生物传感器：结构、工作原理及分类

一、生物传感器概述

前面已经提到过，从狭义上讲，传感器是把被测非电量转换成电量的装置。其中的非电量可以为各种物理量、化学量和生物量。人们常把光、声音、压力、温度等物理量转换为电量的传感器称为物理传感器，其功能相当于人类感官中的视觉、听觉和触觉。而把功能相当于人类嗅觉和味觉的传感器一般称为化学传感器，从某种意义上来讲，生物传感器可以说是化学传感器的一个分支。

生物体内存在多种具有选择亲和性的特殊物质，测出亲和性的变化量，即可检测被测物质的量。该技术的关键是使亲和物质固定化，形成识别元件。此外生物中的蛋白质、抗原、抗体、微生物、植物和动物组织、细胞器等都具有识别功能，将其固定在载体（或受体）上，形成固定化生物功能膜（又称识别元件或敏感元）。将这种用各种生物或生物物质作识别元件感受器和物理、化学能量转换器（换能器）组合在一起形成的装置，统称为生物传感器，其结构及工作原理如图3-79所示。为了使用方便，通常把这些生物或生物物质固化在高分子、陶瓷、半导体、金属电极、压电体等固态基体上。换能器的作用是把识别物质部位的变化转换成为电信号。电化学测量装置、热敏装置、场效应晶体管、光电二极管、光导纤维、压电元件、表面波器件等均可完成这一转换功能。当被测物质与生物功能膜接触时，二者即发生物理、化学反应，形成复合体。在反应过程中，识别物质部位通常产生光、热或物质的增减，通过换能器即可将识别物质部位的反应转换成电信号输出。这就是生物传感器的基本工作原理。关于换能器的选择配备，应具体情况具体分析，如当反应产生电极活性物质增减时，用电极或半导体元件检测；当反应伴随发光时，用光电器件检测；当反应伴随热变化时，用热敏电阻检测。

图3-79 生物传感器的结构及工作原理

生物传感器按其识别功能膜来分类，大致可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器和细胞器传感器等多种。如表3-2分别列出了各种生物传感器所利用的功能膜、电化学测量装置，以及部分被测对象等。按其信号传输过程来分类，可分为直接变换型和间接变换型。直接变换型是指受体与被测物因形成复合体，而引起膜电位的变化，如免疫传感器。间接变换型是指复合体的形成只作为一种间接状态，在膜上发生化学反应，根据测量反应中有关物质的生成或消耗而间接地测定被测物，如酶传感器、微生物传感器、酶免疫传感器、细胞器传感器等便是依据这一原理进行测量的。

大部分生物传感器是以单一化学物质为测量对象的单功能传感器，但也有传感器能通过味道、气味等测量由多种化学成分构成的物质，这就是多功能传感器。另外，生物传感器的概念，还可以从生物物质为元件的传感器，引申为以生物系统为对象的传感器，或以生物系统为模型的传感器。

生物传感器经历了三个时期。20世纪60年代初，Clark利用酶具有识别特定分子的功能这一特性，首先提出用酶组装成电极可以测量酶的底物的原理。Updike和Hicks在电极上利用了固定化酶，把葡萄糖氧化酶的固定化膜和氧电极组装在一起，首先研制成了酶传感器，这就是第一代生物传感器，这一时期为生物传感器的初期。从20世纪60年代后半期到70年代中期，酶传感器得到了迅速的发展，与此同时，利用固定化微生物的微生物电极和利用免疫反应的免疫电极相继出现，并进而开展了细胞器传感器、组织传感器、半导体生物传感器等的研究和制造，这就是第二代生物传感器，这一时期为生物传感器的发展时期。由于这些传感器具有特异性、微量性和简便性等特点，故发展非常迅速。目前，已开始按电子学的方法论进行生物电子学的研究和开发有关的传感器，这种新型的传感器称为第三代生物传感器，这标志着已进入了生物电子学传感器时期。生物传感器的研究历史虽然很短，但其发展之迅速，种类之繁多，都是空前的，各国科学家对它寄予了极大的希望。

表3-2 生物传感器的分类

二、生物活性物质固化技术与测量方式

1.生物活性物质固化技术

在研制生物传感器时，关键的问题是把活性物质与基质（载体）固定化成为敏感膜，使其性能稳定，可以反复使用，并且使用方便。因此，如何使生物活性物质固定在各种载体上，形成不溶于水的敏感膜的这种结合技术称为固定化技术。

目前，固定的生物活性物质有酶、辅酶、抗原、抗体、微生物菌体以及激素、抑制剂、各种细胞器等。常用基质（载体或称担体）有丙烯酰胺系聚合物、甲基丙烯系聚合物、苯乙烯系聚合物等合成高分子，还有胶原、右旋糖酐、琼脂糖、纤维素、淀粉等天然高分子，以及玻璃、矾土、不锈钢等无机物。

固定化的方法大体上分为化学方法和物理方法。化学方法，是指识别功能物质与不溶性基质之间，或识别功能物质之间，至少形成一个以上共价键的固定方法，其中有共价键法和交联结合法。物理方法，是利用某些物理作用（如静电相互作用）将识别功能物质固定化的方法，其中有吸附法、包埋法、微囊化法等。

（1）共价键法：按结合方式的不同，可分为缩氨酸法、烷基化法和重氮化法等。这些方法均为通过化学共价键将识别功能物质联结在固相载体上，这种方法比较复杂。

（2）交联结合法：用双功能团试剂将识别功能物质相互交联结合起来。例如，2-氨基戊二醛广泛用于酶的固定化中。这种方法比较简便，缺点是要求有严格的pH值和交联浓度。

（3）吸附法：把识别功能物质凭借离子结合力或物理作用力吸附在惰性固相载体上或离子交换剂上。

（4）包埋法：把生物活性物质包裹在凝胶格子或聚合物的半透明膜胶囊里。

此外还有电化学共析法。根据不同的使用情况，生物敏感膜可做成膜状、管状、粒状、针状等等。

2.基本电极和测量方式

生物传感器通常利用物理、化学装置，把识别信息以电信号的形式从生物识别功能膜上取出来。例如，在膜上发生化学反应生成电极活性物质的情况下，可以用电极法进行测量。化学反应和复合体的形成过程常常伴随着热量的变化，这时可以采用热敏电阻进行测量。在膜上发生的生物化学反应和复合体的形成也能与发光反应结合起来，称为生物化学发光，则利用光电法测量这些发光现象。此外，还可以用音波、微波、激光等手段监测在膜上发生的生物化学反应。

实际上，最常用的测量法是电极法，如今一部分电极型生物传感器已经实用化。生物传感器中应用较广的电极有六种，即O2电极、H2O2电极、pH电极、CO2电极、NH3电极和极。

根据电极将被测物浓度变换成电信号的方法，可分为电流法和电位法两种。电流法是利用生物化学反应中所消耗或生成的电极活性物质的电极反应所产生的电流；电位法是测量与生物化学反应有关的各种离子的识别功能膜上产生的膜电位。

电极测量法按测量方式的不同可分为静态法和动态法。静态测量法的原理如图3-80所示，把生物传感器插入试液中，边搅拌边测量。动态测量法的原理如图3-81所示，把传感器插入测量池中，让缓冲液连续流过测量池，在一定时间内将试液注入进行测量。动态测量法使用较为普遍。此外，在识别功能物质活性较低的情况下，输出信号较小时，可以采用反应器式测量法。

图3-80 静态测量法

1—固定化生物功能膜；2—电极

图3-81 动态测量法

1—记录仪；2—放大处理器；3—电极；4—取样器；5—压缩泵；6—流动槽；7—电磁搅拌器

三、酶传感器

如图3-82所示，酶传感器主要由具有分子识别功能的固定化酶膜与电化学装置两部分组成。当把装有酶膜的酶传感器插入试液中时，被测物质在固定化酶膜上发生催化化学反应，生成电极活性物质（如O2、H2O2、CO2、NH3等）。若用电化学装置（如电极）测定反应中生成或消耗的活性物质，那么电极就能把被测物质的浓度变换成电信号。根据被测物质的浓度与电信号之间的关系，就可测定出某未知浓度。

图3-82 酶传感器原理示意图(www.xing528.com)

s—底物；P—反应产物；E—酶

酶传感器是最早达到实用化的一种生物传感器，据报道已有40余种。利用酶传感器可以测定各种糖、乙醇、氨基酸、胺、酯质、无机离子等。在医疗、食品和发酵工业、环境分析等领域中已获得多方面的应用。多功能酶传感器、测定酶活性的传感器、半导体酶传感器以及检测难溶于水的物质的酶传感器正在研究开发之中。

四、微生物传感器

将微生物固定化膜与电化学装置结合起来，就构成了微生物传感器。与酶相比，微生物更经济，耐久性更好。

微生物传感器以固定化微生物为受体，通常采用与酶传感器相同的固定方法。常用的固定化方法有包埋法和吸附法。在很多场合下，必须保持微生物的生理功能。在这样的前提下，应以原有状态进行固定化。

微生物传感器从工作原理上讲可分为两种类型，即呼吸机能型和代谢机能型。

生物化学耗氧最（BOC）传感器是典型的呼吸机能型微生物传感器，下面以该传感器为例说明呼吸机能型生物传感器的结构和工作原理。如图3-83所示，把传感器放入含有有机化合物的被测溶液中，于是有机物向微生物固定化膜扩散，而被微生物摄取（称为资化）。由于微生物的呼吸量与有机物资化前、后的不同，这可通过O2电极转变成扩散电流，从而间接地测定有机物的浓度。

图3-83 呼吸机能型生物传感器

1—固定化微生物膜；2—聚四氧乙烯膜；3—Pt电极；4—Pb电极

图3-84 代谢机能型生物传感器

1—固定化微生物膜；2—Pt电极（阳极）；3—电解液；4—Ag2O2电极（阴极）

图3-84实际上是一种甲酸传感器的结构示意图，它是一种典型的代谢机能型生物传感器。借以该传感器来说明代谢机能型生物传感器的工作原理。把传感器浸入含有甲酸溶液中，甲酸通过聚四氟乙烯膜向酪酸梭状芽细菌扩散，被资化后产生H2，而H2又透过Pt电极表面上的聚四氟乙烯膜与Pt电极产生氧化反应而产生电流，此电流与微生物所产生的H2含量成正比，而H2含量又与待测溶液的甲酸浓度有关，因此，可用这种传感器测定发酵溶液中的甲酸浓度。

当前，微生物传感器已成功地应用在工业过程的在线自动测量中，以及发酵工业和环境监测中。例如，用上述传感器，可以测定江河及废水污染的程度；此外，在医学中可测量血清中的微量氨基酸，有效地及早诊断尿毒症和糖尿病。

五、免疫传感器

对于人体而言，人体一旦侵入病原菌或其他异性蛋白质（即抗原），则在体内产生能识别抗原并将其从体内排除的物质，这种物质称为抗体。抗原与抗体结合形成复合体，从而将抗原清除。把抗原与抗体的结合，称为免疫反应。免疫传感器的基本原理就是免疫反应，利用抗体能识别抗原并与抗原结合的原理制成的生物传感器称为免疫传感器。它利用固态化抗原（或抗体）膜与其相应的抗体（或抗原）的特异反应，此抗体、抗原的反应结果，使生化敏感膜的电位发生变化，从而输出电量。

免疫传感器分为非标记免疫传感器和标记免疫传感器两类。非标记免疫传感器是使抗原与抗体的复合体在受体的表面形成，并随之产生免疫反应，并直接转换为电信号。若要检测抗原，则采用抗体膜作受体；相反，若要检测抗体，则采用抗原膜作受体。抗原膜或抗体膜一般采用共价键法的固定化技术制作。标记免疫传感器以酶、红细胞、放射性同位素、稳定的游离基、金属、脂质体及核糖等作为标记剂，而电化学器件将各种标记剂的最终变化转化为电信号输出。

除了以上所述的生物传感器外，在20世纪70年代的后半期，由于各种新的生物传感器的识别功能物质的开发，陆续出现了许多新型的生物传感器，其中包括细胞器传感器、组织传感器、半导体生物传感器、酶热敏电阻传感器、酶免疫热敏电阻传感器、发光酶传感器、发光免疫传感器等等。

六、生物传感器的应用及发展方向

由于生物传感器具备有选择性好、能反复使用生物功能物质、能进行直接分析、操作简单，样品用量小、测量时间短、分析结果以电信号的形式获得，便于自动测试等一些优点，因此，生物传感器已在工业流程控制、食品和发酵工业、医疗和环境分析等领域中获得越来越广泛的应用。

图3-85所示为用于发酵工业中连续测量发酵时生成谷氨酸浓度的测量系统。所采用的传感器为将微生物大肠杆菌（含有谷氨酸脱羧酶）固化在电极硅橡胶膜上并与CO2电极组合而成的谷氨酸传感器。将传感器插入容量为0.5ml的池中，并使流体通过池子，微生物在厌气条件下产生CO2气体；再由CO2气体使电极的电位增高，而且此电位的变化又与谷氨酸浓度的对数成正比关系，因此可从输出的电量中获得谷氨酸的浓度。

图3-85 谷氨酸传感器测量系统

1—固定化微生物膜；2—电极

由于生物传感器本身所具有的特点以及在实用中的重要价值，表明了它是一种很有发展前途的技术，因此积极开展对生物传感器的研究工作是很有现实意义和长远意义的，研究的目标可突出体现在以下几个方面。

（1）提高分子识别功能材料的性能，开发新型生物传感器的识别功能物质，结合生物遗传工程学的研究，开拓理想的生物功能膜材料。

（2）大力发展半导体生物传感器，即生物化学场效应晶体管（BIOFET），使生物传感器超小型化，并且有可能实现多功能化。

（3）向集成化的方向发展，利用半导体集成电路的微细加工技术，在单-硅片上将传感器、微型阀、管道等附属系统制作在一起，形成所谓的生物化学集成电路“Bio-Chemical IC”，将其应用于人造脏器。这是一个现实的课题，但并非梦想。

（4）开展智能型生物传感器的研究和产品的开发。

总之，随着半导体技术、微电子学技术和基因工程技术的发展，可以预见，生物传感器的性能将得到进一步的改善，多功能、集成化和智能化的生物传感器也将成为现实，生物传感器的应用前景将十分广阔。