一文讀懂生物傳感器

AI人工智能無(wú)疑是剛剛過(guò)去的2016年最熱門(mén)的科技話(huà)題了。從年初的AlphaGo大戰李世石，到今天的棋圣聶衛平敗于54連勝的神秘Master，以致于人們不得不懷疑是一個(gè)新誕生的AI狗。人工智能已經(jīng)真真切切地走進(jìn)了我們的世界，可穿戴設備、智能感知的應用研究也將生物傳感器推到了前臺。

生物傳感器

生物傳感器是一種對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉換為電信號進(jìn)行檢測的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）、適當的理化換能器（如氧電極、光敏管、場(chǎng)效應管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構成的分析工具或系統。生物傳感器具有接受器與轉換器的功能。

生物傳感器由分子識別部分（敏感元件）和轉換部分（換能器）構成：

以分子識別部分去識別被測目標，是可以引起某種物理變化或化學(xué)變化的主要功能元件。分子識別部分是生物傳感器選擇性測定的基礎。主要有酶、抗體、核酸、DNA、細胞受體和完整細胞等。

把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學(xué)換能器（傳感器），主要有電化學(xué)器件、光學(xué)器件、熱敏器件、聲波器件、壓敏器件等。

生物傳感器原理圖

各種生物傳感器有以下共同的結構：包括一種或數種相關(guān)生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學(xué)換能器（傳感器），二者組合在一起，用現代微電子和自動(dòng)化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號的再加工，構成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統。

生物傳感器實(shí)現以下三個(gè)功能：

感受：提取出動(dòng)植物發(fā)揮感知作用的生物材料，包括：生物組織、微生物、細胞器、酶、抗體、抗原、核酸、DNA等。實(shí)現生物材料或類(lèi)生物材料的批量生產(chǎn)，反復利用，降低檢測的難度和成本。

觀(guān)察：將生物材料感受到的持續、有規律的信息轉換為人們可以理解的信息。

反應：將信息通過(guò)光學(xué)、壓電、電化學(xué)、溫度、電磁等方式展示給人們，為人們的決策提供依據。

生物傳感器的分類(lèi)

根據生物傳感器中的分子識別元件和換能器（信號轉換器）的不同，可以從這兩個(gè)方面對生物傳感器分類(lèi)：

按分子識別元件分：

酶傳感器、微生物傳感器、細胞器傳感器、組織傳感器、免疫傳感器。

酶傳感器

是由酶催化劑和電化學(xué)器件構成的。由于酶是蛋白質(zhì)組成的生物催化劑，能催化許多生物化學(xué)反應，生物細胞的復雜代謝就是由于成千上萬(wàn)的酶控制的。酶的催化效率極高，而且具有高度專(zhuān)一性，即能對待測生物量（底物）進(jìn)行選擇性催化，并且有化學(xué)放大作用。因此利用酶的特性可以制造出高靈敏度、選擇性好的傳感器。

微生物傳感器

用微生物作為分子識別元件。與酶相比，微生物更經(jīng)濟、耐久性也好。

免疫傳感器的基本原理是免疫反應。利用抗體能識別抗原結合的功能的生物傳感器稱(chēng)為免疫傳感器。

生物組織傳感器

是以活的動(dòng)植物組織細胞切片作為識別元件，并與相應的變換元件構成的傳感器。

生物組織傳感器具有如下一些特點(diǎn)：      

1) 生物組織含有豐富的酶類(lèi)，這些酶在適宜的自然環(huán)境中，可以得到相當穩定的酶活性，許多組織傳感器工作壽命比相應的酶傳感器壽命長(cháng)很多；      

2) 在所需要的酶難以提純時(shí)，直接利用生物組織可以得到足夠高的酶活性；      

3) 組織識別元件制作簡(jiǎn)便，一般不需要采用固定化技術(shù)。

細胞器電極傳感器

是利用動(dòng)植物細胞器作為敏感元件的傳感器。細胞器是指存在于細胞內的被膜包圍起來(lái)的微小“器官”,如線(xiàn)粒體、微粒體、溶酶體、過(guò)氧化氫體、葉綠體、氫化酶顆粒、磁粒體等等。

按轉換器件分類(lèi)：

生物電極、壓電晶體生物傳感器、半導體生物傳感器、光生物傳感器、熱生物傳感器、介體生物傳感器。

半導體生物傳感器

是由生物分子識別器件（生物敏感膜）與半導體器件結合構成的傳感器。目前常用的半導體傳感器是半導體光電二極管、場(chǎng)效應管（FET）等。

半導體生物傳感器的特點(diǎn)有：      

1) 構造簡(jiǎn)單，便于批量生產(chǎn)，成本低；      

2) 它屬于固態(tài)傳感器，機械性能好，抗震性能好，壽命長(cháng)；      

3) 輸出阻抗低，便于與后續電路匹配；      

4) 可在同一芯片上集成多種傳感器，可實(shí)現多功能、多參數與計算機的基礎。

壓電晶體生物傳感器

利用壓電石英晶體對表面電極區附著(zhù)質(zhì)量的敏感性，并結合生物功能分子(如抗原和抗體)之間的選擇特異性，使壓電晶體表面產(chǎn)生微小的壓力變化，引起其振動(dòng)頻率改變可制成壓電生物傳感器 。它主要由壓電晶體、振蕩電路、差頻電路、頻率計數器及計算機等部分組成。

生物傳感器的應用

生物傳感器在醫學(xué)領(lǐng)域的應用 

中醫針炙傳感針

基于中醫針炙針的傳感針是以中醫針灸針為基體， 傳感人體微區中的溫度、pH值、氧分壓、多巴胺，Ca2+,K+,Na+等信息的新功能而得的一種特殊傳感針。 

既能實(shí)時(shí)傳感出人體微區中各種生理、生化參數，并進(jìn)行人體微區的動(dòng)態(tài)監測，又能按中醫針刺的實(shí)施治病理療法。 

傳感針是以普通針灸針(或根據應用學(xué)科的具體外形要求用外直徑為0.3~ 0.4mm的空心不銹鋼竹)作為基體加工而成 的。

一般制備過(guò)程為:對針灸表面進(jìn)行清潔處理或用處理液浸泡；針尖上鍍相應的合金和相應參數的敏感膜，然后再覆蓋上有機高分子功  能保護的材料;針體鍍絕緣膜，使之有耐、提、插、捻、轉的機械作用，這一點(diǎn)是由它的傳感和治療雙重功能決定的;用戊二醛消毒液消毒;

根據不同的參數特性配上相應的測量?jì)x，進(jìn)行直接讀數;在實(shí)驗室  經(jīng)過(guò)反復浸泡、沖洗實(shí)驗并進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗，使它們的主要性能指標(如線(xiàn)性范圍、響應時(shí)間、分辨率、零點(diǎn)漂移、壽命等)達到要求標準。                

目前己制成的有溫度傳感針、氧分壓傳感針、pH傳感針、Ca2+傳感針和多巴胺傳感針等。 

此外，還可研制離了生物傳感針，如K+傳感針、N a+傳感針、中樞神經(jīng)遞質(zhì)傳感針、酶傳感針、抗體傳感針、受體傳感針、激素傳感針、DNA傳感針、RNA傳感針，并進(jìn)而研制多參數、微型化與智能化的傳感針。 

生物芯片 

國外正在開(kāi)發(fā)半導體生物傳感器，它包括一個(gè)參考電極和一個(gè)PH值量子場(chǎng)效應品體管感應膜，膜上固定有酶和微生物，當固定酶和微生物分別與待測物反應時(shí)，PH值發(fā)生變化，那么輸出的電流或電壓就可測定，這就完成了對參加反應的化學(xué)物質(zhì)的定量分析。如果把這些信號同計算機輸人端聯(lián)接，按一定的軟件程序，那么，可開(kāi)發(fā)生物模擬計算機。

醫用生物傳感器

隨著(zhù)生物傳感技術(shù)的發(fā)展，在醫療器械范圍內開(kāi)辟出更多專(zhuān)業(yè)的領(lǐng)域。從病毒和疾病檢測到康復和****物劑量等。以下的一些生物傳感器裝置，可能會(huì )在醫療領(lǐng)域產(chǎn)生巨大顯著(zhù)的影響。

葡萄糖監測

因為研究人員尋求開(kāi)發(fā)可穿戴式生物傳感器，可以通過(guò)皮膚上的汗水監測患者的葡萄糖水平，生物傳感技術(shù)很可能成為糖尿病患者不同人生的制造者。

德克薩斯大學(xué)達拉斯分校已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種大約25美分尺寸大小的傳感器，可以檢測汗液中的皮質(zhì)醇，并提供來(lái)自周?chē)挂旱膶?shí)時(shí)數據（所顯示的）。

 一種可以集成到微流控芯片中的光纖葡萄糖傳感器， 可以測量血糖水平的廉價(jià)便攜式設備。最近，我們看到了各種不同的技術(shù)，都是旨在提供一種較少侵入性的葡萄糖監測方法，甚至紋身形式的傳感技術(shù)——所有需要做的就是扎一下手指頭，就結束了。有了這些新技術(shù)，這些傳感器的實(shí)體可能比以往任何時(shí)候都更接近我們。

檢測DNA突變

新的電石墨烯生物傳感器芯片可能是第一種被用作生物醫學(xué)植入物，可以實(shí)時(shí)讀取和檢測DNA突變的芯片。一種廉價(jià)的生物傳感器技術(shù)，可以高分辨率檢測人類(lèi)基因突變，并能把數據無(wú)線(xiàn)傳輸到移動(dòng)設備上。

該技術(shù)可以引領(lǐng)全新一代的診斷方法和個(gè)性化治療，因為生物傳感器芯片可用于進(jìn)行活檢和詳細的DNA測序。由于芯片連接到石墨烯晶體管，它使芯片能夠以電子方式運行——使其成為第一個(gè)將動(dòng)態(tài)DNA納米技術(shù)與高分辨率電子傳感相結合的產(chǎn)品。

疾病診斷

一種新的生物傳感器能夠檢測出與神經(jīng)退行性疾病以及幾種不同類(lèi)型癌癥相關(guān)的特定分子。該裝置被設計為在與谷胱甘肽S-轉移酶接觸時(shí)反應，谷胱甘肽S-轉移酶是一種與帕金森氏病、阿爾茨海默病、乳腺癌和其他疾病相關(guān)的酶。

該裝置是玻璃載片上的有機納米級晶體管，使用納米級系統識別特定分子，可以被用來(lái)快速和安全地診斷復雜疾病。

該裝置的便攜性和低成本使其適用于任何實(shí)際的生活環(huán)境中，并且可以經(jīng)過(guò)調整改進(jìn)用于檢測與不同疾病相關(guān)的其他物質(zhì)或分子。該團隊最終計劃創(chuàng )建一個(gè)基于紙張的生物傳感器，盡可能的進(jìn)一步改善便攜性和成本費用。

病毒檢測

生物感測技術(shù)可以在病毒檢測中發(fā)揮重要作用。一種新的納米生物傳感器，可以在短短2至3小時(shí)內檢測到各種不同的病毒。

傳統的測試方法可能需要一到三天才能完成，然而，這種新的生物傳感器使用增頻轉換發(fā)光共振能量轉移（LRET）用于液相系統中的超靈敏病毒檢測。

該技術(shù)的設計和操作簡(jiǎn)單，并且不需要使用任何昂貴的設備或專(zhuān)業(yè)技能。該技術(shù)還被設計用于識別幾乎任何已知的目標病毒的基因序列。遲早，這個(gè)技術(shù)甚至可以經(jīng)過(guò)調整改進(jìn)用于在單個(gè)測試平臺上識別多種流感病毒。

****物劑量

通過(guò)精確施****引領(lǐng)新的個(gè)性化治療的發(fā)展， 一種新型的生物傳感芯片，一厘米大小的正方形設備包含了一個(gè)電路，一個(gè)控制單元和一個(gè)無(wú)線(xiàn)電傳輸模塊，一旦植入體內后，允許芯片讀取信息，并跟大量的化合物做出反應。

該芯片將允許醫生監測****物對新陳代謝系統影響的實(shí)時(shí)效果，這個(gè)成就可以引領(lǐng)全新一代的個(gè)性化治療和精確療法。這個(gè)生物傳感芯片可以測量pH值，溫度和代謝相關(guān)分子如葡萄糖和膽固醇的。

腦損傷檢測

腦損傷已經(jīng)成為醫學(xué)世界中的一個(gè)重要問(wèn)題，特別是在運動(dòng)醫學(xué)領(lǐng)域中。來(lái)自約翰霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins）的心臟病學(xué)專(zhuān)家和工程師一直想利用生物傳感技術(shù)，在發(fā)生嚴重的腦損傷時(shí)來(lái)警示提醒醫生，特別是在心臟手術(shù)中。兩組人合作開(kāi)發(fā)了一種指甲大小的生物傳感器，可以檢測與腦損傷相關(guān)的特定蛋白質(zhì)。

作為心臟手術(shù)的結果，兒童往往很多時(shí)候會(huì )出現神經(jīng)發(fā)育的問(wèn)題，最近的研究表明，多達40％的進(jìn)行心臟手術(shù)的嬰兒患者在核磁共振成像掃描（MRI）中出現腦部異常。

這個(gè)新的傳感器平臺經(jīng)過(guò)設計，可以識別作為腦損傷生物標記的特定蛋白質(zhì)，并且最終可以在手術(shù)室外使用，為運動(dòng)員和事故受害者快速檢測和診斷腦損傷。

監測康復患者

生物感應技術(shù)用于使用輪椅或假肢的康復病人。研究人員計劃進(jìn)行各種不同的研究，利用生物傳感技術(shù)，以臨時(shí)紋身和智能手表的形式收集數據，并監測具體康復設備和鍛煉的效果。

該研究將觀(guān)察患者在家里使用的反應如何，以及如何應對康復設備和鍛煉，以便開(kāi)發(fā)能夠使用生物傳感器信息的軟件，支持那些選擇在家中進(jìn)行康復的患者。這個(gè)研究的目的是使用這些技術(shù)提供的信息來(lái)改善患者治療，以及改善家用康復設備的設計和功能。

生物傳感器在非傳統醫學(xué)領(lǐng)域的應用 

環(huán)境監測的應用

傳統的環(huán)境監測通常采用離線(xiàn)分析方法，操作復雜，所需儀器昂貴，且不適宜進(jìn)行現場(chǎng)快速監測和連續在線(xiàn)分析。隨著(zhù)環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴重，生物傳感器在建立和發(fā)展連續、在線(xiàn)、快速的現場(chǎng)監測體系中發(fā)揮著(zhù)重要作用。 

1） 水質(zhì)監測 

生化需氧量(BOD)是衡量水體有機污染程度的重要指標，BOD的研究對于水質(zhì)監測及處理都是非常重要的此研究也成為水質(zhì)檢測科技發(fā)展的方向。

BOD的傳統標準稀釋法所需時(shí)間長(cháng)，操作繁瑣，準確度差，BOD傳感器不僅能滿(mǎn)足實(shí)際監測的要求，并具有快速、靈敏的特點(diǎn)。隨著(zhù)BOD快速測定研究的不斷深入，研究發(fā)現BODst(快速BOD測定值)還可作為在線(xiàn)監測生物處理過(guò)程的一個(gè)重要參數 。 

2）大氣質(zhì)量監測 

生物傳感器可監測大氣中的CO2，NO ，NH3及CH,等。Antonelli M等人 采用地衣組織研制了一種傳感器，有望用于對大氣、水和油等物質(zhì)中苯的濃度的監測。用多孔滲透膜、固定化硝化細菌和氧電極組成的微生物傳感器，可測定樣品中亞硝酸鹽含量，從而推知空氣中NO 的濃度，其檢測極限為1 xl0 mol／L。 

在食品工程中的應用 

食用牛肉很容易被大腸桿菌0157. H7.所感染，因此需要快速、靈敏的方法檢測和防御大腸桿菌0157. H7.一類(lèi)的細菌。生物傳感器可以直接測量102CFU(菌落形成單位)的大腸桿菌0157. H7.。

檢測病原體之后即可以將它分離到培養基上生長(cháng)。從檢測出病原體到從樣品中重新獲得病原體并使它在培養基上獨立生長(cháng)總共只需1天時(shí)間，而傳統方法需要4天。 

還有一種快速靈敏的免疫生物傳感器可以用于測量牛奶中雙氫除蟲(chóng)菌素的殘余物。它是基于細胞質(zhì)基因組的反應，通過(guò)光學(xué)系統傳輸信號，己達到的檢測

極限為16. 2nd/ mL。  

在軍事領(lǐng)域的應用 

生物傳感器在化學(xué)、生物戰劑的偵檢方面具有獨特的優(yōu)勢。生物傳感器已應用于監測多種細菌、病毒及其毒素(如炭疽芽胞桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類(lèi)毒素等) ， 在化學(xué)戰劑檢測中研究和使用最多的是乙酰膽堿脂酶傳感器。

20世紀5O年代，就有人設計了沙林毒劑的酶檢測方法，可檢出0．1—0．5×10 的沙林，這一方法至今仍被國際上普遍用于神經(jīng)性毒劑偵毒包和報警器中。

結語(yǔ)：

生物傳感器可以取代常規的化學(xué)分析方法，因此，它的出現可以說(shuō)是一場(chǎng)技術(shù)革命。人類(lèi)基因組計劃的實(shí)施大大加速了與生物學(xué)、醫學(xué)、信息學(xué)等學(xué)科息息相關(guān)的各類(lèi)新型生物傳感器的發(fā)展，這給當前生物傳感器的研究提供了前所未有的發(fā)展機遇。

生物傳感器作為多學(xué)科交叉的高科技領(lǐng)域，如何組織各方面的科技力量和財力、物力來(lái)推動(dòng)這一高科技領(lǐng)域在我國的發(fā)展，不僅是對生物、信息、物理、化學(xué)、醫學(xué)、微電子、材料等相關(guān)領(lǐng)域中科技人員的挑戰，也是有關(guān)行政管理部門(mén)面臨的一個(gè)課題。

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