[科普中国]-生物敏感材料

生物敏感材料利用酶、微生物、抗原和细胞等与生物有关连的物质只和某种特定的物质发生生物化学反应，并能将其中的离子浓度、气体浓度和温度等物理与化学量变为电信号的材料。这类材料具有选择性好、感度高、精度高以及用少量的被测物就可进行检测的特点。常用它制成传感器，主要用于医疗上的检测、环境上的测量和生物化学方面的测量等。最近已出现将其制成的超小型传感器埋入皮下或筋肉内，可对生物体内的一些指标进行连续检测。

生物敏感材料的发展生物敏感材料主要用于生物传感器，它通常是指由一种分子识别元件(感受器)即敏感器件和信号转换器(换能器)即转换器件紧密结合，对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。

生物传感器的研究起源于20世纪60年代。1962年，Clark和Lyons首次把嫁接酶法和离子敏感氧电极技术结合，在传统的离子选择性电极上固定具有生物选择性的酶而创制了测定葡萄糖含量的酶电极，这就是最初的生物传感器雏形。1967年，Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧电极组装在一起，制成了第一种生物传感器，即葡萄糖酶传感器，使反复测量血糖成为可能，代表了生物传感器的诞生。

到目前为止，生物传感器的发展可以大致分为三个阶段：第一阶段为起步阶段(20世纪60～70年代)，此阶段的生物传感器由固定了生物成分的非活性基质膜(透析膜或反应膜)和电化学电极所组成，以Clark传统酶电极为代表；第二阶段为生物传感器发展的第一个高潮时期(20世纪70年代末至20世纪80年代)，这一时期的生物传感器将生物成分直接吸附或共价结合到转化器的表面，而无需非活性的基质膜，测定时不必向样品中加入其他试剂，以介体酶电极为代表；第三阶段为生物传感器发展的第二个高潮时期(20世纪90年代至今)，生物传感器把生物传感成分直接固定在电子元器件上，它们可以直接感知和放大界面物质的变化，从而把生物识别和信号转换处理结合在一起，以表面等离子体和生物芯片为代表，此阶段生物传感器的市场开发获得了显著成就。

生物敏感材料的换能特性生物传感器一般由分子识别元件(生物敏感膜或生物功能膜)、信号转换器及电子放大器组成，分子识别元件，是具有分子识别能力的生物活性物质(如组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等)；信号转换器，是将分子识别元件进行识别时所产生的化学的或物理的变化转换成可用信号的装置，主要有电化学电极(如电位、电流的测量)、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等。当待测物与分子识别元件特异性结合后，所产生的复合物(或光、热等)通过信号转换器变为可以输出的电信号、光信号等，从而达到分析检测的目的。1

信息转化的形式生物传感器的转换部分将生物信息转变成电信号输出。按照受体学说，细胞的识别作用是由于嵌合于细胞膜表面的受体与外界的配位体发生了共价结合，通过细胞膜能透性的改变，诱发了一系列电化学过程。膜反应所产生的变化再分别通过电极、半导体器件、热敏电阻、光敏二极管或声波检测器等，转换成电信号，形成生物传感信息。下面是一些主要的形式：

1)电化学的形式。目前绝大部分的生物传感器工作原理均属于此类。以酶传感器为例，伴随着酶的分子识别，生物体中的某些特定物质的量发生增减。用能把这类物质量的改变转换为电信号的装置和固定化的酶相结合，常用的转换方式是通过适合的电极(如离子选择电极、过氧化氢电极、氢离子电极等)将这种物质的增减变为电信号。另外，细胞传感器和微生物传感器等的工作原理也与此类似。

2)热变化的形式。有些生物敏感膜在分子识别时伴随着有热变化，将热变为电信号，可由生物敏感膜加上热敏电阻构成。大多数酶促反应均有热变化，一般在25～100kJ/mol的范围。

3)光变化的形式。有些生物敏感膜在分子识别时伴随着有发光的现象产生，如过氧化氢酶能催化过氧化氢/鲁米诺体系发光，因此可参照前述的光一电转化的模式将光转换成电信号。例如，将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管等光敏器件的前端，再用光电流检测装置，即可测定过氧化氢的含量。许多酶促反应都伴有过氧化氢的产生；又如葡萄糖氧化酶(GOD)在催化葡萄糖氧化时也产生过氧化氢，因此葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶一起做成复合酶膜，则可利用上述方法测定葡萄糖浓度。

4)直接转换的形式。上述三种原理的生物传感器，都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应，所产生的化学或物理变化量通过信号转换器变为电信号进行测量的，这些方式称为间接测量方式。还有一些生物敏感膜在分子识别时会形成复合体，而这一过程可使酶促反应伴随有电子转移、微生细胞的氧化或通过电子传送体作用在电极表面上直接产生电信号，若在固体表面进行，则固体表面的电位发生变化。将此表面电量的变化量检出即为直接转换。1

分类1)根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感材料可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、基因传感器、细胞及细胞器传感器等。

2)根据生物传感器的信号转换器可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、热学生物传感器、光学生物传感器、声学生物传感器等。

3)根据传感器输出信号的产生方式，可分为生物亲合型生物传感器、代谢型或催化型生物传感器等。另外，将以半导体生物传感器和微型生物电极为代表的所有直径在微米级甚至更小的生物传感器统称为微型生物传感器(Micro Biosensor)、纳米微生物传感器(Nano Biosensor)，此类传感器在活体测定方面具有重要意义。能够同时测量两种以上指标或者综合指标的生物传感器称为多功能传感器(Muhifunctional Biosensor)，如嗅觉传感器、鲜度传感器、血液成分传感器等。由两种以上不同分子识别元件组成的生物传感器称为杂合生物传感器(Hybridized Biosensor)，如多酶传感器、电化学一热生物传感器、酶一微生物杂合传感器等。1

本词条内容贡献者为:

李航 - 副教授 - 西南大学