生物传感器的研究进展

摘要：生物传感器是发展生物技术必不可少的一种先进的检测

与监控元件，具有广阔的发展前景，是传感器的一个重要研究方面。本文综述了生物传感器尤其是纳米生物传感器的结构特点、基本原理以及研究现状，探究了生物传感器的发展趋势。

关键词：生物传感器 纳米生物传感器 原理 类型 Present Research and Development of Biosensor Abstract: Biological sensor is essential to the development of

biological technology as an advanced detection and control component. With broad development prospects, it is becoming one of the most important sensors. This paper reviewed the structure, principle and research status of biosensors, especially nano biosensors, and discussed the trend of the development of biosensors.

Key Words: biosensors, nanomaterial-based biosensor,

principles, types

0 引言

在生物圈中存在着无数种物质，它们或是遗传和代谢的基本元素或中间体，或影响着生物学过程的各个方面，我们把它们称为生命物质和生命相关物质。自20世纪中叶以来，随着人类对生命本质、生命过程和生命体与其生存环境的信息交流的认识地不断深入，研究发展新的分析手段越来越重要。

分析生物学技术的一个重要领域便是生物传感器，它是一个典型的多学科交叉产物，结

合了生命科学、分析化学、物理学和信息科学及其相关技术，能够对所需要检测的物质进行快速分析和追踪。生物传感器的出现，是科学家的兴趣和科学技术发展及社会发展需求多方面双驱动的结果，经过三十多年的发展，已经成为一个设计内容广泛、多学科介入和交叉、充满创新活力的领域。

1 生物传感器的原理和特点

生物传感器是一种精致的分析器件，它结合一种生物的或生物衍生的敏感元件与一只理化换能器，能够产生间断或连续的数字信号，信号强度与被分析物成比例。

生物传感器主要由产生信号的生物敏感膜和处理信号的辅助换能器（又称一次仪表）。被分析物进入固化生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经检测放大器（又称二次仪表）放大输出，便可知道待测物浓度。

生物传感器具有如下特点：1）多样性。根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测定所有生物物质的没传感器；2）无试剂分析。除了缓冲液以外，大多数传感器不需要添加其他分析试剂；3）操作简单，快速、准确，易于联机；4）可以重复使用、连续使用，也可以一次性使用。

2 生物传感器的分类

根据生物活性物质的类别，生物传感器可以分为酶传感器、免疫传感器、DNA传感器、组织传感器和微生物传感器等。

据检测原理，生物传感器可分光学生物传感器、电化学生物传感器及压电生物传感器，

其中光学生物传感器的应用很广泛，其检测方式有荧光、椭偏、干涉、折射、波导、表面等。

除了上述分类方法，生物传感器还可以根据所监测的物理量、化学量或生物量而命名为热传感器、光传感器、胰岛素传感器等，或者根据其用途统称为免疫传感器、药物传感器等等。【1】

3 生物传感器的商品开发

据估计，2012年全球生物传感器市规模将达85亿美元，到2018年将增至168亿美元。据预测，生物传感器美国市场复合年增长率将为10.7%。2008年至2018年，新兴亚太市场复合年增长率将为11%。就市场价值而言，2012年生物传感器欧洲市场规模将为26亿美元，仅 次于美国。【2】迄今，商品化的生物传感器主要有四种类型：酶电极生化分析仪、BOD测定仪、手持式血糖测定仪、SPR分析仪以及各类生物芯片，其中，使用最广的是手持式血

糖测定仪。

3. 1 手持式血糖测定仪

1987年，英国MediSense公司结合介体酶电极原理和丝网印刷技术开发出第一个手掌型和笔型血糖测定仪Exact Tech。该产品给糖尿病患者带来极大便利，市场份额迅速攀升，数年内为全球市场所接受。1998年，世界上最大的卫生用品制造销售集团美国Johnson&Johnson公司开发出One Touch血糖测定仪。现有多种系列产品，成为市场上主要的手持式血糖测定仪。目前，包括我国在内，大约有30种手持式血糖测定仪商品，年销售额已近10亿美元。【3】

4 纳米生物传感器

纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1—100 nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于物质在纳米尺度所展现的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，纳米材料具有比表面积大，光、电、磁、热性能好，力学性能（如强度和韧性等）强等特点。

纳米技术引入生物传感器领域后，提高了传感器的检测性能，促进了新型生物传感器的研制。【4】

4. 1 纳米生物传感器的类型及特性：

广义地，纳米生物传感器包括四种类型：

1）用纳米材料作为普通生物传感器的标记、辅助信号增强，或生物敏感元件的载体，如纳米胶体金、量子点、纳米磁性颗粒、纳米电子传导材料，纳米薄膜等；

2）在宏观基质上制备成纳米结构的换能器，如锥型光导纤维传感器、纳米悬臂等； 3）单分子传感器，如分子信标；

4）生物体内的各种天然传感器和分子机器，它们许多事纳米级结构，如生物分子马达、DNA错配修正分子机器等。

纳米生物传感器的一般特性包括：测定所需的样品量极少，适合于珍贵样品测定；一般采用分子自组装的办法制备单分子生物敏感层，分子扩散阻力小，传感器的响应速度快，适合于检测生物分子动力学测定；响应灵敏度很高，结合其他技术方法，可以实现单分子测定；在细胞内测定方面，现有的微电机仍然体积过大，进入细胞会大大破坏细胞内部的正常结构，因此只适合于细胞浅部、表面和生物组织细胞间隙的物质测定，纳米级的传感器仅仅占据哺乳动物细胞的十亿分之一的体积，甚至可以植入到细胞核中，而不会对细胞实施大的伤害。

【5】

4. 2 几种典型的纳米生物传感器 4. 2.1 纳米胶体金标记

纳米金粒在水中形成的分散体系称为胶体金颗粒，制备方法多采用还原法。胶体金粒由金核和包围在外的双离子层构成，紧连在金核表面的是内层负离子，外层氢离子层则分散在胶体间溶液中，以维持胶体金游离于溶液之间的悬浮液状态。用胶体金作为标记物有以下5个优点：

①选择不同尺寸大胶体金可以满足不同的需要，特别是可以进行多重抗原标记。在显微镜下，对生物组织观察，胶体金标记不会发生混淆，而且分辨率非常好；

②胶体金非常稳定，并且胶体金标记的生物样品贮存稳定性好，可以在低温下保持几年； ③金表面可以与氨基和巯基发生共价键静电结合，因此可以与蛋白质等生物分子结合，成为标记物；

④胶体金容易制备，价廉、无毒、安全，容易使用； ⑤灵敏度高，可以肉眼观察。

纳米胶体金标记的DNA在与靶DNA杂交前后会发生两个显著变化。一种是颜色变化，另一种是DNA变形温度变化。据此，可设计高灵敏度的DNA芯片，可以快速检测病毒或其他病变。

4. 2. 2量子点

量子点（QD）是纳米尺寸的半导体纳米晶粒，学术界对其尺寸范围有不同的描述，比较严格的看法是在2~20nm之间。量子点主要由Ⅱ族~Ⅳ族或Ⅲ族~Ⅴ族元素组成。目前研究较多的是硒化铬（CdSe）等。

量子点具有传统有机荧光染料无可比拟的光学魅力，在生物医学及材料领域已引起广泛的兴趣，许多科学工作者在量子点用于生物学领域方面已经取得一定进展。目前，量子点最有前途的应用领域是在 生物体系中作为荧光标记物。通过观察量子点标记分子与靶分子相互作用的部位．及其在活细胞内的运行轨迹，可能为信号传递的分子机制提供线索，从而为阐明细胞生长发育的调控及癌变规律提供直观依据。【6】

量子点具有的特殊性质，使它们在生物传感器的研究中具有广泛的应用价值，能够进行高灵敏度检测、多重检测、细胞内原位检测，生物组织深部检测等。

4. 2. 3 纳米机械悬臂

纳米机械悬臂是近年出现的新概念传感器，原材料主要为硅纳米管或碳纳米管。纳米悬臂梁一般长和宽为数微米，厚度为20~30nm。在镀金悬臂梁上通过分子自组装修饰了一层捕获探针分子，样品中的靶分子与探针分子相互识别和结合，形成足够大的力使悬臂梁弯曲并产生运动，当外来物体落到悬臂梁上时，会改变震动频率。这种传感装置极其灵敏，测定重量可以达到飞克级，此外还有不需标记、可以批量制作等优点，目前，纳米机械悬臂已用于DNA杂交检测、DNA突变检测、蛋白质检测以及病毒检测等。

4. 2. 4 分子传感器

分子传感器又称为分子信标是美国国立卫生研究院分子遗传学系Tyagi和Kramer发明的一种新技术，能够适时地报告均相溶液中特异性核酸的存在。它是一类可以根据待测目标物种的存在而改变自身的某些理化性质(如颜色、光学信号、电化学信号等)，从而具有“报告\"功能的分子。

目前，分子信标已经获得广泛应用，包括检测活细胞中的RNA活动、PCR中特异性核酸的合成、基因型单核苷酸变异、多重PCR检测各种病原性中和病毒等。

5 结束语

纳米技术和生物技术是21世纪的两大领先技术。纳米科技的发展，丰富了人们对物质世界的认识，并使人们开始掌握操纵和控制微观世界的能力。这些知识和能力迅速在各个方面渗透，纳米技术的引入，使生物传感器的研究发展到更加高级的阶段，表现在性能的极大提升。纳米技术将是生物传感器与天然生物传感器之间的桥梁。人们曾多次评述，生物传感器的精巧程度远比不上天然的生物体传感器，现在可以预言，如果人类能够进入纳米经济时代，那么生物传感器与天然生物体传感器的距离也就不远了。

6 参考文献

（1）钟艳艳, 王贵波, 李宁, 吴军. 生物传感器现状与展望[J]. 重庆医学,2005,34(5)：659-661.

（2）中国测控网. 生物传感器宏观市场报告

（3）张先恩. 生物传感器[M] . 化学工业出版社：2006. 11

（4）陈雄, 吕慧丹, 王建秀, 刘又年. 纳米生物传感器的研究[J]. 世界科技研究与发展.

2007,29(5)：39-43

（5）张先恩. 生物传感器[M] . 化学工业出版社：2006. 368

（6）杨冬芝， 徐淑坤， 陈启凡. 量子点的荧光特性在生物探针方面的应用[J]. 光谱学与

光谱分析. 2007,27(9)：1807