检测性生物传感器的应用研究进展

孙龙月，王艳，薛也，赵轩，朵慧，张皓然

哈尔滨商业大学食品科学与工程重点实验室（哈尔滨 150076）

生物传感器是利用某些具有生物活性物质作为敏感材料，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。生物传感器的应用领域快速增加，它作为科学技术发展的重要决定性指标，与计算机及通讯等技术共同构成类似于食物网的现代信息产业。电子信息种类不断增加及信息传递效率不断加快，更要求生物传感技术应该满足信息化发展需求。

1 生物传感器的基本组成及基本检测原理

生物传感器的组成包括识别刺激的探测器、将该刺激转换成输出信号的换能器及输出系统，在这3个部分的相互协调作用下，生物传感器得以运行。生物传感器有多种分类方式，不同类型的传感器其优势也是不尽相同。按照生物敏感材料不同，传感器分为微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、酶传感器、DNA传感器。

微生物传感器主要是利用微生物呼吸代谢的原理——呼吸代谢产生的特殊微离子在阳极放电，进而形成可以被检测出来的一种特殊信号，从而达到检测的最终目的。对于这种传感器来说，其优势在于具有高度灵敏性，对各种污染物的检测具有快速、简便、经济、灵敏等特点；免疫传感器，把传统的免疫检测技术与新型传感技术结合于一体，分析时间缩短、灵敏度提高，凭借鉴别物质特异性高的这一优点备受好评；组织传感器，是一种由动植物组织薄层切片组成的感受器，拥有取材快捷、耐用等特点；酶传感器的原理是通过化学反应导致物质的量的变化，通过电化学装置转换成生物型电信号，最终做出对某方面的测定；DNA传感器是一种将DNA作为特殊敏感元件的传感技术，把DNA和RNA、DNA与和DNA之间作用的某种生物信号转换为电、光等常见的某种物理信号，在基因诊断上应用广泛。

2 生物传感器分类

生物传感器有多种分类方式。以工作原理为标准，可分为物理型、化学型及微生物型；以应用范围和应用对象为标准，可分为光学传感器、测量传感器等；以生物敏感物质相互作用的类型为标准，可分为代谢型以及亲和型；以分子原件识别为标准，可分为酶传感器、免疫传感器、微生物传感器、细胞传感器、DNA传感器、组织传感器等。这几种分类方式中，按照分子识别原件分类的这类分类方式在科研过程中应用相对较广，在这种分类方式中，每种传感器在不同领域获得不同应用，并且又息息相关。

2.1 免疫传感器

免疫传感器的出现让通过抗原抗体的免疫反应实现检测这种传统的免疫分析手段发生巨大改变。将二者的诸多优点汇集，不但缩短分析所用时长，提升敏感度及测试精度，而且加速实现自动化，营造可观的应用前景。Bresalier等[1]研发植物检测面板，它是一种植物生长检测装置，特征包括显示面板、检测模块、控制模块、电源模块，是一种新型的免疫传感器，为早期癌症检测、疾病监测和患者治疗提供一种新的个性化方法。Ren等[2]通过双峰驼免疫、淋巴细胞分离、RNA提取、文库构建等方法，成功分离出具有高亲和力的载体蛋白E特异性N-溴代丁二酰亚胺。在此，研发一种新型免疫传感器——比色免疫传感器，通过逐层纳米组装技术和新型纳米体来检测载脂蛋白E。采用高定向N-溴代丁二酰亚胺作为捕获检测抗体，建立现场免疫传感器，载体蛋白E的检出限为0.42 pg/mL，临床分析效果良好。这种操作简便的免疫传感器在阿尔茨海默病的临床诊断和实时监测中具有潜在的应用价值。Belkhamssa等[3]研究快速一次性、无标签的免疫传感器，以测定阿特拉津。经过一系列试验研究表明，免疫传感器可作为检测阿特拉津等低浓度农药的有效工具。还可用于海水、河水等环境水样中莠去津的测定。

免疫生物传感器可明显提升检测效果的灵敏度；简化试验的分析过程；减少试验的分析时间；实现设备小型化以及测量过程自动化等优点。但也存在一定不足，如制作过程相对复杂；针对免疫传感器技术的研究探索虽说较多，但几乎都只是停留在文献报道上，真正的临床实际应用寥寥无几。免疫传感器是生物传感器中最为炙手可热、应用最广泛的一种，有望成为更加灵敏、操作更加简便的理想分析工具。

2.2 微生物传感器

微生物传感器是一种以活的微生物为敏感材料，利用微生物体内的酶系和代谢系统对相应底物进行识别和测定的新型传感技术。Li等[4]研究一种基于电极上单层固定化微生物的生化需氧量传感器。该传感器是一种以电极为载体的微生物固定化单层结构，取代以往的氧选择性膜和微生物膜2层结构，将微生物表面的氨基官能团与羧基修饰电极结合，没有额外的固定支架，传质电阻降低，有利于快速电流响应，培养12 h后可获得具有较高生物降解能力的枯草杆菌细胞。He等[5]研发可实时测定生物需氧量的微生物传感器。用循环伏安法和电化学体系的阻抗谱对固定化过程进行研究，优化枯草栽培时间、响应时间和线性范围。硫化氢是一种具有刺激作用和细胞窒息作用的化学物质，对人体伤害极其大。摄入不同浓度的硫化氢会对人体造成不同程度的伤害，会使人发生昏迷，甚至死亡，因此，硫化物的检测迫在眉睫。分光光度法和碘量法是硫化物的2种主要测定方法，这2种方法都具有一定不足之处，微生物传感器检测是一种可以更好测定硫化物的新方法。Lira等[6]经过一系列开发与研究，研发一种新型硫化物微生物传感器，灵敏度极高，并且因其具体操作流程简单、购买价格相对较低，所以在测定硫化物这一问题上得到非常广泛应用。传统的以生物阳极为传感元件的微生物燃料电池（MFC）传感器对毒性监测的敏感性有限，仅适用于厌氧和有机富水体，对有机物毒性的联合冲击增加潜在的故障预警。Lian等[7]的研究首次采用氧化还原反应生物电极作为MFC传感器的传感元件进行毒性监测。结果表明，采用氧化还原反应生物电极传感元件的MFC传感器的灵敏度远高于采用生物阳极传感元件的MFC传感器，对毒性监测的范围有着很大拓展。

研究表明，微生物传感器具有稳定性高、使用寿命较长等优点，并能够克服其他类型生物传感器提取困难和价格昂贵等缺点。微生物传感器也仍然存在一定局限性，因为细菌细胞内含有多种类型的酶，使得某些微生物传感器的灵敏度和选择性受到一定程度限制；由于底物的扩散需要通过细胞壁，因此微生物传感器工作时响应时间相对较长。但是，微生物传感器拥有一定发展潜力，随着微电子技术、生物技术等技术的发展，其有望得到更进一步的飞跃，并逐渐趋向智能化、微型化、集成化。

2.3 细胞传感器

细胞生物传感器是一种利用固定化活细胞所具有的独特生物活性，将其用作传感元件，结合传感器或传感器对细胞内外进行检测的仪器。为实现基于哺乳动物嗅觉系统原理的电子鼻仿生设计，Xu等[8]开发一种基于嗅觉细胞的生物传感器，作为一种可以仿生嗅觉检测技术。在半导体芯片上实现嗅感受器神经元和嗅球细胞的有效培养。以光寻址电位传感器（LAPS）为传感芯片，对神经元细胞外电位进行监测，测试气味剂或神经递质（如乙酸、谷氨酸）对神经元细胞外电位的刺激反应。结果表明，这种对气味变化敏感的LAPS与嗅觉神经元的混合系统具有很大的潜力，有望作为一种新型的生物电子鼻神经芯片进而实现气味检测。Han等[9]研发一种仿生压电式人工毛细胞传感器，采用粉末注射成型工艺，制成声矢量水听器。针对多性核中性白细胞—压电换能器陶瓷粉末，开发并优化了粉末注射成型的全过程。Clément等[10]研发一种坏死细胞传感器（Clec4e），通过假设坏死激活Clec4e信号与动脉粥样硬化的发生有关，使用体内低密度脂蛋白受体缺陷小鼠，研究Clec4e激活对巨噬细胞功能和动脉粥样硬化发展的影响。结果发现Clec4e在人和小鼠动脉粥样硬化病变中表达，并被坏死病变提取物激活，显著限制动脉粥样硬化，确定Clec4e在动脉粥样硬化相关的主要生物学通路的协调中的非冗余作用，并提示它可能在其他慢性炎症疾病中发挥类似的作用。Lee等[11]开发乳腺癌干细胞传感器，通过判定肿瘤是否呈现固定电荷或移动电荷，研究循环癌症干细胞，进而预先识别癌症的存在。

细胞传感器具有敏感性高、响应速度快等优点，在生理研究领域和药物筛选领域都得到广泛应用，但仍存在一些限制性因素从而限制细胞传感器更好发展和应用，如再生性细胞的选择等。因此，细胞传感器有待进一步研究。除此之外，细胞传感器可实现功能性分析，有助于更加深入地探求细胞的各种生理活动状态。近年来，细胞传感器逐步变成环境科学和生物科学领域一种不可或缺的检测手段。

2.4 DNA传感器

DNA传感器是基于电化学监测离子电流的变化，通过脂膜与固定化DNA探针造成的相互作用，来进行生物学研究的一种生物传感器。Siontorou等[12]在银电极上制备由卵磷脂胆碱组成的自组装金属支撑双层脂膜（s-BLM），这些与DNA结合的s-BLMs与肼相互作用，s-BLMs显示一种分析有用的工具——气体浓度检测肼化合物的水平。这种BLM/DNA生物传感器提供一种高度敏感、快速、便携的设备来监测这些环境和毒理学上重要的化合物。Hu等[13]证明黑素瘤缺乏离子（Aim2）小鼠对葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎高度敏感，这种结肠炎与微生物失调有关，以共生大肠杆菌的高结肠负担为代表，用Aim2小鼠菌群定植无菌小鼠可导致更高的结肠炎易感性。炎性小体缺陷小鼠体内菌群的变化与肠上皮细胞中几种抗菌肽的表达减少有关。研究表明Aim2的DNA感应是维持肠道稳态的调节机制。Härtlova等[14]通过对患者样本和共济失调毛细血管扩张突变基因（ATM）小鼠的分析，发现未修复的DNA损伤可诱导I型干扰素，从而增强ATM小鼠的抗病毒和抗菌反应。研究为ATM患者的炎症表型提供一个潜在的解释，并将受损的DNA作为细胞内在危险信号，使先天免疫系统对微生物和环境威胁做出快速和放大的反应。

DNA传感器专一性强，不被浊度、颜色所干扰；分析速度相对较快；准确度相对较高；操作相对较简单；成本相对较低，可多次连续使用。然而，在DNA传感器的类型选择上存在一定限制，因此在选择时应该对其进行一系列荧光处理。伴随着分子生物学领域的发展，除了外伤之外，遗传性疾病、传染性疾病等病症的发生常与基因有关，所以应用在基因检测方面的DNA传感器就显现出重要作用。

2.5 酶传感器

酶生物传感器克服其他生物传感器只能对目标物的定性或者定量分析的漏缺，可实现对目标物定性和定量的分析。Sahub等[15]设计一种石墨烯量子点生物酶传感器。制备石墨烯量子点，将乙酰胆碱酯酶和胆碱氧化酶修饰于石墨烯量子点表面，向该量子点溶液中添加乙酰胆碱，其在酶的催化作用下得到过氧化氢，过氧化氢会使量子点发生荧光猝灭，大幅降低量子点的荧光信号。向体系中加入有机磷农药，农药会与酶发生作用，使酶失去活性，解除对量子点的猝灭作用，使荧光信号增强，该方法可对敌敌畏进行定量分析。鱼中组胺（一种生物胺）的浓度被认为是鱼类腐败的指标，摄入大量组胺会导致鱼中毒。因此，开发一种快速反应和便于现场分析的便携式工具是非常有趣的，以丝网印刷碳电极和二胺氧化酶为基础，Torre等[16]研制一种简单的测定组胺的酶传感器。该酶通过戊二醛和牛血清白蛋白的简单交联固定在电极表面，采用计时安培法进行检测，具有良好重现性，可重复使用多达7次。通过对鱼提取液进行组胺的深度分析，测试传感器的可行性，回收率为103%。Mano等[17]通过对电路的简单改造，研制一种用于连续监测D-葡萄糖的印刷扩展栅型有机晶体管酶传感器，该系统实现有机晶体管源极漏电流对不同浓度D-葡萄糖的连续监测。

酶传感器的组成零件是固定化的生物敏感膜及与之密切相结合的换能系统，是一种把电化学传感器与固化酶连接成一体的新型检测技术，不但有不溶性酶体系的优点，而且也有电化学电极的高灵敏度；因为酶具有专属的反应性，使酶生物传感器具有较高的选择性，可在复杂试样中进行准确定性和定量分析。

3 生物传感器的应用

3.1 在环境监测方面的应用

环境恶化一直以来都是备受关注的话题，随着人口不断增多，城市污染问题愈发严重，其中水污染问题较为突出。生物传感器，对水环境的检测与防治领域发挥着重要作用。据统计，中国每年产生的城市生活污水超越工业废水排放量，达227亿 t。针对这一国际性问题，全世界都在着手解决之策。Viel等[18]设计一种高灵敏度的磷酸盐离子酶电极，采用核苷磷酸化酶和黄嘌呤氧化酶共固定化双酶膜，用铂安培电极检测酶促过氧化氢，得到一定检出限，在0.1～10 mg/kg范围内可方便地进行磷酸盐测定，对水污染起到控制作用。Wang等[19]研制量热式酶生物传感器，通过对酶反应过程的热量变化进行测量，进而实现分析的一类生物传感器。在环境现场能够迅速检测并且被广泛应用于实际试样，从根本上提高检测水平。Bidmanova等[20]研发荧光生物传感器，荧光传感器是新型紫外光线传感器，其可以检测发射紫外光线的物质，它通过对其荧光性质的研究，对pH 4～10、温度5～60 ℃水样中卤化污染物进行检测。Li等[21]研制并组装一种用于检测环境中累积氡剂量的新型生物传感器，以实现对氡的快速监测。结果表明，该检测方法灵敏、准确、操作方便、线性范围宽、选择性强。在氡的采样和测定过程中，其可有效避免辐射对人体健康的危害。

3.2 在食品工业中的应用

食品是充当着人体营养成分的首要来源，是日常生活当中必不可少的重要角色。食品安全问题是全社会所认同和关心的问题，对食品的安全监测成为有效确保生活质量不断提高的重要前提。生物传感器技术在食品污染物检测、食品营养成分的测定以及食品添加剂的检测等食品工业领域得到广泛应用。亚硫酸盐作为食品添加剂的一种，一般在食品工业中作为防腐剂及漂白剂，Smith等[22]把亚硫酸盐氧化酶用作敏感材料，制作电流型二氧化硫酶电极，可在一定限度内测定食品中添加剂亚硫酸盐。Jing等[23]在螺旋金纤维上合成具有螺旋结构的氧化锌纳米线葡萄糖传感器。在食品工业中，葡萄糖传感器不但可以测食品和其原料中所含糖量，而且为了衡量水果成熟度及水果贮藏寿命，将葡萄糖的含量作为重要标准。Badalyan等[24]开发并实现一种基于石墨烯改性聚丙烯酰胺凝胶涂覆丝网印刷碳电极的新型传感器平台，用于食品接触面大肠菌的采样、检测和计数。通过对聚丙烯酰胺和琼脂的优化配方，提高凝胶的黏附性能，对大肠菌群的回收起着重要作用。随着鱼类和鱼类食品消费量增加，对鱼类新鲜度的无损检测也变得更加突出。鱼产品非常容易腐烂和易于微生物生长，不总是容易检测到感官评价。通过气敏法分析鱼类标本的顶空是一种监测鱼类新鲜度的有趣方法。Semeano等[25]研究一种应用于光学电子鼻的气敏凝胶材料对罗非鱼腐败行为进行监测的气体传感方法。随着时间推移，对传感器的光学信号和细菌生长的程度进行跟踪，结果表明，这2种测定之间具有良好相关性，表明这种简单、低成本的系统在罗非鱼新鲜度监测中具有潜在应用价值。相对于传统微生物检测技术存在的诸多不足，尤其是检测程序的方式有着速度较慢、成本较高、效率较低等缺点，使得食品行业一直渴求能快速、可靠、简便的检测系统，而生物传感器的检测技术可胜任这一角色。

3.3 在临床医学方面的应用

临床上常用的检测技术平台有多种，但是生物传感器检测技术作为最前沿的临床检测技术，在临床检查、临床检测和临床治疗等方面得到广泛应用，尤其是生物酶型传感器和电化学型生物传感器应用较多。Johnson等[26]发现马身上伯氏孔菌感染的确认需要酶联免疫吸附试验（ELISA）或参考实验室进行的蛋白质印迹法试验。一种临床用的ELISA试剂盒已经上市，它使用试验感染的小马血清对马进行评估。传统的苯丙酮尿症的检测方法存在着检验周期相对较长、准确度相对不高等问题，凭借酶的专一高效催化特性，Wang等[27]研发出一种用来检验苯丙酮尿症的新型酶传感器，使用时长可达30 d，在4 ℃储存10 d后，至少能保持5 d的稳定，活性下降不超过20%。同时开发一个智能系统，以确保最佳的操作条件和生物传感器的保存，使检测更加方便和可靠。多种电化学生物传感器被用于监测人体内血糖水平和呼吸水平上。Barone等[28]开发出一种基于碳纳米管的生物传感器用于体内长期检测葡萄糖。将葡萄糖氧化酶通过1-芘丁酸肼连接分子附着在单壁碳纳米管侧壁上，葡萄糖氧化酶包裹的碳纳米管作为pH感受器，催化反应将葡萄糖转化为葡萄糖酸内酯，葡萄糖氧化酶的负电荷增加，从而使pH升高，结果导致碳纳米管的电导率改变进而通过计算达到对体内葡萄糖的相应检测。Johnson等[29]研发出一套DNA包裹的单壁碳纳米管生物传感器用于呼吸试验。呼吸和体味的检测可以提供与疾病检测、诊断、治疗相关的很多有价值的信息，该纳米生物传感器可以提供人体呼吸诊断数据，进而在临床医学领域发挥重要作用。乙肝疾病全称叫乙型病毒性肝炎，是一种病毒性传染病，在中国是常见病、多发病，对人体伤害非常大，因此，对于乙肝病毒的检测极为重要。Alizadehzeinabad等[30]设计开发一种基于金互指电容的高灵敏、紧凑、便携的乙肝表面抗原快速检测的免疫传感器。提高抗体固定化的效率，并且节省时间，具有较强敏感性。在最佳条件下，免疫传感器的灵敏度为0.22 nF，从而达到快速灵敏检测的目的，有助于抑制乙肝传播感染。

3.4 在军事方面和农药检测方面的应用

电化学生物传感器拥有选择性好、容易小型化等优点。生化武器属于生物战剂，包括故意悬浮在空气、食物或水中的细菌、病毒和毒素，以传播恐怖主义，并导致人类、动植物患病或死亡。对任何政府，包括军事、卫生和其他政府机构来说，迅速和明确地发现和确定生物战剂是一项重大挑战。需要从采样地点（空气、水、土壤或其他地方）对微生物进行可靠、具体的分析和鉴定，因此，高效识别生化武器对社会和平稳定发展起着重要作用。Shah等[31]研发用于生化武器检测的电化学生物传感器，通过高效灵敏的监测手段，让人类免受生化武器的迫害。随着国民经济水平提升，农业领域技术飞速发展，农业中大量使用有毒和残留农药，促使开展新的高效、经济和快速的分析工具研发，以控制环境和食品中的农药残留水平。基于酶抑制的生物传感器被提出作为适当的分析设备，并具有利用农药毒性进行检测的额外优势，比标准色谱方法更具生物学相关性。Arduini等[32]通过固定化乙酰胆碱酯酶及乙酰胆碱氧化酶与纳米金的结合，利用金属纳米颗粒可以作为电子导线这一特性，实现大幅加快电子转移速率的效果，不仅加快农药中有机磷测定速率，提高有机磷含量测定的灵敏度，而且纳米金能够保留固定化酶生物活性，降低生产成本，因此更加便捷，具有实际应用价值。

4 检测性生物传感器发展的前景展望

随着信息时代到来，获取准确可信的信息对促进国民生活水平起着举足轻重作用，在获取信息方面传感器技术成为重要方式之一。生物传感器实现高效、方便的固化目的，改良传统的检测手段，促进信息科学、生物科学和材料科学等学科领域的发展。研究寻找有效方法，研发具有优越性能的生物传感器，并向微型化发展及智能化程度更高的新领域迈进。生物传感器能够适应于时代发展，作为拥有挖掘潜力的科研技术，生物传感器因其专一性强、分析速度快且分析准确度高等优点，在科研技术领域发挥作用。生物传感器技术作为一种快速、可靠、简便的检测系统，在食品检测领域具有广阔应用前景，并有待更进一步的研究与开发。