一、 生物传感器基础

定义与介绍

生物敏感元件的作用是识别目标物质，主要包括：抗体、酶、核酸、细胞等生物物质；也包括一些类似于生物物质的合成的物质，如适配体（Aptamer）、多肽（Peptide）、MIPs聚合物（molecularly imprinted polymers )。

信号转换装置的作用是将生物敏感元件与目标分子之间的相互作用(Interaction)转换成不同的信号。比如酶催化特定的物质发生化学反应，转换成电信号；生物抗体捕获特定的抗原，然后通过标记的荧光来转化成光信号。

生物传感器的分类：可按生物识别元件分，亦可按换能器分

生物传感器与物理/化学传感器的主要区别在于生物传感器的识别元件是生物物质或者是仿生物物质。

生物敏感元件(Sensing Element)

生物传感器可以按生物敏感元件来分类。如果是以抗体为识别单元的，可称为免疫传感器（Immunosensor）。如果是以酶为识别单元的，可称为酶传感器（Enzyme biosensors）。血糖测试条就是一个酶传感器。如果以核酸作为生物识别物质，则叫核酸传感器（Nucleic Acid-based Biosensors）。下图展示的雅培iStat心肌标志物的检测卡便是一个电化学免疫传感器，利用了抗原抗体的特异性结合。

图片来源于：globalpointofcare.abbott

电化学生物传感器（Electrochemical Biosensors）

信号转换方式采用电化学的生物传感器为电化学生物传感器，也是目前最常见的生物传感器，如血糖的测试纸。血糖测条的生物识别单元是酶，大体可以理解为酶催化葡萄糖发生化学反应，从而产生电子的转移；葡萄糖的浓度越高，电子转移的就越多，电流就越大。【实际上酶催化发生化学反应的电极很难捕获，有兴趣可进一步了解。】

若是按照生物识别元件来划分，电化学生物传感器可进一步分为电化学免疫传感器（Electrochemical Immunosensor），电化学核酸传感器（Electrochemical Nucleic Acid-based Biosensors）等。电化学核酸传感器是技术难度高，是未来POCT检测的重要发展方向，代表企业有美国的Genmark。下图一个生物传感器单次可检测超过20种导致呼吸道感染的细菌或病毒。

来源于Genmark Diagnostics官网

光学生物传感器（Optical Based Biosensor）

信号转换方式采用光学的生物传感器为光学生物传感器。光学是一个大类，可以根据不同的光学原理来区分不同类型的传感器，有些是检测荧光的强弱，有些是酶催化显色，有些是检测吸光度，有些通过电化学发光，有些通过光的折射率或反射率等。

胶体金（学名为免疫层析没定）属于最常见的光学的生物传感器，具体可参考另外两篇文章。

什么是侧流免疫层析测定（lateral flow test，LFT）？

生化诊断，免疫诊断，分子诊断有什么区别？

SRP的全称是表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance），是无标记的光学生物传感器。从技术上讲，SPR 是指一种光学现象，可以通过量子力学原理监测折射率的变化。目标分析物与传感器表面上固定的生物分子相互作用时间，传感器表面的折射率发生变化。通过SPR的技术可以检测出这个光的折射率。

SPR Sensor Chip

二、 生物识别元件

生物识别元件又称为受体，是实现生物传感器特异性检测的关键。按照受体可将生物传感器细分为酶生物传感器（Enzyme Based Biosensors），免疫传感器（Immunosensors），核酸传感器等（Nucleic acid Based Biosensors）。

生物基团固化方式（Immobilization Methods）

为了提高生物传感器的性能，生物识别元件（酶、抗体等）需要以合理的方式固化到换能器上。常见的方式有物理吸附（Adsorption），共价结合（Convalent Bonding），包埋（Entrapment）与交联（Cross Linking）。

吸附是固定生物分子最简单的方法，也最直接的方法，它基于弱键如范德华力、静电和疏水相互作用。 由于不需要额外的试剂，吸附的优点是简单且便宜。并且与其他方法相比，它对酶活性的破坏性较小。 然而，通过这种方法固定的酶由于键合较弱，很容易因实验条件的变化而沉积，例如温度、pH 或离子强度。

共价结合是最广泛的固化方式之一，是在载体和生物分子之间形成共价键。氨基酸侧链的官能团（如羟基、氨基）经常用于结合抗体或酶。

包埋则是用特殊的膜将生物功能基团包裹在工作电极附件，这个膜可以阻止生物基团的扩散，同是允许被检测的物质通过。

图片来源于：peachyessay.com

交联（Cross Linking）是最为普遍的固化方式，先在换能器上固定一个小分子如氨基或羧基，然后再通过这个小分子进一步连接生物识别物质。这个小分子因此也叫Linker，用于连接电极表面与生物物质。

生物识别原理（Principles of Biorecognition）

生物传感器的检测机理取决于生物识别元件对目标检测分子识别与相互作用。酶是生物传感器最常用的生物识别元件，酶的催化过程可以产生很多可以测量的量，如电子，光，热等。酶也具有很高的选择性。临床领域最常用的酶生物传感器已设计用于尿素、乳酸、葡萄糖、谷氨酸和胆固醇。最近，许多研究人员一直在研究基于酶的生物传感器在食物病原体、重金属和杀虫剂领域的检测。

免疫传感器的识别机制取决于因为抗体对蛋白质、病毒、细菌、细胞等的特异性结合。用于免疫传感器开发的抗体有两种：多克隆抗体和单克隆抗体。 多克隆抗体具有高度敏感性，但特异性较低，因为它们可以识别其靶抗原上的不同表位。相比多克隆抗体，单克隆抗体非常适合作为免疫测定中的一抗，能在干扰分子的情况下检测特定抗原。

另一种生物识别机制涉及 DNA 或 RNA 的杂交。两条单链 DNA (ssDNA) 高度特异性结合形成双链 DNA (dsDNA) 的机制被用于核酸生物传感器，核酸因此成为高特异性的生物识别元件。