生物傳感器的分類詳解

生物傳感器是一種對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。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、細胞、組織、核酸等生物活性物質）、適當?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、場效應管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉換器的功能。

生物傳感器由分子識別部分（敏感元件）和轉換部分（換能器）構成：

以分子識別部分去識別被測目標，是可以引起某種物理變化或化學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。主要有酶、抗體、核酸、DNA、細胞受體和完整細胞等。

把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學換能器（傳感器），主要有電化學器件、光學器件、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構：包括一種或數(shù)種相關生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學換能器（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進行生物信號的再加工，構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、細胞器、酶、抗體、抗原、核酸、DNA等。實現(xiàn)生物材料或類生物材料的批量生產，反復利用，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)律的信息轉換為人們可以理解的信息。

反應：將信息通過光學、壓電、電化學、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器件構成的。由于酶是蛋白質組成的生物催化劑，能催化許多生物化學反應，生物細胞的復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）進行選擇性催化，并且有化學放大作用。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、耐久性也好。

免疫傳感器的基本原理是免疫反應。 利用抗體能識別抗原結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胞切片作為識別元件，并與相應的變換元件構成的傳感器。

生物組織傳感器具有如下一些特點：

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，可以得到相當穩(wěn)定的酶活性，許多組織傳感器工作壽命比相應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。

細胞器電極傳感器

是利用動植物細胞器作為敏感元件的傳感器。細胞器是指存在于細胞內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。

生物傳感器按轉換器件分類：

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

半導體生物傳感器

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

半導體生物傳感器的特點有：

1） 構造簡單，便于批量生產，成本低；

2） 它屬于固態(tài)傳感器，機械性能好，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，可實現(xiàn)多功能、多參數(shù)與計算機的基礎。

壓電晶體生物傳感器

利用壓電石英晶體對表面電極區(qū)附著質量的敏感性，并結合生物功能分子（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、頻率計數(shù)器及計算機等部分組成。

生物傳感器的應用