生物传感器的简单介绍

生物传感器是一种用于检测被分析物的分析设备，顾名思义，生物传感器就是把生物成分和物理化学检测器结合在一起的设备，是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）、适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统，目的就是为了把待分析物种类、浓度等性质通过一系列的反应转变为容易被人们接受的量化数据，便于分析。

图1. 生物传感器的组成部分（doi：10.1016/j.talanta.2017.07.044）

生物传感器并不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。生物传感器主要有下面三种分类方式：

1．根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器（enzymesensor），微生物传感器（microbialsensor），细胞传感器（organallsensor），组织传感器（tis-suesensor）和免疫传感器（immunolsensor）。显而易见，所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。

2．根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有：生物电极传感器，半导体生物传感器，光生物传感器，热生物传感器，压电晶体生物传感器等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。

3．以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲和型生物传感器（affinitybiosensor）、代谢型或催化型生物传感器。

生物传感器已不再局限于生物反应的电化学过程，而是根据生物学反应中产生的各种信息( 如光效应、热效应、场效应和质量变化等) 来设计各种精密探测装置，形成了光纤、压电晶体、表面离子体共振、半导体、纳米等器件与酶、抗原、抗体、核酸、细胞、天然受体或合成受体等生物元件组成的各类生物传感器类型。

图2. 生物传感器的不同分类（doi：10.1016/j.bios.2016.12.005）

图3. 不同类型的生物识别元件在2000年-2015年的论文发表数量（doi：10.1016/j.bios.2016.12.005）

生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术，因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、在复杂的体系中进行在线连续监测，特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点，使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。

图4. 传统的分析技术与生物传感器的对比（doi：10.1016/j.bios.2010.07.033）

生物传感器在各个领域都有应用的需求，尤其在生物医学研究、药物合成筛选、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物标志物的检测等众多领域的应用提供了极为广阔的前景。

图5. 商用的生物传感器（doi：10.1016/j.ab.2015.03.011）

以下介绍生物传感器在不同领域的一些常用的应用场景：

1．食品安全

图6. 全球食品工业系统（doi：10.1016/j.tifs.2017.08.014）

生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析。

图7. 食品安全和食品质量控制（doi：10.1016/j.copbio.2016.11.012）

2．环境监测

环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器，生物传感器满足了人们的要求，目前已有相当部分的生物传感器应用于环境监测中。

图8. 纳米光子传感器和(生物)识别元件对主要的环境分析类型（doi：10.1016/j.copbio.2017.03.016）

图9.应对环境监测面临的挑战的解决方案（doi：10.1016/j.trac.2017.08.001）

3．发酵工业

在各种生物传感器中，微生物传感器具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、可能消除发酵过程中干扰物质的干扰等特点。因此，在发酵工业中广泛地采用微生物传感器作为一种有效的测量工具。

图10. 发酵自动在线监测系统（doi：10.1016/S0925-4005(99)00431-1）

4．医学诊断

医学领域的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及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法，而且因为其专一、灵敏、响应快等特点，在军事医学方面，也具有广的应用前景。

图11. 传感器在床旁诊断（POCT）的应用场景（doi：10.1016/j.tibtech.2017.03.013）

随着材料科学的快速发展，应用于生物传感器的材料尺寸越来越小，纳米技术引入生物传感器领域后，提高了生物传感器的检测性能，并促发了新型的生物传感器。因为具有了亚微米的尺寸、换能器、探针或者纳米微系统，生物传感器的化学和物理性质和其对生物分子或者细胞的检测灵敏度大幅提高，检测的反应时间也得以缩短，并且可以实现高通量的实时检测分析。笔者也曾经趁着纳米材料的发展这一风口，应用一些新的传感信号开发了一些纳米生物传感方法，以后可以详细论述，这里就先不展开了。

文章的最后，笔者推荐一篇最喜欢的综述文章给大家：《Howes P D, Chandrawati R, Stevens M M. Colloidal nanoparticles as advanced biological sensors [J]. Science, 2014, 346(6205): 1247390.》，文中对用于传感器的纳米材料的性质做了详细的综述。

图12. 金属纳米粒子的特性（doi：10.1126/science.1247390）

转于我的知乎主页-文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/30911791