生物传感器biosensor

探测生物学反应信息的一种新型装置。它是生物学与物理学、化学融于一体的多学科交叉产物。它主要由生物敏感膜、基础换能器和电信号检测器3部分组成。生物敏感膜又称分子识别元件，是由对物质具有选择性识别功能的酶、微生物、抗原或抗体等生物相关物质，采用固定化技术制作成的人工膜。基础换能器是由电化学或热检测或光检测装置等组成。由生物敏感膜层经分子识别发生生物学反应产生的信号经化学或物理换能器转成可定量和处理的电信号，确定待测物浓度。生物传感器在无试剂（除缓冲液外）条件下操作，优于传统的生物学和化学分析法，能精确定量，可重复使用，连续分析和自动化操作。并已发展到活体测定、多指标测定和联机在线测定，检测对象已有近百种常见的生物化学物质，在生物学研究中展示了广泛的应用前景。

生物传感器biosensor

以生物活性物质为敏感材料制成的传感器称为生物传感器。其作用是能将生物信号转换为光、电信号，且具有高灵敏度和高度选择性。生物传感器的种类极其繁多，如以酶或其底物为活性的物质称为酶传感器；以抗原或其抗体为活性物质时称为免疫传感器；以激素为活性物质时称为激素传感器；以细菌为活性物质时称为细菌传感器；酶与抗体结合组成酶-免疫传感器。由于基础医学的研究已进入细胞水平和生物分子水平，检测对象由物理化学量发展到生物量，因此可把生物活性物质、反应底物、代谢产物等直接转换为电信号或光信号，又由于生化科学、电化学科学、微电子学发展等为上述信号转换提供了科学技术基础，从而产生了生物传感器。生物传感器已开始广泛应用于医学的各个方面，并向微型化、集成化、智能化、多功能化、分子化方面发展。分子传感系统为生物大分子水平的超微医学监测系统，将对生命科学的研究作出巨大贡献。

生物传感器

生物传感器(Biosensor)是指用生物功能物质作识别器件所制成的传感器。生物传感器包括酶生物传感器、免疫生物传感器及微生物生物传感器等。生物传感器能够选择性地检出样品中的葡萄糖、胆固醇、激素乃至蛋白质等，其检出下限可达10^9-g·ml^-1，是一种选择性好、灵敏度高的新型传感器。
最初的生物传感器是酶生物传感器，其设计原理是Clark首先于1962年提出的。1967年报道了葡萄糖酶生物传感器，有效地将酶反应与Clark氧电极结合在一起。以后又设计出了能够测量尿素、胆固醇、青霉素、乙醇等的酶传感器。七十年代中期，有人将抗原抗体反应、微生物反应与电化学装置相结合，设计了免疫传感器和微生物传感器，并出现了应用复合酶体系同时测定多成分的多功能生物传感器，以及将各种生物功能材料与光测量、热测量技术相结合的光生物传感器和生物热敏电阻等，形成了一个较为完整的生物传感器领域。此外，人们还对各种红细胞、线粒体及细胞器等生物材料组成生物传感器的可能性进行了实验。
表1为生物传感器组合实例，反映了各种生物功能材料与各种传感器装置组合的多样性。

表1 生物传感器组合实例

膜上的生物功能物质	传 感 器
E、A E E、EA E、A E、O、PK E E、PK、EK E、EIA、PK、O E、PK、O E、EIA、A PK E、PK、EK E、A、PK	光吸收/光反射装置 电导测定 场效应管(FET) 光导纤维装置 气敏电极 离子选择性电极 核磁共振 氧电极 pH电极 光电二极管、光敏胶片 压电晶体 半导体/导体 热敏电阻装置

注： E—酶； A—抗体； EIA—酶免疫分析； PK—原核生
物细胞； EK—真核生物细胞； O—细胞（中）类酯。

生物传感器原理 (1)生物功能物质的分子识别： 生物传感器的原理以生物功能物质的分子识别为基础。例如，酶是一种高效生物催化剂，其比一般催化剂高106～1010倍，且一般都在常温常压下进行。此外，酶还具有高度的专一性（它只对特定物质进行选择性催化）。酶催化反应可表示为：
酶+底物酶·底物中间复合物—→产物+酶形成中间复合物是其专一性与高效率的原因所在。由于酶分子具有一定的空间构型，只有当作用物的结构与酶的一定部位上的构型互相吻合时，它才能与酶结合进而受酶的催化。酶的分子空间构型是它进行分子识别的基础。图1表示酶的分子识别功能。抗体的分子识别功能与酶类似。细胞器、微生物及动物组织等是分子集合体，结构比较复杂，其识别功能亦复杂。

图1 酶的分子识别功能

(2)生物传感器工作原理：按照受体学说，细胞的识别作用是由于嵌合于细胞膜表面的受体与外界的配位体发生了共价结合，通过细胞膜通透性的改变，诱发了一系列电化学过程。膜反应所产生的变化再分别通过电极、半

图2 生物传感器原理

导体器件、热敏电阻、光电二极管或声波检测器等转换成电信号，如图2所示。生物传感器的结构是多种多样的，但一般都是由固定化“功能”物质与传感器组合而成。酶生物传感器 酶生物传感器是在酶分析的基础上发展起来的，其中最有代表性的是葡萄糖酶传感器。葡萄糖酶传感器由固定化酶膜与电极构成。在酶膜上发生单酶反应(1)或偶联酶反应(2):

基础电极多采用Clark型氧电极和过氧化氢电极，也有采用铂电极与碘离子选择性电极的。固定酶的方法有的是采用聚丙烯酰胺、骨胶原包埋的，有的是采用交联剂将酶结合在乙酸纤维素、尼龙等高分子载体上的。其基本结构如图3所示。在铂阴极表面覆盖一透气膜 （聚四氟乙烯膜），然后紧贴一层葡萄糖氧化酶膜。在酶膜上，葡萄糖被氧化所消耗的氧使氧电极的输出电流相应减少。电流减小的初速度或平衡电流的减少与葡萄糖的浓度（在一定的范围内）成比例。目前已经研究的部分酶传感器见表2。

图3 葡萄糖酶传感器的结构

免疫传感器 免疫传感器是以免疫测定法为基础发展起来的一类生物传感器。分为标记免疫传感器和非标记免疫传感器两类。
(1)非标记免疫传感器： 非标记免疫传感器是在传感器的分子识别部分（受体）的表面形成抗体抗原复合体，并将反应所引起的变化直接转换成电信号的一种器件。目前有两种设计方案：
❶将抗体（或抗原）结合在膜表面作为受体，测定抗原抗体反应前后的膜电位；
❷将抗体（或抗原）结合在金属电极表面作为受体，测定伴随着抗原抗体反应的电极电位的变化。

表2 酶生物传感器的研究

传感器	酶	固化法	电化学装置	稳定性(d)	应答时间(min)	测定范围(mg·l-1)
葡萄糖	葡萄糖氧化酶	共有结合法	氧电极	100	1/6	1～5×102
乙醇	醇氧化酶	架桥化法	氧电极	120	1/2	5×103
丙酮酸	丙酮酸氧化酶	吸附法	氧化极	10	2	10～103
尿酸	尿酸酶	架桥化法	氧电极	120	1/2	10～103
L-氨基酸	L-氨基酸氧化酶	共有结合法	氨气体电极	70	—	5～102
L-谷氨酰胺	谷酰胺酶	吸附法	氨离子电极	2	1	10～104
L-谷氨酸	谷氨酸脱氢酶	吸附法	氨离子电极	2	1	11
L-天门冬酰胺	天门冬氨酸酶	包括法	氨离子电极	30	1	5～103
L-酪氨酸	L-酪氨酸脱羧酶	吸附法	CO2电极	20	1～2	10～104
L-赖氨酸	L-赖氨酸脱羧酶	架桥法	氧电极	—	1～2	103～104
L-精氨酸	胺基氧化酶 精氨酸脱羧酶 胺基氧化酶	架桥法	氧电极	—	1～2	103～104
L-苯丙氨酸	L-苯丙氨酸氨酶	架桥法	氨气体电极	—	10	5～102
L-蛋氨酸	蛋氨酸氨酶	架桥化法	氨气体电极	90	1～2	1～103
尿素	脲酶	架桥化法	氨气体电极	60	1～2	10～103
胆甾醇	胆甾醇脂	共有结合法	铂电极	30	3	10～5×103
中性脂质	脂肪酶	共有结合法	pH电极	14	4	5～5×10
磷脂质	磷脂酶	共有结合法	铂电极	30	2	102～5×103
单胺	单胺氧化酶	包括法	氧电极	7<	4	10～102

抗体膜或抗原膜的制法很多，一般抗体膜是抗体共价结合在膜载体上制成的，而抗原膜则根据抗原的特性来选择制作方法。脂质抗原用包埋法，蛋白质抗原可采用与抗原相同的共价结合法制成。如果从红细胞里提取A、B、O型的血型物质制成抗原膜，当有抗体结合在膜上时，膜电位就显著变化，由此可简易地判定血型。非标记免疫生物传感器的研究实例见表3。

表3 非标记免疫生物传感器的研究实例

免疫传感器	构 成	测定法
糖传感器	刀豆球蛋白A(ComA)/PVC/Pt 电极	电极电位的测 定
梅毒传感器 白蛋白传感器	心肌磷脂抗原/醋酸纤维素膜 抗白蛋白抗体/醋酸纤维素复合 体膜	膜电位的测定 膜电位的测定
血型传感器 hCG传感器	血型物质/醋酸纤维素膜 抗hCG抗体/TiO2电极	膜电位的测定 电极电位测定

(2)标记免疫生物传感器： 标记免疫生物传感器通常是以酶标抗原或酶标抗体作分子识别部分，电化学装置作信号转换部分而构成的。酶免疫传感器依其结构分为响应膜型与反应器型两种。前者每次测定时需更换响应膜，而后者则可反复使用。
酶免疫生物传感器使用步骤是：第一步，于含未知浓度抗原的试液中加入一定量的酶标抗原，插入酶免疫生物传感器，此时酶标抗原与非酶标抗原竞相与膜面抗体结合，形成复合体；第二步，清洗抗体固定膜表面以除去非特异性吸附物质及游离抗原；第三步，通过测定酶活性求出结合于膜表面上的抗原量。此时加入H2O2（作底物），在酶标（过氧化氢酶）的作用下发生的反应为：

生成的O₂用氧传感器测知，从而可求出酶标抗原与非酶标抗原的量（因酶标抗原与非酶标抗原保持一定的比例）。
标记免疫生物传感器由于使用了具有化学放大作用的酶标识剂，因此，灵敏度比非标记免疫生物传感器显著提高。标记免疫生物传感器的研究实例见表4。
微生物生物传感器 微生物生物传感器是用固相微生物作识别器件所制成的传感器。微生物不同于一般的动植物细胞，它不能单独完成其生命过程，如生长、呼吸、繁殖等。微生物的代谢需要利用有机物，呼吸时要消耗氧，

表4 标记免疫生物传感器的研究实例

免疫生物 传惑器	接收部分	测定法	测定范围 (g·cm-3)
IgG传感器	抗IG膜 （过氧化氢酶标识） 抗IgG膜 （过氧化氢酶标识） 抗IgG膜 （葡萄糖氧化酶标识）	竞争EIA EIA 竞争EIA	10-4～10-3 10-6～10-3 10-6～10-3
IgM传感器	抗IgM膜 （过氧化氢酶标识）	EIA	10-7～10-4
白蛋白传感器	抗白蛋白膜 （过氧化氢酶标识）	EIA	10-6～10-3
hCG传感器	抗hCG膜 （过氧化氢酶标识）	竞争EIA	10-2～102 IU cm-3
AFP传感器	抗AFP膜 （过氧化氢酶标识）	竞争EIA	10-11～10-8
HBs 抗原传感器	抗HBs膜 （过氧化物酶标识）		10-7～10-5
抗体传感器	抗原结合红细胞 微脂粒	补体结合

产生二氧化碳。有些微生物在代谢过程中能产生电活性物质。如果用电极测定这些微生物代谢的产物，便可求出所在体系中某些有机化合物的浓度。这就是设计微生物生物传感器的基础。一般采取包埋吸附的方法把活的微生物固定在合成膜或高分子膜中。聚丙烯酰胺、琼脂、多孔性塑料或骨胶等可作为基体。
测定水质污染指标BOD（生化需氧量） 的微生物生物传感器已经获得成功。它只需用10～20分钟就能测定推算出五日20℃培养法的BOD值。并且，一种测量微生物变异性的微生物生物传感器被设计出来，能对致突变物进行一次性筛选。根据Ames试验的原理，将S·typhimurium(TA-100)的需组氨酸株固定成膜，附在氧电极上，将这种传感器浸入不含组氨酸的培养液中，大约经过9小时即可观测到电流值的明显减小。电流值的变化与变异体的浓度之间存在明显的相关性。
与酶生物传感器比较，微生物生物传感器的选择性较差，但稳定性较好。适用于发酵工业过程检测及环境污染监测等领域。
生物活性探测器 现代医学研究表明，生物活性与许多疾病有关，因此，生物活性的探测将为临床病理诊断提供重要依据，生物活性探测器是另一类重要的生物传感器。
所谓生物活性探测器是指能检测生物体能量代谢水平与物质代谢速率的生物传感器。测量能量代谢的简易方法是测量细胞、细菌或生物组织等在一定条件下的发热功率。而测量物质代谢速率较简单的方法是测量酶的活性，因为物质代谢的速率是受酶直接控制的。因此，许多酶生物传感器和微生物传感器稍加变换都能用来测定生物活性。例如，可用丙酮酸酶传感器来测定GPT的活性。
生物传感器的发展前景将十分广阔，主要表现为以下三个方面。
❶微型化： 实现生物传感器微型化有两条途径，一是采用微型半导体装置——场效应管(FETs)和超大规模集成电路，二是采用光电子技术和光导纤维；
❷多功能化： 即研制能够同时测定多成分的生物传感器以及模拟味觉的传感器；
❸智能化：具有“传感”与“识别”的综合功能，即所谓智能生物传感器。