生物传感器的研究现状及展望

高勇 郭艳 安维 张娟丽

摘要：生物传感器是利用生物化学和电化学反应原理，将生物化学反应信号通过信号转换器转换成光信号、电信号的分析检测仪器，具有使用方便、快速、准确灵敏度高等特点。本文主要介绍了微生物细胞传感器、酶传感器、免疫传感器、组织传感器和DNA传感器的主要特点以及在环境监测、食品工业、发酵工业和生物医学等领域的应用和研究进展。

Abstract： Biosensor is an analytical instrument that uses the biochemical and electrochemical reaction principles to convert biochemical reaction signals into optical signals and electrical signals through signal converters. It has the characteristics of convenient， fast， accurate and high sensitivity. This paper reviews the main features of microbial cell sensors， enzyme sensors， immunosensors， tissue sensors and DNA sensors， and the applications and research progress in the fields of environmental monitoring， food industry， fermentation industry and biomedicine.

关键词：生物传感器;环境监测;生物医学

Key words： biosenors;environment monitoring;biomedicine

中图分类号：R197.39                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）31-0225-02

0  引言

1962年， Clark 和Lyons通过葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化反应的原理来制成了第一个酶传感器，早期的生物传感器主要是以酶传感器为主，由于酶的价格高活性不稳定，影响了酶传感器的发展和应用。随着微生物固定化技术的不断发展，产生了各类新型微生物电极传感器，微生物电极以微生物活体作为敏感元件，具有成本低、灵敏度高、对目标检测物具有高度选择性等优点，在食品工业、环境监测、发酵工业和生物医学等领域有着广泛的应用前景。

1  生物传感器的工作原理

生物传感器由分子识别元件和信号转换器构成，分子识别元件由生物活性物质构成，用分子识别元件识别目标检测物，然后产生某种物理或化学变化，分子识别元件是生物传感器选择性检测的基础，信号转换器即换能器，可以将生物识别反应产生的信号转换为可以被检测到的信号。当分子识别元件与被检测物特异性结合后，产生的信号经过信号转换器转变成光信号或电信号等，发生的信号经过检测、分析。在设计生物传感器时，选择适合于待测物的敏感元件，是非常重要的前提，依据敏感元件所引起的物理或化学变化来选择换能器，是设计生物传感器的另一重要环节[1]。

2  生物传感器的分类

2.1 酶传感器

酶传感器是研究最早和最多的生物传感器之一，是以生物活性物质比如酶、核酸、细胞等物质作为敏感元件，利用生化反应所产生的或消耗的物质的量，将电化学信号转换成电信号，然后用电化学测量装置（电极）定量地检測反应中生成或消耗的生物活性物质，通过分析待测物与检测的电信号之间的关系分析测定目标物的过程。常见的酶传感器有葡萄糖传感器、尿素传感器、胆固醇传感器等，由于具有良好的稳定性能，已应用于生物医学及环境监测等领域。

2.2 免疫传感器

免疫传感器是基于抗原抗体特异性识别功能的原理研制成的，将抗原或抗体固定在载体上，用于检测待测物及其浓度的生物传感器。由于免疫传感器技术具有特异性强、灵敏度高、使用简便及成本低等优点，已广泛应用到临床医学与生物监测技术、食品工业、环境监测与处理等领域[2]。电化学免疫传感器是一种新型免疫传感器，能够对抗原或抗体进行动态定量测定。Hao Chen研制出用于白血病细胞K562A的压电免疫传感器，可以定量检测白血病细胞K562A的浓度范围[3]，并能动态监测免疫化学反应过程，Yao C等研制出用于乙肝病毒的压电石英免疫传感器，具有检测速度快，抗干扰能力较强，特异性高等特点[4]。

2.3 微生物细胞传感器

微生物细胞传感器是以微生物细胞作为生物敏感元件，能够快速监测环境中的各种污染物的分析装置，其特点是特异性强、检测速度快、操作简单、在极低的浓度下，可以检测空气、土壤及环境中的毒性物质。微生物细胞传感器的敏感元件是微生物细胞，可以经过遗传工程重构，形成对环境中某种特殊物质产生生化反应，从而产生被检测到的信号。随着分子生物学的发展，微生物细胞传感器从利用菌类表达发光到导入荧光蛋白基因使微生物细胞发光，报告基因表达后可以产生被检测到的光信号，通过信号转换器将检测到的光信号放大、分析，通过对光信号的分析就可以定量检测目标物的浓度。目前，我国的环境污染情况不容乐观，出现了许多新的污染物，因此，对污染物的精准检测要求也越来越高，结合微生物细胞传感器的自身特点，对环境中各类污染物的检测方面具有广阔的应用前景[5-6]。

3  生物传感器的应用现状

3.1 食品工业

生物传感器已经广泛应用于食品工业领域，比如用酶传感器检测苹果汁和蜂蜜中的葡萄糖成分等等。近几年，人们群众对食品安全重视程度越来越高，特别是食品中的农药残留以及致病性微生物的检测，民以食为天，食品中致病性微生物会对消费者的身体健康产生严重的影响，轻者，胃肠道不适、恶心、呕吐，严重者，会引起食物中毒，要送医院进行抢救等。因此，必须要加强对食品中致病性微生物的检测工作，Gossett等研制了可用于检测葡萄球菌肠毒素B（SEB）的免疫传感器，当样品溶液流速为1mL/min时，其检测范围为12.5～50pg/mL[7]。

3.2 环境监测

生物传感器已广泛应用于各种环境污染物的监测领域，比如用微生物传感器对生物耗氧量（BOD）的监测，其工作原理是用微生物的菌群作为电极，水中生物耗氧量（BOD）的变化会引起水中微生物呼吸的变化，最终导致电极电流信号的变化，通过转换器将电信号放大，从而检测出生物耗氧量的含量。生物传感器在大气监测领域也得到较好的应用，比如马莉等制成了安培型生物传感器，利用肝微粒体氧化亚硫酸盐同时，降低氧电极周围的氧浓度，产生电流信号变化，监测出亚硫酸盐的浓度，从而分析样品中SO2的浓度[8]。

3.3 发酵工业

微生物传感器具有成本低、设备简单等特点，非常适合发酵工业的应用，微生物传感器可应用于乙酸、头孢霉素、谷氨酸、醇类、青霉素、乳酸等的测定。工作原理是用微生物电极与氧电极组成，通过测量氧电极电流的变化来监测耗氧量，从而达到测量出待测物浓度。在各种原材料中葡萄糖的测定发酵工业的重要指标之一，用葡萄糖氧化酶的氧化作用，催化葡萄糖的同时消耗氧，通过传感器监测氧含量，从而计算出葡萄糖的浓度。目前，葡萄糖酶电极传感器已经使用十分广泛。

3.4 生物医学

酶传感器、免疫传感器及微生物传感器在生物医学领域起着非常重要的作用。其中DNA传感器是近几年发展的热点，是以已知核苷酸序列的DNA固化在载体上，通过DNA分子杂交，对另一条含有互补序列的DNA识别，形成稳定的双链DNA结构，通过转换器对声、光及电信号放大、分析，用于检测目标DNA[9]。DNA生物传感器已经广泛应用于生物医学、疾病诊断及生物医药等领域。

4  展望

生物传感器主要应用了生物信息学、生物芯片、生物计算机、生物控制学及材料学等多学科的最新前沿知识，微型化、智能化及集成化是生物传感器未来的发展方向。随着科学技术的快速发展及应用，生物传感器技术的不断进步，未来的生物传感器能够实现全自动化检测，使用更加方便、灵敏度更高，进一步拓宽生物传感器的应用空间。

参考文献：

[1]张先恩.生物传感器[M].北京：化学工业出版社，2006：1-15.

[2]Jiang X S.Li D Y.Xu X Immunosensors for detection of pesticide residues [J].Biosensors and Bioelectronics，2008，23（11）：1577-1587.

[3]Hao C.Yan F.Ding L A self-assembled monolayer based electrochemical immunosensor for detection of leukemia K562A cells[J]. Electrochemistry Communications， 2007，9（6）：1359-l364.

[4]Yao C，Zhu T，Tang J，et al. Hybridazation assay of hepatitis B virus by QCM peptide nucleic acid biosensor[J]. Biosens Bioelectron， 2008，23（6）：879-85.

[5]陳高，董元华.微生物细胞传感器在环境监测中的应用研究进展[J].土壤学报，2008，45（2）：348-354.

[6]蔡豪斌.微生物活细胞检测生物传感器的研究[J].华夏医学，2000，13（3）：252-256.

[7]Gossett A C.Marjorie B M.Raj M Detection of staphylococcus enterotoxin B at picogram levels using piezoelectric-excited millimeter-sized cantilever sensors[J]. Sensors and Actuators B：Chemical，2007，126（2） ：354-360.

[8]马莉，崔建升，王晓辉.微生物传感器研究进展[J].河北工业科技，2004，21（6）：50-53.

[9]Du P.Li H X.Mei Z H Electrochemical DNA biosensor for the detection of DNA hybridization with the amplification of Au nanoparticles and CdS nanoparticles [J]. Bioelectrochemistry，2009，75（1）：37-43.