生物传感器

1.    生物传感器的定义

生物传感器是一种能够检测生物分子、细胞或生物过程的装置。

它通过结合生物学元素（如酶、抗体、细胞等）与传感器技术，将生物信息转化为可测量的信号，如电信号、光信号或化学信号，从而实现对特定生物分子或生物过程的定量或定性分析。

2.    生物传感器的分类

生物传感器在生物体内靶标检测时，主要由三部分组成：识别元件用于特异性识别目标物；转换器将检测信号转换为可输出信号；处理器则对输出信号进行分析。

通过利用不同材料的光学、热学、电化学等特性，可以产生不同类型的信号响应，从而形成各种生物传感器。

根据输出信号的类型，生物传感器可分为荧光传感器、光电化学传感器、电化学传感器、比色传感器、光热传感器等。

1)    荧光生物传感器

荧光是指物质吸收特定波长的光后，发射出较长波长的光，两者之间的波长差称为斯托克斯位移。

荧光光谱是一种高效的生物分子检测技术，广泛应用于光学生物传感器领域。

该方法结合了荧光检测的高灵敏度和特异性识别元件（如配体结合蛋白、抗体、适体）提供的高选择性。

通过使用荧光纳米颗粒（如量子点、贵金属纳米颗粒）和荧光分子（如荧光蛋白、小分子染料）作为信号输出单元，可以构建各种荧光生物传感器。

目前，基于荧光共振能量转移（FRET）、内滤效应（IFE）和光生电子转移（PET）等原理，已开发出多种荧光传感器。

2)    光电化学生物传感器

光电化学（PEC）传感器是一种利用光电化学原理进行检测和分析的装置。

它通过光源激发样品中的化学反应，产生与目标分子浓度相关的电化学信号。

通常，光电化学传感器由光源、工作电极、参比电极和对电极等组成。

在此过程中，光源激发样品中的光敏化合物，如染料分子或半导体纳米颗粒，促使它们参与氧化还原反应或其他化学反应。

工作电极负责接收由化学反应生成的电化学信号，而参比电极则提供稳定的电位作为基准。

最终，信号强度与目标分子浓度之间呈现关联。

光电化学生物传感器是一种结合生物识别技术（如酶-底物、核酸适配体-靶标、抗原-抗体等）的光电化学传感器。

由于其操作简便、反应快速、选择性和灵敏度高，以及仪器小型化等优点，光电化学生物传感器已成为临床检测的潜在替代方案。

这类传感器主要依赖光照下的光电转换，利用光活性电极产生可测量的电流信号。

当目标分子与生物识别元件结合时，电极中的光活性物质发生变化，影响光生电子-空穴对的分离，从而产生相应的光电信号。

因此，选择具有高光电转换效率的材料对于构建高性能光电化学生物传感器至关重要。

3)    电化学生物传感器

电化学生物传感器将电化学原理与生物识别元件结合，通过识别元件的特异性识别能力，用于检测各种生物分子、重金属离子和污染物。

这类传感器通过电化学转换技术，将生物识别元件与目标分子之间的相互作用转化为电信号（如电流、电位、电阻、电容或阻抗），并通过分析这些信号实现定量或定性检测。

血糖仪是最成功的电化学生物传感器之一，广泛应用于糖尿病患者的血糖监测。

除了血糖仪的小型化改进外，提升其抗干扰能力也是未来发展的一个重要方向。

4)    比色传感器

在实际应用中，能够实现可视化检测的比色生物传感器对便携式检测平台的开发具有重要意义。

通过纳米酶催化显色反应或利用贵金属的局域表面等离子体共振效应（LSPR），可以引发颜色变化。

通过调节纳米材料的尺寸和形貌等特性，能够调控材料的吸收峰位置，从而实现色度变化。

3.    生物传感器的应用

随着传感技术的进步，生物传感器在疾病诊断、食品安全、环境监测等领域得到了广泛应用。

通过DNA碱基互补配对的原理，可以设计具有特异性识别能力的DNA网络，用于检测人体内的疾病标志物如miRNA，从而实现疾病的预防和诊断。

此外，已有一系列对金属离子（如汞、银、铜、铅）具有特异性的DNA序列被发现，这些序列可以用于开发重金属离子检测的生物传感器。

同时，通过利用人体内源性金属离子，也可以开发细胞内荧光成像传感平台。

借助高特异性的核酸适配体，可以打造集传感检测与药物释放于一体的诊疗平台。

在与光热材料结合后，这些平台还可用于光热治疗，既能识别癌细胞，又能有效杀死癌细胞。