生物传感器简介与医学应用发展

范春梅

摘要：生物传感器的研究与应用促进着医学发展，本文介绍生物传感器的概念、组成与工作原理、分类特点与应用，并阐述了生物传感器的发展方向。

关键词：生物传感器；医学

1 生物传感器的基本概念[1]

生物传感器是利用某些生物活性物质作为敏感材料（如DNA、抗体、酶、微生物、蛋白质等），将生物信息转换成电信号以达到选择性的识别和测定各种生物化学物质的传感器。它是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控方法，也是在分子水平上对物质进行快速和微量分析的方法。

2 生物传感器组成和工作原理

2.1 基本组成

2.2 生物传感器的工作原理[1]

生物传感器的工作原理可参照图1：待测物质经扩散作用进入生物活性材料？（生物敏感材料），经分子识别而发生生物化学反应，产生的生物学信息如光、电、热、音等通过相应的信号转换器转化为可定量处理的电信号，再经二次仪表放大处理并输出，以电极测定其电流值或电压值从而换算出被测物质的量或浓度。

3 生物传感器的分类和特点

3.1 生物传感器的分类

3.2 生物传感器的特点[1][2]

1）操作简单便捷，响应迅速，需用样品用量少，能够在较短的时间内实现连续的在线检测；2）可直接进入生物体内，实现分析活体的目的；3）可循环利用，经过固定化处理的敏感材料其生物活性保持时间长，因而传感器可以反复多次使用；4）测定范围广，根据生物反应的特异性和多样性，测定各类生物物质的传感器均能被制作生产；5）容易实现自动分析，样品无需进行预处理，在测定的过程中也不需要加入其它试剂，测定过程容易掌握，传感器自动生成数据；6）准确度高，一般相对误差可控制在1%以内；7）成本低廉，与大型分析仪相比，传感器与测定仪的价格相对较低，每例的测定价格最少甚至不到0.1元，所以推广普及性强；8）噪音少，对被检测物质具有极好的选择性；9）获取信息能力强，有的生物传感器能可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生，对于这些复杂多变的信息，就算是物理化学传感器，也需要配合使用，综合作用才能获取。

4 生物传感器在医学领域的应用[3]

生物传感器无论在基础研究、临床应用还是在生物医药方面都发挥着极其重要的作用，已经引起了医学界的高度关注。如，酶传感器应用于尿素、尿酸的检测，酶活性、血糖胆固醇的检测以及有机碱农药、酚的检测；免疫传感器应用于探测抗原抗体反应，血型判定，多种血清学诊断等；酶免疫传感器应用于妊娠诊断，超微量激素TSH检测等；微生物传感器应用于乳酸、抗生素的检测，环境中致突变物质的筛选，BOD快速检测等；组织切片传感器具备免疫传感器、酶传感器等功能，应用于酶活性检测，组织抗体抗原反应。

5 生物医学传感器的发展方向

5.1 发展集成化，功能化的传感器

传感器技术得到快速发展后其功能也相应得以转变，首先，传感器实现多种功能的复合，将单一功能的传感器（即一个传感器只能负责一种被测量如温度的检测）升级转变为集成化传感器（即可以负责多种被测量的检测，如温度和湿度）。其次，传感器与半导体技术结合，例如将敏感器件（如力敏器件、温敏器件、磁敏器件与气敏器件等）与信号处理电路结合（如放大、模数转换、检测电路等）集成于一块半导体芯片上。集成后的芯片具有体积小、精度高、灵敏、便宜等优点。

5.2 发展智能化传感器

传感器与计算机的有机结合，形成了智能传感器基本组成结构，智能传感器除了检测物理、化学量的变化之外，还具有测量信号调理（如滤波、放大、A/D转换等）、数据处理以及数据显示等能力，它几乎包括了仪器仪表的全部功能。智能传感器不止能完成传感和信号处理，还具有自补偿、自校准、自诊断、自学习与自适应、数值处理、双向通信、数字量输出、自计算和处理功能。未来生物医学设备将实现自动化，取代人力操作，用电子设备和计算机操作，为生物医学指引重要的发展方向。

5.3 发展图像传感器

图像传感器是监控用相机，数码相机，扫描仪等设备的核心部件，早在1969年，美国贝尔实验室发明了CCD，近几年快速延伸到生物医学等领域。图像传感器能将物体的二维、三维或四维图像转换成电信号，如医用显微内窥镜就是利用超小型CCD摄像机或利用光纤图像传输内窥镜，实现人体显微手术，以减小手术刀口的尺寸，减小伤口感染的可能性，减轻病人的痛苦，同时还可进行实时远程会诊和现场教学。它具有成像质量高、体积小、重量轻、响应速度快、灵敏度高、噪声低、寿命长、功耗低、残留图像少、尺寸精確、集成度高、不易受电磁干扰等长处。

5.4 发展量子传感器

与传统传感器不同，量子传感器具有超高灵敏度和微观尺寸。量子传感器的研究也进入了医学领域，因为在身体的每个细胞中，量子革命可能将实现逐字扫视。2017年，马普学会的研究人员研制出第一台量子传感器，该传感器能够扫描蛋白质。量子传感器与生物传感器有共同点，都是由敏感元件与信号转换器构成，而在量子传感器中占据核心地位的是敏感元件，它利用的是量子效应。所以量子效应在量子传感器中的份量举足轻重，相应地对敏感元件的要求也就越来越高，量子传感器具有很高的研究价值和广阔的应用前景。

参考文献：

[1]姜运海.医用传感器[M].北京：科学出版社，1997，1

[2]于兆林.生物传感器[M].上海.上海远东出版社.1992，1

[3]李建国，陈飞，徐帅.传感器在医学领域的应用进展[J].生物医学工程学杂志，2012，29（1）：197-200.