生物传感器研究进展综述

摘要：生物传感器是由分子识别元件和信号转换器构成的分析检测仪器，具有敏感、准确、易操作等特点。本文综述了近几年国内外生物传感器研究现状，重点介绍了酶传感器、免疫传感器、DNA传感器和微生物细胞传感器的研究创新以及在医学、环境监测、食品安全、发酵工业等领域应用的最新进展，展望了未来的研究方向。

关键词：生物传感器；检测技术；进展综述

引 言【1】 ：生物传感器是多学科综合交叉的一门技术，在科学研究、工业生产乃至人们的生活中起着很重要的作用。在最初l5年里，生物传感器主要以酶作为敏感材料，但是，由于酶的价格昂贵，且性能又不够稳定，所以，其应用受到一定的。近些年来，随着微生物固定化技术地不断发展，各类新型生物传感器不断涌现，产生了微生物电极传感器。微生物电极以微生物活体作为分子识别敏感物质，能快速、准确地测量物理、化学和生物量，在环境监测、医学研究、食品工业、发酵工业等方面得到广泛的应用。

1 生物传感器的工作原理【2】

生物传感器是以固定化的生物成分(酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)或生物体本身(细胞、微生物、组织等)为敏感材料、与适当的化学换能器相结合产生的一种快速检测各种物理、化学和生物量的器件。它通过各种物理、化学换能器捕捉目标物与敏感材料之问的反应，然后，将反应的程度转变成电信号，根据电信号推算出被测量的大小。

敏感材料是对目标物进行选择性作用的生物活性单元。最先被使用的是具有高度选择催化活性的酶。酶或是以物理方法(包埋、吸附等)，或是以化学方法(交联、聚合等)被固定在化学传感器的敏感膜中，然后，以化学电极作为换能器测定酶催化目标物反应所生成的特定产物的浓度，从而问接地测定目标物的浓度。随着物理检测手段的引入，人们已成功地把抗体、DNA聚合物、核酸、细胞受体和完整细胞等具有特异选择性作用功能的生物活性单元用作了敏感材料。

换能器是能捕捉敏感材料与目标物之间的作用过程的器件。最早应用的换能器就是前面所提到的电化学传感器。这类换能器既可以是电位型的也可以是电流型的，所不同的是前者测量零电流下电极表面的电荷密度变化，后者测量恒定电压下工作电极在反应过程中的电流变化。

2 生物传感器分类

生物传感器的分类方法多种多样，一般分子识别元件的不同对生物传感器进行分类，有酶传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、核酸传感器、微生物传感器、分子印迹生物传感器等。

2．1 酶传感器

酶传感器是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间反应所产生的与目标物浓度成比例关系的可测信号，实现对目标物定量测定的分析仪器。其中碳纳米管(CNTs)酶生物传感器【3】，由于其特殊的结构和独特的特性倍受人们关注。CNTs有较大的比表面积和优异的电学、化学性能以及生物亲和性，可通过化学方法可对CNTs进行修饰，引入功能基团和生物活性组分，因此可用作酶的固定材料，制成新型碳纳米管修饰酶传感器。

刘润等【4】利用戊二醛交联法将乙酰胆碱酯酶(AChE)和牛血清白蛋白固定在羧基化多壁碳纳米管修饰的玻碳电极表面，制备了可应用于检测有机磷农药的新型安培型生物传感器。CNTs可以促进电子传输，增加电极的有效比表面积，加速电极上分子氧的还原，使传感器的灵敏度得到较大的改善。

2．2 免疫传感器

免疫传感器利用抗体和抗原之间特异性的免疫化学反应为原理制成。将抗体固定在固相载体上，还可从复杂的基质中富集抗原物质，达到检测特定化学物质及其浓度的目的。而压电免疫生物传感器是近年发展起来的一种新型免疫传感器。其原理是生物分子间的特异性反应导致晶体表面负载的质量发生变化，从而引发晶体自身谐振频率变化【5】。

Hao Chen等【6】研制的检测白血病细胞K562A石英压电免疫传感器，检测白血病细胞的浓度范围为5.0×l04 ～1.0×l07cells m/L，检测限为7．1×10 cells m/L。压电免疫传感器在液相中检测的重复性和稳定性较差。在气相中检测，晶片起振较易，且能避免非特异性吸附的影响，但增加了操作时间，蛋白质活性在干燥过程易受到损害，影响传感器的使用寿命。

2．3 DNA传感器

DNA生物传感器由固定有已知的核苷酸序列的单链DNA(ssDNA)的电极和换能器两部分组成。固定在传感器电极上的ssDNA探针与待测样品的目标DNA杂交，形成双链DNA(dsDNA)，杂交反应在传感器电极上直接完成，换能器将杂交过程所产生的变化转换成电、光、声等物理信号。Du P【7】等以[Co(phen)2(C1)(H2O)]Cl·2H O为杂交指示剂，将胶体金纳米粒(Au NPs)和羧基化的硫化镉纳米粒(CdS NPs)固定在金电极表面制备出电化学DNA生物传感器。金纳米粒和硫化镉纳米粒提高了DNA的固定化和杂交化水平。Co(phen)2+能与ssDNA和dsDNA通过不同的模式和作用力进行差异性结合，用作DNA杂交指示剂，可使目标DNA的可测范围达到2.0×10-10 -1.0×10-8M，检测限为2．O×10-11M。

电化学DNA传感器的研究主要集中在寻找新型的嵌合剂和载体材料，选择优良的换能器，优化电极表面结构，使电化学DNA生物传感器微型化、商品化等方面。

2．4 微生物细胞传感器

微生物细胞传感器【8】是指通过一定的固定化方法将生物敏感元件—对毒性环境或特定污染物有感应能力的微生物菌株和具有信号转换功能的介质相连，并借助一定的设备将信号放大输出。该装置可以对环境中的毒效应起感应作用，而新发展的特异性微生物细胞传感器已经可以检测某一类污染物质。

Lian等【9】以钙粘蛋白为基因，以绿色荧光蛋白为报告基因，构建工程菌E．Coli DH 5a，用于野外污染土壤和沉积物中重金属的生物有效性的测定，可检测到0.1nmol/L的Sb(Ⅲ)、Cd(Ⅱ)，10nmol/L的Pb(Ⅱ)。

微生物细胞传感器具有连续、迅速、实时检测等特点，主要应用于环境监测领域。目前存在一系列亟待解决的问题：①实际监测中容易产生假阴性，导致错误结果出现。②传感器细胞生物稳定性不够好。③ 如何控制检测过程中的响应时间。

3 生物传感器的应用研究

3．1 在医学领域中的应用

生物传感技术因为专一、灵敏、响应快等特点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，具有广泛的应用前景。Wu等【10】研制了基于酶催化沉积放大的日本血吸虫压电免疫传感器。用纳米金单层膜将日本血吸虫抗原固定在石英晶振金电极表面，再将辣根过氧化物酶(HRP)标记的蛋白A与日本血吸虫抗体结合成复合物，利用HRP催化底物H O ，在晶振表面产生不溶产物，使免疫检测信号得到明显放大，抗体检测范围为10～200n mL，最低检测限为5ng／mL。

Zeng等【11】将白血病单克隆抗体通过纳米金一蛋白A固定在晶体表面，研制出临床检测急性白血病的石英晶体微天平免疫传感器，传感器为2×2型探针，经过技术改进的传感器能在5min内迅速检测出白血病样品，并可以动态地监测免疫反应过程。

生物传感器在医学领域发挥着重大的作用。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检测方法，而且，因其专一、灵敏、响应快等特点，在其他方面方面，也具有广阔的应用前景。

3．2 在发酵生产中的应用

在微生物发酵过程中，检测多种有关的生化参数，是生物技术领域研究者和工程师们有效地对过程进行控制的必要前提。在各种生物传感器中，微生物传感器最适合发酵工业诸多化学、生物参数的测定。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。同时，由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器成本低、设备简单的特点使其在应用中具有更大的优势。

生物传感器类分析仪器得到普及应用，改变了我国在发酵控制分析仪器方面的落后面貌。我国研发的生物传感器分析仪具有方便、快速、精确、容易操作、价格低廉等优点。

3．3 在食品工业中的应用

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、果酱和蜂蜜中葡萄糖的含量。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，也用生物传感器测定色素和乳化剂。陶涛等【12】研制了一种检测蝮蛇毒的压电免传感器，用巯基丙酸在镀银电极石英晶体表面自组装巯基丙酸单分子膜，偶联抗蝮蛇毒球蛋白构建传感器探头，组成的检测器对蝮蛇毒响应良好。

3．4 在环境监测中的应用

生物传感器能对污染物进行连续、快速、实时监测。Timur等【13】以恶臭假单细胞菌—DSM50026细胞作为敏感元件研究出的测酚生物传感器，其工作原理为：假单细胞菌催化氧化酚，最终生成CO2和H2O。在此过程中的电子转移通过锇络合物传递给电极，从而根据电流变化检测环境中酚的浓度。

随着生物传感器在食品、医药、环境和过程监控等方面应用范围的扩大，要求传感器既不干扰测定对象而又不被测定对象中的其他相关组分影响，要满足这一要求，同时又能得出高精度的测量结果，不能只依靠对敏感元件的改进，而需要建立一套一体化、微型化的优化系统才能得到满意的结果。

4 结束语

生物传感器是极具有发展潜力的学科领域，作为知识经济的新增长点，它将促进生物技术产业和常规生物产业的发展，可为许多经济领域提供不可缺少的信息。新的快速分析方法、新的生物仪器设备的来源、生物传感器与纳米技术、信息技术、微电子技术的交叉，将促使更多、更新的生物传感器的产生。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，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、最终完成检测的自动化系统。同时，芯片技术也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。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地不断深入，随着各学科地不断发展，生物传感器必将在各个领域发挥更大的作用。

参考文献：

[1] Tombelli S，Mascini M，Soca C，et a1．A DNA piezoelectric biosensor assay coupled with a polyerase chain reaction for bacterial toxicity determination in environmental samples[J]．Analytica Chimica Acta，2000，418(1)：1—9．

[2]冯德荣．生物传感器的研究现状和发展方向[J]．山东科学，1999，12(4)：1—6．

[3]罗立新，王红娟，彭峰．碳纳米管修饰酶传感器的评述[J]．材料科学与工程学报，2006，24(5)：792-795．

[4]刘润，郝玉翠，康天放．基于碳纳米管修饰电极检测有机磷农药的生物传感器[J]．分析试验室，2007，26(9)：9．12．

[5]Jiang X S,Li D Y，Xu X，et a1.Immunosensors for detection of pesticide residues[J]．Biosensors and Bioslsctronics， 2008，23(11)：1577—1587．

[6]Hao C，Yan F，Ding L，et a1．A self-assembled mono1ayer based  electochemical immunosensor for detection of leukemia K562A cells[J]． Electrochemistry Communications，2O07，9(6)：1359一l3．

[7]Du P，Li H x，Mei Z H，et a1．Electrochemical DNA biosensor for the detection of DNA hybridization with the amplification of Au nanoparticles and CdS nanoparticles[J]．Bioelectrochemistry，2009，75(1)：3743．

[8]陈高，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，20o8，45(2)：348-354．

[9]Lian V H，Chien M T，Ou K L，et a1．Assessment of heavy metal bioavailability in contaminated sediments and soils using green fluorescent protein-based bacterial biosensors[J]．Enviromental Pollution，2006，142(1)：l7-23．

[10]Wu Z Y，Wu J，Wang S P，et a1．An amplified mass piezoe1ectric immunosensor for schistosoma japonicum[J]．Biosensors and Bioelectronics 2006，22(2)：207-2l2．

[11]Zeng H，Wang H，Chen F P．Development of quartzcrystal-microbalance-based immunosensor array for clinical immunophenotyping of acute leukemias[J]．Analytical Biochemistry ，2006，351(1)：69-76．

[12]陶涛，钟满森，余连德．检测蝮蛇毒的压电免疫传感器的研究[J]．上海生物医学工程，2005，26(4)：232-235．

[13]Tjmur S,Anik U ，Odaci D，et a1．Development of a microbial biosensor based on carbon nanotube (CNT) modified electrodes[J]．Electrochemistry Communications，2007，9(8)：1810-1815．

Survey of biosensors research progress

Abstract：Biosensor，composed of molecular recognition element and signal converter，is a detection and analysis instrument． It has many characters：sensitivity，accuracy，convenient for use and so on．This paper reviews the development of biosensor in recent years and focuses on the researches on enzyme sensor，immunosensor，DNA sensor and microbial cell biosensor，and the applications in medical，enviromental monitoring，food safety，and zymosis industry．．It shows that biosensor has good foreground．

Key words：biosensor；Analytical technique；research progress