摘要：简述了生物传感器的基本概念和原理、尤其是微生物传感器近年来在发酵工业及环境监测领域中的研究与应用。并且介绍了生物传感芯片。生物电极是以固定化生物体组成作为分子识别元件的敏感材料，与氧电极、膜电极和燃料电极等构成生物传感器， 发酵工业、环境监测、食品监测、医学等方面得到广泛的应用。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。

关键词： 基本概念、发展特点、生物传感器、生物传感器芯片、发酵工业、环境监测。

生物传感器芯片

德国亿恒科技与德国马克斯·普朗克生化研究所合作，直接将被称为“神经芯片”的最新开发的生物传感器芯片与活性神经细胞相接触，成功地读取到了细胞产生的电信号。据称，“神经芯片”记录了由蜗牛大脑中提取的神经细胞产生的电信号。由于神经细胞之间通过电脉冲进行信息交流，因此通过读取和记录这些信息，有望为神经学流程带来新的思路。“神经芯片”的尺寸为5毫米×6毫米，在1平方毫米的面积中集成了128×128个传感器。在各传感器的下面嵌入处理电路，对神经细胞产生的微弱信号进行放大和处理。每个神经细胞均被浸入到传感器阵列上的培养液中，因此能够使神经细胞保持活性状态，并能重新构筑神经组织。由此一来，可以在数周时间内在不破坏神经组织的情况下观察神经组织，能够连续地观察神经系统和大脑是如何学习、处理和记忆的。大家对生物传感器芯片产生兴趣了吗？那我为大家简单介绍介绍!

1. 生物传感器的基本概念：

生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。在未来21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。[1]

2. 生物传感器的原理:

待测物质经扩散作用进入生物活性材料，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或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度[2]。

3.  未来生物传感器几大特点

近年来，随着生物科学、信息科学和材料科学发展的推动，生物传感器技术飞速发展。可以预见，未来的生物传感器将具有以下特点。

功能多样化：未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。目前, 生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器,即仿生传感器。

微型化：随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检测食品成为可能。

智能化与集成化：未来的生物传感器必定与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙,形成检测的自动化系统。同时,  芯片技术将越来越多地进入传感器领域,实现检测系统的集成化、一体化。

低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命:生物传感器技术的不断进步,必然要求不断降低产品成本，提高灵敏度、稳定性和延长寿命。这些特性的改善也会加速生物传感器场化、商品化的进程[3]。

4.  研究现状及主要应用领域

Clark和Lyons在1962年最先提出生物传感器。生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。在最初15年里，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够稳定，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，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。

4.1  食品工业

生物传感器可以用来检测食品中营养成分和有害成分的含量、食品的新鲜程度等。如已经开发出来的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖含量，从而衡量水果的成熟度。采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。此外，也有用生物传感器测定色素和乳化剂的应用。[4]

4.2    医学领域

生物传感器在医学领域也发挥着越来越大的作用：临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提供依据；在军事医学中，对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。生物传感器还可以用来测量乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸，以及各种致癌和致变物质。[5]一种能在人体内自由穿梭的新型纳米生物传感器专用材料，近日由华东理工大学和上海第二医科大学附属瑞金医院科研人员联合研制成功，为肿瘤普查提供了更为先进的手段。目前，这项成果已申请了国家专利。该项目负责人、华东理工大学分析测试中心主任蓝闽波教授介绍，这是一种由有机化合物制成的纳米级材料，直径仅为一米的十亿分之一，可以像药水一样顺着注射器“流”入人体血管，充当传感器的“神经”。遥控这些“神经”的新型生物传感器，是生物体内的氧信号。通常，正常组织中的氧浓度约为1%至2%，长了肿块的部位比2%略高，而如果是恶性肿瘤，这一数字则要接近3%。“借助这种微小差别，传感器就能轻而易举地进行肿瘤普查。[6]

4.3   生物传感器在发酵工业中的运用

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。同时，由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。

（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。[7]

在各种原材料中葡萄糖的测定对过程控制尤其重要，用荧光假单细胞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。[7]

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，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。[7]

此外，还有用大肠杆菌组合二氧化碳气敏电极，可以构成测定谷氨酸的微生物传感器，将柠檬酸杆菌完整细胞固定化在胶原蛋白膜内，由细菌―胶原蛋白膜反应器和组合式玻璃电极构成的微生物传感器可应用于发酵液中头孢酶素的测定等等。[7]

(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[8]。

(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[9]。

4.4    环境监测领域 (1). 生化需氧量的测定     生化需氧量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[10]。

现在有一种将BOD生物传感器经过光处理(即以TiO2作为半导体，用6W灯照射约4min)后，灵敏度大大提高，很适用于河水中较低BOD的测量[10]。。同时，一种紧凑的光学生物传感器已经发展出来用于同时测量多重样品的BOD值。它使用三对发光二极管和硅光电二极管，假单胞细菌(Pseudomonas fluorescens)用光致交联的树脂固定在反应器的底层，该测量方法既迅速又简便，在4℃下可使用六周，已经用于工厂废水处理的过程中[10]。

(2) 各种污染物的测定

常用的重要污染指标有氨、亚硝酸盐、硫化物、磷酸盐、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。用它对河口的NOx-进行了测量，其效果较好[11]。

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。在pH=2.5、31℃时一周测量200余次，活性保持不变，两周 后活性降低20%。传感器寿命为7天，其设备简单，成本低，操作方便。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[12]。

最近科学家们在污染区分离出一种能够发荧光的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白，从而发出荧光。可以通过遗传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内，制成微生物传感器，用于环境监测。现在已经将荧光素酶导入大肠杆菌中，用来检测砷的有毒化合物[13]。

水体中酚类和表面活性剂的浓度测定已经有了很大的发展。目前，有9种革兰氏阴性细菌从西伯利亚石油盆地的土壤中分离出来，以酚作为唯一的碳源和能源。这些菌种可以提高生物传感器的感受器部分的灵敏度。它对酚的监测极限为1´10-9mol。该传感器工作的最适条件为：pH=7.4, 35℃，连续工作时间为30h[14]。还有一种假单胞菌属)制成的测量表面活性剂浓度的电流型生物传感器，将微生物细胞固定在凝胶(琼脂、琼脂糖和海藻酸钙盐)和聚乙醇膜上，可以用层析试纸GF/A，或者是谷氨酸醛引起的微生物细胞在凝胶中的交联，长距离的保持它们在高浓度表面活性剂检测中的活性和生长力。该传感器能在测量结束后很快的恢复敏感元件的活性[14]。

除此之外，污水中重金属离子浓度的测定也是不容忽视的。目前已经成功设计了一个完整的，基于固定化微生物和生物体发光测量技术上的重金属离子生物有效性测定的监测和分析系统。将弧菌属细菌体内的一个操纵子在一个铜诱导启动子的控制下导入产碱杆菌属细菌中，细菌在铜离子的诱导下发光，发光程度与离子浓度成正比。将微生物和光纤一起包埋在聚合物基质中，可以获得灵敏度高、选择性好、测量范围广、储藏稳定性强的生物传感器。目前，这种微生物传感器可以达到最低测量浓度1´10-9mol[15]。

5. 总结

本文介绍了生物传感器的概念、原理和未来发展的特点。而后借用了别人的研究成果尤其是国外的关于生物传感器的最新的技术像大家粗略的介绍了很多种最新的生物传感器，着重介绍了在发酵工业和环境检测中许多生物传感器的最新的技术和应用。生物传感器未来发展的前景很广阔，是很有发展潜力的行业。今后的应用会非常的广泛。智能化的生物传感器可以代替很多以往很复杂的监测过程，让我们更加省力的监测环境。不止这些，很多行业中如发酵、食品中都会有广阔的运用前景。在医药学中肿瘤的侦察可以通过传感器来实现是目前的新技术，上文已有介绍，在此就不赘述了。

对于生物传感器的发展前景我表示非常的乐观，将来会通过很多科学家的不断努力与创新，生物传感器的用途会进一步被发展，应用的范围也会更加的广泛。我们都将从中获益。我所介绍的最新传感器技术的书籍，有兴趣的同学可以翻阅。本人只是罗列了最新技术在发表的书籍，所以以上这篇文章也只是向大家介绍了很多种生物传感器。由于本人并无实验条件所以论文也只能像大家介绍些最新的技术请见谅。此文章参照了一些文章，是通过网络这个无边的海洋所以作者不祥只写出了网站。特表示感谢和歉意。

参考文献

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[2] 刘亮,先进传感器及其应用,化学工业出版社,北京,2005-06: 20-25

[3] 王雪文,张志勇,传感器的应用,化学工业出版社,2004-03:65-75

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