摘要：生物传感器由于具有很大的实际应用价值，是近年来研究的热点。文章阐述了近年来生物传感器技术在食品工业、环境监测、农业生产、微生物检测以及医学领域的应用现状，并分析了预测未来生物传感器的发展趋势。
关键词：生物传感器；信息科学；生命科学；食品工业；环境监测；农业生产 文献标识码：A
中图分类号：TP212 文章编号：1009-2374（2016）03-0053-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.027
1 概述
生物传感器是信息科学与生命科学结合而快速发展起来的一门新兴学科。在生物研究范围内，有数以万计的固形、液形、气体形状的各种物质，生物学家们一直寄希望有一种快速便捷的方法来检测这些物质。生物传感器正是这样一种器件，它是由生物敏感材料来收集生物信号，然后通过转化器将其转化成电信号后进行处理。生物传感器的设想是Clark和Lyons在1962年首次提出的，距今已有50多年的发展历史。在这半个多世纪的发展中，生物传感器已经给人类的生产生活带来了深刻的影响。本文介绍了近年来生物传感器的应用现状及展望。
2 生物传感器的分类
2.1 根据生物物质分类
根据传感器中的敏感物质及分子敏感识别元件可将其分为生物酶传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织内液传感器和免疫传感器。它们对应的敏感材料分别为生物酶、微生物本体、细胞器、动植物组织液、抗原和抗体。
2.2 根据信号转换器分类
根据生物传感器的信号换能装置可将其分为生物电极传感器、半导体生物传感器、光电生物传感器、压电晶体生物换能传感器等，这些转换器依次可分为电化学导电电极、半导体电极、光电换能转换器、热敏电阻电容转换器以及压电晶体转换器等。
2.3 根据被检测目标与生物识别原件的相互作用分类
根据被检测目标与生物识别原件的相互作用的方式不同可将其分为生物物质亲和型生物传感器、生物体代谢物质型传感器和生物物质代谢催化型生物传感器。
3 应用领域
3.1 食品工业的应用
生物传感器在食品工业中的应用主要包括食品原料成分确定、食品添加剂的定性定量、食品中有毒有害物质检测、食品新鲜度的测定以及食品物理特性的分析研究。鱼降解过程中会产生磷酸肌苷、肌苷和次黄嘌呤，用生物传感器可以快速准确地判断鱼的鲜度。黄曲霉毒素是威胁人类健康的一大毒素，传统的检测方法检测周期长，并可能对检测人员造成威胁。可以用枯草杆菌制剂制成的微生物传感器对黄曲霉毒素中的B1进行检测，其检出限为0.8µg/mL，可以在一分钟内完成检测，并且不需要人体长时间近距离接触，因此安全性极高。此外，还可以用类似的传感器对蓖麻毒素、肉毒杆菌毒素B、葡萄球链球菌等毒素进行检测。
农药以及化肥残留重金属离子也是威胁食品安全的几大因子，也可以用生物传感器对这些物质进行快速准确的检测，从而确保食品安全。
3.2 环境监测的应用
近几年，环境污染越来越厉害，对人类的生产生活造成了很大的影响。人们希望能有一种对环境污染进行快速持续检测的设备，生物传感器满足了人们这方面的要求。大气中的二氧化硫是形成酸雨的最主要原因，传统的检测方法需要异常复杂繁琐，并且受检测周围环境的影响比较大。现在已经有人将亚细胞类脂类物质固定在乙酸纤维膜上，并和氧电极制成固定型的生物传感器，对酸雨、雾霾、酸雾等样品可以进行快速准确的分析。
3.3 医学领域的应用
生物传感器在医学领域发挥着越来越重要的作用。生物传感器技术为基础医学的研究和临床试验诊断提供了一种快速简便、稳定可靠的方法，并且由于其专一性强、灵敏度高、响应快速等特点，在军事医学和生物医学中也有很广袤的应用前景。
在临床诊断中，生物酶电极传感器是最早研发投入使用的一种传感器。利用具备不同特征的微生物替代酶，可制成微生物酶传感器。在生物医学中，对生物毒素进行及时快捷的检测是预防生化物质危害的有效措施。生物传感器已经应用于多种细菌、病毒、毒素、抗原和抗体等的检测。
3.4 发酵工业的应用
发酵产品中包含非常丰富的物质，传统的检测方法以化学法为主，它周期长、工作冗杂繁琐、效率低下，不能满足现在发酵工业的检测要求。因此，生物传感器成为了一种新的选择。生物传感器被广泛誉为发酵工厂中的智能眼睛，是近几年来这个行业中不可或缺的新工具。现在可以用L-赖氨酸氧化酶固定在明胶基质中与氧电极结合对L型赖氨酸进行检测。此外可以用谷氨酸脱羧酶对谷氨酸进行脱羧，CO2电极制成的生物传感器能快速测定谷氨酸。我国山东省生物研究所研制出的谷氨酸快速测定仪，已经在行业中普及应用。目前至少已知有9种氨基酸可以用生物酶电极传感器来进行快速测定。
3.5 信息安全的应用
面对信息快速发展的今天，信息安全成为了人们关注的头等大事，面对黑客攻击、病毒侵害，传统的方法是安装防火墙、系统升级、设置访问权限等手段，然而没有一种非常有效的手段可以完全防止病毒的攻击。现在新型生物传感器可以用于信息安全，比如智能手机上的指纹识别技术、门禁系统上的面部识别技术、虹膜识别技术等都是将生物信号转换成电信号并进行一系列快速的处理。这种生物传感器技术安全、稳定、快速、高效，已成为信息安全领域中不可缺少的应用技术。
4 前景与展望
随着生命科学、材料科学、微电子处理技术、信息科学等的发展，未来的生物传感器将会具备以下四种特点：
4.1 功能多样化
未来的生物传感器将会深度涉及医疗卫生保健、疾病诊断治疗、食品安全检测、环境污染检测、气候变化追踪、发酵工业以及军事国防、民用等各个领域。
4.2 便携化
随着加工工艺和材料科学的不断进步，生物传感器将会越来越微型化，各种体积小、功能强大的生物传感器的出现，使得人们能够在家中进行疾病的诊断，在超市中和市场上能够直接检测食品中的农药残留。
4.3 高度智能和集成化
未来的生物传感器必定与各种计算机紧密结合起来，自动采集分析所需的各种数据，更科学快速精准地提供分析结果，实现数据采集、分析处理、结果呈现的一条龙，形成分析检测的全自动化。同时芯片技术将会越来越多地进入到新型传感器领域，从而实现检测系统的集成一体化。
4.4 高灵敏度化
生物传感器已经发展几十年了，但是目前为止，很多传感器灵敏度不高，分析误差比较大，结果可信赖度低，因此随着传感器技术的不断进步，未来生物传感器灵敏度将会更高，使得结果能够准确体现。
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作者简介：张李建（1990-），男，河南周口人，河南工业大学在读研究生，研究方向：通信信号处理。
（责任编辑：陈 洁）