生物傳感器的分類詳解

生物傳感器是一種對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）、適當(dāng)?shù)睦砘?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/換能器">換能器（如氧電極、光敏管、場效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。

生物傳感器由分子識別部分（敏感元件）和轉(zhuǎn)換部分（換能器）構(gòu)成：

以分子識別部分去識別被測目標(biāo)，是可以引起某種物理變化或化學(xué)變化的主要功能元件。分子識別部分是生物傳感器選擇性測定的基礎(chǔ)。主要有酶、抗體、核酸、DNA、細(xì)胞受體和完整細(xì)胞等。

把生物活性表達(dá)的信號轉(zhuǎn)換為電信號的物理或化學(xué)換能器（傳感器），主要有電化學(xué)器件、光學(xué)器件、熱敏器件、聲波器件、壓敏器件等。

生物傳感器原理圖

各種生物傳感器有以下共同的結(jié)構(gòu)：包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達(dá)的信號轉(zhuǎn)換為電信號的物理或化學(xué)換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。

生物傳感器實(shí)現(xiàn)以下三個功能：

感受：提取出動植物發(fā)揮感知作用的生物材料，包括：生物組織、微生物、細(xì)胞器、酶、抗體、抗原、核酸、DNA等。實(shí)現(xiàn)生物材料或類生物材料的批量生產(chǎn)，反復(fù)利用，降低檢測的難度和成本。

觀察：將生物材料感受到的持續(xù)、有規(guī)律的信息轉(zhuǎn)換為人們可以理解的信息。

反應(yīng)：將信息通過光學(xué)、壓電、電化學(xué)、溫度、電磁等方式展示給人們，為人們的決策提供依據(jù)。

生物傳感器的分類

根據(jù)生物傳感器中的分子識別元件和換能器（信號轉(zhuǎn)換器）的不同，可以從這兩個方面對生物傳感器分類：

按分子識別元件分：

酶傳感器、微生物傳感器、細(xì)胞器傳感器、組織傳感器、免疫傳感器。

酶傳感器

是由酶催化劑和電化學(xué)器件構(gòu)成的。由于酶是蛋白質(zhì)組成的生物催化劑，能催化許多生物化學(xué)反應(yīng)，生物細(xì)胞的復(fù)雜代謝就是由于成千上萬的酶控制的。酶的催化效率極高，而且具有高度專一性，即能對待測生物量（底物）進(jìn)行選擇性催化，并且有化學(xué)放大作用。因此利用酶的特性可以制造出高靈敏度、選擇性好的傳感器。

微生物傳感器

用微生物作為分子識別元件。與酶相比，微生物更經(jīng)濟(jì)、耐久性也好。

免疫傳感器的基本原理是免疫反應(yīng)。 利用抗體能識別抗原結(jié)合的功能的生物傳感器稱為免疫傳感器。

生物組織傳感器

是以活的動植物組織細(xì)胞切片作為識別元件，并與相應(yīng)的變換元件構(gòu)成的傳感器。

生物組織傳感器具有如下一些特點(diǎn)：

1） 生物組織含有豐富的酶類，這些酶在適宜的自然環(huán)境中，可以得到相當(dāng)穩(wěn)定的酶活性，許多組織傳感器工作壽命比相應(yīng)的酶傳感器壽命長很多；

2） 在所需要的酶難以提純時，直接利用生物組織可以得到足夠高的酶活性；

3） 組織識別元件制作簡便，一般不需要采用固定化技術(shù)。

細(xì)胞器電極傳感器

是利用動植物細(xì)胞器作為敏感元件的傳感器。細(xì)胞器是指存在于細(xì)胞內(nèi)的被膜包圍起來的微小“器官”，如線粒體、微粒體、溶酶體、過氧化氫體、葉綠體、氫化酶顆粒、磁粒體等等。

生物傳感器按轉(zhuǎn)換器件分類：

生物電極、壓電晶體生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、光生物傳感器、熱生物傳感器、介體生物傳感器。

半導(dǎo)體生物傳感器

是由生物分子識別器件（生物敏感膜）與半導(dǎo)體器件結(jié)合構(gòu)成的傳感器。目前常用的半導(dǎo)體傳感器是半導(dǎo)體光電二極管、場效應(yīng)管（FET）等。

半導(dǎo)體生物傳感器的特點(diǎn)有：

1） 構(gòu)造簡單，便于批量生產(chǎn)，成本低；

2） 它屬于固態(tài)傳感器，機(jī)械性能好，抗震性能好，壽命長；

3） 輸出阻抗低，便于與后續(xù)電路匹配；

4） 可在同一芯片上集成多種傳感器，可實(shí)現(xiàn)多功能、多參數(shù)與計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。

壓電晶體生物傳感器

利用壓電石英晶體對表面電極區(qū)附著質(zhì)量的敏感性，并結(jié)合生物功能分子（如抗原和抗體）之間的選擇特異性，使壓電晶體表面產(chǎn)生微小的壓力變化，引起其振動頻率改變可制成壓電生物傳感器 。它主要由壓電晶體、振蕩電路、差頻電路、頻率計(jì)數(shù)器及計(jì)算機(jī)等部分組成。

生物傳感器的應(yīng)用