生物传感器 发展：生物传感器发展历程与发展方向、最新技术与应用

生物传感器可以快速检测病原体、蛋白质、重金属和其他类分析物，在医疗保健、遗传分析、环境检测及食品检测等方面应用广泛。至今为止，生物传感器已经更新到第3代，应用领域也越来越广泛。

生物体具有独特的生物化学识别能力，能够对外界刺激做出反应，并将这些信号转换成体内能接收并处理的信号，使其获得营养物质或远离危险。人类利用生物识别的敏感性来观察和了解生存环境，即模拟自然界的细胞、组织、蛋白质和酶等，将可观察的事物转变为可测量的物理量，作为这种生物模拟的结果，这类传感器被称为生物传感器。生物传感器是一种获取并且处理信息的便携式特殊工具，可用于快速检测病原体、蛋白质、重金属及抗生素等。生物传感器主要由3部分组成:分子识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、转换元件(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等)和信号放大装置。当某化合物质与分子识别元件相互作用时产生大量的可量化信号，如:光、声、电等，通过这些信号来定量检测待测物浓度。

1生物传感器发展历程

自1962年第一个氧气生物传感器诞生以来，研究人员已经开发了应用于不同领域，如医学、生物技术和防御生物恐怖主义、食品、环境和农业等的生物传感器。生物传感器通常被定义为将生物学组分与物理化学装置相结合，用于检测有生物学意义分析物的一种特殊装置。生物传感器研究过程中的关键步骤是生物分子的固定化，根据其不同形式，生物传感器的发展主要经历了3个阶段。

1.1第一代生物传感器—无介质安培型生物传感器

第一代生物传感器是将分析物或酶催化反应底物结合至传感器表面，再通过电信号形式传送表达。其传感原理为:当被测物扩散进入生物敏感膜层后，经过分子识别发生生物学反应，反应产生的信息被相应的物理或化学换能器转换成可定量处理的电信号，再经检测放大器放大并输出，实现对被测物质的定量检测。

酶生物传感器是典型的第一代生物传感器，它以自然物质如氧气作为酶与电极之间的电子通道，通过氧电极测量氧的消耗或过氧化氢的产生来测定底物。以葡萄糖氧化酶(GOD)催化葡萄糖为例:酶层GODOX+O2→葡萄糖酸+GODred，GODred+O2→GODOX+H2O2;电极H2O2→O2+2H++2e－，根据该反应，可以通过氧电极(测O2的消耗)、过氧化氢电极(测H2O2的产生)和pH电极(测酸度变化)来间接测定葡萄糖含量。这种传感器的优点是制作简单、无人工介体。但由于是间接测定，检测时受溶解氧波动的影响较大，响应时间较长且难于进行活体分析，试样中共存的还原性电活性物质易干扰，导致传感器的灵敏度和选择性相对较差。

为克服第一代生物传感器受氧分压及其溶解度、过电位高、干扰多等限制，自1970年代起人们开始用小分子电子媒介体代替氧沟通酶活性中心与电极之间的电子通道，通过检测媒介体电流变化来检测底物浓度变化。因此，第二代酶传感器又被称为介体型生物传感器。

1.2第二代生物传感器—介质安培型生物传

感器第二代生物传感器采用化学介体或特定生物分子取代O2/H2O2在酶促反应中和电极之间进行电子传递。良好的介体需要具备以下条件:(1)极易参与有生物活性材料和电极存在的氧化还原反应，在均相和非均相体系中都能迅速进行电子传递;(2)还原态不被氧气氧化;(3)氧化态再生所需电压低，并且不受pH影响;(4)对生物无毒性，不被生物催化剂作为底物;(5)易与生物催化剂共固定化;(6)在工作或保存期间有足够长的稳定时间。常见的第二代生物传感器是核酸适配体传感器和转录因子传感器。

1.2.1核酸适配体传感器

核酸适配体是指双链DNA或单链DNA/RNA分子像抗体一样可以与靶分子特异性结合，由于其变化多端的空间构象使之能结合的分子更为广泛，且具有比抗体更容易获取、储存的特点。最早发现的自然存在的核酸适配体传感器是核糖开关，它是一种依赖于RNA的感应调控元件，这种开关是一种新发现的古老的基因表达调控方式，在原核生物和真核生物中均发现了能够响应细胞代谢物和辅因子的核糖开关。

新型核酸适配体生物传感器主要致力于设计几类新型的核酸分子适配体传感器，以进一步提高对基因片段、重金属离子Hg2+和Pb2+等的检测特异性和灵敏度。自从ONO和TOGASHI研究证实2个胸腺嘧啶(thymine，T)基团可以作为配体特异性识别自由的Hg2+以来，基于T-Hg2+-T复合作用高选择性识别Hg2+的研究相继被报道。XUAN等又证实了含有T-Hg2+-T结构的双链DNA能被核酸外切酶Ⅲ催化降解。因此，利用核酸外切酶Ⅲ辅助靶标循环结合杂交链式反应的双重放大策略，构建了高灵敏、高选择性检测痕量Hg2+的电化学核酸适配体生物传感器。自此，超灵敏和高选择性的核酸适配体生物传感器在生态学研究、法庭验证医学、疾病基因诊断等方面的应用越来越广泛。

1.2.2转录因子传感器

转录因子传感器在第二代生物传感器中应用最多最广泛，因为小分子对转录因子的变构调节是自然界普遍存在的感测机制，且易用于工程细胞中。感测作用是将配体依赖型激活的转录因子与任意输出通量偶联后，在同一启动子的控制下进行转录调节。感测机制传感器设计方法的关键限制因素是响应相关小分子的已知转录因子的数量。目前对已知转录因子

开展了新的感测功能研究，以扩展其在代谢工程中的应用。例如:LuxR是来自费氏弧菌的一个密度感应调控子，会被特异的酰基高丝氨酸内酯(acyl-HSL)激活，从而诱导其调控的操纵子转录。LuxR蛋白在进化过程中在主序列中表现了多样性，以响应acyl-HSL中不同长度和组成的酰基基团。COLLIN等利用LuxR此特点，通过建立LuxR突变文库筛选更广普及更敏感响应acyl-HSLs的突变子，其中筛到的8个LuxR突变子显示对octanoyl-HSL(C8HSL)的灵敏度提高了100倍;同时这些突变子对pentanoyl-HSL(C5HSL)和tetradecanoyl-HSL(C14HSL)敏感性也得到提高，且表现对3OC6HSL的响应较强。

转录因子的表达水平与癌症、炎症、异常激素响应、发育障碍等一系列疾病的发生发展密切相关。目前，转录因子已成为疾病诊断和药物开发的重要生物标志物，因此有必要对其进行特异性、准确度及灵敏度检测。酶催化的荧光分析法因反应效率高、设计灵活而受到欢迎，但存在应用范围窄、可靠性不足等缺陷。限制性内切酶是一类序列特异性的核酸酶，其能且仅能对DNA分子内的特定序列进行识别和切割。由于这类酶催化作用的高度专一性和精确性，它们在构建特异、准确的生物检测平台方面具有很大的应用潜力。除特异性及准确度外，灵敏度也是评价生物分析方法的重要参数之一。信号扩增技术因实现了一个目标物对应多个信号的分析模式而被广泛用于提高检测灵敏度。因此，基于以上改进，第二代生物传感器成为目前使用最多、应用最广泛的传感器，与第一代相比其检测灵敏度、实用性明显提高;但随着纳米技术的发展，科学家将纳米技术与生物传感器结合，设计出了灵敏度更强、化学稳定性更高、生物相容性更好的第三代生物传感器。

1.3第三代生物传感器—纳米生物传感器的应用

近年来将纳米材料引入到第二代生物传感器中，提高了其检测灵敏度和使用性能。广义上的纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1～100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10～100个原子紧密排列在一起的尺度。该尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观物体交界的过渡区域，基于此尺寸的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，因此有着独特的化学性质和物理性质，如表面效应、微尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等，呈现出常规材料不具备的优越性能。将这种新型纳米材料修饰到电极表面可以有效固定生物分子并促进其氧化还原中心与电极之间的直接电子转移，再运用纳米生物传感器亚微米尺寸的换能器、探针和纳米微系统，从而研制成第三代生物传感器。

第三代生物传感器取消了电子中介体，酶和电极之间直接实现电子传递，因此，生物传感器的传导效率更高，受到的干扰更少，准确性更好，应用前景可观。

1.3.1在医学领域的应用

由于各种纳米材料的独特特性和适当的表面修饰，使其能够对具有极高敏感度的分子标记进行诊断。例如:纳米生物传感器通过纳米材料识别疾病相对应的生物标记物，可用于预防和早期发现心血管疾病。同时，纳米生物传感器也显示了对于特定疾病的生物标记物的体内感知能力。在体内环境中，该装置可以监测实时生物信号，例如释放蛋白质或抗体以应对组织损伤、肌肉萎缩、心脏梗塞、炎症或感染。因此，生物传感器具有的独特优势，能够及时告知健康相关信息，使之成为在临床早期疾病检测和治疗的有力工具。在组织工程和再生医学领域其应用亦具有巨大潜力，特别是在微流体组织工程模型中，因为它们可以通过超灵敏的光学、电化学或声学传感系统，在非常低的浓度水平下，在微型化的组织结构中感知特定的生物分子。

1.3.2在食品领域的应用

由于纳米生物传感器有着特异的生物识别功能，选择性高、体积小、结果精确、方便快捷、抗干扰能力强及响应快等特点，使之在食品领域各个方面都有所应用，包括食品成分、品质指标、食品微生物、农/兽药残留、食品添加剂、食品鲜度、激素和非食用化学物质检测等。如纳米金免疫标记分析技术在食品检测方面应用非常广泛，王喜亮等利用胶体金制备免疫金层析快速检测磺胺嘧啶试纸条，该试纸条可在15 min完成对磺胺嘧啶残留的半定量检测，灵敏度为5 ng/mL，与HPLC法对比，二者的符合率高达100%。李梓维依据氯化钠在浓硝酸存在的条件下生成具有强氧化性的亚硝酰氯(NOCL)，它会将负载到聚偏二氟乙烯膜表面的AuNPs刻蚀变小，从而导致颜色变淡的现象开发了金纳米比色法检测氯化钠含量，该方法最低检测限可达0.01%。石墨烯量子点(GQDs)的平均直径为7 nm，可用于制造电化学免疫传感器，也广泛用于检测食品中的真菌毒素，如黄曲霉毒素B1(AFB1)。BHAＲDWAJ等将化学合成的GQDs直接电泳沉积在电极表面，获得均匀的形状、大小和表面形态并具有特异性、稳定性和高灵敏度的免疫传感器。这种电化学免疫传感器检测AFB1的检测下限可达0.03 ng/mL。食品安全以往的检测主要依赖仪器检测，如高效液相色谱、质谱及液质联用等，这些方法的优势是能定性定量且灵敏度高，但检测过程复杂、耗时、不能实现现场检测，且仪器设备价格高昂、对实验操作人员要求较高;第三代纳米生物传感器不仅克服了以上缺陷，而且检测灵敏度大大提升，甚至可达飞克级别，极大拓展了纳米生物传感器的应用范围。

1.3.3在环境监测方面的应用

纳米生物传感器可以检测重金属离子、诱变物、污染物毒性、激素类污染物，这为环境监控提供了有力工具。如金属纳米材料因为其优异的光学性能可以在比色分析法中作为良好的光学信号传导单元，再通过与待测重金属有特异性识别作用的分子结合，可实现对待测重金属高灵敏度以及高选择性的检测。Zhao等通过使用诱导功能化的金纳米颗粒(Au nanoparticle，AuNP)聚集的比色分析法来检测Cr3+和Cr6+，将AuNP与N-苄基-N-4-(吡啶基亚甲基)苯基二硫代氨基甲酸盐［N-benzyl-4-(pyridin-4-ylmethyl)aniline ligand，BP-DTC］连接，从而得到功能化AuNP，检测限可达31 ppb。重金属离子本身的表面增强拉曼散射(surface enhanced ramanscattering，SEＲS)光谱很弱，直接检测重金属离子的SERS信号比较困难，所以使用纳米探针间接测量水环境重金属浓度。Kang等在2014年制备了基于二芴基1，4-二乙炔基苯(DEB)改性的银纳米粒子(AgNP)的SERS探针，用于选择性测定水环境中Hg2+离子，Hg2+与末端乙炔基进行化学反应，形成-C≡C-HgC≡C-键，从而触发AgNP聚集，检测限达到0.8 nmol。

1.3.4其他应用

纳米气体传感器是一种用多壁碳纳米管制作的气敏传感器。多壁碳纳米管具有一定的吸附特性，吸附的气体分子与碳纳米管发生相互作用改变其费米能级，从而引起其宏观电阻发生较大改变，这种改变是气敏传感器可检测气体成分的基本原理。美国研究人员依据该原理研制的“纳米传感器”能够监测太空飞船中的微量气体。该纳米传感器由感应材料的微小的碳纳米管构成，能克服太空飞船发射时的剧烈振动和重力不断变化的问题，完好地探测到微量气体接触到感应材料后引起某种化学反应，使得流经传感器的电流放大或缩小。美国加利福尼亚大学亦研制成功一种能够自动鉴定气体成份的“电子鼻”，其主要由只有2 nm的传感芯片构成，芯片上集成的传感器有大量碳纳米管能够通过电流的变化捕捉到检测对象中的各种气体分子，从而得出气体的具体成分。

纳米材料在各学科领域的研究近年来发展十分迅速，尤其是在灵敏度、检测的选择性和检测限等方面，但是目前纳米材料的使用仍然存在一些问题，如纳米材料修饰电极对特定重金属离子的特异选择性与重复性方面需要进一步提高;复合纳米材料的机制以及特性需要深入研究;对有毒纳米材料如何处理，并且应研究无毒绿色的纳米材料修饰电极。因此，兼顾检测灵敏度与选择性也是未来的研究方向。

2生物传感器的新技术与发展方向

2.1生物传感器新技术

2.1.1比率技术

为避免电化学干扰，引入“比率”这一概念。与传统直接测定电流或者电位等电化学参数分析方法不同，比率型生物传感器引入了参比物质，测定的是响应电流或者响应电位与参比电流或者参比电位的比值及差值，相当于增加了一个内标物，这样可有效避免系统误差，提高准确度。Liu等成功应用单个比率型生物传感器同时测定多种离子，如pH和铜离子、pH和过氧化氢等。但是比率型生物传感器对参比物质要求严苛:(1)稳定性非常好;(2)对待测物没有任何干扰和响应;(3)需要产生可以检测到的电信号;(4)参比峰出峰位置与待测物的响应峰尽可能分开，避免互相干扰。由于要求严苛，至今常用的参比物质只有若干种，而且比率型生物传感器的制备难度高，制约该技术的发展。

2.1.2微型化

为实现对生物活体及细胞的监测，微型化是生物传感器发展趋势之一。微型生物传感器(微电极)是指至少有一维尺寸达到10－6 m数量级的一类电极。当电极达到微电极时，由于扩散效应变化，电化学特性随之显著变化。Zhou等［24］利用微小电极成功测定小鼠脑脊液中活性氧、pH、Cu离子等。微电极为了缩小空间和体积，往往摒弃参比电极只采用双电极体系，因此准确度下降;且微电极制备难度高，稳定性也比常规电极差。

2.1.3生物芯片

生物芯片是指将大量探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的DNA或其他样品分子杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度而获取样品分子的数量和序列信息;是根据生物分子间特异相互作用的原理，将生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对DNA、ＲNA、多肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量快速检测。在食品、医疗、健康等领域都有应用。例如，对动脉粥样硬化小鼠基因组DNA甲基化的DNA测定，关于儿童呼吸道病毒的研究，关于中枢神经系统感染性疾病的研究;测定食品中单核细胞增生李斯特菌。生物芯片技术制备难度大，使用要求高，造价昂贵，国内应用刚刚起步。

2.2生物传感器发展方向

2.2.1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。

2.2.2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诊断，在超市中和市场上能够直接检测食品中农药残留。

2.2.3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，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。

2.2.4高灵敏度化

生物传感器已经发展了几十年，其检测灵敏度有了很大提升;但依然存在分析误差较大、结果可信赖度相对低，主要用于初筛，确证结果有时还要依赖高精端仪器。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，结果稳定性和精确度更好。

生物传感器是一种多学科交叉融合的高科技领域，相比传统技术具有更高的敏感性、准确性、稳定性和实时性，从而被广泛应用，目前已取得良好效果，但仍需提高其检测灵敏度、结果的稳定性和精确度。目前生物传感器的建立复杂，其设计过程中必须评估不同传感器特异性、敏感性、荧光性的响应效应以及不同组分的生物传感器的稳定性、灵敏度、保质期等问题，因此构建并确认一个传感器非常耗时耗力。相信随着科学不断进步，生物传感器将会发展的越来越好，越来越全面，应用也越来越广泛。

来源：ZQY  体外诊断技术支持

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生物传感器 发展：生物传感器的应用现状及发展前景.pptx

生物传感器的应用现状及发展前景
摘要：信息时代到来后，获取准确可靠的信息对现代化生产有着重大作用，而传感器是获取自 然和生产领域中信息的主要途径与手段。其中生物传感器早已渗透到国民经济的各个部门如食品、 制药、化工、医学、环境监测等方面。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、 适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。生物传感器的研究 开发，已成为世界科技发展的新热点。相信不久的将来，生物传感器技术将会出现一个飞跃，达到 与其重要地位相称的新水平。
关键词：生物传感器、应用、前景
一、传感器概述
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规 律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、 记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。国家标准 GB7665-87
对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成 可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
随着新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解 决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与 手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程 中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可 以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
传感器早已渗透到工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊 断、生物工程、甚至文物保护等各个领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚 的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感 器。
由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。 世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃， 达到与其重要地位相称的新水平。
传感器的特点主要有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不 仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为 21 世纪新 的经济增长点。
常见传感器有电阻式传感器、激光传感器、温度传感器、光敏传感器、生物传感器、 压力传感器、超声波测距离传感器、盐浓度传感器以及电导传感器等。
二、生物传感器概述
生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原等）与物理化学换 能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控 方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。
1967 年 S.J.乌普迪克等制出了第一个生物传感器--葡萄糖传感器。将葡萄糖氧化酶 包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成 了这种葡萄糖传感器。
生物传感器的分类：
⑴按照感受器生命物质分类，可分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、;细胞传感器、酶传感器、DNA 传感器等等。
⑵按照传感器检测原理分类，可分为：热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压 电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传 感器等。
⑶按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型和代谢型两种。 生物传感器的特点：
⑴采用固定化生物活性物质作催化剂，试剂可以重复使用，克服了过去酶法分析试 剂费用高和步骤繁琐复杂的缺点。
⑵专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。
⑶分析速度快，可以在一分钟得到结果。
⑷准确度高，一般相对误差可以达到 1%。
⑸操作系统比较简单，容易实现自动分析。
⑹成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。
⑺有的生物传感器能够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。 在生产控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。同时它们还 指明了增加产物得率的方向。
改进方向：
尽管生物传感器技术己经有了 50 多年的发展历史，但离大规模的产业化仍然有一 些问题需要进一步的研究，至少应从以下几个方面来改善它的性能：
稳定性：传感器表面固定化的生物材料易失活，重现性差。因此，在设计时一方 面要高要求的选择生物敏感元件，另外，要采用对生物活性单元有稳定作用的介质克服 生物材料的易变性，因此生物材料在传感器表面的固定化技术一直是研究的重点。
选择性：一是要降低生物活性单元与信号转换器之间的联系以减少干扰，二是要 改善新的活性单元以增加其对目标分子的亲和力，从而提高生物传感器的选择性；
再生性：虽有一些研究表明在实验室可以通过一些方法对传感器进行表面的处 理，但在实际的在线检测中还需要进一步的研究；4)经济性：生物传感

生物传感器 发展：生物传感的发展历程、热点及技术挑战

编者按：生物传感和器官芯片均属于生物器件，是典型的交叉学科产物和汇聚技术。生物传感已经发展了50年，在生命科学研究、疾病诊断与护理、环境监测、生物过程控制中发挥了重要作用。器官芯片则是近年发展起来的新兴技术，是生物芯片新的发展方向，在新药研发、毒理学研究和再生医学等领域有重要应用前景。当前，大健康从概念走向实施，赋予生物传感和器官芯片新的动力，两者融合发展，对生命科学发展和大健康事业有重要意义。《院刊》特策划了“生物传感与器官芯片”专题，旨在进一步引起国家相关管理部门及社会公众对于该领域的关注与重视。本期专题由本刊编委、中科院生物物理所研究员张先恩指导推进。

张先恩

中国科学院生物物理研究所 生物大分子国家重点实验室 中国科学院生物大分子卓越中心

20 世纪 60 年代，美国学者电分析化学专家 Leland C. Clark Jr 提出，对生物化学物质的测定，能否像 pH 电极那样便捷？这导致了酶电极（enzyme electrode）即第一个生物传感器（biosensor）的问世。半个世纪以来，生命科学、化学、物理、信息、材料、仿生等多学科原理和技术纷纷融入，使生物传感发展成为一门典型的汇聚技术（convergence technology）。它被赋予若干特征——简便、灵敏、快速、准确，因而在生命科学研究、疾病诊断与居家监护、生物过程控制、农业与食品安全、环境监测与污染控制、生物安全与生物安保、航天、深海和极地科学等领域展现出广阔的应用前景（表 1）。

当前，随着物联网、大数据和大健康从概念走向实施，生物传感以其合适的技术特色，面临新的发展机遇。通过百度网站搜索“生物传感器”，获得300多万条结果（这还不包括其衍生词），俨然是一个科技热词。

本文将概述生物传感的发展历程，介绍中国学者的学术贡献，并讨论当前发展热点及技术挑战。

1 发展阶段及特点

1.1 第一次发展高潮：各种物理和化学换能原理被采用，推动领域形成

20 世纪 70—80 年代，一方面，各类生物大分子和生物材料被选作用于生物传感器的分子识别元件，包括酶、抗体、核酸、细胞、组织片、微生物、完好（intact）生物器官（如动物神经触角）等，多种生化和免疫物质（即环境化学物质）得以被快速检测。另一方面，众多物理和化学换能器（transducer）原理被纷纷采用，形成生物传感大家族。其中涵盖了从生物量到各种物理量和化学量的转换，包括电化学生物传感、热学生物传感、半导体生物传感（生物场效应晶体管）、光纤生物传感、压电、质量及声波生物传感等。这些新原理生物传感模式各具特色，适合于不同的应用场景，奠定了生物传感领域发展框架（图 1）。

此间有 3 个标志性事件。（1）1985 年生物传感专业刊物 Biosensors（ Elsevier出版）创刊，后更名为Biosensors & Bioelectronics（《生物传感与生物电子学》），成为生物传感领域的权威学术期刊。（2）1987年，第一部生物传感专著——Biosensors: Fundamentals & Applications 出版，该书由 60 多位专家共同撰写，至今仍被认为是生物传感经典著作。（3）1990 年，首届世界生物传感学术大会召开，以后每两年举行 1 次，成为生物传感领域的学术盛会。这 3 个事件意味着生物 传感已经发展成为具有一定规模的研究领域。 Anthony Turner 教授主持了这 3 件事，发挥了重要作用。

1.2 第二次发展高潮：新原理生物传感和DNA芯片促进大规模商业化

（1）第二代酶电极获得商业化成功。20 世纪 80 年代，美国YSI公司（Yellow Spring Instruments Inc.）实现了酶电极在食品发酵行业的商业化应用。然而，早期的酶电极在进一步普及应用的过程中存在两个主要难题：① 所采用的酶多为氧化还原酶，尤其是氧依赖型酶，以氧分子作为电子受体，需要较高的工作电位（0.7 V），容易受其他电极活性物质干扰，而且，样品中本底氧浓度变化也会产生背景噪声。由此，英国学者 Cass 等用合成化学介体二茂铁取代氧分子作为酶催化的电子受体，在较低的工作电位下实现酶与电极之间的电子传递，解决了电极活性物质干扰和氧背景干扰的问题，被称为第二代酶电极。② 酶电极采用手工制作，成本高、互换性较差，推广受限。受到电子行业印刷电路工艺的启发，英国克兰菲尔德大学（Cranfield University）的专家们引入了丝网印刷技术，实现了酶电极的规模化制备。新原理与新技术的结合，成功地解决了上述难题，使生物传感器成为“用过即扔”（disposable）的一次性使用商品。该技术首先用于血糖测定，迅速在医院普及，并广泛用于高血糖患者居家监护。

（2）表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）生物传感器广泛用于生物分子相互作用研究。 在生命科学研究和药物开发中，广泛需要测定（生物）分子相互作用。在SPR 传感器界面上，当入射光发生全内反射时，其光能与器件表面电子云发生共振，共振角度随着器件表面的生物分子与待测分子的相互作用而发生漂移，并呈相关性。测定过程能够动态监测，无须标记样品、监测灵敏度与放射性免疫相当。基于该原理的瑞典 Biacore 生物传感仪（现属 GE 公司）已经成为研究生物分子相互作用的有效工具和主导技术。然而，任何技术都有其生命周期。近 10 年来， ForteBio 公司推出另一种非标记技术——生物膜光相干生物传感器（bio-layer interferometry，BLI）。该方法具有低成本和较高通量的特点，迅速获得普及应用，并与 SPR 生物传感形成竞争态势。

（3）DNA芯片实现基因表达高通量分析。生物芯片（biochips）包括计算机生物芯片、芯片实验室（lab-on-a-chip）和检测芯片。其中检测芯片可以被认为是生物传感的高通量形式。 20 世纪 90 年代中期出现的 DNA 芯片，其微阵列密度高达每平方厘米数万 DNA探针，可一次性地获得全基因组的表达谱图，从而成为生命科学研究的重要工具。美国 Affymetrix 公司是该领域的旗舰企业。在 DNA 微阵列芯片的基础上，发展出了一系列生物芯片，如蛋白芯片、多肽芯片、寡糖芯片、免疫芯片等，广泛应用于科研和临床。源于清华大学的博奥生物等国内研究中心和企业也做出了系列的创新并成功开拓市场。

根据市场分析报告，2014 年，生物传感和生物芯片的全球市场分别为 129 亿和 39 亿美元，预计到 2020 年将分别达到 2 2 5 亿和 1 8 4 亿美元，复合年增长率为 9.7% 和 31.6%，届时总市场规模约为400亿美元。

1.3 第三次发展高潮：纳米技术被普遍用于提升生物传感性能

21 世纪以来，纳米技术的引入赋予了生物传感许多新的特性，如高灵敏、多参数、微环境应用等。纳米效应包括表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当传感器或传感器组件达到纳米尺度时，这些效应便不同程度显现：在纳米尺寸，传感界面表面原子所占的百分数显著增加，传感器的灵敏度也获得提高。小尺寸效应会导致光学性质、热学性质、磁学性质、力学性质等发生变化。例如，半导体纳米悬臂梁，能够称量一个病毒的重量（ 9.5×10^(-15)g）。又如，半导体量子点，在同一个激发波长条件下，发射光频率会随量子点尺寸的改变而变化，通过调节量子点尺寸可以获得不同的发射颜色，这使得多靶标光学测定变得简单。由于量子点比荧光染料和荧光蛋白的抗光漂白的能力要强得多，适合于长时程观察，目前已在生命科学研究和疾病检验方面获得广泛应用。

蛋白质和 DNA 等生物大分子是天然的纳米材料。它们通过自组装，在细胞内形成结构精巧、功能独特的生物传感网络和分子机器系统，保证新陈代谢的有序进行。认识它们的复杂结构和运作机理，对于深入理解生命现象有重要帮助。不仅如此，基于获得的知识，构建纳米生物传感器，或与纳米材料相结合构建杂合纳米生物传感器，特别适合于活细胞中生物学过程和重大疾病发生发展过程的研究。纳米生物传感目前已经有大量研究报道，也成为纳米生物学和纳米生物技术领域的重要研究方向。

据 Web of Science 数据库（Clarivate Analytics）统计，自 2010 年以来，生物传感相关论文 6 万多篇中，纳米生物传感或采用纳米技术的生物传感的论文达到 58%。

2 中国学者的影响力

2.1 论文贡献已进入世界第一方阵，指标领先

中国学者在生物传感领域进步十分显著。用“Biosens”（生物传感*）作为关键词检索 Web of Science文献数据库发现，1990 年中国学者在国际上发表的相关论文数量仅占比 1%，2011 年开始超越美国位居首位，2017 年以来占比已超过 35%，大幅领先于其他国家（图2a），历史论文总数已经与美国持平。此外，在高影响力论文中，中国学者的高被引论文数和热点论文数分别居第 1 和第 2 位（图 2b）。可见，无论是论文总量的贡献，还是高影响力论文的产出，中国学者已经处在世界第一方阵。

2.2 学术上尚待实现卓越与引领，成果转化应有全球化视野

然而，上述数据并非说明中国学者已经处在领域的领导地位。迄今为止，各大类生物传感原理均是由他国学者建立的。近些年，中国学者的高影响力基于 3 个主要原因：（1）研究水平整体提升，这毋庸置疑；（2）研究队伍体量大，其中高水平人员及其原始性研究总数也就比较多；（3）纳米技术在中国迅速发展和普及，新型的纳米材料如石墨烯、碳纳米管、量子点等对提升生物传感器的性能有明显作用，中国的高影响力论文大都与纳米技术有关。

生物传感转化应用与市场开发方面，中国起步晚于欧、美、日。比较成功的如：山东科学院生物研究所的系列酶电极，已经在国内食品发酵行业广泛应用，市场占有率达 90% 以上；部分国产血糖仪产品如三诺、怡成等已进入国内市场的十大销售品牌行列；博奥基因芯片在疾病检测方面已拥有一定的市场。总体而言，生物传感与生物芯片的国际市场，仍由他国跨国公司主导。

由此可见，中国要在生物传感领域进一步提升影响力，需要两手抓：一是巩固已有的成绩，在学术和创新上实现卓越与引领；二是重视转化研究，联手工业界，在全球市场开发方面有更大的作为。

3 当前的研究热点与技术挑战

3.1 穿戴式生物传感器及无创测定

穿戴式传感器系统能够实时地产生个体生命参数，这有两个方面的意义。（1）微观方面。 实时测定疾病标志参数，并通过手机等发射装置将数据发送到医疗数据中心，有利于患者居家监护、个体化医疗和远程医疗。（2）宏观方面。 随着大数据、云计算、物联网等技术与互联网的跨界融合，新技术与新商业模式使疾病的预防、诊断、治疗与控制进入智能化时代。生物传感及生理传感系统与手机联通作为智能终端，将成为健康医疗大数据不可取代的数据源。通过接受、存储、管理和处理分析这些数据，可以对公众健康状况、疾病发生规律进行归纳分析，从而提供更好的疾病防控策略。

目前，体温、脉搏、血压、呼吸频率等生理指标的穿戴式传感器系统已经开始普及。这些指标均可通过物理传感器进行直接测定。而生物传感器的测定对象都在体内，如何实现无创（non-invasive）测定成为主要挑战。

人体生化、免疫等参数和疾病标志物的测定一般要采集血液。对于一些需要日常监控的代谢指标如血糖等，每日采血是一个不小的心理负担和生理负担，大多数患者因对采血的恐惧而放弃日常监控。极微量采血器和高灵敏生物传感器组成的微创检测技术能够有效地减少患者的痛苦，但无创测定技术仍然在探索中。主要有两个技术路径：电化学酶电极方法和光学方法。

3.1.1 酶电极法

由于酶电极法难以经皮测定（percutaneous determination），研究者们试图通过测定其他体液样品来间接反映血液成分。例如，采用电流法或负压法使皮下组织葡萄糖渗出，再用酶电极测定；谷歌（Google）与诺华（Novartis）合作尝试将微型酶电极印制在隐形眼镜片上测定泪液葡萄糖；美国加州大学正在发展能测定汗液生化成分的佩戴式酶电极。间接法除了需要克服各自的技术难题以外，测定结果与血液中相应的物质浓度之间的相关性以及生理意义是主要的科学问题，需要开展大量的基础与临床研究。华中农业大学学者最近利用质谱法分析了汗液外泌体中生化物质的组分，有利于找到汗液中合适的健康或疾病检测指标。

3.1.2 光学法

光学法是利用被检测对象的光谱学特征进行测定，包括弹性光散射法、拉曼光谱方法、原位 SPR 法等。近红外光谱测定血糖已经进行了大量研究。葡萄糖分子在近红外区间有吸收峰，但与水分子、脂肪和血红蛋白等吸收相互重叠，干扰严重，加上皮肤组织的光吸收和光散射大大减弱了本来就比较弱的葡萄糖光吸收信号。此外，皮肤和组织的厚度及结构也因人而异，为获得准确的结果，还需要考虑个体建模。

以色列两家公司分别通过大数据建模和机器学习，创建了两种“学习法”测定血糖技术。 CNOGA 公司产品 TensorTip CoG 设备具有 4 个发光二极管光源，可发送波长 600—1150 nm 的光。当光通过手指，人体组织对光的吸收会使透过光改变颜色，用摄像传感器检测光谱的变化，同时采血测定血糖浓度，以建立血糖与光谱变化的相关性。通过反复学习和处理器的算法，对多达上亿个色彩组合进行分析建模，最终能无创地计算出血糖浓度。另一款产品 Gluco Track 采用多模量方法，在耳垂部位测量超声波、电磁和热量的变化，来计算血糖浓度。由于血液生化标志物浓度一般都很低，加上皮肤厚度、组织结构等生物要素因人而异，学习和建模必须考虑个体差异，这或许会增加普及的难度。

拉曼光谱是一种非弹性散射模量，它的散射光波长不同于照射光波长，其效应源于分子振动与转动。科学家已经获得多种化合物分子的拉曼光谱表征数据和指纹图谱。由于水分子的拉曼散射极弱，拉曼光谱适合于水溶液中有机分子的无标记测定。用拉曼光谱技术在体外测定血糖、尿糖、白蛋白等的含量已有不少报道，测定体内血液组分成为目前的研究热点。但如同中红外和近红外光谱法，拉曼光谱特征信号弱、经皮测定信噪比高，准确度和敏感度受到影响，而且仪器昂贵，暂时难以实际应用。采用表面增强拉曼光谱（SERS）方法可以有选择性地放大靶标生物分子特定发色基团的振动，从而大大提高检测灵敏度。但该方法应如何在体内使用，仍在探索中。

总之，尽管还存在种种难题，智能可穿戴生物传感设备无疑具有重要的价值和发展潜力。相关技术上的突破，将带来医疗模式的深刻变化。

3.2 生物传感器与活体测定

生物传感器在活体测定方面具有重要意义。如神经活动示踪、肿瘤靶标的体内识别、疾病或健康标志物的体内浓度测定等。由于体内环境的复杂性，对生物传感器有特殊的要求，主要难题包括：体内环境和非特异性成分的干扰，测定装置的微型化，无创测定等。

神经递质（如多巴胺）是神经细胞分泌和传递给靶细胞的信息，它们调节人类行为和大脑功能。神经递质的生物合成和代谢转化异常，将导致严重疾病。多巴胺神经传递在动机、学习、认知和运动调节中起主要作用，其水平异常被认为与成瘾行为、神经系统疾病（如帕金森病、阿尔茨海默病和亨廷顿氏病）、精神分裂症和精神病关联。体内测定多巴胺有 3 种方法：（1）微透析采样+电化学法分析，属于微创法，有约 20 分钟的时间滞后。（2）正电子发射断层扫描法（PET），属于无创法，但设备昂贵，耗时长（40 多分钟）。（3）荧光光纤光度法，需要植入，属于微创法，测定适时。由于多巴胺本身是电极活性物质，电化学分析法是目前的主流技术，相关的生物传感器已有酶电极、DNA修饰电极、适配子（Aptamers）修饰电极、分子印迹物（MIPs）修饰电极等。采用纳米材料可以进一步实现微创分析, 高时空分辨和抗电极活性物质干扰是主要研究方向。

已经报道的其他体内测定和示踪的对象还有NO（自由基信使分子）、乙醇与乙醛（神经活性剂）等。

光遗传学（Optogenetic）技术也有可能用于发展活体测定的生物传感。在神经调制的 G 蛋白偶联受体（GPCR）信号过程中，有多种类型的分子光感受器可参与作用，如视蛋白（Opsins）、光活性蛋白、光开关分子和荧光蛋白等。它们或是天然的，或是基因重组的。分子光感受器受外部激发后产生构象变化，触发GPCR信号通路。通过光激发和去光激发，实现细胞信号的调制，从而监视体内神经活动。这类光感受器可以归为分子生物传感器类。

3.3 分子生物传感与细胞分子影像

分子生物传感器是由DNA或蛋白质等生物大分子通过基因重组或DNA合成技术构成的传感器，尤其适合细胞内分子事件的探测。目前广泛应用的分子传感器主要有4类：分子信标（MB）、荧光能量转移系统（FRET）、生物发光能量转移系统（BRET）和双分子荧光互补系统（BiFC）。它们通过自身的构象变化、光反应及光学活性变化来指示靶标生物分子在活细胞中的定位、运动和分布、分子之间相互作用、分子构象变化、酶活性检测、细胞及亚细胞结构对环境变化和外生化合物作用的响应等。分子生物传感器与超分辨显微系统相结合，能够实现单分子事件的成像检测，这是传统的生物传感器难以企及的，对生命科学研究意义重大。目前，超分辨成像是在固定细胞上完成的，活细胞条件下的分子事件探测分辨率刚刚突破显微镜衍射极限（200 nm），如何在活细胞内实现超高时空分辨的分子事件探测，仍然是挑战。

3.4 生物反应工程过程的在线监控

生物反应工程指通过规模化培养微生物、植物或动物细胞来生产工业品、药品或食品等的工艺过程。过程自动控制对提高生产率和节能环保有重要意义。已经实现了物理和化学参数的检测与控制，但生物参数如生物量、代谢物、底物和产物的在线监测仍然是难题，主要障碍是生物元件不耐受生物反应器内部的高温高压灭菌环境。目前的监控方式是在生产过程中从生物反应器中采样分析（又称“离线分析”），或经过滤器做引流分析。此外，由于缺乏合适的酶电极，对微生物中间代谢物的检测也比较困难。借鉴合成生物学手段构建级联（cascade）酶传感器或全细胞代谢生物传感系统，或许能够解决这个问题。生物参数的在线监控是生物反应工程过程实现全流程自动化的最后堡垒，亟待攻克。

3.5 生物传感器与现场监测

生物传感设备因其便携性和测定快速而十分适合现场应用。应用场景如：水体、土壤和大气环境指标（有机物、重金属等）的测定，污水处理工艺过程控制指标监测，农田肥力检测，食品成分、添加剂及污染物的现场检测，生物反恐现场侦检，口岸检疫及违禁化合物检测，特殊环境（如航空、深海、极地等）的生物和环境指标监测，重症患者的床边即时检测（point-of-care testing，POCT）监护等。随着人们生活质量的提升，相关需求越来越旺盛。

3.6 生物传感元件的稳定性研究

生物传感元件的稳定性差仍然是其广泛应用的最主要限制因素。目前有多种解决办法：（1）通过分子进化或蛋白质工程方法提升生物元件的稳定性；（2）嗜极端环境生物的细胞元件通常稳定性较好，可选作生物传感敏感元件；（3）在生物敏感元件的贮存期添加稳定剂和保护剂，以延长货架寿命；（4）利用模拟酶或分子印迹技术取代天然酶，它们的稳定性很好，但需要提升催化活性；（5）核酸适配子（aptamer）的稳定性优于蛋白质分子，已在一些场合取代抗体用作分子识别元件；（6）利用无机纳米材料的类酶效应来取代天然酶（主要是过氧化物酶），这是中国学者的创新性贡献。

4 结语：借力大健康和学科交叉，实现生物传感研究的卓越与引领，并造福社会

在中国，随着经济发展，人们生活水平迅速提高，生活与工作方式改变，疾病谱也发生显著性变化，代谢性疾病、肿瘤、心血管疾病等慢性病成为主要疾病负担。此外，亚健康问题、食品安全问题、环境卫生问题也为全社会所关注。为此，国家颁布了《“健康中国 2030”规划纲要》，健康中国上升为国家战略，推动大健康从概念走向实施，也因此使生物传感研究获得新的动力。生物传感以其快速、准确、便携等诸多特点，在慢病监护与管理、POCT、远程医疗与个体化医疗、食品安全与环境污染监测等，将能发挥独特的作用。为此，建议国家相关计划和专项给予高度关注并加强部署。

生物传感 50 年的持续发展，得益于生命科学、物理学、化学、材料科学和信息技术等多个学科交叉融合。如今，要满足大健康发展的需求，生物传感研究还存在一系列挑战。新时期，合成生物学、人工智能、纳米技术、大数据等新兴学科领域的发展与融合，将可能产生新思想、新原理和新方法，促进生物传感技术难题的解决，并提升生物传感性能、赋予其新的功能和特性。

中国生物传感研究将借助大健康发展的外部动力和新兴与交叉学科发展的内在动力，实现学术上的卓越与引领，并造福社会。

生物传感器 发展：电化学生物传感器发展简介

原标题：电化学生物传感器发展简介

生物传感器技术具有较高专一性和灵敏度，被广泛运用于复杂体系的在线分析和检测，在临床诊断、分析化学、食品检测、医药分析、化工等领域都具有良好发展前景。

生物传感器技术是分析生物科学的一个分支，渗透于分析化学、生物学、生命科学、物理学等多个学科。而对于生物传感器来说主要分为两个部分，分别为识别系统与信号转换系统。

特定物质经过识别系统能与传感器发生特异性反应，是传感器具有识别性的关键，突出了对检测物质的专一性。作为识别系统检测物质可以为蛋白质、酶、抗原抗体、DNA、核酸、生物膜、细胞、组织、微生物等材料，按识别材料的种类就可以将生物传感器分为酶传感器、免疫传感器、细胞传感器等。另一部分信号转换系统是将特定物质与识别系统发生的特异性反应转换为我们能够识别的信息(如光、热、电信息)放大并输出，按信号的转换方式又可以将传感器分为光生物传感器、电化学生物传感器等。

由于电信号具有响应速度快、便于转换获取、数据分析简单直观等特点，电化学生物传感器成为发展最早，研究内容及成果最为丰富，应用最为广泛的传感器。电化学生物传感器主要是以电极作为信息转换材料，将物质特异性反应过程转换为电信号，利用电信号的大小间接的表示反应物的浓度大小。其中，酶电极的发展在生物传感器领域最具有代表性。

酶电极传感器

酶电极是研究最为广泛的生物传感器，其中主要是由于酶具有灵敏度高、专一性好、仪器简单、相应速度快等特点。酶电极生物传感器指的是以生物酶作为识别单元，将生物酶固定于经修饰后的电极表面。当测试底物中存在与生物酶所对应的特定物质会将其催化氧化，反应过程就会在电极表面产生电子交换，通过检测电流的变化情况来反应所发生的化学反应，从而来表示读物质的浓度变化。但是，生物酶通常有一个或几个金属离子构成的氧化还原活性中心，大部分的活性中心都深埋在蛋白质肽链中，使得酶活性中心很难实现与电极表面直接进行电子交换。

为解决酶的活性中心与电极之间的电荷转移问题，生物酶电化学传感器主要发展有三个阶段。

第一阶段的酶电极以氧气作为电子受体，以葡萄糖氧化酶传感器为例，反应过程如(1)、(2)。GOx (FAD) 氧化态葡萄糖酶将葡萄糖氧化为葡萄糖内酯酸，同时还原态酶GOx(FADH2) 将溶液中氧气还原为过氧化氢，通过测定反应过程中氧气或过氧化氢的浓度变化量来间接测定葡萄糖浓度。但这一阶段的传感器极易受环境中氧气的影响，抗干扰能力差。

GOx (FAD) + glucose→GOx(FADH2)+ glucolactone (1)

GOx(FADH2) + O2→GOx(FAD) + H2O2 (2)

第二阶段的传感器是在生物酶与电极之间增加用于电子传递的介体层，替代氧气作为电子受休，克服了受干扰性的问题。利用可快速进行氧化还原反应的介体材料作为酶活性中心与电极表面电子传递的中间体，反应过程如 (3)、(4)、(5)。氧化态酶氧化底物转化为还原态酶，同时将介体物质还原氧化的过程将反应电荷传递至电极表面，通过电荷量来表示反应底物浓度。但介体材料容易扩散，这对介体材料的固定提出了更高要求。

GOx (FAD) + glucose→GOx(FADH2) + glucolactone (3)

GOx(FADH2) + 2Medox + 2e-→GOx (FAD) + 2Medred + 2H+ (4)

2Medred→2Medox + 2e- (5)

第三阶段的酶电极传感器不需要氧或介体作为电子受体，而是利用化学方法把生物酶蛋白肽链打开将酶活性中心暴露或对电极表面进行特殊处理，将生物酶固定于电极表面，在催化氧化反应物的同时直接与电极发生电荷交换，反应过程如(6)、(7)。然而，受生物酶自身性质电子传输效率仍然有限。

GOx (FAD) + glucose→GOx(FADH2)+glucolactone (6)

GOx(FADH2 ) + 2e-→GOx(FAD)+ 2H+ (7)

无酶电极传感器

在酶电极传感器中，酶的活性是决定传感器稳定性、灵敏性的关键因素，但在酶固定过程容易变性失活，同时酶的活性也容易受周围环境如湿度、温度、以及化学因素的影响，并且酶在固定过程中可能出现泄漏，一些生物酶的成本较高。从而提出了利用某些具有多个氧化价态的金属、金属氧化物、合金等作为催化材料代替生物酶固定于电极表面来催化氧化待测物的方法。对于物质在电极表面催化氧化的理论有两种氧化机理被普遍认可。

以葡萄糖在电极表明氧化为例。第一种为相邻位点吸附理论，认为吸附在电极表面的葡萄糖被氧化时，葡萄糖分子中半缩醛碳上的C-H键断裂，氢原子和半缩醛碳同时在电极表面形成化学键，如图1所示。

图1 相邻位点吸附示意

第二种为中间体氧化理论，金属原子在被葡萄糖分子吸附时形成金属离子膜，金属离子将吸附的葡萄糖分子氧化为葡萄糖内酯酸，离子膜在电极表面还原为金属原子从而实现电荷交换，如图2所示。

图2 中间体氧化示意

目前，已有很多对于无酶传感器的研究，葡萄糖无酶传感器研究最为广泛。比如有利用贵金属Pt、Au、Pd作为葡萄糖催化材料制作电极的无酶传感器，过渡金属Ni、Cu以及其氧化物经修饰处理后制作传感器电极，多种金属或氧化为杂化后制作的电极等。虽然，无酶传感器不受酶活性影响，但也存在一些问题，比如贵金属 Pt、Au的成本较高，虽然对葡萄糖具有良好的催化活性，但溶液中的Cl-易在电极表面发生吸附；Pd纳米粒子容易发生聚合；过渡金属Ni、Cu以及其氧化物虽然具有较高灵敏度，但具有对葡萄糖检测的线性范围窄等问题。无酶传感器极易受化学环境影响，对检测环境有较高要求，所以一般都在缓冲溶液中进行检测。返回搜狐，查看更多

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