生物传感器技术产业现状

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摘 要：简述了生物传感器近年来的研究与应用,对其发展前景及市场化作了预测及展望.生物传感器因其专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广等特点,在发酵工业、环境监测、食品监测、临床医学等方面得到广泛的应用.随着固定化技术的发展,生物传感器在市场上越来越具有竞争力.

关 键 词：生物传感器；发酵工业；环境监测

中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1672-3198(2009)24-0027-02

前言

从20世纪60年代Clark和Lyon提出生物传感器的设想开始,生物传感器的发展已经距今已有40多年的历史了.随着社会的进一步信息化,作为一门在生命科学和信息科学之间发展起来的交叉学科,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.

1　生物传感器的概念

生物传感器是“使用固定化的生物分子结合换能器,用来侦测生体内或生体外的环境化学物质或与之起特异互作用后产生响应的一种装置”.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.所以生物传感器结构包括：一种或数种相关生物活性材料及能把生物活性表达信号转换为电信号的物理或化学换能器,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.

根据生物学和电子工程学各自的范畴,生物传感器主要有以下两种分类方式：

1.1　根据生物传感器中信号检测器上的敏感物质分

生物传感器与其它传感器的最大区别在于生物传感器的信号检侧器中含有敏感的生命物质.这些敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等.根据敏感物质的不同,生物传感器可分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等.生物学工作者习惯于采用这种分类方法.

1.2　根据生物传感器的信号转换器分类

生物传感器中的信号转换器与传统的转换器并没有本质的区别.例如：可以利用电化学电极、场效应晶体管、热敏电阻、光电器件、声学装置等作为生物传感器中的信号转换器.据此又将传感器分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等.电子工程学工作者习惯于采用这种分类方法.

2　国内产业现状

当前我国自主研发的生物传感器产品及跨国企业集团在中国推出的产品共存并相互竞争.一些掌握生物传感器技术的跨国大企业集团,看好被称为“世界工厂”的中国市场,采取技术输出的途径,吸收我国的技术力量和销售路径,在我国市场进行生物传感器的开发、产品制造和销售.一部份海外留学归国的生物传感器专门人才也将自己的成果在中国转化并设厂办企业.家用保健类生物传感器技术已率先较好地实现了产业化突破.取得了显著经济效益.固定化酶生物传感器作为一类多品种的精密科学仪器,支撑了一部份生物技术过程检测,对传统生物产业技术改造具有重要意义.我国生物传感器产业表现的空前繁荣景象代表了当前世界生物传感器产业的主要潮流.

3　生物传感器在当前的主要应用领域

3.1　发酵工业

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.所以具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、能消除发酵过程中干扰物质的干扰的微生物传感器发酵工业中得到了广泛的应用.目前已有相关报道在发酵工业生产中将生物传感器应用于原材料及代谢产物的测定,微生物细胞总数的测定以及代谢试验的鉴定中.

3.2　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.

3.3　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.

3.4　环境监测

环保问题已经引起了全球性的广泛关注,在发达国家如英国、法国、德国、西班牙和瑞典,在农药残留检测、酸雨监测、水体富营养化监测等过程都采用了生物冷光型的生物传感器.用于环境监测的专业仪器市场越来越大,目前已经有相当数量的生物传感器投入到大气和水中各种污染物质含量的监测中去,生物传感器因其具有快速,连续在线监测的优点,相信在未来,还会有更广泛的应用.

4　未来的展望

生物传感器是一个多学科交叉的高技术领域,伴随着生物科学、信息科学和材料科学等相关学科的高速发展,生物传感器的发展将会有以下新特点：

4.1　功能更加全面.并向微型化发展

未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域.当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.而且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面前.

4.2　智能化程度更高

未来的生物传感器将会和计算机完美紧密的结合,能够自动采集数据、处理数据,可以更科学、更准确地提供结果,实现采样、进样、最终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.

随着技术的发展,基于细胞受体和自由振荡等现象的新原理的生物传感器也不断涌现.相信随着一些关键技术(如固定化技术)的进一步完善,随着人们对生物体认识的不断深入,随着各学科的不断发展,生物传感器在未来必将会更大的作为.