生物传感器

定义
生物传感器是多学科综合交叉的产物，各类新型生物传感器正在不断涌现，因而难以对它下一个确切而严格的定义。就现有的生物传感器而言，它是固定化的生物成份（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（细胞、微生物、组织等）为敏感元件，与适当的能量转换器结合而成的器件。敏感元件产生与待测化学量或生物量（或浓度）相关的化学或物理信号（原始信号），然后由能量转换器转换成易于测量的电信号（次级信号）。随着各门高新技术的发展，特别是生物工程技术和电子技术的发展，生物传感器的概念将不断修正和更新。


应用
生物传感器在国民经济的各个领域有着十分广泛的应用，特别是食品、制约、化学工业中的过程检测，环境检测，临床医学检测，生命科学研究等等。测定的对象为物质中化学和生物成份的含量，如各种形式的糖类、青酶素、草酸、水杨酸、尿酸、尿素、胆固醇、胆碱、卵磷脂、肌酸酐等等。


分类
生物传感器的分类方法很多。若按生物敏感材料的类别来划分，生物传感器可分为酶传感器、免疫传感器、微生物传感器和组织传感器。我们权且把细胞传感器归入组织传感器。按能量转换器来划分，生物传感器可分为电化学生物传感器、热生物传感器、光学生物传感器、半导体生物传感器和声学生物传感器。电化学传感器主要有酶传感器，热学生物传感器主要有热敏电阻，光学生物传感器主要有光纤生物传感器，半导体生物传感器主要有酶场效应管，声学生物传感器也称质量生物传感器，主要有压电晶体生物传感器和声表面波生物传感器。图1清楚地反映了生物传感器的结构和分类。


特点
生物传感器与传统的检测手段相比有如下特点：
[1].生物传感器是由高度选择性的分子识别材料与灵敏度极高的能量转换器结合而成的，因而它具有很好的选择性和极高的灵敏度。
[2].在测试时，一般不需对样品进行处理。
[3].响应快、样品用量少，可反复多次使用。
[4].体积小，可实现连续在线、在位、在体检测。
[4].易于实现多组份的同时测定。
[5].成本远低于大型分析仪器，便于推广普及。

然而，我们在看到生物传感器优点的同时，必须注意到它的若干弱点。例如，不同酶的选择有很大差异，尿素酶有严格的专一性，葡萄糖氧化酶有高度的专一性，而乙醇氧化酶和氨基酸氧化酶分别能识别光谱醇类和氨基酸类。由于生物材料的内在特征是无法改变的，故在这种情况下必须解决如何消除干扰的问题。抗体的专一性可采用单无性抗体而得到增强。对专一性好的生物敏感材料可选用普适能量转换器与之匹配。例如对大多数生化反应来说都伴随着热效应，只要不存在干扰，可用量热换能器与之相联。抗原与抗体反应虽没有生物催化反应，若将抗原或抗体固定，抗原与抗体反应后将发生质量变化，因而可用压电晶体振荡器或声表面波器件来检测。
生物传感器的工作条件是比较苛刻的。首先，生物敏感物质只有在最佳的pH范围才有最大的活性，因此换能器的特性必须与之匹配。其次，除了少数酶能短时间承受高于100℃高温外，绝大多数生物敏感物质的工作条件局限于15-40℃的狭窄温度范围内。另外，许多生物敏感物质只能在短期内保持活性，为了延长生物传感器的寿命，往往需要特殊的条件，例如在温度为4℃的条件下贮存。
生物传感器的响应时间比单独的换能器响应时间要长得多，这是因为待测物质进入生物敏感层内，其质量传递需要较长时间，某些生化反应也需要一定时间。例如酶电极的响应时间在几秒至半分钟范围内，免疫传感器则需要15分钟左右，微生物传感器则在20-30分钟内。尽管如此，它们在实用中具有生命力是因为传统的检测方法或许更长的时间，例如传统方法检测生物耗氧量（BOD）需要五天左右，而采用生物传感器，即使20-30分钟的响应时间也可以接受。
目前商品化的生物传感器还不多。许多重要问题如长期稳定性、可靠性、一致性、批量生产工艺等有待解决。预计到21世纪初，随着上述问题的解决，生物传感器将在各种传感器站主导地位。