生物傳感器 發(fā)展：生物傳感器發(fā)展歷程與發(fā)展方向、最新技術與應用
生物傳感器可以快速檢測病原體、蛋白質、重金屬和其他類分析物，在醫(yī)療保健、遺傳分析、環(huán)境檢測及食品檢測等方面應用廣泛。至今為止，生物傳感器已經(jīng)更新到第3代，應用領域也越來越廣泛。
生物體具有獨特的生物化學識別能力，能夠對外界刺激做出反應，并將這些信號轉換成體內能接收并處理的信號，使其獲得營養(yǎng)物質或遠離危險。人類利用生物識別的敏感性來觀察和了解生存環(huán)境，即模擬自然界的細胞、組織、蛋白質和酶等，將可觀察的事物轉變?yōu)榭蓽y量的物理量，作為這種生物模擬的結果，這類傳感器被稱為生物傳感器。生物傳感器是一種獲取并且處理信息的便攜式特殊工具，可用于快速檢測病原體、蛋白質、重金屬及抗生素等。生物傳感器主要由3部分組成:分子識別元件(包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質)、轉換元件(如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等)和信號放大裝置。當某化合物質與分子識別元件相互作用時產(chǎn)生大量的可量化信號，如:光、聲、電等，通過這些信號來定量檢測待測物濃度。
1生物傳感器發(fā)展歷程
自1962年第一個氧氣生物傳感器誕生以來，研究人員已經(jīng)開發(fā)了應用于不同領域，如醫(yī)學、生物技術和防御生物恐怖主義、食品、環(huán)境和農(nóng)業(yè)等的生物傳感器。生物傳感器通常被定義為將生物學組分與物理化學裝置相結合，用于檢測有生物學意義分析物的一種特殊裝置。生物傳感器研究過程中的關鍵步驟是生物分子的固定化，根據(jù)其不同形式，生物傳感器的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個階段。
1.1第一代生物傳感器—無介質安培型生物傳感器
第一代生物傳感器是將分析物或酶催化反應底物結合至傳感器表面，再通過電信號形式傳送表達。其傳感原理為:當被測物擴散進入生物敏感膜層后，經(jīng)過分子識別發(fā)生生物學反應，反應產(chǎn)生的信息被相應的物理或化學換能器轉換成可定量處理的電信號，再經(jīng)檢測放大器放大并輸出，實現(xiàn)對被測物質的定量檢測。
酶生物傳感器是典型的第一代生物傳感器，它以自然物質如氧氣作為酶與電極之間的電子通道，通過氧電極測量氧的消耗或過氧化氫的產(chǎn)生來測定底物。以葡萄糖氧化酶(GOD)催化葡萄糖為例:酶層GODOX+O2→葡萄糖酸+GODred，GODred+O2→GODOX+H2O2;電極H2O2→O2+2H++2e－，根據(jù)該反應，可以通過氧電極(測O2的消耗)、過氧化氫電極(測H2O2的產(chǎn)生)和pH電極(測酸度變化)來間接測定葡萄糖含量。這種傳感器的優(yōu)點是制作簡單、無人工介體。但由于是間接測定，檢測時受溶解氧波動的影響較大，響應時間較長且難于進行活體分析，試樣中共存的還原性電活性物質易干擾，導致傳感器的靈敏度和選擇性相對較差。
為克服第一代生物傳感器受氧分壓及其溶解度、過電位高、干擾多等限制，自1970年代起人們開始用小分子電子媒介體代替氧溝通酶活性中心與電極之間的電子通道，通過檢測媒介體電流變化來檢測底物濃度變化。因此，第二代酶傳感器又被稱為介體型生物傳感器。
1.2第二代生物傳感器—介質安培型生物傳
感器第二代生物傳感器采用化學介體或特定生物分子取代O2/H2O2在酶促反應中和電極之間進行電子傳遞。良好的介體需要具備以下條件:(1)極易參與有生物活性材料和電極存在的氧化還原反應，在均相和非均相體系中都能迅速進行電子傳遞;(2)還原態(tài)不被氧氣氧化;(3)氧化態(tài)再生所需電壓低，并且不受pH影響;(4)對生物無毒性，不被生物催化劑作為底物;(5)易與生物催化劑共固定化;(6)在工作或保存期間有足夠長的穩(wěn)定時間。常見的第二代生物傳感器是核酸適配體傳感器和轉錄因子傳感器。
1.2.1核酸適配體傳感器
核酸適配體是指雙鏈DNA或單鏈DNA/RNA分子像抗體一樣可以與靶分子特異性結合，由于其變化多端的空間構象使之能結合的分子更為廣泛，且具有比抗體更容易獲取、儲存的特點。最早發(fā)現(xiàn)的自然存在的核酸適配體傳感器是核糖開關，它是一種依賴于RNA的感應調控元件，這種開關是一種新發(fā)現(xiàn)的古老的基因表達調控方式，在原核生物和真核生物中均發(fā)現(xiàn)了能夠響應細胞代謝物和輔因子的核糖開關。
新型核酸適配體生物傳感器主要致力于設計幾類新型的核酸分子適配體傳感器，以進一步提高對基因片段、重金屬離子Hg2+和Pb2+等的檢測特異性和靈敏度。自從ONO和TOGASHI研究證實2個胸腺嘧啶(thymine，T)基團可以作為配體特異性識別自由的Hg2+以來，基于T-Hg2+-T復合作用高選擇性識別Hg2+的研究相繼被報道。XUAN等又證實了含有T-Hg2+-T結構的雙鏈DNA能被核酸外切酶Ⅲ催化降解。因此，利用核酸外切酶Ⅲ輔助靶標循環(huán)結合雜交鏈式反應的雙重放大策略，構建了高靈敏、高選擇性檢測痕量Hg2+的電化學核酸適配體生物傳感器。自此，超靈敏和高選擇性的核酸適配體生物傳感器在生態(tài)學研究、法庭驗證醫(yī)學、疾病基因診斷等方面的應用越來越廣泛。
1.2.2轉錄因子傳感器
轉錄因子傳感器在第二代生物傳感器中應用最多最廣泛，因為小分子對轉錄因子的變構調節(jié)是自然界普遍存在的感測機制，且易用于工程細胞中。感測作用是將配體依賴型激活的轉錄因子與任意輸出通量偶聯(lián)后，在同一啟動子的控制下進行轉錄調節(jié)。感測機制傳感器設計方法的關鍵限制因素是響應相關小分子的已知轉錄因子的數(shù)量。目前對已知轉錄因子
開展了新的感測功能研究，以擴展其在代謝工程中的應用。例如:LuxR是來自費氏弧菌的一個密度感應調控子，會被特異的酰基高絲氨酸內酯(acyl-HSL)激活，從而誘導其調控的操縱子轉錄。LuxR蛋白在進化過程中在主序列中表現(xiàn)了多樣性，以響應acyl-HSL中不同長度和組成的酰基基團。COLLIN等利用LuxR此特點，通過建立LuxR突變文庫篩選更廣普及更敏感響應acyl-HSLs的突變子，其中篩到的8個LuxR突變子顯示對octanoyl-HSL(C8HSL)的靈敏度提高了100倍;同時這些突變子對pentanoyl-HSL(C5HSL)和tetradecanoyl-HSL(C14HSL)敏感性也得到提高，且表現(xiàn)對3OC6HSL的響應較強。
轉錄因子的表達水平與癌癥、炎癥、異常激素響應、發(fā)育障礙等一系列疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關。目前，轉錄因子已成為疾病診斷和藥物開發(fā)的重要生物標志物，因此有必要對其進行特異性、準確度及靈敏度檢測。酶催化的熒光分析法因反應效率高、設計靈活而受到歡迎，但存在應用范圍窄、可靠性不足等缺陷。限制性內切酶是一類序列特異性的核酸酶，其能且僅能對DNA分子內的特定序列進行識別和切割。由于這類酶催化作用的高度專一性和精確性，它們在構建特異、準確的生物檢測平臺方面具有很大的應用潛力。除特異性及準確度外，靈敏度也是評價生物分析方法的重要參數(shù)之一。信號擴增技術因實現(xiàn)了一個目標物對應多個信號的分析模式而被廣泛用于提高檢測靈敏度。因此，基于以上改進，第二代生物傳感器成為目前使用最多、應用最廣泛的傳感器，與第一代相比其檢測靈敏度、實用性明顯提高;但隨著納米技術的發(fā)展，科學家將納米技術與生物傳感器結合，設計出了靈敏度更強、化學穩(wěn)定性更高、生物相容性更好的第三代生物傳感器。
1.3第三代生物傳感器—納米生物傳感器的應用
近年來將納米材料引入到第二代生物傳感器中，提高了其檢測靈敏度和使用性能。廣義上的納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺寸(0.1～100 nm)或由它們作為基本單元構成的材料，這大約相當于10～100個原子緊密排列在一起的尺度。該尺寸處在原子、分子為代表的微觀世界和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，基于此尺寸的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，因此有著獨特的化學性質和物理性質，如表面效應、微尺寸效應、量子效應和宏觀量子隧道效應等，呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的優(yōu)越性能。將這種新型納米材料修飾到電極表面可以有效固定生物分子并促進其氧化還原中心與電極之間的直接電子轉移，再運用納米生物傳感器亞微米尺寸的換能器、探針和納米微系統(tǒng)，從而研制成第三代生物傳感器。
第三代生物傳感器取消了電子中介體，酶和電極之間直接實現(xiàn)電子傳遞，因此，生物傳感器的傳導效率更高，受到的干擾更少，準確性更好，應用前景可觀。
1.3.1在醫(yī)學領域的應用
由于各種納米材料的獨特特性和適當?shù)谋砻嫘揎棧蛊淠軌驅哂袠O高敏感度的分子標記進行診斷。例如:納米生物傳感器通過納米材料識別疾病相對應的生物標記物，可用于預防和早期發(fā)現(xiàn)心血管疾病。同時，納米生物傳感器也顯示了對于特定疾病的生物標記物的體內感知能力。在體內環(huán)境中，該裝置可以監(jiān)測實時生物信號，例如釋放蛋白質或抗體以應對組織損傷、肌肉萎縮、心臟梗塞、炎癥或感染。因此，生物傳感器具有的獨特優(yōu)勢，能夠及時告知健康相關信息，使之成為在臨床早期疾病檢測和治療的有力工具。在組織工程和再生醫(yī)學領域其應用亦具有巨大潛力，特別是在微流體組織工程模型中，因為它們可以通過超靈敏的光學、電化學或聲學傳感系統(tǒng)，在非常低的濃度水平下，在微型化的組織結構中感知特定的生物分子。
1.3.2在食品領域的應用
由于納米生物傳感器有著特異的生物識別功能，選擇性高、體積小、結果精確、方便快捷、抗干擾能力強及響應快等特點，使之在食品領域各個方面都有所應用，包括食品成分、品質指標、食品微生物、農(nóng)/獸藥殘留、食品添加劑、食品鮮度、激素和非食用化學物質檢測等。如納米金免疫標記分析技術在食品檢測方面應用非常廣泛，王喜亮等利用膠體金制備免疫金層析快速檢測磺胺嘧啶試紙條，該試紙條可在15 min完成對磺胺嘧啶殘留的半定量檢測，靈敏度為5 ng/mL，與HPLC法對比，二者的符合率高達100%。李梓維依據(jù)氯化鈉在濃硝酸存在的條件下生成具有強氧化性的亞硝酰氯(NOCL)，它會將負載到聚偏二氟乙烯膜表面的AuNPs刻蝕變小，從而導致顏色變淡的現(xiàn)象開發(fā)了金納米比色法檢測氯化鈉含量，該方法最低檢測限可達0.01%。石墨烯量子點(GQDs)的平均直徑為7 nm，可用于制造電化學免疫傳感器，也廣泛用于檢測食品中的真菌毒素，如黃曲霉毒素B1(AFB1)。BHAＲDWAJ等將化學合成的GQDs直接電泳沉積在電極表面，獲得均勻的形狀、大小和表面形態(tài)并具有特異性、穩(wěn)定性和高靈敏度的免疫傳感器。這種電化學免疫傳感器檢測AFB1的檢測下限可達0.03 ng/mL。食品安全以往的檢測主要依賴儀器檢測，如高效液相色譜、質譜及液質聯(lián)用等，這些方法的優(yōu)勢是能定性定量且靈敏度高，但檢測過程復雜、耗時、不能實現(xiàn)現(xiàn)場檢測，且儀器設備價格高昂、對實驗操作人員要求較高;第三代納米生物傳感器不僅克服了以上缺陷，而且檢測靈敏度大大提升，甚至可達飛克級別，極大拓展了納米生物傳感器的應用范圍。
1.3.3在環(huán)境監(jiān)測方面的應用
納米生物傳感器可以檢測重金屬離子、誘變物、污染物毒性、激素類污染物，這為環(huán)境監(jiān)控提供了有力工具。如金屬納米材料因為其優(yōu)異的光學性能可以在比色分析法中作為良好的光學信號傳導單元，再通過與待測重金屬有特異性識別作用的分子結合，可實現(xiàn)對待測重金屬高靈敏度以及高選擇性的檢測。Zhao等通過使用誘導功能化的金納米顆粒(Au nanoparticle，AuNP)聚集的比色分析法來檢測Cr3+和Cr6+，將AuNP與N-芐基-N-4-(吡啶基亞甲基)苯基二硫代氨基甲酸鹽［N-benzyl-4-(pyridin-4-ylmethyl)aniline ligand，BP-DTC］連接，從而得到功能化AuNP，檢測限可達31 ppb。重金屬離子本身的表面增強拉曼散射(surface enhanced ramanscattering，SEＲS)光譜很弱，直接檢測重金屬離子的SERS信號比較困難，所以使用納米探針間接測量水環(huán)境重金屬濃度。Kang等在2014年制備了基于二芴基1，4-二乙炔基苯(DEB)改性的銀納米粒子(AgNP)的SERS探針，用于選擇性測定水環(huán)境中Hg2+離子，Hg2+與末端乙炔基進行化學反應，形成-C≡C-HgC≡C-鍵，從而觸發(fā)AgNP聚集，檢測限達到0.8 nmol。
1.3.4其他應用
納米氣體傳感器是一種用多壁碳納米管制作的氣敏傳感器。多壁碳納米管具有一定的吸附特性，吸附的氣體分子與碳納米管發(fā)生相互作用改變其費米能級，從而引起其宏觀電阻發(fā)生較大改變，這種改變是氣敏傳感器可檢測氣體成分的基本原理。美國研究人員依據(jù)該原理研制的“納米傳感器”能夠監(jiān)測太空飛船中的微量氣體。該納米傳感器由感應材料的微小的碳納米管構成，能克服太空飛船發(fā)射時的劇烈振動和重力不斷變化的問題，完好地探測到微量氣體接觸到感應材料后引起某種化學反應，使得流經(jīng)傳感器的電流放大或縮小。美國加利福尼亞大學亦研制成功一種能夠自動鑒定氣體成份的“電子鼻”，其主要由只有2 nm的傳感芯片構成，芯片上集成的傳感器有大量碳納米管能夠通過電流的變化捕捉到檢測對象中的各種氣體分子，從而得出氣體的具體成分。
納米材料在各學科領域的研究近年來發(fā)展十分迅速，尤其是在靈敏度、檢測的選擇性和檢測限等方面，但是目前納米材料的使用仍然存在一些問題，如納米材料修飾電極對特定重金屬離子的特異選擇性與重復性方面需要進一步提高;復合納米材料的機制以及特性需要深入研究;對有毒納米材料如何處理，并且應研究無毒綠色的納米材料修飾電極。因此，兼顧檢測靈敏度與選擇性也是未來的研究方向。
2生物傳感器的新技術與發(fā)展方向
2.1生物傳感器新技術
2.1.1比率技術
為避免電化學干擾，引入“比率”這一概念。與傳統(tǒng)直接測定電流或者電位等電化學參數(shù)分析方法不同，比率型生物傳感器引入了參比物質，測定的是響應電流或者響應電位與參比電流或者參比電位的比值及差值，相當于增加了一個內標物，這樣可有效避免系統(tǒng)誤差，提高準確度。Liu等成功應用單個比率型生物傳感器同時測定多種離子，如pH和銅離子、pH和過氧化氫等。但是比率型生物傳感器對參比物質要求嚴苛:(1)穩(wěn)定性非常好;(2)對待測物沒有任何干擾和響應;(3)需要產(chǎn)生可以檢測到的電信號;(4)參比峰出峰位置與待測物的響應峰盡可能分開，避免互相干擾。由于要求嚴苛，至今常用的參比物質只有若干種，而且比率型生物傳感器的制備難度高，制約該技術的發(fā)展。
2.1.2微型化
為實現(xiàn)對生物活體及細胞的監(jiān)測，微型化是生物傳感器發(fā)展趨勢之一。微型生物傳感器(微電極)是指至少有一維尺寸達到10－6 m數(shù)量級的一類電極。當電極達到微電極時，由于擴散效應變化，電化學特性隨之顯著變化。Zhou等［24］利用微小電極成功測定小鼠腦脊液中活性氧、pH、Cu離子等。微電極為了縮小空間和體積，往往摒棄參比電極只采用雙電極體系，因此準確度下降;且微電極制備難度高，穩(wěn)定性也比常規(guī)電極差。
2.1.3生物芯片
生物芯片是指將大量探針分子固定于支持物上后與帶熒光標記的DNA或其他樣品分子雜交，通過檢測每個探針分子的雜交信號強度而獲取樣品分子的數(shù)量和序列信息;是根據(jù)生物分子間特異相互作用的原理，將生化分析過程集成于芯片表面，從而實現(xiàn)對DNA、ＲNA、多肽、蛋白質以及其他生物成分的高通量快速檢測。在食品、醫(yī)療、健康等領域都有應用。例如，對動脈粥樣硬化小鼠基因組DNA甲基化的DNA測定，關于兒童呼吸道病毒的研究，關于中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染性疾病的研究;測定食品中單核細胞增生李斯特菌。生物芯片技術制備難度大，使用要求高，造價昂貴，國內應用剛剛起步。
2.2生物傳感器發(fā)展方向
2.2.1功能多樣化
未來的生物傳感器將會深度涉及醫(yī)療衛(wèi)生保健、疾病診斷治療、食品安全檢測、環(huán)境污染檢測、氣候變化追蹤、發(fā)酵工業(yè)以及軍事國防、民用等各個領域。
2.2.2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(xiàn)，使得人們能夠在家中進行疾病診斷，在超市中和市場上能夠直接檢測食品中農(nóng)藥殘留。
2.2.3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，自動采集分析所需的各種數(shù)據(jù)，更科學快速精準地提供分析結果，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析處理、結果呈現(xiàn)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(xiàn)檢測系統(tǒng)的集成一體化。
2.2.4高靈敏度化
生物傳感器已經(jīng)發(fā)展了幾十年，其檢測靈敏度有了很大提升;但依然存在分析誤差較大、結果可信賴度相對低，主要用于初篩，確證結果有時還要依賴高精端儀器。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，結果穩(wěn)定性和精確度更好。
生物傳感器是一種多學科交叉融合的高科技領域，相比傳統(tǒng)技術具有更高的敏感性、準確性、穩(wěn)定性和實時性，從而被廣泛應用，目前已取得良好效果，但仍需提高其檢測靈敏度、結果的穩(wěn)定性和精確度。目前生物傳感器的建立復雜，其設計過程中必須評估不同傳感器特異性、敏感性、熒光性的響應效應以及不同組分的生物傳感器的穩(wěn)定性、靈敏度、保質期等問題，因此構建并確認一個傳感器非常耗時耗力。相信隨著科學不斷進步，生物傳感器將會發(fā)展的越來越好，越來越全面，應用也越來越廣泛。
來源：ZQY 體外診斷技術支持
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生物傳感器 發(fā)展：生物傳感器的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景.pptx
生物傳感器的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景
摘要：信息時代到來后，獲取準確可靠的信息對現(xiàn)代化生產(chǎn)有著重大作用，而傳感器是獲取自 然和生產(chǎn)領域中信息的主要途徑與手段。其中生物傳感器早已滲透到國民經(jīng)濟的各個部門如食品、 制藥、化工、醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測等方面。生物傳感器專一性好、易操作、設備簡單、測量快速準確、 適用范圍廣。隨著固定化技術的發(fā)展，生物傳感器在市場上具有極強的競爭力。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。相信不久的將來，生物傳感器技術將會出現(xiàn)一個飛躍，達到 與其重要地位相稱的新水平。
關鍵詞：生物傳感器、應用、前景
一、傳感器概述
傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī) 律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、 記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。國家標準 GB7665-87
對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律(數(shù)學函數(shù)法則)轉換成 可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。
隨著新技術革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解 決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領域中信息的主要途徑與 手段。
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程 中的各個參數(shù)，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質量。因此可 以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎。
傳感器早已滲透到工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診 斷、生物工程、甚至文物保護等各個領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚 的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感 器。
由此可見，傳感器技術在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。 世界各國都十分重視這一領域的發(fā)展。相信不久的將來，傳感器技術將會出現(xiàn)一個飛躍， 達到與其重要地位相稱的新水平。
傳感器的特點主要有微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化，它不 僅促進了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和更新?lián)Q代，而且還可能建立新型工業(yè)，從而成為 21 世紀新 的經(jīng)濟增長點。
常見傳感器有電阻式傳感器、激光傳感器、溫度傳感器、光敏傳感器、生物傳感器、 壓力傳感器、超聲波測距離傳感器、鹽濃度傳感器以及電導傳感器等。
二、生物傳感器概述
生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原等）與物理化學換 能器有機結合的一門交叉學科，是發(fā)展生物技術必不可少的一種先進的檢測方法與監(jiān)控 方法，也是物質分子水平的快速、微量分析方法。
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 了這種葡萄糖傳感器。
生物傳感器的分類：
⑴按照感受器生命物質分類，可分為：微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、;細胞傳感器、酶傳感器、DNA 傳感器等等。
⑵按照傳感器檢測原理分類，可分為：熱敏生物傳感器、場效應管生物傳感器、壓 電生物傳感器、光學生物傳感器、聲波道生物傳感器、酶電極生物傳感器、介體生物傳 感器等。
⑶按照生物敏感物質相互作用的類型分類，可分為親和型和代謝型兩種。 生物傳感器的特點：
⑴采用固定化生物活性物質作催化劑，試劑可以重復使用，克服了過去酶法分析試 劑費用高和步驟繁瑣復雜的缺點。
⑵專一性強，只對特定的底物起反應，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果。
⑷準確度高，一般相對誤差可以達到 1%。
⑸操作系統(tǒng)比較簡單，容易實現(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)內的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生。 在生產(chǎn)控制中能得到許多復雜的物理化學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。
改進方向：
盡管生物傳感器技術己經(jīng)有了 50 多年的發(fā)展歷史，但離大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化仍然有一 些問題需要進一步的研究，至少應從以下幾個方面來改善它的性能：
穩(wěn)定性：傳感器表面固定化的生物材料易失活，重現(xiàn)性差。因此，在設計時一方 面要高要求的選擇生物敏感元件，另外，要采用對生物活性單元有穩(wěn)定作用的介質克服 生物材料的易變性，因此生物材料在傳感器表面的固定化技術一直是研究的重點。
選擇性：一是要降低生物活性單元與信號轉換器之間的聯(lián)系以減少干擾，二是要 改善新的活性單元以增加其對目標分子的親和力，從而提高生物傳感器的選擇性；
再生性：雖有一些研究表明在實驗室可以通過一些方法對傳感器進行表面的處 理，但在實際的在線檢測中還需要進一步的研究；4)經(jīng)濟性：生物傳感
生物傳感器 發(fā)展：生物傳感的發(fā)展歷程、熱點及技術挑戰(zhàn)
編者按：生物傳感和器官芯片均屬于生物器件，是典型的交叉學科產(chǎn)物和匯聚技術。生物傳感已經(jīng)發(fā)展了50年，在生命科學研究、疾病診斷與護理、環(huán)境監(jiān)測、生物過程控制中發(fā)揮了重要作用。器官芯片則是近年發(fā)展起來的新興技術，是生物芯片新的發(fā)展方向，在新藥研發(fā)、毒理學研究和再生醫(yī)學等領域有重要應用前景。當前，大健康從概念走向實施，賦予生物傳感和器官芯片新的動力，兩者融合發(fā)展，對生命科學發(fā)展和大健康事業(yè)有重要意義。《院刊》特策劃了“生物傳感與器官芯片”專題，旨在進一步引起國家相關管理部門及社會公眾對于該領域的關注與重視。本期專題由本刊編委、中科院生物物理所研究員張先恩指導推進。
張先恩
中國科學院生物物理研究所 生物大分子國家重點實驗室 中國科學院生物大分子卓越中心
20 世紀 60 年代，美國學者電分析化學專家 Leland C. Clark Jr 提出，對生物化學物質的測定，能否像 pH 電極那樣便捷？這導致了酶電極（enzyme electrode）即第一個生物傳感器（biosensor）的問世。半個世紀以來，生命科學、化學、物理、信息、材料、仿生等多學科原理和技術紛紛融入，使生物傳感發(fā)展成為一門典型的匯聚技術（convergence technology）。它被賦予若干特征——簡便、靈敏、快速、準確，因而在生命科學研究、疾病診斷與居家監(jiān)護、生物過程控制、農(nóng)業(yè)與食品安全、環(huán)境監(jiān)測與污染控制、生物安全與生物安保、航天、深海和極地科學等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景（表 1）。
當前，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和大健康從概念走向實施，生物傳感以其合適的技術特色，面臨新的發(fā)展機遇。通過百度網(wǎng)站搜索“生物傳感器”，獲得300多萬條結果（這還不包括其衍生詞），儼然是一個科技熱詞。
本文將概述生物傳感的發(fā)展歷程，介紹中國學者的學術貢獻，并討論當前發(fā)展熱點及技術挑戰(zhàn)。
1 發(fā)展階段及特點
1.1 第一次發(fā)展高潮：各種物理和化學換能原理被采用，推動領域形成
20 世紀 70—80 年代，一方面，各類生物大分子和生物材料被選作用于生物傳感器的分子識別元件，包括酶、抗體、核酸、細胞、組織片、微生物、完好（intact）生物器官（如動物神經(jīng)觸角）等，多種生化和免疫物質（即環(huán)境化學物質）得以被快速檢測。另一方面，眾多物理和化學換能器（transducer）原理被紛紛采用，形成生物傳感大家族。其中涵蓋了從生物量到各種物理量和化學量的轉換，包括電化學生物傳感、熱學生物傳感、半導體生物傳感（生物場效應晶體管）、光纖生物傳感、壓電、質量及聲波生物傳感等。這些新原理生物傳感模式各具特色，適合于不同的應用場景，奠定了生物傳感領域發(fā)展框架（圖 1）。
此間有 3 個標志性事件。（1）1985 年生物傳感專業(yè)刊物 Biosensors（ Elsevier出版）創(chuàng)刊，后更名為Biosensors & Bioelectronics（《生物傳感與生物電子學》），成為生物傳感領域的權威學術期刊。（2）1987年，第一部生物傳感專著——Biosensors: Fundamentals & Applications 出版，該書由 60 多位專家共同撰寫，至今仍被認為是生物傳感經(jīng)典著作。（3）1990 年，首屆世界生物傳感學術大會召開，以后每兩年舉行 1 次，成為生物傳感領域的學術盛會。這 3 個事件意味著生物 傳感已經(jīng)發(fā)展成為具有一定規(guī)模的研究領域。 Anthony Turner 教授主持了這 3 件事，發(fā)揮了重要作用。
1.2 第二次發(fā)展高潮：新原理生物傳感和DNA芯片促進大規(guī)模商業(yè)化
（1）第二代酶電極獲得商業(yè)化成功。20 世紀 80 年代，美國YSI公司（Yellow Spring Instruments Inc.）實現(xiàn)了酶電極在食品發(fā)酵行業(yè)的商業(yè)化應用。然而，早期的酶電極在進一步普及應用的過程中存在兩個主要難題：① 所采用的酶多為氧化還原酶，尤其是氧依賴型酶，以氧分子作為電子受體，需要較高的工作電位（0.7 V），容易受其他電極活性物質干擾，而且，樣品中本底氧濃度變化也會產(chǎn)生背景噪聲。由此，英國學者 Cass 等用合成化學介體二茂鐵取代氧分子作為酶催化的電子受體，在較低的工作電位下實現(xiàn)酶與電極之間的電子傳遞，解決了電極活性物質干擾和氧背景干擾的問題，被稱為第二代酶電極。② 酶電極采用手工制作，成本高、互換性較差，推廣受限。受到電子行業(yè)印刷電路工藝的啟發(fā)，英國克蘭菲爾德大學（Cranfield University）的專家們引入了絲網(wǎng)印刷技術，實現(xiàn)了酶電極的規(guī)模化制備。新原理與新技術的結合，成功地解決了上述難題，使生物傳感器成為“用過即扔”（disposable）的一次性使用商品。該技術首先用于血糖測定，迅速在醫(yī)院普及，并廣泛用于高血糖患者居家監(jiān)護。
（2）表面等離子體共振（surface plasmon resonance，SPR）生物傳感器廣泛用于生物分子相互作用研究。 在生命科學研究和藥物開發(fā)中，廣泛需要測定（生物）分子相互作用。在SPR 傳感器界面上，當入射光發(fā)生全內反射時，其光能與器件表面電子云發(fā)生共振，共振角度隨著器件表面的生物分子與待測分子的相互作用而發(fā)生漂移，并呈相關性。測定過程能夠動態(tài)監(jiān)測，無須標記樣品、監(jiān)測靈敏度與放射性免疫相當。基于該原理的瑞典 Biacore 生物傳感儀（現(xiàn)屬 GE 公司）已經(jīng)成為研究生物分子相互作用的有效工具和主導技術。然而，任何技術都有其生命周期。近 10 年來， ForteBio 公司推出另一種非標記技術——生物膜光相干生物傳感器（bio-layer interferometry，BLI）。該方法具有低成本和較高通量的特點，迅速獲得普及應用，并與 SPR 生物傳感形成競爭態(tài)勢。
（3）DNA芯片實現(xiàn)基因表達高通量分析。生物芯片（biochips）包括計算機生物芯片、芯片實驗室（lab-on-a-chip）和檢測芯片。其中檢測芯片可以被認為是生物傳感的高通量形式。 20 世紀 90 年代中期出現(xiàn)的 DNA 芯片，其微陣列密度高達每平方厘米數(shù)萬 DNA探針，可一次性地獲得全基因組的表達譜圖，從而成為生命科學研究的重要工具。美國 Affymetrix 公司是該領域的旗艦企業(yè)。在 DNA 微陣列芯片的基礎上，發(fā)展出了一系列生物芯片，如蛋白芯片、多肽芯片、寡糖芯片、免疫芯片等，廣泛應用于科研和臨床。源于清華大學的博奧生物等國內研究中心和企業(yè)也做出了系列的創(chuàng)新并成功開拓市場。
根據(jù)市場分析報告，2014 年，生物傳感和生物芯片的全球市場分別為 129 億和 39 億美元，預計到 2020 年將分別達到 2 2 5 億和 1 8 4 億美元，復合年增長率為 9.7% 和 31.6%，屆時總市場規(guī)模約為400億美元。
1.3 第三次發(fā)展高潮：納米技術被普遍用于提升生物傳感性能
21 世紀以來，納米技術的引入賦予了生物傳感許多新的特性，如高靈敏、多參數(shù)、微環(huán)境應用等。納米效應包括表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。當傳感器或傳感器組件達到納米尺度時，這些效應便不同程度顯現(xiàn)：在納米尺寸，傳感界面表面原子所占的百分數(shù)顯著增加，傳感器的靈敏度也獲得提高。小尺寸效應會導致光學性質、熱學性質、磁學性質、力學性質等發(fā)生變化。例如，半導體納米懸臂梁，能夠稱量一個病毒的重量（ 9.5×10^(-15)g）。又如，半導體量子點，在同一個激發(fā)波長條件下，發(fā)射光頻率會隨量子點尺寸的改變而變化，通過調節(jié)量子點尺寸可以獲得不同的發(fā)射顏色，這使得多靶標光學測定變得簡單。由于量子點比熒光染料和熒光蛋白的抗光漂白的能力要強得多，適合于長時程觀察，目前已在生命科學研究和疾病檢驗方面獲得廣泛應用。
蛋白質和 DNA 等生物大分子是天然的納米材料。它們通過自組裝，在細胞內形成結構精巧、功能獨特的生物傳感網(wǎng)絡和分子機器系統(tǒng)，保證新陳代謝的有序進行。認識它們的復雜結構和運作機理，對于深入理解生命現(xiàn)象有重要幫助。不僅如此，基于獲得的知識，構建納米生物傳感器，或與納米材料相結合構建雜合納米生物傳感器，特別適合于活細胞中生物學過程和重大疾病發(fā)生發(fā)展過程的研究。納米生物傳感目前已經(jīng)有大量研究報道，也成為納米生物學和納米生物技術領域的重要研究方向。
據(jù) Web of Science 數(shù)據(jù)庫（Clarivate Analytics）統(tǒng)計，自 2010 年以來，生物傳感相關論文 6 萬多篇中，納米生物傳感或采用納米技術的生物傳感的論文達到 58%。
2 中國學者的影響力
2.1 論文貢獻已進入世界第一方陣，指標領先
中國學者在生物傳感領域進步十分顯著。用“Biosens”（生物傳感*）作為關鍵詞檢索 Web of Science文獻數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)，1990 年中國學者在國際上發(fā)表的相關論文數(shù)量僅占比 1%，2011 年開始超越美國位居首位，2017 年以來占比已超過 35%，大幅領先于其他國家（圖2a），歷史論文總數(shù)已經(jīng)與美國持平。此外，在高影響力論文中，中國學者的高被引論文數(shù)和熱點論文數(shù)分別居第 1 和第 2 位（圖 2b）。可見，無論是論文總量的貢獻，還是高影響力論文的產(chǎn)出，中國學者已經(jīng)處在世界第一方陣。
2.2 學術上尚待實現(xiàn)卓越與引領，成果轉化應有全球化視野
然而，上述數(shù)據(jù)并非說明中國學者已經(jīng)處在領域的領導地位。迄今為止，各大類生物傳感原理均是由他國學者建立的。近些年，中國學者的高影響力基于 3 個主要原因：（1）研究水平整體提升，這毋庸置疑；（2）研究隊伍體量大，其中高水平人員及其原始性研究總數(shù)也就比較多；（3）納米技術在中國迅速發(fā)展和普及，新型的納米材料如石墨烯、碳納米管、量子點等對提升生物傳感器的性能有明顯作用，中國的高影響力論文大都與納米技術有關。
生物傳感轉化應用與市場開發(fā)方面，中國起步晚于歐、美、日。比較成功的如：山東科學院生物研究所的系列酶電極，已經(jīng)在國內食品發(fā)酵行業(yè)廣泛應用，市場占有率達 90% 以上；部分國產(chǎn)血糖儀產(chǎn)品如三諾、怡成等已進入國內市場的十大銷售品牌行列；博奧基因芯片在疾病檢測方面已擁有一定的市場。總體而言，生物傳感與生物芯片的國際市場，仍由他國跨國公司主導。
由此可見，中國要在生物傳感領域進一步提升影響力，需要兩手抓：一是鞏固已有的成績，在學術和創(chuàng)新上實現(xiàn)卓越與引領；二是重視轉化研究，聯(lián)手工業(yè)界，在全球市場開發(fā)方面有更大的作為。
3 當前的研究熱點與技術挑戰(zhàn)
3.1 穿戴式生物傳感器及無創(chuàng)測定
穿戴式傳感器系統(tǒng)能夠實時地產(chǎn)生個體生命參數(shù)，這有兩個方面的意義。（1）微觀方面。 實時測定疾病標志參數(shù)，并通過手機等發(fā)射裝置將數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)療數(shù)據(jù)中心，有利于患者居家監(jiān)護、個體化醫(yī)療和遠程醫(yī)療。（2）宏觀方面。 隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術與互聯(lián)網(wǎng)的跨界融合，新技術與新商業(yè)模式使疾病的預防、診斷、治療與控制進入智能化時代。生物傳感及生理傳感系統(tǒng)與手機聯(lián)通作為智能終端，將成為健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)不可取代的數(shù)據(jù)源。通過接受、存儲、管理和處理分析這些數(shù)據(jù)，可以對公眾健康狀況、疾病發(fā)生規(guī)律進行歸納分析，從而提供更好的疾病防控策略。
目前，體溫、脈搏、血壓、呼吸頻率等生理指標的穿戴式傳感器系統(tǒng)已經(jīng)開始普及。這些指標均可通過物理傳感器進行直接測定。而生物傳感器的測定對象都在體內，如何實現(xiàn)無創(chuàng)（non-invasive）測定成為主要挑戰(zhàn)。
人體生化、免疫等參數(shù)和疾病標志物的測定一般要采集血液。對于一些需要日常監(jiān)控的代謝指標如血糖等，每日采血是一個不小的心理負擔和生理負擔，大多數(shù)患者因對采血的恐懼而放棄日常監(jiān)控。極微量采血器和高靈敏生物傳感器組成的微創(chuàng)檢測技術能夠有效地減少患者的痛苦，但無創(chuàng)測定技術仍然在探索中。主要有兩個技術路徑：電化學酶電極方法和光學方法。
3.1.1 酶電極法
由于酶電極法難以經(jīng)皮測定（percutaneous determination），研究者們試圖通過測定其他體液樣品來間接反映血液成分。例如，采用電流法或負壓法使皮下組織葡萄糖滲出，再用酶電極測定；谷歌（Google）與諾華（Novartis）合作嘗試將微型酶電極印制在隱形眼鏡片上測定淚液葡萄糖；美國加州大學正在發(fā)展能測定汗液生化成分的佩戴式酶電極。間接法除了需要克服各自的技術難題以外，測定結果與血液中相應的物質濃度之間的相關性以及生理意義是主要的科學問題，需要開展大量的基礎與臨床研究。華中農(nóng)業(yè)大學學者最近利用質譜法分析了汗液外泌體中生化物質的組分，有利于找到汗液中合適的健康或疾病檢測指標。
3.1.2 光學法
光學法是利用被檢測對象的光譜學特征進行測定，包括彈性光散射法、拉曼光譜方法、原位 SPR 法等。近紅外光譜測定血糖已經(jīng)進行了大量研究。葡萄糖分子在近紅外區(qū)間有吸收峰，但與水分子、脂肪和血紅蛋白等吸收相互重疊，干擾嚴重，加上皮膚組織的光吸收和光散射大大減弱了本來就比較弱的葡萄糖光吸收信號。此外，皮膚和組織的厚度及結構也因人而異，為獲得準確的結果，還需要考慮個體建模。
以色列兩家公司分別通過大數(shù)據(jù)建模和機器學習，創(chuàng)建了兩種“學習法”測定血糖技術。 CNOGA 公司產(chǎn)品 TensorTip CoG 設備具有 4 個發(fā)光二極管光源，可發(fā)送波長 600—1150 nm 的光。當光通過手指，人體組織對光的吸收會使透過光改變顏色，用攝像傳感器檢測光譜的變化，同時采血測定血糖濃度，以建立血糖與光譜變化的相關性。通過反復學習和處理器的算法，對多達上億個色彩組合進行分析建模，最終能無創(chuàng)地計算出血糖濃度。另一款產(chǎn)品 Gluco Track 采用多模量方法，在耳垂部位測量超聲波、電磁和熱量的變化，來計算血糖濃度。由于血液生化標志物濃度一般都很低，加上皮膚厚度、組織結構等生物要素因人而異，學習和建模必須考慮個體差異，這或許會增加普及的難度。
拉曼光譜是一種非彈性散射模量，它的散射光波長不同于照射光波長，其效應源于分子振動與轉動。科學家已經(jīng)獲得多種化合物分子的拉曼光譜表征數(shù)據(jù)和指紋圖譜。由于水分子的拉曼散射極弱，拉曼光譜適合于水溶液中有機分子的無標記測定。用拉曼光譜技術在體外測定血糖、尿糖、白蛋白等的含量已有不少報道，測定體內血液組分成為目前的研究熱點。但如同中紅外和近紅外光譜法，拉曼光譜特征信號弱、經(jīng)皮測定信噪比高，準確度和敏感度受到影響，而且儀器昂貴，暫時難以實際應用。采用表面增強拉曼光譜（SERS）方法可以有選擇性地放大靶標生物分子特定發(fā)色基團的振動，從而大大提高檢測靈敏度。但該方法應如何在體內使用，仍在探索中。
總之，盡管還存在種種難題，智能可穿戴生物傳感設備無疑具有重要的價值和發(fā)展?jié)摿ΑＯ嚓P技術上的突破，將帶來醫(yī)療模式的深刻變化。
3.2 生物傳感器與活體測定
生物傳感器在活體測定方面具有重要意義。如神經(jīng)活動示蹤、腫瘤靶標的體內識別、疾病或健康標志物的體內濃度測定等。由于體內環(huán)境的復雜性，對生物傳感器有特殊的要求，主要難題包括：體內環(huán)境和非特異性成分的干擾，測定裝置的微型化，無創(chuàng)測定等。
神經(jīng)遞質（如多巴胺）是神經(jīng)細胞分泌和傳遞給靶細胞的信息，它們調節(jié)人類行為和大腦功能。神經(jīng)遞質的生物合成和代謝轉化異常，將導致嚴重疾病。多巴胺神經(jīng)傳遞在動機、學習、認知和運動調節(jié)中起主要作用，其水平異常被認為與成癮行為、神經(jīng)系統(tǒng)疾病（如帕金森病、阿爾茨海默病和亨廷頓氏病）、精神分裂癥和精神病關聯(lián)。體內測定多巴胺有 3 種方法：（1）微透析采樣+電化學法分析，屬于微創(chuàng)法，有約 20 分鐘的時間滯后。（2）正電子發(fā)射斷層掃描法（PET），屬于無創(chuàng)法，但設備昂貴，耗時長（40 多分鐘）。（3）熒光光纖光度法，需要植入，屬于微創(chuàng)法，測定適時。由于多巴胺本身是電極活性物質，電化學分析法是目前的主流技術，相關的生物傳感器已有酶電極、DNA修飾電極、適配子（Aptamers）修飾電極、分子印跡物（MIPs）修飾電極等。采用納米材料可以進一步實現(xiàn)微創(chuàng)分析, 高時空分辨和抗電極活性物質干擾是主要研究方向。
已經(jīng)報道的其他體內測定和示蹤的對象還有NO（自由基信使分子）、乙醇與乙醛（神經(jīng)活性劑）等。
光遺傳學（Optogenetic）技術也有可能用于發(fā)展活體測定的生物傳感。在神經(jīng)調制的 G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）信號過程中，有多種類型的分子光感受器可參與作用，如視蛋白（Opsins）、光活性蛋白、光開關分子和熒光蛋白等。它們或是天然的，或是基因重組的。分子光感受器受外部激發(fā)后產(chǎn)生構象變化，觸發(fā)GPCR信號通路。通過光激發(fā)和去光激發(fā)，實現(xiàn)細胞信號的調制，從而監(jiān)視體內神經(jīng)活動。這類光感受器可以歸為分子生物傳感器類。
3.3 分子生物傳感與細胞分子影像
分子生物傳感器是由DNA或蛋白質等生物大分子通過基因重組或DNA合成技術構成的傳感器，尤其適合細胞內分子事件的探測。目前廣泛應用的分子傳感器主要有4類：分子信標（MB）、熒光能量轉移系統(tǒng)（FRET）、生物發(fā)光能量轉移系統(tǒng)（BRET）和雙分子熒光互補系統(tǒng)（BiFC）。它們通過自身的構象變化、光反應及光學活性變化來指示靶標生物分子在活細胞中的定位、運動和分布、分子之間相互作用、分子構象變化、酶活性檢測、細胞及亞細胞結構對環(huán)境變化和外生化合物作用的響應等。分子生物傳感器與超分辨顯微系統(tǒng)相結合，能夠實現(xiàn)單分子事件的成像檢測，這是傳統(tǒng)的生物傳感器難以企及的，對生命科學研究意義重大。目前，超分辨成像是在固定細胞上完成的，活細胞條件下的分子事件探測分辨率剛剛突破顯微鏡衍射極限（200 nm），如何在活細胞內實現(xiàn)超高時空分辨的分子事件探測，仍然是挑戰(zhàn)。
3.4 生物反應工程過程的在線監(jiān)控
生物反應工程指通過規(guī)模化培養(yǎng)微生物、植物或動物細胞來生產(chǎn)工業(yè)品、藥品或食品等的工藝過程。過程自動控制對提高生產(chǎn)率和節(jié)能環(huán)保有重要意義。已經(jīng)實現(xiàn)了物理和化學參數(shù)的檢測與控制，但生物參數(shù)如生物量、代謝物、底物和產(chǎn)物的在線監(jiān)測仍然是難題，主要障礙是生物元件不耐受生物反應器內部的高溫高壓滅菌環(huán)境。目前的監(jiān)控方式是在生產(chǎn)過程中從生物反應器中采樣分析（又稱“離線分析”），或經(jīng)過濾器做引流分析。此外，由于缺乏合適的酶電極，對微生物中間代謝物的檢測也比較困難。借鑒合成生物學手段構建級聯(lián)（cascade）酶傳感器或全細胞代謝生物傳感系統(tǒng)，或許能夠解決這個問題。生物參數(shù)的在線監(jiān)控是生物反應工程過程實現(xiàn)全流程自動化的最后堡壘，亟待攻克。
3.5 生物傳感器與現(xiàn)場監(jiān)測
生物傳感設備因其便攜性和測定快速而十分適合現(xiàn)場應用。應用場景如：水體、土壤和大氣環(huán)境指標（有機物、重金屬等）的測定，污水處理工藝過程控制指標監(jiān)測，農(nóng)田肥力檢測，食品成分、添加劑及污染物的現(xiàn)場檢測，生物反恐現(xiàn)場偵檢，口岸檢疫及違禁化合物檢測，特殊環(huán)境（如航空、深海、極地等）的生物和環(huán)境指標監(jiān)測，重癥患者的床邊即時檢測（point-of-care testing，POCT）監(jiān)護等。隨著人們生活質量的提升，相關需求越來越旺盛。
3.6 生物傳感元件的穩(wěn)定性研究
生物傳感元件的穩(wěn)定性差仍然是其廣泛應用的最主要限制因素。目前有多種解決辦法：（1）通過分子進化或蛋白質工程方法提升生物元件的穩(wěn)定性；（2）嗜極端環(huán)境生物的細胞元件通常穩(wěn)定性較好，可選作生物傳感敏感元件；（3）在生物敏感元件的貯存期添加穩(wěn)定劑和保護劑，以延長貨架壽命；（4）利用模擬酶或分子印跡技術取代天然酶，它們的穩(wěn)定性很好，但需要提升催化活性；（5）核酸適配子（aptamer）的穩(wěn)定性優(yōu)于蛋白質分子，已在一些場合取代抗體用作分子識別元件；（6）利用無機納米材料的類酶效應來取代天然酶（主要是過氧化物酶），這是中國學者的創(chuàng)新性貢獻。
4 結語：借力大健康和學科交叉，實現(xiàn)生物傳感研究的卓越與引領，并造福社會
在中國，隨著經(jīng)濟發(fā)展，人們生活水平迅速提高，生活與工作方式改變，疾病譜也發(fā)生顯著性變化，代謝性疾病、腫瘤、心血管疾病等慢性病成為主要疾病負擔。此外，亞健康問題、食品安全問題、環(huán)境衛(wèi)生問題也為全社會所關注。為此，國家頒布了《“健康中國 2030”規(guī)劃綱要》，健康中國上升為國家戰(zhàn)略，推動大健康從概念走向實施，也因此使生物傳感研究獲得新的動力。生物傳感以其快速、準確、便攜等諸多特點，在慢病監(jiān)護與管理、POCT、遠程醫(yī)療與個體化醫(yī)療、食品安全與環(huán)境污染監(jiān)測等，將能發(fā)揮獨特的作用。為此，建議國家相關計劃和專項給予高度關注并加強部署。
生物傳感 50 年的持續(xù)發(fā)展，得益于生命科學、物理學、化學、材料科學和信息技術等多個學科交叉融合。如今，要滿足大健康發(fā)展的需求，生物傳感研究還存在一系列挑戰(zhàn)。新時期，合成生物學、人工智能、納米技術、大數(shù)據(jù)等新興學科領域的發(fā)展與融合，將可能產(chǎn)生新思想、新原理和新方法，促進生物傳感技術難題的解決，并提升生物傳感性能、賦予其新的功能和特性。
中國生物傳感研究將借助大健康發(fā)展的外部動力和新興與交叉學科發(fā)展的內在動力，實現(xiàn)學術上的卓越與引領，并造福社會。
生物傳感器 發(fā)展：電化學生物傳感器發(fā)展簡介
原標題：電化學生物傳感器發(fā)展簡介
生物傳感器技術具有較高專一性和靈敏度，被廣泛運用于復雜體系的在線分析和檢測，在臨床診斷、分析化學、食品檢測、醫(yī)藥分析、化工等領域都具有良好發(fā)展前景。
生物傳感器技術是分析生物科學的一個分支，滲透于分析化學、生物學、生命科學、物理學等多個學科。而對于生物傳感器來說主要分為兩個部分，分別為識別系統(tǒng)與信號轉換系統(tǒng)。
特定物質經(jīng)過識別系統(tǒng)能與傳感器發(fā)生特異性反應，是傳感器具有識別性的關鍵，突出了對檢測物質的專一性。作為識別系統(tǒng)檢測物質可以為蛋白質、酶、抗原抗體、DNA、核酸、生物膜、細胞、組織、微生物等材料，按識別材料的種類就可以將生物傳感器分為酶傳感器、免疫傳感器、細胞傳感器等。另一部分信號轉換系統(tǒng)是將特定物質與識別系統(tǒng)發(fā)生的特異性反應轉換為我們能夠識別的信息(如光、熱、電信息)放大并輸出，按信號的轉換方式又可以將傳感器分為光生物傳感器、電化學生物傳感器等。
由于電信號具有響應速度快、便于轉換獲取、數(shù)據(jù)分析簡單直觀等特點，電化學生物傳感器成為發(fā)展最早，研究內容及成果最為豐富，應用最為廣泛的傳感器。電化學生物傳感器主要是以電極作為信息轉換材料，將物質特異性反應過程轉換為電信號，利用電信號的大小間接的表示反應物的濃度大小。其中，酶電極的發(fā)展在生物傳感器領域最具有代表性。
酶電極傳感器
酶電極是研究最為廣泛的生物傳感器，其中主要是由于酶具有靈敏度高、專一性好、儀器簡單、相應速度快等特點。酶電極生物傳感器指的是以生物酶作為識別單元，將生物酶固定于經(jīng)修飾后的電極表面。當測試底物中存在與生物酶所對應的特定物質會將其催化氧化，反應過程就會在電極表面產(chǎn)生電子交換，通過檢測電流的變化情況來反應所發(fā)生的化學反應，從而來表示讀物質的濃度變化。但是，生物酶通常有一個或幾個金屬離子構成的氧化還原活性中心，大部分的活性中心都深埋在蛋白質肽鏈中，使得酶活性中心很難實現(xiàn)與電極表面直接進行電子交換。
為解決酶的活性中心與電極之間的電荷轉移問題，生物酶電化學傳感器主要發(fā)展有三個階段。
第一階段的酶電極以氧氣作為電子受體，以葡萄糖氧化酶傳感器為例，反應過程如(1)、(2)。GOx (FAD) 氧化態(tài)葡萄糖酶將葡萄糖氧化為葡萄糖內酯酸，同時還原態(tài)酶GOx(FADH2) 將溶液中氧氣還原為過氧化氫，通過測定反應過程中氧氣或過氧化氫的濃度變化量來間接測定葡萄糖濃度。但這一階段的傳感器極易受環(huán)境中氧氣的影響，抗干擾能力差。
GOx (FAD) + glucose→GOx(FADH2)+ glucolactone (1)
GOx(FADH2) + O2→GOx(FAD) + H2O2 (2)
第二階段的傳感器是在生物酶與電極之間增加用于電子傳遞的介體層，替代氧氣作為電子受休，克服了受干擾性的問題。利用可快速進行氧化還原反應的介體材料作為酶活性中心與電極表面電子傳遞的中間體，反應過程如 (3)、(4)、(5)。氧化態(tài)酶氧化底物轉化為還原態(tài)酶，同時將介體物質還原氧化的過程將反應電荷傳遞至電極表面，通過電荷量來表示反應底物濃度。但介體材料容易擴散，這對介體材料的固定提出了更高要求。
GOx (FAD) + glucose→GOx(FADH2) + glucolactone (3)
GOx(FADH2) + 2Medox + 2e-→GOx (FAD) + 2Medred + 2H+ (4)
2Medred→2Medox + 2e- (5)
第三階段的酶電極傳感器不需要氧或介體作為電子受體，而是利用化學方法把生物酶蛋白肽鏈打開將酶活性中心暴露或對電極表面進行特殊處理，將生物酶固定于電極表面，在催化氧化反應物的同時直接與電極發(fā)生電荷交換，反應過程如(6)、(7)。然而，受生物酶自身性質電子傳輸效率仍然有限。
GOx (FAD) + glucose→GOx(FADH2)+glucolactone (6)
GOx(FADH2 ) + 2e-→GOx(FAD)+ 2H+ (7)
無酶電極傳感器
在酶電極傳感器中，酶的活性是決定傳感器穩(wěn)定性、靈敏性的關鍵因素，但在酶固定過程容易變性失活，同時酶的活性也容易受周圍環(huán)境如濕度、溫度、以及化學因素的影響，并且酶在固定過程中可能出現(xiàn)泄漏，一些生物酶的成本較高。從而提出了利用某些具有多個氧化價態(tài)的金屬、金屬氧化物、合金等作為催化材料代替生物酶固定于電極表面來催化氧化待測物的方法。對于物質在電極表面催化氧化的理論有兩種氧化機理被普遍認可。
以葡萄糖在電極表明氧化為例。第一種為相鄰位點吸附理論，認為吸附在電極表面的葡萄糖被氧化時，葡萄糖分子中半縮醛碳上的C-H鍵斷裂，氫原子和半縮醛碳同時在電極表面形成化學鍵，如圖1所示。
圖1 相鄰位點吸附示意
第二種為中間體氧化理論，金屬原子在被葡萄糖分子吸附時形成金屬離子膜，金屬離子將吸附的葡萄糖分子氧化為葡萄糖內酯酸，離子膜在電極表面還原為金屬原子從而實現(xiàn)電荷交換，如圖2所示。
圖2 中間體氧化示意
目前，已有很多對于無酶傳感器的研究，葡萄糖無酶傳感器研究最為廣泛。比如有利用貴金屬Pt、Au、Pd作為葡萄糖催化材料制作電極的無酶傳感器，過渡金屬Ni、Cu以及其氧化物經(jīng)修飾處理后制作傳感器電極，多種金屬或氧化為雜化后制作的電極等。雖然，無酶傳感器不受酶活性影響，但也存在一些問題，比如貴金屬 Pt、Au的成本較高，雖然對葡萄糖具有良好的催化活性，但溶液中的Cl-易在電極表面發(fā)生吸附；Pd納米粒子容易發(fā)生聚合；過渡金屬Ni、Cu以及其氧化物雖然具有較高靈敏度，但具有對葡萄糖檢測的線性范圍窄等問題。無酶傳感器極易受化學環(huán)境影響，對檢測環(huán)境有較高要求，所以一般都在緩沖溶液中進行檢測。返回搜狐，查看更多
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