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第一章生物传感器的概述与分类……………………………….2

1.1生物传感器的概述……………………………………….2

1.2生物传感器的分类……………………………………….2

第二章生物传感器的原理及特点………………………………….3

2.1生物传感器的原理简介…………………………………..3

2.2生物传感器的特点………………………………………..4

第三章生物传感器的应用及前景…………………………………...4

3.1生物传感器的应用简介……………………………………4

3.1.1发酵工程………………………………………………….4

3.1.2环境监测………………………………………………….5

3.2生物传感器的前景与展望…………………………………5

结论…………………………………………………………………….7

参考文献……………………………………………………………….8

致谢…………………………………………………………………….9

摘要

随着信息技术与工程生物技术的发展，生物传感器得到了极为迅速的发展，当今各发达国家都把生物传感器列为21世纪的关键技术，给予高度的重视。

生物传感器不仅广泛应用于传统医学领域，推动医学发展，而且还在空间生命科学、食品工业、环境监测和发酵工程等领域广泛应用。

关键词

生物传感器；

应用；

发展前景

Abstract

Asinformationtechnologyandengineeringdevelopmentofbiotechnology,bio-sensorshavehadrapiddevelopment,intoday’sdevelopedcountriesthebiosensorshavebeenregardedasthekeyto21stcenturytechnologyandhighlevelofattention.Biosensorsarewidelyusedintraditionalmedicinenotonlytopromotethedevelopmentofmedicine,butalsoinspacelifescience,foodindustry,environmentalmonitoring,andwidelyusedinfermentationengineeringandotherfields.

Keywords

Biosensor,Application,Prospects

一、前言

传感器是一种可以获取并处理信息的特殊装置，如人体的感觉器官就是一套完美的传感系统，通过眼、耳、皮肤来感知外界的光、声、温度等物理信息，通过鼻、舌感知气味和味道这样的化学刺激。

生物传感器是一类特殊的传感器，它以生物活性单元（如酶、抗体、核酸、细胞等）作为生物敏感单元，对目标测物具有高度选择性的检测器。

生物传感器是一门由生物、物理、化学、医学、电子技术等多种学科相互渗透成长发展起来的高新技术。

因具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续监测，特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点，使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展，在国民经济的各个部门，如食品、制药、化工、生物医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。

生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点，形成21世纪新兴的高技术产业的重要组成部分，具有重要的战略意义。

从1962年，Clark和Lyons最先提出生物传感器的设想距今已有40年了。

生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事等方面得到了高度重视和广泛应用。

在最初的15年里，在生物传感器主要是以研制酶电极制作的生物传感器为主，但是由于酶的价格昂贵并不稳定，因此以酶作为敏感材料的传感器，其应用受到一定的限制。

近些年来，由于微生物固定化技术的不断发展，产生了微生物电极。

微生物电极以微生物活体作为分子识别元件，与酶电极相比有其独到之处。

它可以克服价格昂贵、提取困难及不稳定等弱点。

此外，还可以同时利用微生物体内的辅酶处理复杂反应。

而目前，光纤生物传感器的应用也越来越广泛，而且随着聚合酶链式反应技术（PCR）的发展，应用PCR的DNA生物传感器也越来越多。

第一章生物传感器的概述与分类

1.1生物传感器的概述

生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。

它们的共同特征是：

探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律,探讨应用于人类经济活动的基本方法。

生物传感器技术的研究重点是：

广泛地应用各种生物活性材料与传感器结合，研究和开发具有识别功能的换能器，并成为制造新型的分析仪器和分析方法的原创技术，研究和开发它们的应用。

生物传感器中应用的生物活性材料对象范围包括生物大分子、细胞、细胞器、组织、器官等，以及人工合成的分子印迹聚合物（molecularlyimpriniedpolymer，MIP）。

由于研究DNA分子或蛋白质分子的识别技术已形成生物芯片（DNA芯片、蛋白质芯片）独立学科领域，本文对这些领域将不进行讨论。

生物传感器研究起源于20世纪的60年代，1967年Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶（GOD）固定化膜和氧电极组装在一起，首先制成了第一种生物传感器，即葡萄糖酶电极。

到80年代生物传感器研究领域已基本形成。

其标志性事件是：

1985年“生物传感器”国际刊物在英国创刊；

1987年生物传感器经典著作在牛津出版社出版；

1990年首届世界生物传感器学术大会在新加坡召开，并且确定以后每隔二年召开一次。

此后包括酶传感器的生物传感器研究逐渐兴旺起来，从用一种或多种酶作为分子识别元件的传感器，逐渐发展设计出用其他的生物分子作识别元件的传感器，例如酶—底物、酶—辅酶、抗原—抗体、激素—受体、DNA双螺旋拆分的分子等，把它们的一方固定化后都可能作为分子识别元件来选择地测量另一方。

除了生物大分子以外，还可以用细胞器、细胞、组织、微生物等具有对环境中某些成分识别功能的元件来作识别元件。

甚至可以用人工合成的受体分子与传感器结合来测定微生物、细胞和相关的生物分子。

与生物活性材料组合的传感器可以是多种类型的物理或化学传感器，如电化学（电位测定、电导测定、阻抗测定）、光学（光致发光、共振表面等离子体）、机械（杠杆、压电反应）、热（热敏电阻）或者电（离子或者酶场效应晶体管）等等。

所有这些具有生物识别功能的组合体通称为生物传感器。

1.2生物传感器的分类

生物传感器是由具有生物活性的材料（如组织、微生物细胞、细胞器、细胞受体、微生物、酶、抗体、核酸等）构成的生物敏感元件与适当的信号转换器（如氧化极、气敏电极、离子选择电极等）相连接而组成的一种精致的分析器件。

生物传感器的分类主要有两种，即分子识别原件分类法和器件分类法。

根据分子识别原件的不同可以将生物传感器分为七大类，即酶传感器（enzymesensor）、免疫传感器（immunosensor）、组织传感器（tissuesensor）、细胞传感器（organellesensor）、核酸传感器（DNA/RNAsensor）、微生物传感器（microbialsensor）、分子印迹生物传感器（molecularimprintedbiosensor），其中前分子印迹分子识别元件属于生物衍生物。

器件分类法是根据所用换能器不同对生物传感器进行分类，主要包括电化学生物传感器（electrochemicalbiosensor）或生物电极（bioelectrode）、光生物传感器（opticalbiosensor）、热生物传感器（calorimetricbiosensor或thermalbiosensor）、半导体生物传感器（semiconductbiosensor）电导/阻抗生物传感器（conductive/impedancebiosensor）、声波生物传感器（acousticwavebiosensor）、微悬臂梁生物传感器（cantileverbiosensor）。

第二章生物传感器的原理及特点

2.1生物传感器的原理

生物传感器的原理如图1所示，其结构包括两部分：

生物敏感膜和换能器。

被分析物扩散进入固定化生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理换能器或化学换能器转变成可定量和处理的电信号，再经检测放大器放大并输出，便可知道待测物浓度。

生物敏感膜又称为分子识别元件，它们是生物传感器的关键元件（表1），直接决定传感器的功能与质量。

依生物敏感膜的材料不同，其组成可以是酶、核酸、免疫物质、组织、细胞器、全细胞或它们的组合，近年来还引入了高分子聚合物模拟酶，使分子识别元件概念进一步延伸。

换能器的作用是将各种生物的，物理的和化学的信息转换成电信号。

生物学反应过程产生的信息是多元化的，微电子学和传感器技术的现代成果为检测这些信息提供了丰富的手段，使研究者在设计生物传感器时换能器的选择有足够的余地。

图1.生物传感器原理

表1生物传感器的分子识别元件

分子识别元件（生物敏感膜）

生物活性材料

酶

各种酶类

全细胞

细菌、真菌、动物、植物的细胞

组织

动物、植物的组织切片

细胞器

线粒体、叶绿体

免疫物质

抗体、抗原、酶标抗原等

具有生物亲和能力的物质

配体、受体

核酸

寡聚核苷酸

模拟酶

高分子聚合物

2.2生物传感器的特点

（1）采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。

（2）专一性强，只对特定的底物反应，而且不受颜色、浊度的影响。

（3）分析速度快，可以在一分钟得到结果。

（4）准确度高，一般相对误差可以达到1%

（5）操作系统比较简单，容易实现自动分析

（6）成本低，在连续使用时，每例测定仅需几分钱人民币

（7）有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。

在控制中可以得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。

同时它们还指明了增加产物效率的方向。

第三章生物传感器的应用及前景

3.1生物传感器的应用

生物传感器在医学、工业、环境、食品加工业方面都不不同的应用，本文将主要介绍在发酵工业和环境监测方面的具体应用。

3.1.1发酵工业

各种生物传感器中，微生物传感器最适合发酵工业的测定。

因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且发酵液往往不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。

而应用微生物传感器则极有可能消除干扰，并且不受发酵液混浊程度的限制。

（1）.原材料及代谢产物的测定

　　微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测定，代谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等的测定。

测量的原理基本上都是用适合的微生物电极与氧电极组成，利用微生物的同化作用耗氧，通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。

　　在各种原材料中葡萄糖的测定对过程控制尤其重要，用荧光假单胞菌（Psoudomonasfluorescens）代谢消耗葡萄糖的作用，通过氧电极进行检测，可以估计葡萄糖的浓度。

这种微生物电极和葡萄糖酶电极型相比，测定结果是类似的，而微生物电极灵敏度高，重复实用性好，而且不必使用昂贵的葡萄糖酶。

当乙酸用作碳源进行微生物培养时，乙酸含量高于某一浓度会抑制微生物的生长，因此需要在线测定。

用固定化酵母（Trichosporonbrassicae），透气膜和氧电极组成的微生物传感器可以测定乙酸的浓度。

（2）.微生物细胞总数的测定

　　在发酵控制方面，一直需要直接测定细胞数目的简单而连续的方法。

人们发现在阳极表面，细菌可以直接被氧化并产生电流。

这种电化学系统已应用于细胞数目的测定，其结果与传统的菌斑计数法测细胞数是相同的。

（3）.代谢试验的鉴定

传统的微生物代谢类型的鉴定都是根据微生物在某种培养基上的生长情况进行的。

这些实验方法需要较长的培养时间和专门的技术。

微生物对底物的同化作用可以通过其呼吸活性进行测定。

用氧电极可以直接测量微生物的呼吸活性。

因此，可以用微生物传感器来测定微生物的代谢特征。

这个系统已用于微生物的简单鉴定、微生物培养基的选择、微生物酶活性的测定、废水中可被生物降解的物质估计、用于废水处理的微生物选择、活性污泥的同化作用试验、生物降解物的确定、微生物的保存方法选择等。

3.1.2环境监测

（1）.生化需氧量的测定

　　生化需氧量（biochemicaloxygendemand–BOD）的测定是监测水体被有机物污染状况的最常用指标。

常规的BOD测定需要5天的培养期，操作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大，不宜现场监测，所以迫切需要一种操作简单、快速准确、自动化程度高、适用广的新方法来测定。

目前，有研究人员分离了两种新的酵母菌种SPT1和SPT2，并将其固定在玻璃碳极上以构成微生物传感器用于测量BOD，其重复性在±

10%以内。

将该传感器用于测量纸浆厂污水中BOD的测定，其测量最小值可达2mg/l，所用时间为5min。

还有一种新的微生物传感器，用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料，在高渗透压下可以正常工作。

并且其菌株可长期干燥保存，浸泡后即恢复活性，为海水中BOD的测定提供了快捷简便的方法。

　　除了微生物传感器，还有一种光纤生物传感器已经研制出来用于测定河水中较低的BOD值。

该传感器的反应时间是15min，最适工作条件为30°

C，pH=7。

这个传感器系统几乎不受氯离子的影响（在1000mg/l范围内），并且不被重金属（Fe3+、Cu2+、Mn2+、Cr3+、Zn2+）所影响。

该传感器已经应用于河水BOD的测定，并且获得了较好的结果。

（2）.各种污染物的测定

常用的重要污染指标有氨、亚硝酸盐、磷酸盐、硫化物、致癌物质与致变物质、重金属离子、酚类化合物、表面活性剂等物质的浓度。

目前已经研制出了多种测量各类污染物的生物传感器并已投入实际应用中了。

测量氨和硝酸盐的微生物传感器，多是用从废水处理装置中分离出来的硝化细菌和氧电极组合构成。

目前有一种微生物传感器可以在黑暗和有光的条件下测量硝酸盐和亚硝酸盐（NOx-），它在盐环境下的测量使得它可以不受其他种类的氮的氧化物的影响。

硫化物的测定是用从硫铁矿附近酸性土壤中分离筛选得到的专性、自养、好氧性氧化硫硫杆菌制成的微生物传感器。

目前还有用一种光微生物电极测硫化物含量，所用细菌是Chromatium.SP，与氢电极连接构成。

3.2生物传感器的前景与展望

迄今，生物传感器的核心学术刊物Biosensors&

Bioelectronics和著名的生物技术国际评论刊物CurrentOpiniononBiotechology已经出版了多集分析生物技术专集，其中大量涉及生物传感器研究。

虽然分析方法总是朝着“更快速、更准确、更灵敏、更适用、更便捷”的方向发展，从各方面的信息分析，以下几个方面的研究具有相当的挑战性：

（1）高通量分析：

以生物芯片等微阵列技术为代表，解决均质性问题是关键；

（2）高灵敏度分析：

以SPR和荧光技术为代表，发展十分迅速；

（3）单分子测定：

目前涉及荧光量子点技术、原子力显微技术、超快激光等；

（4）细胞内测定：

需要借助纳米生物传感器技术；

（5）适时、原位、在线、在体测定；

如何抗干扰仍然是关键。

（6）智能生物传感器：

仍然在探索中，是发展未来生物计算机的基础。

生物传感器自20世纪70年代问世以来得到了迅猛发展，目前主要处于开放阶段，世界各国的一些公司，都把注意力集中到偏重于应用的产品开发上。

随着生物技术、材料科学、微电子技术、光电子技术、电子计算机等的发展和实际应用领域的迫切要求，生物传感器的研制与应用会不断向前迈进。

结论

生物传感器是生物技术群的一个领域，也是典型的多学科交叉生长点，涉及到生命科学、化学、物理、信息科学等众多学科和技术。

由于生物传感器具有操作简便、快速、准确的特点，在生命科学研究、生物工艺过程检测与监控、环境质量监测、食品科学、发酵工程等许多方面都有广泛的应用前景。

本文通过介绍生物传感器的原理，主要介绍了生物传感器的发展与应用，在应用方面，详细介绍了在发酵工程和环境监测方面的具体应用，使读者对生物传感器的发展与应用知识有了基本的了解。

参考文献

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[2]翟俊辉，杨瑞馥生物芯片、生物传感器和生物信息学生物技术通讯[J]2002-13（3）：

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高等教育出版社2000

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[7]王平细胞传感器科学出版社2007-12

[8]司士辉生物传感器化学工业出版社2003-01

致谢

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从题目的选择到收集资料，再进行理论分析，用到了大部分所有知识，每一步都要仔细认真的去完成，付出艰辛的汗水。

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