微生物等敏感膜安裝在光纖、平面波導(dǎo)或毛細(xì)血管波導(dǎo)面上，對(duì)樣品中的待測(cè)物質(zhì)進(jìn)行選擇性的分子識(shí)別，再轉(zhuǎn)換成各種光信息，如紫外光、可見光及紅外光的吸收與反射，熒光、磷光、化學(xué)發(fā)光和生物發(fā)光、拉曼輻射、光聲和表面等離子體共振等信號(hào)輸出。組成感受器和換能器的可以是同一物質(zhì)或不同物質(zhì)構(gòu)成的單層膜，也可以是不同物質(zhì)構(gòu)成的雙層膜。大多數(shù)情況下，光纖只起光的傳輸作用，也有傳感器是基于被測(cè)物質(zhì)能直接影響光纖的波導(dǎo)性質(zhì)（如張力和折射率的變化）來進(jìn)行化學(xué)或生物傳感的。5.2特點(diǎn)與應(yīng)用光纖生物傳感器具有如下獨(dú)特特點(diǎn)：輕、細(xì)長(zhǎng)、小，很細(xì)小的光纖探針可應(yīng)用于生物體內(nèi)研究；抗電磁干擾強(qiáng)，適用于在強(qiáng)電磁干擾、高溫高壓、易燃易爆和強(qiáng)放射性等惡劣環(huán)境中應(yīng)用，使遠(yuǎn)距離遙測(cè)成為現(xiàn)實(shí)；

應(yīng)用范圍廣，成本低且操作方便；可應(yīng)用于多波長(zhǎng)和時(shí)間分辨測(cè)量技術(shù)，從而改進(jìn)分析結(jié)果的重現(xiàn)性，大大提高方法的選擇性。6.表面等離子體共振型信號(hào)轉(zhuǎn)換器

surfaceplasmonresonance,SPR6.1結(jié)構(gòu)與原理在SPR中，光入射在金屬薄膜上，產(chǎn)生衰減場(chǎng)。如果在金屬薄膜一側(cè)加上一層待測(cè)物質(zhì)，試樣與金屬薄膜的偶聯(lián)影響了結(jié)構(gòu)的折射率，從而影響了反射光、衰減波以及等離子體共振。電磁場(chǎng)沿著金屬表面?zhèn)鞑?，其衰減場(chǎng)按指數(shù)規(guī)律衰減。SPR傳感器的敏感機(jī)制有兩種：一是SPR的電磁場(chǎng)效應(yīng)；二是生物大分子相互作用對(duì)介電性質(zhì)的影響。傳感器原理示意如下光電信號(hào)檢測(cè)與分析傳感器電磁場(chǎng)（反射光波、衰減波）變化敏感層介電性質(zhì)（介電常數(shù)、折射率）變化生物大分子相互作用6.2特點(diǎn)與應(yīng)用SPR傳感系統(tǒng)使用面非常廣。在微生物檢測(cè)、藥物篩選、血液分析、DNA分析、抗原/抗體分析、有毒氣體檢測(cè)等方面都有不俗的表現(xiàn)，對(duì)于環(huán)境污染的控制、醫(yī)學(xué)診斷、食品及藥物檢測(cè)、工業(yè)遙感等方面將是有力的工具。SPR型傳感器的發(fā)展趨勢(shì)：微型化，即在敏感元件上集成更多的器件；多組分同時(shí)測(cè)定，同一敏感器件可以測(cè)量不同的生化成分，一方面提高儀器的使用效率，另一方面也完善了SPR測(cè)量機(jī)理，這一要求也是對(duì)于通用生化分析儀器的共同要求；SPR型傳感器呈現(xiàn)多元化發(fā)展，不同的場(chǎng)合對(duì)于SPR儀器性能要求也不同，在微電子技術(shù)、光纖技術(shù)、生物膜技術(shù)的支持下，各種SPR型傳感器將被開發(fā)出來。五、微生物傳感器微生物傳感器由固定化微生物、換能器和信號(hào)輸出裝置組成，利用固定化微生物代謝消耗溶液中的溶解氧或產(chǎn)生一些電活性物質(zhì)并放出光或熱的原理實(shí)現(xiàn)待測(cè)物質(zhì)的定量測(cè)定。根據(jù)微生物的種類分類可分為發(fā)光微生物(1uminousmicrobes)傳感器，硝化細(xì)菌(nitrifyingbacteria)傳感器，假單胞茵屬(Pseudomonas)與大腸桿菌屬(Escherichia)傳感器，藍(lán)細(xì)菌(cyanobacteria)與藻類(algae)傳感器酵母?jìng)鞲衅?。。發(fā)光微生物傳感器具有一些顯著優(yōu)點(diǎn)：操作無需嚴(yán)格無菌；發(fā)光變化先于基本代謝變化因而對(duì)毒性更為敏感；與光電檢測(cè)手段相結(jié)合，自動(dòng)化程度高、結(jié)果客觀、人為誤差少。硝化細(xì)菌傳感器利用細(xì)菌對(duì)污染物毒性十分敏感的特性，根據(jù)污染物抑制細(xì)胞酶類(如氨單加氧酶、羥氨氧化酶、亞硝酸氧還酶)而干擾硝化過程的原理來檢測(cè)污染物。基于氧化還原介質(zhì)的傳感器選用的假單胞菌株有洋假單胞菌(Pseudomonascepacia)和惡臭假單胞菌(Pseudo—monas

putida)等。檢測(cè)的污染物有氯芬磷、氯氰菊酯、溴氫菊酯、樂果、硫丹等，毒物可顯著抑制工作電極上電流的產(chǎn)生。目前，有兩種類型藍(lán)細(xì)菌、藻類傳感器：一類是檢測(cè)毒物對(duì)光合作用產(chǎn)物生成的影響；另一類是檢測(cè)毒物對(duì)葉綠素?zé)晒獍l(fā)生強(qiáng)度的影響，毒物通過阻斷光合作用的電子傳遞鏈導(dǎo)致葉綠素的熒光強(qiáng)度增高，增加的幅度與污染物濃度相關(guān)。酵母作為一種真核生物傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)增殖速度快，可利用的底物廣泛；(2)細(xì)胞為真核結(jié)構(gòu)，可以檢出真核毒性污染物，結(jié)果對(duì)哺乳動(dòng)物更有意義；(3)對(duì)酸堿度、溫度、離子強(qiáng)度等變化的適應(yīng)能力強(qiáng)于細(xì)菌。現(xiàn)在多通過檢測(cè)耗氧量、酸度(因代謝產(chǎn)物使pH降低)而分析酵母的活性。污染物可抑制其正常代謝過程的進(jìn)行。因?yàn)槿藗儗?duì)釀酒酵母的生理生化特性已有深入了解，常用其作為傳感器的敏感材料。六、生物傳感器的應(yīng)用1、在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)于環(huán)境保護(hù)很重要。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法有很多缺點(diǎn)：分析速度慢、操作復(fù)雜、且需要昂貴儀器，無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速監(jiān)測(cè)和連續(xù)在線分析。生物傳感器的發(fā)展和應(yīng)用為其提供了新的手段。利用環(huán)境中的微生物細(xì)胞如細(xì)菌、酵母、真菌用作識(shí)別元件，這些微生物通?？蓮幕钚阅酄畛练e物、河水、瓦礫和土壤中分離出來。

生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用最多的是水質(zhì)分析。例如，在河流中放入特制的傳感器及其附件可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。一個(gè)典型應(yīng)用是測(cè)定生化需氧量BOD。傳統(tǒng)方法測(cè)BOD需5天，且操作復(fù)雜。BOD的微生物傳感器，只需15min即能測(cè)出結(jié)果。國(guó)內(nèi)外已研制出許多不同的微生物BOD傳感器以及其他用于水污染監(jiān)測(cè)的微生物傳感器，如基于重金屬離子對(duì)微生物新陳代謝的抑制來檢測(cè)重金屬離子污染物。大氣污染是一個(gè)全球性的嚴(yán)重問題，微生物傳感器也可監(jiān)測(cè)CO2、NO2、NH3、CH4之類的氣體。一種利用噬硫桿菌的微生物傳感器被研制出來，噬硫桿菌被固定在兩片硝化纖維薄膜之間，當(dāng)微生物新陳代謝增加時(shí)，溶解氧濃度下降，氧電極響應(yīng)改變，從而測(cè)出亞硫酸物含量，具有良好的應(yīng)用前景。又如:檢測(cè)NOx的生物傳感器。它利用氧電極和一種特殊的硝化細(xì)菌，此硝化細(xì)菌以亞硝酸物作唯一能源。當(dāng)亞硝酸物存在時(shí)，硝化桿菌的呼吸作用增加，氧電極中溶解氧濃度下降，從而測(cè)出NO2-含量。2.用于農(nóng)藥和抗生素殘留量的分析

隨著科學(xué)的發(fā)展，不斷有新的農(nóng)藥和抗生素用于農(nóng)牧業(yè)，它們?cè)诮o人類帶來富足的同時(shí)，也給人類健康帶來了危害。所以對(duì)農(nóng)藥和抗生素殘留量的測(cè)定，各國(guó)政府一向都非常重視。近些年，人們就生物傳感器在該領(lǐng)域中的應(yīng)用也做了一些有益的探索。如Starodub等分別用乙酰膽堿酯酶AChE和丁酰膽堿酯酶BChE為敏感材料，制作了離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管酶?jìng)鞲衅?，兩種生物傳感器均可用于蔬菜等樣品中有機(jī)磷農(nóng)藥DDVP和伏殺磷等的測(cè)定，檢測(cè)限為10-7-10-5mol/L。3.食品分析生物傳感器可廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)生產(chǎn)中，如對(duì)食品原料、半成品和產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)，發(fā)酵生產(chǎn)中在線監(jiān)測(cè)等。利用氨基酸氧化酶?jìng)鞲衅骺蓽y(cè)定各種氨基酸（包括谷氨酸、L-天冬氨酸、L-精氨酸等十幾種氨基酸）。可測(cè)定食品添加劑甜味劑、酸味劑、抗氧化劑等。

鮮度是評(píng)價(jià)食品品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，通常用人的感官檢驗(yàn)，但感官檢驗(yàn)主觀性強(qiáng)，個(gè)體差異大，故人們一直在尋找客觀的理化指標(biāo)來代替。Volpe等曾以黃嘌呤氧化酶為生物敏感材料，結(jié)合過氧化氫電極，通過測(cè)定魚降解過程中產(chǎn)生的一磷酸肌苷IMP，肌苷HXP和次黃嘌呤HX的濃度，從未評(píng)價(jià)魚的鮮度。黃嘌呤氧化酶催化的是如下反應(yīng)：次黃嘌呤+H2O+O2→黃嘌呤+H2O2

黃嘌呤+H2O+O2→尿酸+H2O2黃嘌呤+H2O+2O2→尿酸+2O2-（超氧陰離子）+2H+（氫離子）

4.生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

1）.基礎(chǔ)研究生物傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物大分子之間相互作用。借助于這一技術(shù)動(dòng)態(tài)觀察抗原、抗體之間結(jié)合和解離的平衡關(guān)系，可較為準(zhǔn)確地測(cè)定抗體的親和力及識(shí)別抗原表位，幫助人們了解單克隆抗體特性，有目的的篩選各種具有最佳應(yīng)用潛力的單克隆抗體，而且較常規(guī)方法省時(shí)、省力，結(jié)果也更為客觀可信，在生物醫(yī)學(xué)研究方面已有較廣泛的應(yīng)用。如用生物傳感器測(cè)定重組人腫瘤壞死因子α單克隆抗體的抗原識(shí)別表位及其親和常數(shù)。2）.臨床應(yīng)用用酶、免疫傳感器等生物傳感器來檢測(cè)體液中的各種化學(xué)成分，為醫(yī)生的診斷提出依據(jù)。如美國(guó)YSI公司推出一種固定化酶型生物傳感器，利用它可以測(cè)定出運(yùn)動(dòng)員鍛煉后血液中存在的乳酸水平或糖尿病患者的葡萄糖水平。還可預(yù)知疾病發(fā)作。如癲癇患者可戴著一個(gè)微小傳感器，使用頭皮上電極，預(yù)感癲癇發(fā)作，平均可以在7min之前預(yù)知癲癇發(fā)作到來。發(fā)覺之后可以從植入的藥泵中釋放藥物，成功制止癲癇發(fā)作。3）.生物醫(yī)藥利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)藥物時(shí)，將生物傳感器用于生化反應(yīng)的監(jiān)視，可以迅速的獲取各種數(shù)據(jù)，有效的加強(qiáng)生物工程產(chǎn)品的質(zhì)量管理。生物傳感器已在癌癥藥物的研制方面發(fā)揮了重要的作用。如將癌癥患者的癌細(xì)胞取出培養(yǎng)，然后利用生物傳感器準(zhǔn)確的測(cè)試癌細(xì)胞對(duì)各種致癌藥物的反應(yīng)，經(jīng)過這種試驗(yàn)就可以快速地篩選出一種最有效的致癌藥物。

（圖片來源：密歇根大學(xué)）利用該裝置，無需顯微鏡即可測(cè)量出細(xì)菌的生長(zhǎng)過程及藥敏特征?？茖W(xué)家將這種裝置稱為“異步磁珠轉(zhuǎn)動(dòng)（AMBR）傳感器”，它采用了一種可以在磁場(chǎng)中異步旋轉(zhuǎn)的磁性小珠，任何附著到這種磁珠的物質(zhì)都會(huì)降低其轉(zhuǎn)速。在這項(xiàng)研究中，研究人員將桿狀大腸桿菌附著在磁珠上，然后用AMBR傳感器進(jìn)行檢測(cè)?！爱?dāng)單個(gè)細(xì)菌附著上去后，將極大地阻礙磁珠，使磁珠旋轉(zhuǎn)速率減慢到原來的四分之一”，領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Raoul

Kopelman教授解釋，“若細(xì)菌再長(zhǎng)大一點(diǎn)點(diǎn)，阻礙力將持續(xù)增大，轉(zhuǎn)速也將隨之變化，因而我們可測(cè)量出細(xì)菌的這種納米級(jí)生長(zhǎng)變化”。

異步磁珠的原理：利用同樣的原理，該裝置也可用于檢測(cè)細(xì)菌的藥敏性。當(dāng)細(xì)菌受到藥物影響停止持續(xù)生長(zhǎng)，進(jìn)而使得磁珠轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，于是研究人員便能在數(shù)分鐘內(nèi)知道藥物是否對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生了作用?！安捎眠@種方法，我們可以檢測(cè)到小至80納米程度的細(xì)菌生長(zhǎng)變化，遠(yuǎn)比一臺(tái)光學(xué)顯微鏡管用——顯微鏡的解析度也就大約250納米”，文章作者Paivo

Kinnunen說，“這種方法可以應(yīng)用到任何微米級(jí)或納米級(jí)的大小變化檢測(cè)中”。研究人員表示，這種新型生物傳感裝置或?qū)⒂兄诩涌旒?xì)菌感染治療。5.軍事上的運(yùn)用現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)往往是在核武器、化學(xué)武器、生物武器威脅下進(jìn)行的戰(zhàn)爭(zhēng)。偵檢、鑒定和監(jiān)測(cè)是整個(gè)“三防”醫(yī)學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，是進(jìn)行有效化學(xué)戰(zhàn)和生物戰(zhàn)防護(hù)的前提。由于具有高度特異性、靈敏性和能迅速的探測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑（包括病毒、細(xì)菌和毒素等）的特性，生物傳感器將是最重要的一類化學(xué)戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑偵檢器材。1981年，Taylor等人成功地發(fā)展了兩種受體生物傳感器：煙堿乙酰膽堿受體生物傳感器和某種麻醉劑受體生物傳感器，它們能在10s內(nèi)偵檢出10-9（十億分之一）濃度級(jí)的生化戰(zhàn)劑，包括委內(nèi)瑞拉馬腦炎病毒、黃熱病毒、炭疽病毒、流感病毒等。近年來，美國(guó)陸軍醫(yī)學(xué)研究和發(fā)展部研制的酶免疫生物傳感器具有初步鑒定多達(dá)22種不同生物戰(zhàn)劑的能力。美國(guó)海軍研究出DNA探針生物傳感器，在海灣沙漠風(fēng)暴作戰(zhàn)中用于檢測(cè)生物戰(zhàn)劑。生物傳感器的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展生物傳感器最初的目的是為了利用生化反應(yīng)的專一性，高選擇性的分析目標(biāo)物。但是，由于生物單元的引入，生物結(jié)構(gòu)固有的不穩(wěn)定性、易變性，生物傳感器實(shí)用化還存在著不少問題。因此，人們作出了一些努力與設(shè)想來提高生物傳感器的性能。（1）選擇性主要可從兩方面提高生物傳感器的選擇性：改善生物單元與信號(hào)轉(zhuǎn)換器之間的聯(lián)系以減少干擾；選擇、設(shè)計(jì)新的活性單元以增加其對(duì)目標(biāo)分子的親和力。如在酶電極中加入介體或?qū)γ高M(jìn)行化學(xué)修飾可以提高這類電極的選擇性，其中介體或用于修飾的物質(zhì)大都具有一定的電子運(yùn)載能力。

在此啟發(fā)下，一些研究者設(shè)想將酶活性中心與換能器之間用一些分子導(dǎo)線通過自組裝技術(shù)連接起來以消除電化學(xué)干擾。目前，雜環(huán)芳烴的低聚物是研究的熱點(diǎn)，它們極有可能成為這一設(shè)想的突破口。另外，隨著計(jì)算化學(xué)的發(fā)展，更精確地模擬、計(jì)算生物分子之間的結(jié)合作用已經(jīng)成為可能。在此基礎(chǔ)上就可根據(jù)目標(biāo)分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)、篩選出選擇性和活性更高的敏感基元。（2）穩(wěn)定性為了克服生物單元結(jié)構(gòu)的易變性，增加其穩(wěn)定性，最常用的手段是采用對(duì)生物單元具有穩(wěn)定作用的介質(zhì)、固定劑。研究表明用合適的溶膠-凝膠作為生物單元的固定劑應(yīng)用于酶光極，可以大大提高生物單元的穩(wěn)定性。但就目前的技術(shù)水平而言，很多生物單元的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。這種情況下尋求生物酶模擬技術(shù)的幫助是一種值得嘗試的途徑。（3）靈敏度對(duì)于一些特定的分析對(duì)象已發(fā)展了一些能大幅度降低檢測(cè)限的技