生物传感器技术发展的现状和未来展望doc.docx

1、生物传感器技术发展的现状和未来展望doc生物传感器技术发展的现状和未来展望来源：现代实验装备网更新时间：2005-2-1引言：从上世纪60年代Clark和Lyon提出生物传感器的设想开始，生物传感器的发展已经距今已有40 多年的历史了。作为一门在生命科学和信息科学之间发展起来的一门交叉学科，生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。随着社会的进一步信息化，生物传感器必将获得越来越广泛的应用。 一、生物传感器的定义与其发展历史回顾 作为生物，最基本特征之一就是能够对外界的各种刺激作出反应。其所以能够如此，首先是由于生物能感受外界的各类刺激信

2、号，并将这些信号转换成体内信息处理系统所能接收并处理的信号。例如，人能通过眼、耳、鼻、舌、身等感觉器官将外界的光、声温度及其它各种化学和物理信号转换成人体内神经系统等信息处理系统能够接收和处理的信号。现代和未来的信息社会中，信息处理系统要对自然和社会的各种变化作出反应，首先需要通过传感器将外界的各种信息接下来并转换成信息系统中的信息处理单元（即计算机）能够接收和处理的信号。 生物传感器定义为使用固定化的生物分子(immobilized biomolecules)结合换能器，用来侦测生体内或生体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置。生物传感器由两个主要关键部份所构成，一为来

3、自于生物体分子、组织部份或个体细胞的分子辨认组件，此一组件为生物传感器信号接收或产生部份。另一为属于硬件仪器组件部份，主要为物理信号转换组件。因此，如何已生化方法分离、纯化甚或设计合成特定的生物活性分子(biological active materials)，结合精确而且响应快速的物理换能器(transducers)组合成生物传感器反应系统，实为研究生物传感器的主要目的。 生物传感器可以如上述的那样，依照其感受器中所采用的生命物质而称为组织传感器、细胞传感器、酶传感器等等，也可根据所监测的物理量、化学量或生物量而命名为热传感器、光传感器、胰岛素传感器等，还可根据其用途统称为免疫传感器。药物传

4、感器等等。生物传感器中的信号转换器，与传统的转换器并没有本质的区别。例如，可以利用电化学电极、场效应管、热每器件、压电器件、光电器件等器件作为生物传感器中的信号转换器。依照信号转换器的不同，也可将生物传感器进行分类，如压电晶体生物传感器、场效应管生物传感器等。 生物传感器的发展，自1962年Clark和Lyon两人提出酵素电极的观念以后，YSI公司于七零年代即积极投入商品化开发与生产，启开了第一代生物传感器于1979年投入医检市场，最早的商品为血糖测试用酵素电极。YSI公司的上市成功与八零年代电子信息业的蓬勃发展有很密切的关系，并且一举带动了生物传感器的研发热潮。Medisense公司继续以研

5、发第一代酵素电极为主，于1988年由于成功的开发出调节(mediator)分子来加速响应时间与增强测试灵敏度而声名大噪，并以笔型(Pen 2)及信用卡型(companion 2)之便携式小型生物传感器产品，于1988年上市后立即袭卷70%以上的第一代产品市场，成为生物传感器业的盟主。第二代的生物传感器定义为使用抗体或受体蛋白当分子识别组件，换能器的选用则朝向更为多样化，诸如场效半导体(FET)，光纤(FOS)，压晶体管(PZ)，表面声波器(SAW)等。虽然第二代的生物传感器，自八零年代中期即开始引起广泛的研发兴趣，但一般认为尚未达医检应用阶段，预定相关技术须待世纪末前方能成熟。目前可称的上第二

6、代的生物传感器产品为1991年上市的瑞典商Pharmacia所推出的BIAcore与BIAlite两项产品。 Pharmacia公司于1985年成功地开发出表面薄膜共振技术(SPR, Surface Plasma Resonance)，利用此一光学特性开发出可以于10-6g/ml到10-11g/ml之低浓度下，进行生物分子间交互作用的实时侦测式生物感测仪器。第三代的生物传感器定位在更具携带式，自动化，与实时测定功能。 二、生物传感器的分类 生物传感器微生物电子产品(bioelectronic product)。为了能够获得最佳的信号传递，固定化的生物组件通常与信号转换组件紧密地接合在一起。基本

7、上，由信号产生方式(mode of signal generation)的不同，可以将生物传感器区分成两种主要类型： 1.生物亲和性传感器(Bioaffinity sensors) 当固定生物组件与待测定之分析物发生亲和性结合(bioaffinity binding)时，造成生物分子形状改变与/或引起诸如荷电、厚度、质量、热量或光学等物理量的变化。此种经由分子辨认结合类型的生物传感器有免疫传感器、化学受体传感器等，其分析可为荷尔蒙、蛋白质、醣类、抗原或抗体，而相对应的受体可为荷尔蒙受体、染剂、外源凝集素(lectins)、抗体或抗原等。 2.生物催化型感应器(Biocatalytic bios

8、ensors) 此类传感器之信号侦测并不在于分子辨认结合的阶段，而且当固定划分子与待测物反应后，产生生化代谢物质，再经特定电极侦测特定代谢物后以电子讯号表现出来。最为人所熟悉的为属第一代生物传感器的酵素电极。目前有关此类生物传感器的两个主要研究发展方向为(1)使用酵素共轭物(enzyme conjugates)、环系酵素群(cycling enzymes)和系列酵素来组合生物传感器，(2)使用微生物细胞或动、植物组织切片或可渗透性细胞(permealized cells)等来当作分子辨认组件。 三、生物传感器在当前的主要应用领域 1.发酵工业 因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且发酵液往往

9、不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰，并且不受发酵液混浊程度的限制。同时，由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。所以具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、能消除发酵过程中干扰物质的干扰的微生物传感器发酵工业中得到了广泛的应用。 2.食品工业生物传感器可以用来检测食品中营养成分和有害成分的含量、食品的新鲜程度等。如已经开发出来的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖含量，从而衡量水果的成熟度。采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。此外

10、，也有用生物传感器测定色素和乳化剂的应用。 3.医学领域生物传感器在医学领域也发挥着越来越大的作用：临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提供依据；在军事医学中，对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。生物传感器还可以用来测量乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸，以及各种致癌和致变物质。 4.环境监测 环保问题已经引起了全球性的广泛关注，用于环境监测的专业仪器市场也越来越大，目前已经有相当数量的生物传感器投入到大气和水中各种污染物质含量的监测中去，在发达国家如英国、法国、德国、西班牙和瑞

11、典，在水质检测过程都采用了生物冷光型的生物传感器。生物传感器因其具有快速，连续在线监测的优点，相信在未来，还会有更广泛的应用。 四、未来的展望 生物传感器是一个多学科交叉的高技术领域，伴随着生物科学、信息科学和材料科学等相关学科的高速发展，生物传感器的发展将会有以下新特点： 1.功能更加全面，并向微型化发展 未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。当前生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器,即仿生传感器。而且随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们面前。 2.

12、智能化程度更高 未来的生物传感器将会和计算机完美紧密的结合，能够自动采集数据、处理数据，可以更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、最终形成检测的自动化系统。同时, 芯片技术将越来越多地进入传感器领域,实现检测系统的集成化、一体化。 但是，要使生物传感器尽快被市场接受，还要具备以下条件： （1）足够的敏感性和准确性。 （2）操作简单。 （3）价格便宜，容易进行批量生产。 （4）生产过程中进行质量监测。 （5）使用寿命长。 相信随着一些关键技术（如固定化技术）的进一步完善，随着人们对生物体认识的不断深入，随着各学科的不断发展，生物传感器必将在未来必将会更大的作为。参考文献1 刘仲敏、林兴兵、杨

13、生玉主编现代应用生物技术北京：化学工业出版社，2002.062 金发庆主编传感器技术与应用北京：机械工业出版社，2002.093 司士辉 主编生物传感器北京：化学工业出版社，2003.01 4 宋思扬、楼士林主编生物技术概论：厦门大学面向21世纪系列教材科学出版社2000.04生物传感器技术领域及未来发展特点 有人把21世纪称为生命科学的世纪，也有人把21世纪称为信息科学的世纪。生物传感器正是在生命科学和信息科学之间发展起来的一门交叉学科。生物传感器研究的全面展开是在20世纪80年代,20多年来发展迅速,在食品工业、环境监测、发酵工业、医学等方面得到了高度重视和广泛应用。生物传感器四大应用领域

14、生物传感器正进入全面深入研究开发时期，各种微型化、集成化、智能化、实用化的生物传感器与系统越来越多。1.食品工业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。食品成分分析：在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖等。食品添加剂的分析：亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。此外，也有用生物传感器测定色素和乳化剂的报道。2.环境监测：近年来，环境污染问题日益严重，人们迫切希望

15、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。大气环境监测：二氧化硫(SO2)是酸雨酸雾形成的主要原因,传统的检测方法很复杂。Marty等人将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上,和氧电极制成安培型生物传感器，可对酸雨酸雾样品溶液进行检测。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、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。微生物传感器可用于测量发酵工业中的原材料和代谢产物。另外，还用于微生物细胞数目的测定。利用

16、这种电化学微生物细胞数传感器可以实现菌体浓度连续、在线的测定。4.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，也具有广阔的应用前景。在临床医学中，酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物传感器。在军事医学中，对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。未来生物传感器几大特点：近年来，随着生物科学、信息科学和材料科学发展的推动，生物传感器技术飞速发展。可以预见，未来的生物传感器将

17、具有以下特点。功能多样化：未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。目前,生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器,即仿生传感器。微型化：随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检测食品成为可能。智能化与集成化：未来的生物传感器必定与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙,形成检测的自动化系统。同时,芯片技术将越来越多地进入传感器领域,实现检测系统的集成化、一体化。低成

18、本、高灵敏度、高稳定性和高寿命:生物传感器技术的不断进步,必然要求不断降低产品成本，提高灵敏度、稳定性和延长寿命。这些特性的改善也会加速生物传感器场化、商品化的进程。生物传感器的研究现状及应用 2006-7-27关键词：生物传感器；发酵工业；环境监测。一、引言从1962年，Clark和Lyons最先提出生物传感器的设想距今已有40年。生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。在最初15年里，生物传感器主要是以研制酶电极制作的生物传感器为主，但是由于酶的价格昂贵并不够稳定，因此以酶作为敏感材料的传感器，其应用受到一定的限制。近些年来，微生物

19、固定化技术的不断发展，产生了微生物电极。微生物电极以微生物活体作为分子识别元件，与酶电极相比有其独到之处。它可以克服价格昂贵、提取困难及不稳定等弱点。此外，还可以同时利用微生物体内的辅酶处理复杂反应。而目前，光纤生物传感器的应用也越来越广泛。而且随着聚合酶链式反应技术（PCR）的发展，应用PCR的DNA生物传感器也越来越多。二、研究现状及主要应用领域1、发酵工业各种生物传感器中，微生物传感器最适合发酵工业的测定。因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且发酵液往往不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰，并且不受发酵液混浊程度的限制。同时，由于发酵工业是大规模

20、的生产，微生物传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。(1).原材料及代谢产物的测定微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测定，代谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等的测定。测量的原理基本上都是用适合的微生物电极与氧电极组成，利用微生物的同化作用耗氧，通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。在各种原材料中葡萄糖的测定对过程控制尤其重要，用荧光假单胞菌（Psoudomonasfluorescens）代谢消耗葡萄糖的作用，通过氧电极进行检测，可以估计葡萄糖的浓度。这种微生物电极和葡萄糖酶电极型相比，测定结果是类似的，而微生物电极灵敏

21、度高，重复实用性好，而且不必使用昂贵的葡萄糖酶。当乙酸用作碳源进行微生物培养时，乙酸含量高于某一浓度会抑制微生物的生长，因此需要在线测定。用固定化酵母（Trichosporonbrassicae），透气膜和氧电极组成的微生物传感器可以测定乙酸的浓度。此外，还有用大肠杆菌（E.coli）组合二氧化碳气敏电极，可以构成测定谷氨酸的微生物传感器，将柠檬酸杆菌完整细胞固定化在胶原蛋白膜内，由细菌胶原蛋白膜反应器和组合式玻璃电极构成的微生物传感器可应用于发酵液中头孢酶素的测定等等。(2).微生物细胞总数的测定在发酵控制方面，一直需要直接测定细胞数目的简单而连续的方法。人们发现在阳极表面，细菌可以直接被氧

22、化并产生电流。这种电化学系统已应用于细胞数目的测定，其结果与传统的菌斑计数法测细胞数是相同的1。(3).代谢试验的鉴定传统的微生物代谢类型的鉴定都是根据微生物在某种培养基上的生长情况进行的。这些实验方法需要较长的培养时间和专门的技术。微生物对底物的同化作用可以通过其呼吸活性进行测定。用氧电极可以直接测量微生物的呼吸活性。因此，可以用微生物传感器来测定微生物的代谢特征。这个系统已用于微生物的简单鉴定、微生物培养基的选择、微生物酶活性的测定、废水中可被生物降解的物质估计、用于废水处理的微生物选择、活性污泥的同化作用试验、生物降解物的确定、微生物的保存方法选择等2。2、环境监测(1).生化需氧量的测

23、定生化需氧量（biochemicaloxygendemandBOD）的测定是监测水体被有机物污染状况的最常用指标。常规的BOD测定需要5天的培养期，操作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大，不宜现场监测，所以迫切需要一种操作简单、快速准确、自动化程度高、适用广的新方法来测定。目前，有研究人员分离了两种新的酵母菌种SPT1和SPT2，并将其固定在玻璃碳极上以构成微生物传感器用于测量BOD，其重复性在10%以内。将该传感器用于测量纸浆厂污水中BOD的测定，其测量最小值可达2mg/l，所用时间为5min3。还有一种新的微生物传感器，用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料，在高渗透压下可以正常工作。并且其菌

24、株可长期干燥保存，浸泡后即恢复活性，为海水中BOD的测定提供了快捷简便的方法4。除了微生物传感器，还有一种光纤生物传感器已经研制出来用于测定河水中较低的BOD值。该传感器的反应时间是15min，最适工作条件为30C，pH=7。这个传感器系统几乎不受氯离子的影响（在1000mg/l范围内），并且不被重金属（Fe3+、Cu2+、Mn2+、Cr3+、Zn2+）所影响。该传感器已经应用于河水BOD的测定，并且获得了较好的结果4。现在有一种将BOD生物传感器经过光处理（即以TiO2作为半导体，用6W灯照射约4min）后，灵敏度大大提高，很适用于河水中较低BOD的测量5。同时，一种紧凑的光学生物传感器已经

25、发展出来用于同时测量多重样品的BOD值。它使用三对发光二极管和硅光电二极管，假单胞细菌（Pseudomonasfluorescens）用光致交联的树脂固定在反应器的底层，该测量方法既迅速又简便，在4下可使用六周，已经用于工厂废水处理的过程中5。(2).各种污染物的测定常用的重要污染指标有氨、亚硝酸盐、硫化物、磷酸盐、致癌物质与致变物质、重金属离子、酚类化合物、表面活性剂等物质的浓度。目前已经研制出了多种测量各类污染物的生物传感器并已投入实际应用中了。测量氨和硝酸盐的微生物传感器，多是用从废水处理装置中分离出来的硝化细菌和氧电极组合构成。目前有一种微生物传感器可以在黑暗和有光的条件下测量硝酸盐和

26、亚硝酸盐(NOx-)，它在盐环境下的测量使得它可以不受其他种类的氮的氧化物的影响。用它对河口的NOx-进行了测量，其效果较好6。硫化物的测定是用从硫铁矿附近酸性土壤中分离筛选得到的专性、自养、好氧性氧化硫硫杆菌制成的微生物传感器。在pH=2.5、31时一周测量200余次，活性保持不变，两周后活性降低20%。传感器寿命为7天，其设备简单，成本低，操作方便。目前还有用一种光微生物电极测硫化物含量，所用细菌是Chromatium.SP，与氢电极连接构成7。最近科学家们在污染区分离出一种能够发荧光的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白，从而发出荧光。可以通过遗传工程的方法将这种

27、基因导入合适的细菌内，制成微生物传感器，用于环境监测。现在已经将荧光素酶导入大肠杆菌（E.coli）中，用来检测砷的有毒化合物8。水体中酚类和表面活性剂的浓度测定已经有了很大的发展。目前，有9种革兰氏阴性细菌从西西伯利亚石油盆地的土壤中分离出来，以酚作为唯一的碳源和能源。这些菌种可以提高生物传感器的感受器部分的灵敏度。它对酚的监测极限为510-9mol。该传感器工作的最适条件为：pH=7.4、35，连续工作时间为30h9。还有一种假单胞菌属（Pseudomonasrathonis）制成的测量表面活性剂浓度的电流型生物传感器，将微生物细胞固定在凝胶（琼脂、琼脂糖和海藻酸钙盐）和聚乙醇膜上，可以用

28、层析试纸GF/A，或者是谷氨酸醛引起的微生物细胞在凝胶中的交联，长距离的保持它们在高浓度表面活性剂检测中的活性和生长力。该传感器能在测量结束后很快的恢复敏感元件的活性10。还有一种电流式生物传感器，用于测定有机磷杀虫剂，使用的是人造酶。利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测量极限为10010-9mol，在40只要4min11。还有一种新发展起来的磷酸盐生物传感器，使用丙酮酸氧化酶G，与自动系统CL-FIA台式电脑结合，可以检测(3296)10-9mol的磷酸盐，在25C下可以使用两周以上，重复性高12。最近，有一种新型的微生物传感器，用细菌细胞作为生物组成部分，测定地表水中壬基酚（no

29、nyl-phenoletoxylate-NP-80E）的含量。用一个电流型氧电极作传感器，微生物细胞固定在氧电极上的透析膜上，其测量原理是测量毛孢子菌属（Trichosporumgrablata）细胞的呼吸活性。该生物传感器的反应时间为1520min，寿命为710天（用于连续测定时）。在浓度范围0.56.0mg/l内，电信号与NP-80E浓度呈线性关系，很适合于污染的地表水中分子表面活性剂的检测13。除此之外，污水中重金属离子浓度的测定也是不容忽视的。目前已经成功设计了一个完整的，基于固定化微生物和生物体发光测量技术上的重金属离子生物有效性测定的监测和分析系统。将弧菌属细菌（Vibriofis

30、cheri）体内的一个操纵子在一个铜诱导启动子的控制下导入产碱杆菌属细菌（Alcaligeneseutrophus(AE1239)）中，细菌在铜离子的诱导下发光，发光程度与离子浓度成正比。将微生物和光纤一起包埋在聚合物基质中，可以获得灵敏度高、选择性好、测量范围广、储藏稳定性强的生物传感器。目前，这种微生物传感器可以达到最低测量浓度110-9mol14。还有一种专门测量铜离子的电流型微生物传感器。它用酒酿酵母（Saccharomycescerevisiae）重组菌株作为生物元件，这些菌株带有酒酿酵母CUP1基因上的铜离子诱导启动子与大肠杆菌lacZ基因的融合体。其工作原理，首先是CUP1启动子

31、被Cu2+诱导，随后乳糖被用作底物进行测量。如果Cu2+存在于溶液中，这些重组体细菌就可以利用乳糖作为碳源，这将导致这些好氧细胞需氧量的改变。该生物传感器可以在浓度范围(0.52)10-3mol范围内测定CuSO4溶液。目前已经将各类金属离子诱导启动子转入大肠杆菌中，使得大肠杆菌会在含有各种金属离子的的溶液中出现发光反应。根据它发光的强度可以测定重金属离子的浓度，其测量范围可以从纳摩尔到微摩尔，所需时间为60100min1516。用于测量污水中锌浓度的生物传感器也已经研制成功，使用嗜碱性细菌Alcaligenescutrophus，并用于对污水中锌的浓度和生物有效性进行测量，其结果令人满意17。估测河口出水流污染情况的海藻传感器是由一种螺旋藻属蓝细菌（cyanobacteriumSpirlinasubsalsa）和一个气敏电极构成的。通过监测光合作用被抑制的程度来估测由于环境污染物的存在而引起水的毒性变化。以标准天然水为介质，对三种主要污染物（重金属、除草剂、氨基甲酸盐杀虫剂）的不同浓度进行了测定，均可监测到它们的有毒反应，重复性和再生性都很高18。近来由于聚合酶链式反应技术（PCR）的迅猛发展及其在环境监测方面的广泛应用，不少科学家开始着手于将它与生物传感器技术结合应用。有一种应用PCR技术的DNA压电生物传感器，可以测定一种特殊的细菌毒素。将生物素酰化的探