生物传感器

通过产生与反应物浓度成比例的电信号，生物传感器是一种用于量化生物或化学反应的分析工具。 “生物传感器”一词最早由“Cammann”于1977年提出，但第一个生物传感器是由美国生物学家“L.L. Clark”于1950年创建的。 它们是自给自足的集成设备，使用生物识别元件与转导元件配对，以提供定性和半定量分析数据。 这些分析工具仅旨在提供关于目标分析物的快速、准确和可靠的实时信息。

生物传感元件

生物传感器由将数据转换为电脉冲的转导器和生物传感设备组成。 生物传感器包括三个单元：信号调理单元、处理器或微控制器以及显示单元，构成了电子电路。 转导器和生物传感设备是传统生物传感器的两个主要组成部分。 过去几十年，人们创造了许多生物传感元件和设备。 为了产生信号，生物传感元件与目标分析物相互作用。 组织、微生物、细胞器、细胞受体、酶、抗体和核酸等材料通常被认为是传感元件。 然后，转导器将传感元件与目标分析物相互作用产生的信号转换为可量化和可检测的电信号。 为了产生以数字显示、打印输出或颜色变化形式可测量的信号，信号处理系统会放大电信号并将其发送到数据处理器。

生物传感器组件

1. 分析物

需要检测的感兴趣的材料。 例如，在用于检测葡萄糖的生物传感器中，葡萄糖是“分析物”。

2. 生物受体

生物受体是一种精确识别分析物的分子。 生物受体包括酶、细胞、适配体、脱氧核糖核酸 (DNA) 和抗体等。 生物识别是当生物受体和分析物相互作用时产生信号（如光、热、pH、电荷或质量变化等）的过程。

3. 转导器

将一种能量转化为另一种能量的元件称为转导器。 转导器在生物传感器中的作用是将生物识别事件转化为可测量的信号。 信号化是用于描述这种能量转换过程的术语。 分析物-生物受体相互作用通常与大多数转导器产生的光学或电信号成比例。

4. 电子设备

生物传感器的电子设备部分处理转换后的信号，并使其准备好显示。 它由复杂的电子电路组成，负责执行信号调理任务，例如放大和将模拟信号转换为数字信号。 然后，生物传感器的显示设备对处理后的信号进行量化。

5. 显示器

显示器由用户解释系统组成，该系统为用户生成易于理解的数字或曲线，例如计算机的液晶显示屏或直接打印机。 该组件通常包含软硬件组合，以易于理解的方式生成生物传感器的结果。 根据最终用户的需求，显示器上的输出信号可以是图形、表格、数字或图片。

生物传感器的工作原理

所有上述组件协同工作，将生物响应转换为等效的电响应，并最终转化为测量输出。 换句话说，生物传感器将分子的生物活性转化为可测量的信号，从而能够对该化学物质进行定量分析。 首先，测试样本中感兴趣的分子与生物受体结合或特异性相互作用，引起生理变化。 当转导器靠近生物受体时，这会进一步改变转导器的物理化学特性。 这进一步导致转导器的光学或电子特性发生变化，然后被转换为可检测的电信号。 根据生物受体的类型，转导器可以产生电压或电流作为信号。 如果转导器以电流作为输出，它将被转换为等效电压。 此外，高频噪声信号通常会掩盖输出电压，这需要信号处理单元内的多个滤波器进行额外的调整、处理和放大。 最终，被测量的生物量应该等同于信号处理单元产生的输出。

生物传感器的特殊功能

所有生物传感器都具有一些静态和动态特性。 生物传感器的性能是优化这些属性的直接结果。

1. 灵敏度

灵敏度被认为是生物传感器的关键特性。 它被描述为由转导器产生的信号强度与分析物浓度变化之间的相关性。 生物传感器的灵敏度或检测限 (LOD) 由其能够检测到的最低分析物浓度决定。 理想情况下，生物传感器应能响应目标分析物浓度的微小变化。 根据应用，通常需要生物传感器检测 ng/ml 或 fg/ml 浓度的分析物。 这对于环境监测和医疗应用尤其重要。

2. 选择性

生物受体在含有其他污染物和混合物的样品中识别特定分析物的能力称为选择性。 当与目标分析物不同的分析物发生相互作用产生信号或反应时，就会发生假阳性结果。 这对于选择性差的生物传感器在临床环境中表现不佳来说很常见。

3. 稳定性

生物传感系统的稳定性是指它对内部和外部外部扰动的敏感性。 该特性确定了生物传感器设备在受到外部来源干扰后，其功能随时间变化的抵抗力。 这些可能表现为湿度、温度或其他环境因素。 在需要连续监测的场合，稳定性是最重要的特性。 生物传感器的稳定性可能会受到转导器和电子设备对温度敏感的响应的影响。 因此，需要适当的电子设备调整来提供稳定的传感器响应。 分析物与生物受体的结合程度，或其亲和力，是另一个可能影响稳定性的方面。

4. 重复性

生物传感器的重复性定义为在相同的实验设置下产生相同结果的能力。 生物传感器的重复性由其转导器和电路的精度和准确性决定。 准确性是指当一个样品被测量多次时，传感器能够提供接近真实值的平均值，而精度是指每次测量一个样品时，传感器能够产生相同结果的能力。 可重复的信号在得出关于生物传感器反应的结论时提供了高可靠性和鲁棒性。

5. 检测限

能够产生可检测信号或反应的目标的最低浓度称为检测限。 理想情况下，生物传感器应具有尽可能低的检测限，特别是当它用于医疗应用时，其中可能存在极少量的目标分析物。

6. 线性

生物传感器线性通过一系列不同浓度的测量来计算获得的信号的准确性，该信号在数学上表示为 y=mc，其中 m 是生物传感器的灵敏度，y 是输出信号，c 是分析物浓度。 分辨率和测试的分析物浓度范围可能与生物传感器的线性有关。 引起生物传感器响应变化的分析物浓度的最小变化称为生物传感器的分辨率。 根据用途，可能需要高分辨率，因为大多数生物传感器应用除了分析物检测外，还需要在宽工作范围内测量分析物浓度。 线性范围，即生物传感器响应与浓度线性变化的分析物浓度范围，是与线性相关的另一个术语。

7. 应用

传统的“场外”分析样品必须送到实验室进行检查。 这些技术可实现最低的检测限和最高的定量准确性，但成本高昂、耗时且需要高技能人员。 上述缺点引起了人们对生物传感器技术的极大兴趣。 近年来，生物传感器开发领域取得了显著的进步，新的应用出现在各个学科中。 生物传感器被发现是由于在各个行业中监测关键过程和参数的必要性。 如所示，这些设备的引入已经解决了许多应用，例如药物开发、疾病诊断、生物医学、食品加工和安全、环境监测、国防和安全。 它用于检测多种组分，包括污染物、代谢物、微生物负荷、控制参数和其他化学物质，并具有广泛的生物应用。

它在食品行业、临床诊断以及许多其他需要精确分析的领域也具有很高的适用性。 生物传感器是分析工具，用于研究样品中目标分析物的存在。 生物传感器广泛应用于许多不同的学科，包括疾病诊断和污染生物监测。 用于测量血糖的最广泛使用的生物传感器是血糖生物传感器。

生物传感器类型

生物传感器根据信号转换分为不同的组，如下所示

基于转导元件的生物传感器

生物传感器使用的转导元件的类型决定了生物传感器最常见的分类。 这些生物传感器主要分为三类：基于质量的生物传感器、基于光学 的生物传感器和电化学生物传感器。 由于这三种生物传感器具有不同的工作原理，因此它们可用于各种应用。 下面将对不同类型的生物传感器及其工作原理进行简要说明。 此外，还将讨论生物传感器类型下的一些子类。

1. 压电生物传感器

它们属于基于质量的生物传感器子类。 由于压电生物传感器基于声学（或声音振动）基础，因此有时也被称为声学生物传感器。 压电生物传感器响应机械应力产生电信号。 生物组分被固定在压电生物传感器的表面。 本质上，压电生物传感器是一种质量-频率转换器，它将检测分子的机械振动转换为成比例的电脉冲。

2. 电化学生物传感器

在电化学生物传感器中，生物分子被涂覆在探针表面上。 非干扰膜有助于将传感器分子固定到位。 随后，传感分子对要检测的物质产生与被测量量成比例的电信号。 电化学生物传感器可以使用不同的转导器，如电位、安培和阻抗，将化学数据转换为可量化的电信号。

3. 光学生物传感器

光学生物传感器基于电磁辐射与传感元件的相互作用方式。 它们由光源、用于创建具有特定属性的光束的各种光学元件、一个修改过的检测头、一个光电探测器和一个调制剂组成。 使用光学表面等离子体共振 (SPR) 生物传感器可以实现传感器芯片表面折射率变化的无标记和实时检测。 尽管此处使用的其他技术，如吸收、荧光、发光、内反射、表面等离子体共振或光散射光谱，正在 gaining popularity，但荧光和表面等离子体共振增强的光谱技术仍然是研究和应用最广泛的光学技术。

4. 免疫传感器

它们经常用于识别抗体和抗原之间发生的免疫化学反应。 因此，它们被用作有害化学物质的诊断指示剂，并用于寻找抗体。 它们识别自然界和生物流体中的抗原。 它们可以检测对特定抗体具有高选择性和特异性的任何物质。

5. DNA 传感器

DNA 是 DNA 传感器中使用的主要核酸。 这些传感材料有时被称为 DNA 引物或 DNA 探针，它们代表了整个 DNA 结构的特异性。 PCR（聚合酶链式反应）用于扩增 DNA 以创建这些探针或引物 [30]。 它们经过修饰以提高稳定性或便于将探针插入生物传感器。 这些类型的生物传感器有助于识别与特定 DNA 片段相互作用的蛋白质和非分子物质。 根据使用的生物识别单元的类型，它们被归类为基于核酸、基于酶、基于全细胞、基于抗体或基于适配体的生物传感器。

生物传感器的优点

• 验孕棒和葡萄糖监测传感器是两种非常有效的生物传感器技术的主要示例。
• 生物传感器现已广泛应用于医疗保健的许多领域。
• 对于生物传感器，可以使用多种转导方法，包括光学、声学和电化学。
• 通过将高亲和力试剂，如酶、抗体和合成生物分子，与转导器偶联，可以提高生物传感器的特异性。
• 纳米技术对生物传感技术的最新进展产生了重大影响。

生物传感器的缺点

1. 确定哪个市场对特定分析物的生物传感器感兴趣。
2. 生物传感器的一个主要问题是污染。 它们很容易吸收不需要的化合物，这可能会歪曲并降低其测量精度。
3. 任何可行的商业用途，生物传感器在储存六个月后的响应必须至少为 50%。
4. 生物传感器的生产可能成本高昂。 这是因为它们通常需要昂贵的特种材料和高科技设备。
5. 使用所开发的生物传感器相关的风险和道德考量。

结论

生物传感器继续为一系列应用中的各种流程提供解决方案和控制。 随着技术的发展，将导致开发出甚至更好的生物传感器的“新”方法正在涌现，这些方法旨在解决与这些设备相关的所有限制。 生物传感器的开发围绕其灵敏度、选择性、成本效益以及检测小分子的能力。 这主要取决于生物受体和转导器元件的正确组合，这些元件构成了生物传感器的基础。