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生物傳感器 醫學：什么是生物傳感器？

一、生物傳感器的發展歷程
20世紀的60年代，Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧電極組裝在一起，首先制成了第一種生物傳感器，即葡萄糖酶電極。到80年代生物傳感器研究領域已基本形成。其標志性事件是：1985年《生物傳感器》國際刊物在英國創刊；1987年生物傳感器經典著作在牛津出版社出版；1990年，首屆世界生物傳感器學術大會在新加坡召開。
生物傳感器是一個非常活躍的研究和工程技術領域，它與生物信息學、生物芯片、生物控制論、仿生學、生物計算機等學科一起，處在生命科學和信息科學的交叉區域。它們的共同特征是:探索和揭示出生命系統中信息的產生、存儲、傳輸、加工、轉換和控制等基本規律，探討應用于人類經濟活動的基本方法。
生物傳感器技術的研究重點是：廣泛地應用各種生物活性材料與傳感器結合，研究和開發具有識別功能的換能器，并成為制造新型的分析儀器和分析方法的原創技術，研究和開發它們的應用。生物傳感器中應用的生物活性材料對象范圍包括生物大分子、細胞、細胞器、組織、器官等,以及人工合成的分子印跡聚合物(MIP)。
二、生物傳感器的基本原理
傳感器中包含抗體、抗原、蛋白質、DNA 或者酶等生物活性材料，待測物質進入傳感器后，分子識別然后發生生物反應并產生信息，信息被化學換能器或者物理換能器轉化為聲、光、電等信號，儀器將信號輸出，我們就能夠得到待測物質的濃度。傳感器的主要組成部分是感受器和換能器，再將信號通過自動化儀表技術和微電子技術處理，就能構成各種儀器或者系統。
三、生物傳感器的種類
生物傳感器的分類：
(1) 按照其感受器中所采用的生命物質分類，可分為：微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細胞傳感器、酶傳感器、DNA傳感器等。
(2) 按照傳感器器件檢測的原理分類，可分為：熱敏生物傳感器、場效應管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學生物傳感器、聲波道生物傳感器、酶電極生物傳感器、介體生物傳感器等。
(3) 按照生物敏感物質相互作用的類型分類,可分為親和型和代謝型兩種。
四、生物傳感器的特點
(1) 傳統醫學檢驗大多是酶分析法，這種方法步驟繁瑣，費用較高，而采用生物傳感器的方法，采用固定化生物活性物質作催化劑，價值昂貴的試劑可以重復多次使用，克服了過去酶法分析試劑費用高和化學分析繁瑣復雜的缺點。
(2) 專一性強，只對特定的底物起反應，而且不受顏色、濁度的影響。
(3) 分析速度快，可以在一分鐘得到結果。
(4) 準確度高，一般相對誤差可以達到1%。
(5) 操作系統比較簡單，容易實現自動分析。
(6) 成本低,在連續使用時，每例測定僅需要幾分錢人民幣。
(7) 有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養系統內的供氧狀況和副產物的產生。
五、生物傳感器在醫學領域中的運用
生物傳感器有很多種，下面針對其中幾種傳感器在醫學領域中的運用展開分析。
(1) 微生物傳感器
微生物傳感器的感受器是含有微生物的膜，工作原理是微生物會消耗待測溶液中的溶解氧，放出熱量或者光，達到定量檢測待測物質的目的。相對于酶傳感器，微生物傳感器使用穩定并且成本更低，但是使用范圍不及酶傳感器，數據顯示，微生物傳感器能夠檢測的物質約為 60 種到 70 種。微生物會受到待測物質的毒害影響，這是影響傳感器準確度和壽命的主要因素，解決了這個問題，微生物傳感器市場化指日可待。
(2)酶傳感器
這種傳感器的敏感元件是固定化酶，使用酶傳感器就不需要花費大量精力去提取酶。臨床上測定尿素、葡萄糖、乳酸、天門冬酰胺等生化指標可以采用酶傳感器，例如現在的葡萄糖酶傳感器已經發展到了第四代，應用范圍廣泛，并且國際上乳酸酶傳感器技術已經相當成熟。臨床上要檢驗患者腎功能就要進行腎功能診斷，然后針對性的實施人工透析，這種情況下就要使用尿素傳感器。酶傳感器研究時間和發展時間都較長，市場上的酶傳感器已經達到了超過 200 種。
(3)基因傳感器
基因傳感器是近年來才出現的一種傳感器，但是技術先進，國內外也有很多專家學者針對基因傳感器進行研究，現在已經成為研究熱點之一。基因傳感器的基礎是雜交高特異性，一般基因傳感器上有 30 個左右的核苷酸單鏈核酸分子，通過和靶序列雜交測定目標核酸分子。現在研究和使用較多的基因傳感器是 DNA傳感器，主要用于結核桿菌、艾滋病毒和乙肝炎病毒等的檢測，從而達到診斷疾病的目的。

生物傳感器 醫學：生物傳感器

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生物傳感器
（生物學技術）
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生物傳感器(biosensor)，是一種對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。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）、適當的理化換能器（如氧電極、光敏管、場效應管、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。
中文名
生物傳感器
外文名
biosensor
類    型
儀器
用    途
進行檢測
功    能
具有接受器與轉換器的功能
目錄
1
組成結構
2
主要功能
3
歷史沿革
4
技術特點
5
設備分類
6
應用領域
?
綜述
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食品工業
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環境監測
?
發酵工業
?
醫學
7
操作實例
8
發展前景
9
衍生設備
生物傳感器組成結構
語音
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。把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學換能器（傳感器）各種生物傳感器有以下共同的結構：包括一種或數種相關生物活性材料（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換能器（傳感器），二者組合在一起，用現代微電子和自動化儀表技術進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。生物傳感器實現以下三個功能：感受：提取出動植物發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。實現生物材料或類生物材料的批量生產，反復利用，降低檢測的難度和成本。觀察：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：將信息通過光學、壓電、電化學、溫度、電磁等方式展示給人們，為人們的決策提供依據。
生物傳感器主要功能
語音
生物傳感器具有接受器與轉換器的功能。對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。
結構
生物體中能夠選擇性地分辯特定物質的物質有酶、抗體、組織、細胞等。這些分子識別功能物質通過識別過程可與被測目標結合成復合物，如抗體和抗原的結合，酶與基質的結合。在設計生物傳感器時，選擇適合于測定對象的識別功能物質，是極為重要的前提。要考慮到所產生的復合物的特性。根據分子識別功能物質制備的敏感元件所引起的化學變化或物理變化，去選擇換能器，是研制高質量生物傳感器的另一重要環節。敏感元件中光、熱、化學物質的生成或消耗等會產生相應的變化量。根據這些變化量，可以選擇適當的換能器。生物化學反應過程產生的信息是多元化的，微電子學和現代傳感技術的成果已為檢測這些信息提供了豐富的手段。
生物傳感器歷史沿革
語音
1967年S.J.烏普迪克等制出了第一個生物傳感器葡萄糖傳感器。將葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺膠體中加以固化，再將此膠體膜固定在隔膜氧電極的尖端上，便制成了葡萄糖傳感器。當改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得檢測其對應物的其他傳感器。固定感受膜的方法有直接化學結合法；高分子載體法；高分子膜結合法。現已發展了第二代生物傳感器（微生物、免疫、酶免疫和細胞器傳感器），研制和開發第三代生物傳感器，將系統生物技術和電子技術結合起來的場效應生物傳感器，90年代開啟了微流控技術，生物傳感器的微流控芯片集成為藥物篩選與基因診斷等提供了新的技術前景。由于酶膜、線粒體電子傳遞系統粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗體膜對生物物質的分子結構具有選擇性識別功能，只對特定反應起催化活化作用，因此生物傳感器具有非常高的選擇性。缺點是生物固化膜不穩定。生物傳感器涉及的是生物物質，主要用于臨床診斷檢查、治療時實施監控、發酵工業、食品工業、環境和機器人等方面。生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學換能器有機結合的一門交叉學科，是發展生物技術必不可少的一種先進的檢測方法與監控方法，也是物質分子水平的快速、微量分析方法。在未來21世紀知識經濟發展中，生物傳感器技術必將是介于信息和生物技術之間的新增長點，在國民經濟中的臨床診斷、工業控制、食品和藥物分析（包括生物藥物研究開發）、環境保護以及生物技術、生物芯片等研究中有著廣泛的應用前景。
[1]
生物傳感器技術特點
語音
傳感器是一種可以獲取并處理信息的特殊裝置，如人體的感覺器官就是一套完美的傳感系統通過眼、耳、皮膚來感知外界的光、聲、溫度、壓力等物理信息，通過鼻、舌感知氣味和味道這樣的化學刺激。而生物傳感器是一類特殊的傳感器，它以生物活性單元（如酶、抗體、核酸、細胞等）作為生物敏感單元，對目標測物具有高度選擇性的檢測器。⑴采用固定化生物活性物質作催化劑，價值昂貴的試劑可以重復多次使用，克服了過去酶法分析試劑費用高和化學分析繁瑣復雜的缺點。⑵專一性強，只對特定的底物起反應，而且不受顏色、濁度的影響。⑶分析速度快，可以在一分鐘得到結果。⑷準確度高，一般相對誤差可以達到1%⑸操作系統比較簡單，容易實現自動分析⑹成本低，在連續使用時，每例測定僅需要幾分錢人民幣。⑺有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養系統內的供氧狀況和副產物的產生。在產控制中能得到許多復雜的物理化學傳感器綜合作用才能獲得的信息。同時它們還指明了增加產物得率的方向。
生物傳感器設備分類
語音
介紹生物傳感器的書籍
用固定化生物成分或生物體作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器（biosensor）。生物傳感器并不專指用于生物技術領域的傳感器，它的應用領域還包括環境監測、醫療衛生和食品檢驗等。生物傳感器主要有下面三種分類命名方式：
[2]
1．根據生物傳感器中分子識別元件即敏感元件可分為五類：酶傳感器（enzymesensor），微生物傳感器（microbialsensor），細胞傳感器（organallsensor），組織傳感器（tis-suesensor）和免疫傳感器（immunolsensor）。顯而易見，所應用的敏感材料依次為酶、微生物個體、細胞器、動植物組織、抗原和抗體。2．根據生物傳感器的換能器即信號轉換器分類有：生物電極（bioelectrode）傳感器，半導體生物傳感器（semiconductbiosensor），光生物傳感器（opticalbiosensor），熱生物傳感器（calorimetricbiosensor），壓電晶體生物傳感器（piezoelectricbiosensor）等，換能器依次為電化學電極、半導體、光電轉換器、熱敏電阻、壓電晶體等。3．以被測目標與分子識別元件的相互作用方式進行分類有生物親和型生物傳感器（affinitybiosensor）、代謝型或催化型生物傳感器。三種分類方法之間實際互相交叉使用。
生物傳感器應用領域
語音
生物傳感器綜述
生物傳感器是一門由生物、化學、物理、醫學、電子技術等多種學科互相滲透成長起來的高新技術。因其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、在復雜的體系中進行在線連續監測，特別是它的高度自動化、微型化與集成化的特點，使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發展。在國民經濟的各個部門如食品、制藥、化工、臨床檢驗、生物醫學、環境監測等方面有廣泛的應用前景。特別是分子生物學與微電子學、光電子學、微細加工技術及納米技術等新學科、新技術結合，正改變著傳統醫學、環境科學動植物學的面貌。生物傳感器的研究開發，已成為世界科技發展的新熱點，形成21世紀新興的高技術產業的重要組成部分，具有重要的戰略意義。
生物傳感器食品工業
生物傳感器在食品分析中的應用包括食品成分、食品添加劑、有害毒物及食品鮮度等的測定分析。
生物傳感器
⑴食品成分分析在食品工業中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和貯藏壽命的一個重要指標。已開發的酶電極型生物傳感器可用來分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖。其它糖類，如果糖，啤酒、麥芽汁中的麥芽糖，也有成熟的測定傳感器。Niculescu等人研制出一種安培生物傳感器，可用于檢測飲料中的乙醇含量。這種生物傳感器是將一種配蛋白醇脫氫酶埋在聚乙烯中，酶和聚合物的比例不同可以影響該生物傳感器的性能。在進行的實驗中，該生物傳感器對乙醇的測量極限為1nmol/L。⑵食品添加劑的分析亞硫酸鹽通常用作食品工業的漂白劑和防腐劑，采用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料制成的電流型二氧化硫酶電極可用于測定食品中的亞硫酸鹽含量，測定的線性范圍為0～6的負四次方mol/L。又如飲料、布丁、醋等食品中的甜味素，Guibault等采用天冬氨酶結合氨電極測定，線性范圍為2×10的負五次方～1×10的負三次方 mol/L。此外，也有用生物傳感器測定色素和乳化劑的報道。⑶農藥殘留量分析人們對食品中的農藥殘留問題越來越重視，各國政府也不斷加強對食品中的農藥殘留的檢測工作。Yamazaki等人發明了一種使用人造酶測定有機磷殺蟲劑的電流式生物傳感器，利用有機磷殺蟲劑水解酶，對硝基酚和二乙基酚的測定極限為10的負七次方mol，在40℃下測定只要4min。Albareda等用戊二醛交聯法將乙酞膽堿醋酶固定在銅絲碳糊電極表面，制成一種可檢測濃度為10的負十次方mol/L的對氧磷和10的負十一次方mol/L的克百威的生物傳感器，可用于直接檢測自來水和果汁樣品中兩種農藥的殘留。⑷微生物和毒素的檢驗食品中病原性微生物的存在會給消費者的健康帶來極大的危害，食品中毒素不僅種類很多而且毒性大，大多有致癌、致畸、致突變作用，因此，加強對食品中的病原性微生物及毒素的檢測至關重要。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.H7一類的細菌。Kramerr等人研究的光纖生物傳感器可以在幾分鐘內檢測出食物中的病原體（如大腸桿菌0157.H7.），而傳統的方法則需要幾天。這種生物傳感器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總共只需1天時間，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菌素的殘余物，它是基于細胞質基因組的反應，通過光學系統傳輸信號。已達到的檢測極限為16.2ng/mL。一天可以檢測20個牛奶樣品。⑸食品鮮度的檢測食品工業中對食品鮮度尤其是魚類、肉類的鮮度檢測是評價食品質量的一個主要指標。Volpe等人以黃嗦吟氧化酶為生物敏感材料，結合過氧化氫電極，通過測定魚降解過程中產生的一磷酸肌苷(IMP)、肌苷(HXR)和次黃嘌吟(HX)的濃度，從而評價魚的鮮度，其線性范圍為5x10的負10次方～2x10的負4次方mol/L。
生物傳感器環境監測
環境污染問題日益嚴重，人們迫切希望擁有一種能對污染物進行連續、快速、在線監測的儀器，生物傳感器滿足了人們的要求。已有相當部分的生物傳感器應用于環境監測中。⑴水環境監測生化需氧量(BOD）是一種廣泛采用的表征有機污染程度的綜合性指標。在水體監測和污水處理廠的運行控制中，生化需氧量也是最常用、最重要的指標之一。常規的BOD測定需要5d的培養期，而且操作復雜，重復性差，耗時耗力，干擾性大，不適合現場監測。SiyaWakin等人利用一種毛孢子菌(Trichosporoncutaneum）和芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis）制作一種微生物BOD傳感器。該BOD生物傳感器能同時精確測量葡萄糖和谷氨酸的濃度。測量范圍為0.5～40mg/L，靈敏度為5.84nA/mgL。該生物傳感器穩定性好，在58次實驗中，標準偏差僅為0.0362。所需反應時間為5～lOmin。硝酸根離子是主要的水污染物之一，如果添加到食品中，對人體的健康極其有害。Zatsll等人提出了一種整體化酶功能場效應管裝置檢測硝酸根離子的方法。該裝置對硝酸根離子的檢測極限為7x10的負5次方mol，響應時間不到50s，系統操作時間約為85s。此外，Han等人發明了一種新型微生物傳感器，可用于測定三氯乙烯。該傳感器將假單細胞菌JI104固定在聚四氟乙烯薄膜（直徑：25 mm，孔徑：0.45μm)上。再將薄膜固定在氯離子電極上。帶有AgCl/Ag2S薄膜(7024L,DKK,日本)的氯離子電極和Ag/AgCI參比電極連接到離子計(IOL-50,DKK,日本)上,記錄電壓的變化,與標準曲線對照,測出三氯乙烯的濃度。該傳感器線性濃度范圍為0.1～ 4 mg/L,適于檢測工業廢水。在最優化條件下,其響應時間不到10min。⑵大氣環境監測二氧化硫(S02)是酸雨酸霧形成的主要原因，傳統的檢測方法很復雜。Martyr等人將亞細胞類脂類（含亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體）固定在醋酸纖維膜上，和氧電極制成安培型生物傳感器，對S02形成的酸雨酸霧樣品溶液進行檢測，lOmin可以得到穩定的測試結果。
生物傳感器
NOx不僅是造成酸雨酸霧的原因之一，同時也是光化學煙霧的罪魁禍首。Charles等人用多孔滲透膜、固定化硝化細菌和氧電極組成的微生物傳感器來測定樣品中亞硝酸鹽含量，從而推知空氣中NOx的濃度。其檢測極限為0.01xl0負6次方mo1/L。
生物傳感器發酵工業
在各種生物傳感器中，微生物傳感器具有成本低、設備簡單、不受發酵液混濁程度的限制、可能消除發酵過程中干擾物質的干擾等特點。因此，在發酵工業中廣泛地采用微生物傳感器作為一種有效的測量工具。⑴原材料及代謝產物的測定微生物傳感器可用于測量發酵工業中的原材料（如糖蜜、乙酸等）和代謝產物（如頭孢霉素、谷氨酸、甲酸、醇類、乳酸等）。測量的裝置基本上都是由適合的微生物電極與氧電極組成，原理是利用微生物的同化作用耗氧，通過測量氧電極電流的變化量來測量氧氣的減少量，從而達到測量底物濃度的目的。2002年，Tkac等人將一種以鐵氰化物為媒介的葡萄糖氧化酶細胞生物傳感器用于測量發酵工業中的乙醇含量，13s內可以完成測量，測量靈敏度為3.5nA/mM。該微生物傳感器的檢測極限為0.85nM，測量范圍為2～270nM，穩定性能很好。在連續8.5h的檢測中，靈敏度沒有任何降低。⑵微生物細胞數目的測定發酵液中細胞數的測定是重要的。細胞數（菌體濃度）即單位發酵液中的細胞數量。一般情況下，需取一定的發酵液樣品，采用顯微計數方法測定，這種測定方法耗時較多，不適于連續測定。在發酵控制方面迫切需要直接測定細胞數目的簡單而連續的方法。人們發現：在陽極(Pt）表面上，菌體可以直接被氧化并產生電流。這種電化學系統可以應用于細胞數目的測定。測定結果與常規的細胞計數法測定的數值相近。利用這種電化學微生物細胞數傳感器可以實現菌體濃度連續、在線的測定。
生物傳感器醫學
醫學領域的生物傳感器發揮著越來越大的作用。生物傳感技術不僅為基礎醫學研究及臨床診斷提供了一種快速簡便的新型方法，而且因為其專一、靈敏、響應快等特點，在軍事醫學方面，也具有廣的應用前景。⑴臨床醫學在臨床醫學中，酶電極是最早研制且應用最多的一種傳感器，已成功地應用于血糖、乳酸、維生素C、尿酸、尿素、谷氨酸、轉氨酶等物質的檢測。其原理是：用固定化技術將酶裝在生物敏感膜上，檢測樣品中若含有相應的酶底物，則可反應產生可接受的信息物質，指示電極發生響應可轉換成電信號的變化，根據這一變化，就可測定某種物質的有無和多少。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器，在臨床中應用的微生物傳感器有葡萄糖、乙酸、膽固醇等傳感器。若選擇適宜的含某種酶較多的組織，來代替相應的酶制成的傳感器稱為生物電極傳感器。如用豬腎、兔肝、牛肝、甜菜、南瓜和黃瓜葉制成的傳感器，可分別用于檢測谷酰胺、鳥嘌呤、過氧化氫、酪氨酸、維生素C和胱氨酸等。DNA傳感器是生物傳感器中報道最多的一種，用于臨床疾病診斷是DNA傳感器的最大優勢，它可以幫助醫生從DNA,RNA、蛋白質及其相互作用層次上了解疾病的發生、發展過程，有助于對疾病的及時診斷和治療。此外，進行藥物檢測也是DNA傳感器的一大亮點。Brabec等人利用DNA傳感器研究了常用鉑類抗癌藥物的作用機理并測定了血液中該類藥物的濃度。⑵軍事醫學軍事醫學中，對生物毒素的及時快速檢測是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應用于監測多種細菌、病毒及其毒素，如炭疽芽孢桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等。2000年，美軍報道已研制出可檢測葡萄球菌腸毒素B、蓖麻素、土拉弗氏菌和肉毒桿菌等4種生物戰劑的免疫傳感器。檢測時間為3～lOmin，靈敏度分別為10，5Omg/L,5x10的5次方，和5x10的4次方cfu/ml。Song等人制成了檢測霍亂病毒的生物傳感器。該生物傳感器能在30min內檢測出低于1xlO的負5次方mol/L的霍亂毒素，而且有較高的敏感性和選擇性，操作簡單。該方法能夠用于具有多個信號識別位點的蛋白質毒素和病原體的檢測。此外，在法醫學中，生物傳感器可用作DNA鑒定和親子認證等。
生物傳感器操作實例
語音
各種類型的傳感器有許多潛在的應用。在研究與商用領域對于生物傳感器的需求主要來自于對于特定目標分子的辨別、生物識別成分的實用性以及在某些場合中優于實驗室技術的可以一次性使用的檢測系統。下面是一些實例：應用于探測葡萄糖濃度美國普渡大學等機構的研究人員制成了新型生物傳感器，能夠以非侵入的方式進行糖尿病測試，探測出人體唾液和眼淚中極低的葡萄糖濃度。這項技術無需過于繁復的生產步驟，從而可降低傳感器的制造成本，并可能幫助消除或降低利用針刺進行糖尿病測試的幾率。
生物傳感器發展前景
語音
概述
芯片
隨著生物科學、信息科學和材料科學發展成果的推動，生物傳感器技術飛速發展。但是，生物傳感器的廣泛應用仍面臨著一些困難，今后一段時間里，生物傳感器的研究工作將主要圍繞選擇活性強、選擇性高的生物傳感元件；提高信號檢測器的使用壽命；提高信號轉換器的使用壽命；生物響應的穩定性和生物傳感器的微型化、便攜式等問題。可以預見，未來的生物傳感器將具有以下特點。功能多樣化未來的生物傳感器將進一步涉及醫療保健、疾病診斷、食品檢測、環境監測、發酵工業的各個領域。生物傳感器研究中的重要內容之一就是研究能代替生物視覺、嗅覺、味覺、聽覺和觸覺等感覺器官的生物傳感器，這就是仿生傳感器，也稱為以生物系統為模型的生物傳感器。微型化隨著微加工技術和納米技術的進步，生物傳感器將不斷的微型化，各種便攜式生物傳感器的出現使人們在家中進行疾病診斷，在市場上直接檢測食品成為可能。智能化集成化未來的生物傳感器必定與計算機緊密結合，自動采集數據、處理數據，更科學、更準確地提供結果，實現采樣、進樣、結果一條龍，形成檢測的自動化系統。同時，芯片技術將愈加進入傳感器，實現檢測系統的集成化、一體化。低成本高靈敏度高穩定性高壽命生物傳感器技術的不斷進步，必然要求不斷降低產品成本，提高靈敏度、穩定性和壽命。這些特性的改善也會加速生物傳感器市場化，商品化的進程。在不久的將來，生物傳感器會給人們的生活帶來巨大的變化，它具有廣闊的應用前景，必將在市場上大放異彩。生物傳感器實用性是生物體成分（酶、抗原、抗體、激素、DNA) 或生物體本身（細胞、細胞器、組織），它們能特異地識別各種被測物質并與之反應；后者主要有電化學電極、離子敏場效應晶體管（ ISFET ) 、熱敏電阻器、光電管、光纖、壓電晶體（PZ) 等，其功能為將敏感元件感知的生物化學信號轉變為可測量的電信號。生物傳感器按所用分子識別元件的不同，可分為酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、免疫傳感器等；按信號轉換元件的不同，可分為電化學生物傳感器、半導體生物傳感器、測熱型生物傳感器、測光型生物傳感器、測聲型生物傳感器等；按對輸出電信號的不同測量方式，又可分為電位型生物傳感器、電流型生物傳感器和伏安型生物傳感器。微生物傳感器是生物傳感器的一個重要分支。1975 年Divies 制成了第一支微生物傳感器，由此開辟了生物傳感器發展的又一新領域。在不損壞微生物機能情況下，可將微生物固定在載體上制作出微生物傳感器。微生物傳感器與酶傳感器相比，它有以下特點：⑴ 微生物的菌株比分離提純酶的價格低得多，因而制成的傳感器便于推廣普及；⑵ 微生物細胞內的酶在適當環境下活性不易降低，因此微生物傳感器的壽命更長；⑶ 即使微生物體內的酶的催化活性已經喪失，也可以因細胞的增殖使之再生；⑷ 對于需要輔助因子的復雜的連續反應，用微生物則更易于完成
生物傳感器衍生設備
語音
DNA生物傳感器DNA生物傳感器是一種能將目標DNA的存在轉變為可檢測電信號的傳感裝置。它由兩部分組成，一部分是識別元件，即DNA探針，另一部分是換能器。識別元件主要用來感知樣品中是否含有待測的目標DNA；換能器則將識別元件感知的信號轉化為可以觀察記錄的信號。通常是在換能器上固化一條單鏈DNA，通過DNA分子雜交，對另一條含有互補序列的DNA進行識別，形成穩定的雙鏈DNA，通過聲、光、電信號的轉換，對目標DNA進行檢測。DNA生物傳感器原理是通過固定在傳感器或稱換能器探頭表面上的已知核苷酸序列的單鏈DNA分子和另一條互補的ss－DNA分子雜交，形成的雙鏈DNA會表現出一定的物理信號，最后由換能器反應出來。
[1]
皮膚生物傳感器驗血也許是跟蹤某些人體健康指標的常用方法，但美國軍方主導的一個新項目有可能改變監測健康狀況的方式。事實表明，人體血液中流動的健康指標有很多在汗液中也存在。
[3]
美國軍方的這個項目旨在開發出能對軍人汗液中的流動物質進行跟蹤的皮膚“生物傳感器”，以監測他們的健康狀況，提升他們的表現。研究人員說，這種高技術裝置看上去和摸上去都像膠布繃帶，可以用來收集心率、呼吸頻率等實時測量數據。
[3]
這種傳感器是一種被嵌入繃帶中的扁平狀電子芯片，其設計初衷是記錄可以下載到智能手機和電腦上的健康信息。美國軍方希望利用這種技術學會如何最有效地部署軍人，如何讓他們以最佳狀態投入戰斗。
[3]
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基于finFET的微型生物傳感器，可用于高靈敏度分子檢測
歐洲微電子研究中心imec推出了作為生物傳感器的最小硅finFET，翅片寬度13nm，柵極長度50nm，在imec的300mm無塵室采用CMOS兼容工藝流程制造，一旦實現批量生產，并將其集成到高通量、高成本效益的檢測工具中，可實現數以萬計的BioFET并行工作。imec目前...
2021-01-190
3xmaker合越智能
南京合越智能科技有限公司
自供電的生物傳感器可能會開辟新的途徑來進行醫療跟蹤，治療
自供電的生物傳感器可能會開辟新的途徑來進行醫療跟蹤，治療當前，可穿戴和可植入設備用于多種功能，包括健康跟蹤和監視。但是，由于充電，提供能量通常需要笨重的電池和停機時間。由賓夕法尼亞州立大學工程師領導的國際研究人員小組正在探索可拉伸的自供電生物傳感器的開發，這種傳感器有一天可...
2020-09-220
快科技
快科技官方百家號,優質數碼領域創作者
AirPods地位升高：蘋果準備更新 未來將配生物傳感器
著名蘋果分析師郭明錤再次送出了新的報告，其著重指出AirPods這款產品，其將是蘋果有史以來最暢銷的產品。在這份報告中，郭明錤強調，AirPods在蘋果生態中的地位會越來越高，其是通訊、音樂、語音助理、健康管理的綜合載體，并且便捷的操作性，讓iOS用戶都很樂意去接受它。此外...
2018-12-050
cnBeta
cnBeta.COM 官方百家號
新專利顯示蘋果公司未來AirPods可能集成生物傳感器
根據美國專利局公布的一項新專利顯示，蘋果公司繼續研究，力圖在未來AirPods當中集成生物傳感器。這項新專利揭示了入耳式傳感器如何幫助檢測佩戴者血液中的變化。蘋果以前擁有多項專利，可以用來檢測AirPods佩戴方向，來告知用戶佩戴姿勢，并且進行鍛煉跟蹤。現在，檢測AirPo...
2019-10-030
IT之家
青島軟媒網絡科技有限公司,優質數碼領域創作者
不只是耳機？專利顯示新款蘋果AirPods將集成生物傳感器
IT之家10月4日消息 近日一份蘋果向美國專利局提交的專利遭曝光，局專利文件顯示蘋果似乎有意在未來的AirPods中集成生物傳感器。...
2019-10-040
參考資料
1.

DNA生物傳感器的原理與應用
．傳感器之家．2012-11-23[引用日期2013-05-01]
2.

什么是生物傳感器
．5聯網[引用日期2013-02-01]
3.

美軍開發“皮膚生物傳感器”監測軍人健康狀況
．生物谷[引用日期2014-06-15]

生物傳感器 醫學：生物傳感器_1

生物傳感器(Biosensor)是一種對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器；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）、適當的理化換能器（如氧電極、光敏管、場效應管、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。生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學換能器有機結合的一門交叉學科，是發展生物技術必不可少的一種先進的檢測方法與監控方法，也是物質分子水平的快速、微量分析方法。各種生物傳感器有以下共同的結構：包括一種或數種相關生物活性材料（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換能器（傳感器），二者組合在一起，用現代微電子和自動化儀表技術進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 醫學：生物傳感器在醫學領域中的應用

續的電信號表達出來，從而得出被檢測品的濃度。由于生物傳
感器為臨床檢驗提供了一條快速、操作簡便的新型手段，已引
起檢驗醫學界的關注。
生物傳感器是由生物、化學、物理、醫學、電子技術等多
種學科互相滲透成長起來的高新技術，是一種將生物感應元件
的專一性與一個能夠產生和待測物濃度成比例的信號傳導器結
合起來的分析裝置
[1]
，主要用于生物醫學信息的檢測。
1962年英國學者Clark和Lyons最先提出，可以將酶反應的
高度特異性和電極響應的高度靈敏結合起來，由此提出酶電極
概念
[2]
。1967年，updike和Hicks成功的研制出第一個以鉑電極
為基本的葡萄糖氧化酶傳感器
[3]
。70年代，相繼出現了電流型
和電位型微生物電極、組織電極、線粒體電極。80年代，利用
生物反應的光效應、熱效應、場效應和質量變化而開發的生物
傳感器蓬勃發展，開始了生物電子學傳感器的新時代。我國的
生物傳感器就始于這一時期：1988年梁逸曾將其全面系統地介
紹給了國內化學界
[4]
。90年代，雖然我國生物傳感器的某些研
究項目處于國際領先地位，但目前國內尚無真正商品化的傳感
器面市，總體研究水平與國際上還有一段差距。到目前為止，
生物傳感器大致經歷了3個發展階段：第一代生物傳感器是由固
定了生物成分的非活性基質膜和電化學電極組成；第二代生物
傳感器是將生物成分直接吸附或共價結合到換能器表面，而無
需非活性的基質膜，測定時不必向樣品中加入其它試劑；第三
代生物傳感器是把生物活性成分直接固定在電子元件上，它們
可以直接感知和放大界面物質變化，從而把生物識別和信號轉
換處理結合在一起。
1  生物傳感器的工作原理及結構
生物傳感器的檢測原理：待測物質進入生物活性材料(如
酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原、生物膜等)，經分子識別，
發生生物學反應，產生的信息繼而被相應的物理或化學換能器
轉變成可定量和可處理的電、聲、光等信號
[5]
。再經二次儀表
放大并輸出，便可知道待測物濃度。傳感器的結構一般由兩部
分組成，其一是生物分子識別元件(感受器)，是指將一種或數
生物傳感器在醫學領域中的應用
魯然
[關鍵詞]
 生物傳感器；醫學領域
咱相關生物活性材料固定在其表面(也稱生物敏感膜)；其二是
能把生物活性表達的信號轉換為電、聲、光等信號的物理或化
學換能器，二者結合在一起，用現代微電子和自動化儀表技術
進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。
2  生物傳感器的分類及特點
2.1  生物傳感器的類型  生物傳感器的類型和命名方法比
較多而且不一，主要有兩種分法即按分子識別元件分類和按換
能器類型分類，兩種方法如圖1
[6]
。
2.2

生物傳感器的特點

①采用固定化生物活性物質作催
化劑，
價值昂貴的試劑可以重復多次使用，
克服了過去酶法分析
試劑費用高和化學分析繁瑣復雜的缺點。
②專一性強(選擇特異
性強)，
只對特定的底物起反應，
而且不受顏色、
濁度的影響。
③分
析速度快，
可以在一分鐘得到結果。
④準確度高，
一般相對誤差
可以達到1%。
⑤操作系統比較簡單，
容易實現自動化分析。
⑥成本
低，
在連續使用時，
每例測定僅需要幾分錢人民幣。
⑦有的生物傳
感器能夠可靠地指示微生物培養系統內的供氧狀況和副產物的
產生，
能得到許多復雜的物理化學傳感器綜合作用才能獲得的信
息。
同時它們還指明了增加產物產率的方向。
3  在醫學領域中的應用
分子生物傳感器可以廣泛應用于對體檢中的微量蛋白、小
分子有機物、核酸等多種物質的檢測。在現代醫學檢驗中這些
項目是臨床診斷及病情分析的重要依據，能夠在體內的實時監
控生物傳感器對于手術中和重癥監護的病人很有幫助。
3.1  酶傳感器的應用
酶傳感器是由固定化酶作為敏感元件的生物傳感器。應用
酶傳感器可以省去提純酶的復雜步驟。許多酶傳感器都可以用
于臨床生化指標(葡萄糖、乳酸、尿素、尿酸、肌酸、肌酐、谷
氨酰胺、血清中總蛋白、血清中膽固醇、血清中甘油三脂、天
作者單位：  河北保定252醫院檢驗科 (魯然)
圖1  生物傳感器的分類