AI人工智能無疑是剛剛過去的2016年最熱門的科技話題了。從年初的AlphaGo大戰(zhàn)李世石，到今天的棋圣聶衛(wèi)平敗于54連勝的神秘Master，以致于人們不得不懷疑是一個(gè)新誕生的AI狗。人工智能已經(jīng)真真切切地走進(jìn)了我們的世界，可穿戴設(shè)備、智能感知的應(yīng)用研究也將生物傳感器推到了前臺(tái)。

生物傳感器

生物傳感器是一種對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識(shí)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)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場(chǎng)效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號(hào)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(shí)別部分（敏感元件）和轉(zhuǎn)換部分（換能器）構(gòu)成：

以分子識(shí)別部分去識(shí)別被測(cè)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(shí)別部分是生物傳感器選擇性測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(dòng)化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號(hào)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(gè)功能：

感受：提取出動(dòng)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(cè)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(shí)別元件和換能器（信號(hào)轉(zhuǎn)換器）的不同，可以從這兩個(gè)方面對(duì)生物傳感器分類：

按分子識(shí)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(duì)待測(cè)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(shí)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(shí)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(dòng)植物組織細(xì)胞切片作為識(shí)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(shí)，直接利用生物組織可以得到足夠高的酶活性；

3） 組織識(shí)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(dòng)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。

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(shí)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(chǎng)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(duì)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(dòng)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

生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

中醫(yī)針炙傳感針

基于中醫(yī)針炙針的傳感針是以中醫(yī)針灸針為基體， 傳感人體微區(qū)中的溫度、pH值、氧分壓、多巴胺，Ca2+，K+，Na+等信息的新功能而得的一種特殊傳感針。

既能實(shí)時(shí)傳感出人體微區(qū)中各種生理、生化參數(shù)，并進(jìn)行人體微區(qū)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，又能按中醫(yī)針刺的實(shí)施治病理療法。

傳感針是以普通針灸針（或根據(jù)應(yīng)用學(xué)科的具體外形要求用外直徑為0.3~ 0.4mm的空心不銹鋼竹）作為基體加工而成 的。

一般制備過程為：對(duì)針灸表面進(jìn)行清潔處理或用處理液浸泡；針尖上鍍相應(yīng)的合金和相應(yīng)參數(shù)的敏感膜，然后再覆蓋上有機(jī)高分子功 能保護(hù)的材料;針體鍍絕緣膜，使之有耐、提、插、捻、轉(zhuǎn)的機(jī)械作用，這一點(diǎn)是由它的傳感和治療雙重功能決定的;用戊二醛消毒液消毒;

根據(jù)不同的參數(shù)特性配上相應(yīng)的測(cè)量儀，進(jìn)行直接讀數(shù);在實(shí)驗(yàn)室 經(jīng)過反復(fù)浸泡、沖洗實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，使它們的主要性能指標(biāo)（如線性范圍、響應(yīng)時(shí)間、分辨率、零點(diǎn)漂移、壽命等）達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)。

目前己制成的有溫度傳感針、氧分壓傳感針、pH傳感針、Ca2+傳感針和多巴胺傳感針等。

此外，還可研制離了生物傳感針，如K+傳感針、N a+傳感針、中樞神經(jīng)遞質(zhì)傳感針、酶傳感針、抗體傳感針、受體傳感針、激素傳感針、DNA傳感針、RNA傳感針，并進(jìn)而研制多參數(shù)、微型化與智能化的傳感針。

生物芯片

國外正在開發(fā)半導(dǎo)體生物傳感器，它包括一個(gè)參考電極和一個(gè)PH值量子場(chǎng)效應(yīng)品體管感應(yīng)膜，膜上固定有酶和微生物，當(dāng)固定酶和微生物分別與待測(cè)物反應(yīng)時(shí)，PH值發(fā)生變化，那么輸出的電流或電壓就可測(cè)定，這就完成了對(duì)參加反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)的定量分析。如果把這些信號(hào)同計(jì)算機(jī)輸人端聯(lián)接，按一定的軟件程序，那么，可開發(fā)生物模擬計(jì)算機(jī)。

醫(yī)用生物傳感器

隨著生物傳感技術(shù)的發(fā)展，在醫(yī)療器械范圍內(nèi)開辟出更多專業(yè)的領(lǐng)域。從病毒和疾病檢測(cè)到康復(fù)和藥物劑量等。以下的一些生物傳感器裝置，可能會(huì)在醫(yī)療領(lǐng)域產(chǎn)生巨大顯著的影響。

葡萄糖監(jiān)測(cè)

因?yàn)檠芯咳藛T尋求開發(fā)可穿戴式生物傳感器，可以通過皮膚上的汗水監(jiān)測(cè)患者的葡萄糖水平，生物傳感技術(shù)很可能成為糖尿病患者不同人生的制造者。

德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校已經(jīng)開發(fā)出一種大約25美分尺寸大小的傳感器，可以檢測(cè)汗液中的皮質(zhì)醇，并提供來自周圍汗液的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（所顯示的）。

一種可以集成到微流控芯片中的光纖葡萄糖傳感器， 可以測(cè)量血糖水平的廉價(jià)便攜式設(shè)備。最近，我們看到了各種不同的技術(shù)，都是旨在提供一種較少侵入性的葡萄糖監(jiān)測(cè)方法，甚至紋身形式的傳感技術(shù)——所有需要做的就是扎一下手指頭，就結(jié)束了。有了這些新技術(shù)，這些傳感器的實(shí)體可能比以往任何時(shí)候都更接近我們。

檢測(cè)DNA突變

新的電石墨烯生物傳感器芯片可能是第一種被用作生物醫(yī)學(xué)植入物，可以實(shí)時(shí)讀取和檢測(cè)DNA突變的芯片。一種廉價(jià)的生物傳感器技術(shù)，可以高分辨率檢測(cè)人類基因突變，并能把數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)揭苿?dòng)設(shè)備上。

該技術(shù)可以引領(lǐng)全新一代的診斷方法和個(gè)性化治療，因?yàn)樯飩鞲衅餍酒捎糜谶M(jìn)行活檢和詳細(xì)的DNA測(cè)序。由于芯片連接到石墨烯晶體管，它使芯片能夠以電子方式運(yùn)行——使其成為第一個(gè)將動(dòng)態(tài)DNA納米技術(shù)與高分辨率電子傳感相結(jié)合的產(chǎn)品。

疾病診斷

一種新的生物傳感器能夠檢測(cè)出與神經(jīng)退行性疾病以及幾種不同類型癌癥相關(guān)的特定分子。該裝置被設(shè)計(jì)為在與谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶接觸時(shí)反應(yīng)，谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶是一種與帕金森氏病、阿爾茨海默病、乳腺癌和其他疾病相關(guān)的酶。

該裝置是玻璃載片上的有機(jī)納米級(jí)晶體管，使用納米級(jí)系統(tǒng)識(shí)別特定分子，可以被用來快速和安全地診斷復(fù)雜疾病。

該裝置的便攜性和低成本使其適用于任何實(shí)際的生活環(huán)境中，并且可以經(jīng)過調(diào)整改進(jìn)用于檢測(cè)與不同疾病相關(guān)的其他物質(zhì)或分子。該團(tuán)隊(duì)最終計(jì)劃創(chuàng)建一個(gè)基于紙張的生物傳感器，盡可能的進(jìn)一步改善便攜性和成本費(fèi)用。

病毒檢測(cè)

生物感測(cè)技術(shù)可以在病毒檢測(cè)中發(fā)揮重要作用。一種新的納米生物傳感器，可以在短短2至3小時(shí)內(nèi)檢測(cè)到各種不同的病毒。

傳統(tǒng)的測(cè)試方法可能需要一到三天才能完成，然而，這種新的生物傳感器使用增頻轉(zhuǎn)換發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移（LRET）用于液相系統(tǒng)中的超靈敏病毒檢測(cè)。

該技術(shù)的設(shè)計(jì)和操作簡單，并且不需要使用任何昂貴的設(shè)備或?qū)I(yè)技能。該技術(shù)還被設(shè)計(jì)用于識(shí)別幾乎任何已知的目標(biāo)病毒的基因序列。遲早，這個(gè)技術(shù)甚至可以經(jīng)過調(diào)整改進(jìn)用于在單個(gè)測(cè)試平臺(tái)上識(shí)別多種流感病毒。

藥物劑量

通過精確施藥引領(lǐng)新的個(gè)性化治療的發(fā)展， 一種新型的生物傳感芯片，一厘米大小的正方形設(shè)備包含了一個(gè)電路，一個(gè)控制單元和一個(gè)無線電傳輸模塊，一旦植入體內(nèi)后，允許芯片讀取信息，并跟大量的化合物做出反應(yīng)。

該芯片將允許醫(yī)生監(jiān)測(cè)藥物對(duì)新陳代謝系統(tǒng)影響的實(shí)時(shí)效果，這個(gè)成就可以引領(lǐng)全新一代的個(gè)性化治療和精確療法。這個(gè)生物傳感芯片可以測(cè)量pH值，溫度和代謝相關(guān)分子如葡萄糖和膽固醇的。

腦損傷檢測(cè)

腦損傷已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)世界中的一個(gè)重要問題，特別是在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中。來自約翰霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins）的心臟病學(xué)專家和工程師一直想利用生物傳感技術(shù)，在發(fā)生嚴(yán)重的腦損傷時(shí)來警示提醒醫(yī)生，特別是在心臟手術(shù)中。兩組人合作開發(fā)了一種指甲大小的生物傳感器，可以檢測(cè)與腦損傷相關(guān)的特定蛋白質(zhì)。

作為心臟手術(shù)的結(jié)果，兒童往往很多時(shí)候會(huì)出現(xiàn)神經(jīng)發(fā)育的問題，最近的研究表明，多達(dá)40％的進(jìn)行心臟手術(shù)的嬰兒患者在核磁共振成像掃描（MRI）中出現(xiàn)腦部異常。

這個(gè)新的傳感器平臺(tái)經(jīng)過設(shè)計(jì)，可以識(shí)別作為腦損傷生物標(biāo)記的特定蛋白質(zhì)，并且最終可以在手術(shù)室外使用，為運(yùn)動(dòng)員和事故受害者快速檢測(cè)和診斷腦損傷。

監(jiān)測(cè)康復(fù)患者

生物感應(yīng)技術(shù)用于使用輪椅或假肢的康復(fù)病人。研究人員計(jì)劃進(jìn)行各種不同的研究，利用生物傳感技術(shù)，以臨時(shí)紋身和智能手表的形式收集數(shù)據(jù)，并監(jiān)測(cè)具體康復(fù)設(shè)備和鍛煉的效果。

該研究將觀察患者在家里使用的反應(yīng)如何，以及如何應(yīng)對(duì)康復(fù)設(shè)備和鍛煉，以便開發(fā)能夠使用生物傳感器信息的軟件，支持那些選擇在家中進(jìn)行康復(fù)的患者。這個(gè)研究的目的是使用這些技術(shù)提供的信息來改善患者治療，以及改善家用康復(fù)設(shè)備的設(shè)計(jì)和功能。

生物傳感器在非傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)通常采用離線分析方法，操作復(fù)雜，所需儀器昂貴，且不適宜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速監(jiān)測(cè)和連續(xù)在線分析。隨著環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，生物傳感器在建立和發(fā)展連續(xù)、在線、快速的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)體系中發(fā)揮著重要作用。

1） 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

生化需氧量（BOD）是衡量水體有機(jī)污染程度的重要指標(biāo)，BOD的研究對(duì)于水質(zhì)監(jiān)測(cè)及處理都是非常重要的此研究也成為水質(zhì)檢測(cè)科技發(fā)展的方向。

BOD的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)稀釋法所需時(shí)間長，操作繁瑣，準(zhǔn)確度差，BOD傳感器不僅能滿足實(shí)際監(jiān)測(cè)的要求，并具有快速、靈敏的特點(diǎn)。隨著BOD快速測(cè)定研究的不斷深入，研究發(fā)現(xiàn)BODst（快速BOD測(cè)定值）還可作為在線監(jiān)測(cè)生物處理過程的一個(gè)重要參數(shù) 。

2）大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)

生物傳感器可監(jiān)測(cè)大氣中的CO2，NO ，NH3及CH，等。Antonelli M等人 采用地衣組織研制了一種傳感器，有望用于對(duì)大氣、水和油等物質(zhì)中苯的濃度的監(jiān)測(cè)。用多孔滲透膜、固定化硝化細(xì)菌和氧電極組成的微生物傳感器，可測(cè)定樣品中亞硝酸鹽含量，從而推知空氣中NO 的濃度，其檢測(cè)極限為1 xl0 mol／L。

在食品工程中的應(yīng)用

食用牛肉很容易被大腸桿菌0157. H7.所感染，因此需要快速、靈敏的方法檢測(cè)和防御大腸桿菌0157. H7.一類的細(xì)菌。生物傳感器可以直接測(cè)量102CFU（菌落形成單位）的大腸桿菌0157. H7.。

檢測(cè)病原體之后即可以將它分離到培養(yǎng)基上生長。從檢測(cè)出病原體到從樣品中重新獲得病原體并使它在培養(yǎng)基上獨(dú)立生長總共只需1天時(shí)間，而傳統(tǒng)方法需要4天。

還有一種快速靈敏的免疫生物傳感器可以用于測(cè)量牛奶中雙氫除蟲菌素的殘余物。它是基于細(xì)胞質(zhì)基因組的反應(yīng)，通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸信號(hào)，己達(dá)到的檢測(cè)

極限為16. 2nd/ mL。

在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

生物傳感器在化學(xué)、生物戰(zhàn)劑的偵檢方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測(cè)多種細(xì)菌、病毒及其毒素（如炭疽芽胞桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等） ， 在化學(xué)戰(zhàn)劑檢測(cè)中研究和使用最多的是乙酰膽堿脂酶傳感器。

20世紀(jì)5O年代，就有人設(shè)計(jì)了沙林毒劑的酶檢測(cè)方法，可檢出0．1—0．5×10 的沙林，這一方法至今仍被國際上普遍用于神經(jīng)性毒劑偵毒包和報(bào)警器中。

結(jié)語：

生物傳感器可以取代常規(guī)的化學(xué)分析方法，因此，它的出現(xiàn)可以說是一場(chǎng)技術(shù)革命。人類基因組計(jì)劃的實(shí)施大大加速了與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、信息學(xué)等學(xué)科息息相關(guān)的各類新型生物傳感器的發(fā)展，這給當(dāng)前生物傳感器的研究提供了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

生物傳感器作為多學(xué)科交叉的高科技領(lǐng)域，如何組織各方面的科技力量和財(cái)力、物力來推動(dòng)這一高科技領(lǐng)域在我國的發(fā)展，不僅是對(duì)生物、信息、物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、微電子、材料等相關(guān)領(lǐng)域中科技人員的挑戰(zhàn)，也是有關(guān)行政管理部門面臨的一個(gè)課題。
責(zé)任編輯:pj