1生物传感器的发展
使用酶与电极的结合来测定酶底物的方法首先由Clark等人［1］提出。1967年，第一个葡萄糖氧化电极由Updike和Hicks［2］研制成功，他们使用聚丙烯酰胺固定葡萄糖氧化酶，然后再固定到电极上。葡萄糖电极可以定量测定溶液中葡萄糖的含量，标志着生物传感器的发展起点，随后生物传感器迅速发展，各种不同的酶、微生物和细胞等固定到电极上，这些生物传感器具有检测特定底物的功能。现在也开发出了将生物技术与电子技术相结合的新型的生物传感器。
2生物传感器的结构和原理
生物传感器的结构有两个主要的部分：生物反应元件与信号转换器。生物反应元件一般是生物活性物质，比如酶和细胞等，这部分的底物特异性决定了生物传感器的检测底物；信号转换器能将生物膜与底物的反应转化为其他信号，主要有电化学电极、光学检测元件和热敏电阻等几种类型，而且信号强度与被测底物含量成正比，再将信号转化为人可识别的数字或图像，便可直观地了解到所测底物的含量。目前生物传感器主要以生物膜为感应元件，结合在电极表面，再用半渗透膜将电极和生物包裹起来，与被测溶液隔开。待测溶液中的成分透过半透膜，有选择性地与膜上的生物元件相结合，产生生化和电化学反应，产生O2、H2、NH4+和CO2等电化学电极能检测的信号，并转换为电信号，再经仪表二次放大并输出，便可测得待测物含量。
3生物传感器的分类
生物传感器的分类方法有很多种。按照其感受器中所采用的生命物质分为：微生物传感器［3~4］、免疫传感器［5］、组织传感器、细胞传感器、酶传感器和DNA传感器［6］等；按照传感器器件检测的原理分为：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、酶电极生物传感器和介体生物传感器等；按照生物敏感物质相互作用的类型分为：亲和型和代谢型两种。由于生物反应的特异性，每一种底物便对应一大类生物传感器。酶电极根据所用的酶膜的不同便有许多种，例如葡萄糖电极、尿素电极、尿酸电极、胆固醇电极、乳酸电极和丙酮酸电极等。而即使所用的生物膜相同，所用的电极和信号转化器也千差万别，种类繁多，例如葡萄糖电极中有的采用pH值电极或碘离子电极作为转换器的电位型葡萄糖电极，也有用氧电极或过氧化氢电极作为转换器的电流型葡萄糖电极等。总之，由众多于生物元件和电极的多样性，生物传感器种类繁多，使用范围广阔，随着生物传感器的不断发展，还有更多的生物膜和电极被开发出来，种类也会指数增长，生物传感器的应用有巨大的发展前景。
4生物传感器的特点
（1）底物特异选择性。由于生物反应底物的专一性，例如酶电极，只对应某一类底物选择性结合，所以即使被测物中其他物质种类很多，也能精确的测出对应底物物质的含量，受其他因素的影响较小，一般不需要进行样品的预处理，被测组分分离与检查同时完成。（2）检测速度快。检出时间短，不需要很长的反应时间。（3）灵敏度高。很小量的底物含量也可以被精确的检测出来，像目前市场上应用的高精度血糖分析仪，其分析精度可以达到0.5%～2.0%，采用就是固定化酶的生物传感器。（4）体积小。可实现在线连续监测，操作方便、可靠、耗材廉价，便于推广。
5生物传感器的在食品工业中的应用
5.1在食品工业中快速检测与生产监控
与常规的传感器（比如温度传感器、压力传感器等）的主要用途相似，不过不是检测生产温度或压力，而是产品或生产过程中某些物质的检测或监控。日本东洋纺织公司利用氨基酸氧化酶电极检测蛋白质分解率，以便在生产中控制水解蛋白质反应的分解程度。1993年RaduG.L.等人制备酪蛋白检测电极，该电极能在9min内检测出0.1～4.0mg/kg的酪蛋白含量。使用最广泛的是发明最早的糖类生物传感器，主要应用于医疗食品及发酵工业中，不仅能测定食品及原料中的单糖含量，双糖和多糖的也能够测定［7］。在食品工业中，生物传感器不仅是一种快速检测产品含糖量的品质控制方法，更重要的是能对工业生产过程中的中间体进行在线的连续的监控，能在出现问题的开始阶段就及时发现并解决。
5.2食品安全
采用微生物传感器能够检测食品中的微生物数量，若是针对特定的微生物还可以检测出对应菌群，例如大肠杆菌、葡萄糖球菌等的数量，这类传感器主要作为有害微生物的检测手段，而传统的取样平板培养的方法通常需要24h或更长的培养时间，显然微生物传感器更高效快速。韩树波等人研制成功一种新型伏安型细菌总数生物传感器，能够在30min内检测出样品中的总菌数量，适于食品、饮料和环境样品中细菌总数的检测［7］。美国佐治亚科技大学科学家哈特文发明了一种新的生物传感器，可同时检测12种不同的病原体，包括沙门氏菌属和大肠杆菌等［8］。除了有害微生物外，生物传感器也应用于食品中有毒物质的检测，蓖麻毒素、肉毒杆菌毒素B、葡萄球菌毒素和沙蚕毒素的检测都有生物传感器的应用［9］。国外采用枯草杆菌制成的微生物传感器能够在0.8μg/mL范围内的检测出黄曲霉毒素B1［10］。
6存在的问题与前景
虽然生物传感器有巨大的优势并已获得了很大发展，但是目前的生物传感器还存在诸多不足之处，主要表现在生物传感器在工作过程中，生物元件可能与某些物质发生的不可逆结合，造成生物活性的降低或丧失，会严重影响传感器的灵敏度和使用寿命。工业生产中高温高压的环境也对生物传感器的使用有很大限制。提高生物元件的使用寿命，扩大其使用环境条件范围，选择灵活性强、选择性高的传感元件是重要的研究方向。生物传感器具有高效、灵敏、特异、结构小巧和经济实用等优点，
目前已成为检测方面的研究热点。随着研究不断深入，生物传感器将会有更多的发展，使用寿命会更长、适用条件上更加广泛，在食品加工生产领域将有巨大的发展空间，同时也将带来食品生产过程自动化的变革。
作者:常寨成 冯纪网 赵辰龙 许名强 单位:迈安德集团有限公司
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