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摘 要 生物传感器是一门集生物、化学、物理、电子技术等多种学科为一体的高新技术，在生物医学、工业生产、环境检测方面等有着重要应用价值。本文简要阐述生物传感器的工作原理及其分类，并举例说明生物传感器在不同领域的应用及其发展方向。
关键词 固化方式 生物元件 生物医学 环境监测
中图分类号：TP212.3 文献标识码：A
生物传感器是一种运用生物元件作为敏感材料，通过适当的信号传导器，将各种生物信息转换为容易测定的电信号的分析装置。许多生物活性物质都可以作为敏感材料，如酶、抗体、细胞器、人工合成的生物分子等。相应的与各种敏感材料结合的传导器也有很多种，如电流测定式、电位测量式、光强测量式等。与传统传感器相比，生物传感器具有选择性高、简单迅速、可连续测定等特点。下文将简单介绍生物传感器的原理、分类、应用和发展方向。
一、 生物传感器的原理
生物传感器由以一定固化方式固化成膜的敏感膜和信号传感元件构成。它的工作原理可以分为三个单元。第一单元为待测物质经扩散作用有选择性地进入敏感膜层，形成复合体，随之发生生物化学反应。第二单元是将上一单元产生的信息经相应的化学或物理换能器转换为可定量测量的电信号。这一过程中起主要作用的是电化学器件、热敏元件、光敏元件等转换器件。第三单元是将第二单元产生的信号经一定的电子仪表放大输出，再由人进行读取数据并对数据进行分析与处理，从而得出被测物质的浓度。按照感应器与待测物之间的生物化学反应不同，可将生物传感器分为将化学变化转换为电信号，将热变化转换为电信号，将光效应转换为电信号，直接产生电信号四种方式。这四种不同的原理反应到生物传感器的构造上，则是传感元件的不同。
二、 生物传感器的分类
生物传感器分类的方法有很多，根据生物传感器所使用的生物元件不同，可将其分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞器传感器、基因传感器等。酶传感器是由酶敏感膜与电化学传感器件构成。酶传感器是利用换能器将酶催化反应中生成或消耗的物质转换成电信号输出，如葡萄糖酶传感器。酶传感器是研发最早，是目前技术最成熟的一类生物传感器。微生物传感器是利用细胞固定化技术将各种微生物固定在膜上构成敏感膜，再通过换能器将微生物呼吸作用消耗的物质或微生物使有机物产生的代谢生成物转换为电信号进行测量的传感器，如生物化学耗氧量（BOD）传感器。微生物传感器具有价格便宜、性能稳定等优于酶传感器的优点。免疫传感器是将感受器上抗体或抗原与被测物质选择性结合产生的信号作为响应信号的装置，如绒毛促性腺激素（HGG）传感器。组织传感器是是利用动植物组织中多酶系统的催化作用用来识别分子的装置。组织传感器具有制备容易、性能稳定、寿命较长等优点。细胞器是一种是利用真核生物细胞、细胞器中特有的酶类催化反应作为分子识别元件的传感器。目前应用较多的细胞器是叶绿体和线粒体。基因传感器是利用核酸探针为敏感材料，换能器将杂交前后产生的变化转换为电信号的装置。按照敏感材料与被测物质反应不同，可将生物传感器分为催化型生物传感器和亲和性生物传感器。利用酶、微生物、细胞器、组织作为敏感材料的传感器都属于催化型生物传感器，免疫传感器和基因传感器则属于亲和性生物传感器。
三、 生物传感器的应用
随着生物传感器研究的发展，这种技术已应用于生物医学工程、工业生产以及环境检测中。生物医学方面，目前有已经商业化的分析装置，如血糖分析仪、免疫分析检测早孕、乙肝和尿糖的干试纸等。工业生产方面，由于微生物传感器不受发酵液中其它物质的影响，因此特别适用于发酵过程中物质的测定，现已成功应用于发酵工业中。环境检测方面，目前广泛使用的BOD快速测定仪可以测定江河及废水污染程度。这种方法与传统方法相比，具有操作简单、测定时间短、智能化程度高等特点；除此之外，目前已研制出酶电极传感器检测酚类化合物，该酶传感器能检测复杂的环境样品，准确度高。随着生物传感器技术的更新，以及相关领域技术的发展，生物传感器将也会应用于航空航天、半导体技术、计算机技术、过程控制等领域中。
四、 生物传感器的发展方向
目前，生物传感器的开发和应用已进入一个新的阶段，越来越受到科学家们的关注。但生物传感器目前仍处于开发阶段，很多已经开发的生物传感器在实际运用中存在着不少问题。如：酶传感器的酶提取难度大、造价高且不稳定，怎样为组织传感器保持有机物的生物活性和寻找合适的有机体等。这些问题都需要我们进一步探索，进行实验加以解决。同时换能器仍需继续完善，目前使用最多的是电化学式，光敏式、热敏式等技术都不成熟，从而造成许多生物传感器无法投入实际使用。除此之外，还需要尽快开发新的生物传感器，以测量多种分析物。随着生物传感器技术以及电子技术的发展，生物传感器将不再局限于对生物信息的测量，还能对物理信号与化学信号进行测量。如利用叶绿体光合作用的原理，可以研制出检测光信号的生物传感器，应用于各种检测的仪表中。技术已经成熟的生物传感器现正朝着集成化方向发展，如生物芯片，同时可植入装置也成为未来生物传感器发展的方向，如可植入型葡萄糖传感器。□
(作者单位：西南交通大学）
参考文献：
[1]刘仲敏.现代应用生物技术.化学工业出版社,2004年10月.
[2]司士辉.生物传感器.化学工业出版社,2003年1月.
关键词 固化方式 生物元件 生物医学 环境监测
中图分类号：TP212.3 文献标识码：A
生物传感器是一种运用生物元件作为敏感材料，通过适当的信号传导器，将各种生物信息转换为容易测定的电信号的分析装置。许多生物活性物质都可以作为敏感材料，如酶、抗体、细胞器、人工合成的生物分子等。相应的与各种敏感材料结合的传导器也有很多种，如电流测定式、电位测量式、光强测量式等。与传统传感器相比，生物传感器具有选择性高、简单迅速、可连续测定等特点。下文将简单介绍生物传感器的原理、分类、应用和发展方向。
一、 生物传感器的原理
生物传感器由以一定固化方式固化成膜的敏感膜和信号传感元件构成。它的工作原理可以分为三个单元。第一单元为待测物质经扩散作用有选择性地进入敏感膜层，形成复合体，随之发生生物化学反应。第二单元是将上一单元产生的信息经相应的化学或物理换能器转换为可定量测量的电信号。这一过程中起主要作用的是电化学器件、热敏元件、光敏元件等转换器件。第三单元是将第二单元产生的信号经一定的电子仪表放大输出，再由人进行读取数据并对数据进行分析与处理，从而得出被测物质的浓度。按照感应器与待测物之间的生物化学反应不同，可将生物传感器分为将化学变化转换为电信号，将热变化转换为电信号，将光效应转换为电信号，直接产生电信号四种方式。这四种不同的原理反应到生物传感器的构造上，则是传感元件的不同。
二、 生物传感器的分类
生物传感器分类的方法有很多，根据生物传感器所使用的生物元件不同，可将其分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞器传感器、基因传感器等。酶传感器是由酶敏感膜与电化学传感器件构成。酶传感器是利用换能器将酶催化反应中生成或消耗的物质转换成电信号输出，如葡萄糖酶传感器。酶传感器是研发最早，是目前技术最成熟的一类生物传感器。微生物传感器是利用细胞固定化技术将各种微生物固定在膜上构成敏感膜，再通过换能器将微生物呼吸作用消耗的物质或微生物使有机物产生的代谢生成物转换为电信号进行测量的传感器，如生物化学耗氧量（BOD）传感器。微生物传感器具有价格便宜、性能稳定等优于酶传感器的优点。免疫传感器是将感受器上抗体或抗原与被测物质选择性结合产生的信号作为响应信号的装置，如绒毛促性腺激素（HGG）传感器。组织传感器是是利用动植物组织中多酶系统的催化作用用来识别分子的装置。组织传感器具有制备容易、性能稳定、寿命较长等优点。细胞器是一种是利用真核生物细胞、细胞器中特有的酶类催化反应作为分子识别元件的传感器。目前应用较多的细胞器是叶绿体和线粒体。基因传感器是利用核酸探针为敏感材料，换能器将杂交前后产生的变化转换为电信号的装置。按照敏感材料与被测物质反应不同，可将生物传感器分为催化型生物传感器和亲和性生物传感器。利用酶、微生物、细胞器、组织作为敏感材料的传感器都属于催化型生物传感器，免疫传感器和基因传感器则属于亲和性生物传感器。
三、 生物传感器的应用
随着生物传感器研究的发展，这种技术已应用于生物医学工程、工业生产以及环境检测中。生物医学方面，目前有已经商业化的分析装置，如血糖分析仪、免疫分析检测早孕、乙肝和尿糖的干试纸等。工业生产方面，由于微生物传感器不受发酵液中其它物质的影响，因此特别适用于发酵过程中物质的测定，现已成功应用于发酵工业中。环境检测方面，目前广泛使用的BOD快速测定仪可以测定江河及废水污染程度。这种方法与传统方法相比，具有操作简单、测定时间短、智能化程度高等特点；除此之外，目前已研制出酶电极传感器检测酚类化合物，该酶传感器能检测复杂的环境样品，准确度高。随着生物传感器技术的更新，以及相关领域技术的发展，生物传感器将也会应用于航空航天、半导体技术、计算机技术、过程控制等领域中。
四、 生物传感器的发展方向
目前，生物传感器的开发和应用已进入一个新的阶段，越来越受到科学家们的关注。但生物传感器目前仍处于开发阶段，很多已经开发的生物传感器在实际运用中存在着不少问题。如：酶传感器的酶提取难度大、造价高且不稳定，怎样为组织传感器保持有机物的生物活性和寻找合适的有机体等。这些问题都需要我们进一步探索，进行实验加以解决。同时换能器仍需继续完善，目前使用最多的是电化学式，光敏式、热敏式等技术都不成熟，从而造成许多生物传感器无法投入实际使用。除此之外，还需要尽快开发新的生物传感器，以测量多种分析物。随着生物传感器技术以及电子技术的发展，生物传感器将不再局限于对生物信息的测量，还能对物理信号与化学信号进行测量。如利用叶绿体光合作用的原理，可以研制出检测光信号的生物传感器，应用于各种检测的仪表中。技术已经成熟的生物传感器现正朝着集成化方向发展，如生物芯片，同时可植入装置也成为未来生物传感器发展的方向，如可植入型葡萄糖传感器。□
(作者单位：西南交通大学）
参考文献：
[1]刘仲敏.现代应用生物技术.化学工业出版社,2004年10月.
[2]司士辉.生物传感器.化学工业出版社,2003年1月.