生物傳感器技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀研究

梁 博 王 紅 柯曉軍

摘要：簡述了生物傳感器近年來的研究與應用，對其發(fā)展前景及市場化作了預測及展望。生物傳感器因其專一性好、易操作、設備簡單、測量快速準確、適用范圍廣等特點，在發(fā)酵工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、食品監(jiān)測、臨床醫(yī)學等方面得到廣泛的應用。隨著固定化技術(shù)的發(fā)展，生物傳感器在市場上越來越具有競爭力。

關鍵詞：生物傳感器；發(fā)酵工業(yè)；環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TP212文獻標識碼：A文章編號：1672-3198(2009)24-0027-02

前言

從20世紀60年代Clark和Lyon提出生物傳感器的設想開始，生物傳感器的發(fā)展已經(jīng)距今已有40多年的歷史了。隨著社會的進一步信息化，作為一門在生命科學和信息科學之間發(fā)展起來的交叉學科，生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測、食品工程、臨床醫(yī)學、軍事及軍事醫(yī)學等方面得到了深度重視和廣泛應用。

1生物傳感器的概念

生物傳感器是“使用固定化的生物分子結(jié)合換能器，用來偵測生體內(nèi)或生體外的環(huán)境化學物質(zhì)或與之起特異性交互作用后產(chǎn)生響應的一種裝置”。待測物質(zhì)經(jīng)擴散作用進入生物活性材料，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學反應，產(chǎn)生的信息繼而被相應的物理或化學換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度。所以生物傳感器結(jié)構(gòu)包括：一種或數(shù)種相關生物活性材料及能把生物活性表達信號轉(zhuǎn)換為電信號的物理或化學換能器，二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動化儀表技術(shù)進行生物信號的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。

根據(jù)生物學和電子工程學各自的范疇，生物傳感器主要有以下兩種分類方式：

1.1根據(jù)生物傳感器中信號檢測器上的敏感物質(zhì)分

生物傳感器與其它傳感器的最大區(qū)別在于生物傳感器的信號檢側(cè)器中含有敏感的生命物質(zhì)。這些敏感物質(zhì)有酶、微生物、動植物組織、細胞器、抗原和抗體等。根據(jù)敏感物質(zhì)的不同，生物傳感器可分酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、免疫傳感器等。生物學工作者習慣于采用這種分類方法。

1.2根據(jù)生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器分類

生物傳感器中的信號轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器并沒有本質(zhì)的區(qū)別。例如：可以利用電化學電極、場效應晶體管、熱敏電阻、光電器件、聲學裝置等作為生物傳感器中的信號轉(zhuǎn)換器。據(jù)此又將傳感器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。電子工程學工作者習慣于采用這種分類方法。

2國內(nèi)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

當前我國自主研發(fā)的生物傳感器產(chǎn)品及跨國企業(yè)集團在中國推出的產(chǎn)品共存并相互競爭。一些掌握生物傳感器技術(shù)的跨國大企業(yè)集團，看好被稱為“世界工廠”的中國市場，采取技術(shù)輸出的途徑，吸收我國的技術(shù)力量和銷售路徑，在我國市場進行生物傳感器的開發(fā)、產(chǎn)品制造和銷售。一部份海外留學歸國的生物傳感器專門人才也將自己的成果在中國轉(zhuǎn)化并設廠辦企業(yè)。家用保健類生物傳感器技術(shù)已率先較好地實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化突破。取得了顯著經(jīng)濟效益。固定化酶生物傳感器作為一類多品種的精密科學儀器，支撐了一部份生物技術(shù)過程檢測，對傳統(tǒng)生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)改造具有重要意義。我國生物傳感器產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)的空前繁榮景象代表了當前世界生物傳感器產(chǎn)業(yè)的主要潮流。

3生物傳感器在當前的主要應用領域

3.1發(fā)酵工業(yè)

因為發(fā)酵過程中常存在對酶的干擾物質(zhì)，并且發(fā)酵液往往不是清澈透明的，不適用于光譜等方法測定。而應用微生物傳感器則極有可能消除干擾，并且不受發(fā)酵液混濁程度的限制。同時，由于發(fā)酵工業(yè)是大規(guī)模的生產(chǎn)，微生物傳感器其成本低設備簡單的特點使其具有極大的優(yōu)勢。所以具有成本低、設備簡單、不受發(fā)酵液混濁程度的限制、能消除發(fā)酵過程中干擾物質(zhì)的干擾的微生物傳感器發(fā)酵工業(yè)中得到了廣泛的應用。目前已有相關報道在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中將生物傳感器應用于原材料及代謝產(chǎn)物的測定，微生物細胞總數(shù)的測定以及代謝試驗的鑒定中。

3.2食品工業(yè)

生物傳感器可以用來檢測食品中營養(yǎng)成分和有害成分的含量、食品的新鮮程度等。如已經(jīng)開發(fā)出來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含量，從而衡量水果的成熟度。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含量。此外，也有用生物傳感器測定色素和乳化劑的應用。

3.3醫(yī)學領域

生物傳感器在醫(yī)學領域也發(fā)揮著越來越大的作用：臨床上用免疫傳感器等生物傳感器來檢測體液中的各種化學成分，為醫(yī)生的診斷提供依據(jù)；在軍事醫(yī)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(jiān)測多種細菌、病毒及其毒素。生物傳感器還可以用來測量乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各種氨基酸，以及各種致癌和致變物質(zhì)。

3.4環(huán)境監(jiān)測

環(huán)保問題已經(jīng)引起了全球性的廣泛關注，在發(fā)達國家如英國、法國、德國、西班牙和瑞典，在農(nóng)藥殘留檢測、酸雨監(jiān)測、水體富營養(yǎng)化監(jiān)測等過程都采用了生物冷光型的生物傳感器。用于環(huán)境監(jiān)測的專業(yè)儀器市場越來越大，目前已經(jīng)有相當數(shù)量的生物傳感器投入到大氣和水中各種污染物質(zhì)含量的監(jiān)測中去，生物傳感器因其具有快速，連續(xù)在線監(jiān)測的優(yōu)點，相信在未來，還會有更廣泛的應用。

4未來的展望

生物傳感器是一個多學科交叉的高技術(shù)領域，伴隨著生物科學、信息科學和材料科學等相關學科的高速發(fā)展，生物傳感器的發(fā)展將會有以下新特點：

4.1功能更加全面。并向微型化發(fā)展

未來的生物傳感器將進一步涉及醫(yī)療保健、食品檢測、環(huán)境監(jiān)測、發(fā)酵工業(yè)的各個領域。當前生物傳感器研究中的重要內(nèi)容之一就是研究能代替生物視覺、聽覺和觸覺等感覺器官的生物傳感器，即仿生傳感器。而且隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進步，生物傳感器將不斷地微型化，各種便攜式生物傳感器的出現(xiàn)使人們面前。

4.2智能化程度更高

未來的生物傳感器將會和計算機完美緊密的結(jié)合，能夠自動采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，可以更科學、更準確地提供結(jié)果，實現(xiàn)采樣、進樣、最終形成檢測的自動化系統(tǒng)。同時，芯片技術(shù)將越來越多地進入傳感器領域，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的集成化、一體化。

隨著技術(shù)的發(fā)展，基于細胞受體和自由振蕩等現(xiàn)象的新原理的生物傳感器也不斷涌現(xiàn)。相信隨著一些關鍵技術(shù)(如固定化技術(shù))的進一步完善，隨著人們對生物體認識的不斷深入，隨著各學科的不斷發(fā)展，生物傳感器在未來必將會更大的作為。