原创 |一文读懂生物传感器（必须收藏）

文 | 传感器技术（WW_CGQJS）

AI人工智能无疑是刚刚过去的2016年最热门的科技话题了。从年初的AlphaGo大战李世石，到今天的棋圣聂卫平败于54连胜的神秘Master，以致于人们不得不怀疑是一个新诞生的AI狗。人工智能已经真真切切地走进了我们的世界，可穿戴设备、智能感知的应用研究也将生物传感器推到了前台。

生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）、适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。

生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换能器）构成：

生物传感器原理图

各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

生物传感器实现以下三个功能：

感受：提取出动植物发挥感知作用的生物材料，包括：生物组织、微生物、细胞器、酶、抗体、抗原、核酸、DNA等。实现生物材料或类生物材料的批量生产，反复利用，降低检测的难度和成本。

根据生物传感器中的分子识别元件和换能器（信号转换器）的不同，可以从这两个方面对生物传感器分类：

酶传感器、微生物传感器、细胞器传感器、组织传感器、免疫传感器。

中医针炙传感针

基于中医针炙针的传感针是以中医针灸针为基体， 传感人体微区中的温度、pH值、氧分压、多巴胺，Ca2+,K+,Na+等信息的新功能而得的一种特殊传感针。?

既能实时传感出人体微区中各种生理、生化参数，并进行人体微区的动态监测，又能按中医针刺的实施治病理疗法。?

传感针是以普通针灸针(或根据应用学科的具体外形要求用外直径为0.3~ 0.4mm的空心不锈钢竹)作为基体加工而成 的。

一般制备过程为:对针灸表面进行清洁处理或用处理液浸泡；针尖上镀相应的合金和相应参数的敏感膜，然后再覆盖上有机高分子功 ?能保护的材料;针体镀绝缘膜，使之有耐、提、插、捻、转的机械作用，这一点是由它的传感和治疗双重功能决定的;用戊二醛消毒液消毒;

根据不同的参数特性配上相应的测量仪，进行直接读数;在实验室 ?经过反复浸泡、冲洗实验并进行动物实验，使它们的主要性能指标(如线性范围、响应时间、分辨率、零点漂移、寿命等)达到要求标准。 ? ? ? ? ? ? ? ??

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目前己制成的有温度传感针、氧分压传感针、pH传感针、Ca2+传感针和多巴胺传感针等。?

此外，还可研制离了生物传感针，如K+传感针、N a+传感针、中枢神经递质传感针、酶传感针、抗体传感针、受体传感针、激素传感针、DNA传感针、RNA传感针，并进而研制多参数、微型化与智能化的传感针。?

生物芯片?

国外正在开发半导体生物传感器，它包括一个参考电极和一个PH值量子场效应品体管感应膜，膜上固定有酶和微生物，当固定酶和微生物分别与待测物反应时，PH值发生变化，那么输出的电流或电压就可测定，这就完成了对参加反应的化学物质的定量分析。如果把这些信号同计算机输人端联接，按一定的软件程序，那么，可开发生物模拟计算机。

医用生物传感器

随着生物传感技术的发展，在医疗器械范围内开辟出更多专业的领域。从病毒和疾病检测到康复和药物剂量等。以下的一些生物传感器装置，可能会在医疗领域产生巨大显著的影响。

葡萄糖监测

传统的环境监测通常采用离线分析方法，操作复杂，所需仪器昂贵，且不适宜进行现场快速监测和连续在线分析。随着环境污染问题日益严重，生物传感器在建立和发展连续、在线、快速的现场监测体系中发挥着重要作用。?

1） 水质监测?

生化需氧量(BOD)是衡量水体有机污染程度的重要指标，BOD的研究对于水质监测及处理都是非常重要的此研究也成为水质检测科技发展的方向。

BOD的传统标准稀释法所需时间长，操作繁琐，准确度差，BOD传感器不仅能满足实际监测的要求，并具有快速、灵敏的特点。 随着BOD快速测定研究的不断深入，研究发现BODst(快速BOD测定值)还可作为在线监测生物处理过程的一个重要参数 。?

2）大气质量监测?

生物传感器可监测大气中的CO2，NO ，NH3及CH,等。Antonelli M等人 采用地衣组织研制了一种传感器，有望用于对大气、水和油等物质中苯的浓度的监测。用多孔渗透膜、固定化硝化细菌和氧电极组成的微生物传感器，可测定样品中亚硝酸盐含量，从而推知空气中NO 的浓度，其检测极限为1 xl0 mol／L。?

在食品工程中的应用?

食用牛肉很容易被大肠杆菌0157. H7.所感染，因此需要快速、灵敏的方法检测和防御大肠杆菌0157. H7.一类的细菌。 生物传感器可以直接测量102CFU(菌落形成单位)的大肠杆菌0157. H7.。

检测病原体之后即可以将它分离到培养基上生长。从检测出病原体到从样品中重新获得病原体并使它在培养基上独立生长总共只需1天时间，而传统方法需要4天。?

还有一种快速灵敏的免疫生物传感器可以用于测量牛奶中双氢除虫菌素的残余物。它是基于细胞质基因组的反应，通过光学系统传输信号，己达到的检测

极限为16. 2nd/ mL。 ??

在军事领域的应用?

生物传感器在化学、生物战剂的侦检方面具有独特的优势。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素(如炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶尔森菌、埃博拉出血热病毒、肉毒杆菌类毒素等) ， 在化学战剂检测中研究和使用最多的是乙酰胆碱脂酶传感器。

20世纪5O年代，就有人设计了沙林毒剂的酶检测方法，可检出0．1—0．5×10 的沙林，这一方法至今仍被国际上普遍用于神经性毒剂侦毒包和报警器中。

结语：

生物传感器可以取代常规的化学分析方法，因此，它的出现可以说是一场技术革命。人类基因组计划的实施大大加速了与生物学、医学、信息学等学科息息相关的各类新型生物传感器的发展，这给当前生物传感器的研究提供了前所未有的发展机遇。

生物传感器作为多学科交叉的高科技领域，如何组织各方面的科技力量和财力、物力来推动这一高科技领域在我国的发展，不仅是对生物、信息、物理、化学、医学、微电子、材料等相关领域中科技人员的挑战，也是有关行政管理部门面临的一个课题。