生物敏感材料利用酶、微生物、抗原和細胞等與生物有關連的物質只和某種特定的物質發生生物化學反應，並能將其中的離子濃度、氣體濃度和溫度等物理與化學量變為電信號的材料。這類材料具有選擇性好、感度高、精度高以及用少量的被測物就可進行檢測的特點。常用它製成感測器，主要用於醫療上的檢測、環境上的測量和生物化學方面的測量等。最近已出現將其製成的超小型感測器埋入皮下或筋肉內，可對生物體內的一些指標進行連續檢測。
基本介紹
- 中文名：生物敏感材料
- 外文名：biosensor material
- 原理：物理與化學量變為電信號
- 特點：選擇性好、感度高、精度高
- 套用：感測器
- 領域：醫療
生物敏感材料的發展,生物敏感材料的換能特性,信息轉化的形式,分類,
生物敏感材料的發展
生物感測器的研究起源於20世紀60年代。1962年，Clark和Lyons首次把嫁接酶法和離子敏感氧電極技術結合，在傳統的離子選擇性電極上固定具有生物選擇性的酶而創製了測定葡萄糖含量的酶電極，這就是最初的生物感測器雛形。1967年，Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧電極組裝在一起，製成了第一種生物感測器，即葡萄糖酶感測器，使反覆測量血糖成為可能，代表了生物感測器的誕生。
到目前為止，生物感測器的發展可以大致分為三個階段：第一階段為起步階段(20世紀60～70年代)，此階段的生物感測器由固定了生物成分的非活性基質膜(透析膜或反應膜)和電化學電極所組成，以Clark傳統酶電極為代表；第二階段為生物感測器發展的第一個高潮時期(20世紀70年代末至20世紀80年代)，這一時期的生物感測器將生物成分直接吸附或共價結合到轉化器的表面，而無需非活性的基質膜，測定時不必向樣品中加入其他試劑，以介體酶電極為代表；第三階段為生物感測器發展的第二個高潮時期(20世紀90年代至今)，生物感測器把生物感測成分直接固定在電子元器件上，它們可以直接感知和放大界面物質的變化，從而把生物識別和信號轉換處理結合在一起，以表面電漿和生物晶片為代表，此階段生物感測器的市場開發獲得了顯著成就。
生物敏感材料的換能特性
生物感測器一般由分子識別元件(生物敏感膜或生物功能膜)、信號轉換器及電子放大器組成，分子識別元件，是具有分子識別能力的生物活性物質(如組織切片、細胞、細胞器、細胞膜、酶、抗體、核酸、有機物分子等)；信號轉換器，是將分子識別元件進行識別時所產生的化學的或物理的變化轉換成可用信號的裝置，主要有電化學電極(如電位、電流的測量)、光學檢測元件、熱敏電阻、場效應電晶體、壓電石英晶體及表面等離子共振器件等。當待測物與分子識別元件特異性結合後，所產生的複合物(或光、熱等)通過信號轉換器變為可以輸出的電信號、光信號等，從而達到分析檢測的目的。
信息轉化的形式
生物感測器的轉換部分將生物信息轉變成電信號輸出。按照受體學說，細胞的識別作用是由於嵌合於細胞膜表面的受體與外界的配位體發生了共價結合，通過細胞膜能透性的改變，誘發了一系列電化學過程。膜反應所產生的變化再分別通過電極、半導體器件、熱敏電阻、光敏二極體或聲波檢測器等，轉換成電信號，形成生物感測信息。下面是一些主要的形式：
1)電化學的形式。目前絕大部分的生物感測器工作原理均屬於此類。以酶感測器為例，伴隨著酶的分子識別，生物體中的某些特定物質的量發生增減。用能把這類物質量的改變轉換為電信號的裝置和固定化的酶相結合，常用的轉換方式是通過適合的電極(如離子選擇電極、過氧化氫電極、氫離子電極等)將這種物質的增減變為電信號。另外，細胞感測器和微生物感測器等的工作原理也與此類似。
2)熱變化的形式。有些生物敏感膜在分子識別時伴隨著有熱變化，將熱變為電信號，可由生物敏感膜加上熱敏電阻構成。大多數酶促反應均有熱變化，一般在25～100kJ/mol的範圍。
3)光變化的形式。有些生物敏感膜在分子識別時伴隨著有發光的現象產生，如過氧化氫酶能催化過氧化氫/魯米諾體系發光，因此可參照前述的光一電轉化的模式將光轉換成電信號。例如，將過氧化氫酶膜附著在光纖或光敏二極體等光敏器件的前端，再用光電流檢測裝置，即可測定過氧化氫的含量。許多酶促反應都伴有過氧化氫的產生；又如葡萄糖氧化酶(GOD)在催化葡萄糖氧化時也產生過氧化氫，因此葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶一起做成複合酶膜，則可利用上述方法測定葡萄糖濃度。
4)直接轉換的形式。上述三種原理的生物感測器，都是將分子識別元件中的生物敏感物質與待測物發生化學反應，所產生的化學或物理變化量通過信號轉換器變為電信號進行測量的，這些方式稱為間接測量方式。還有一些生物敏感膜在分子識別時會形成複合體，而這一過程可使酶促反應伴隨有電子轉移、微生細胞的氧化或通過電子傳送體作用在電極表面上直接產生電信號，若在固體表面進行，則固體表面的電位發生變化。將此表面電量的變化量檢出即為直接轉換。
分類
2)根據生物感測器的信號轉換器可分為電化學生物感測器、半導體生物感測器、熱學生物感測器、光學生物感測器、聲學生物感測器等。
3)根據感測器輸出信號的產生方式，可分為生物親合型生物感測器、代謝型或催化型生物感測器等。另外，將以半導體生物感測器和微型生物電極為代表的所有直徑在微米級甚至更小的生物感測器統稱為微型生物感測器(Micro Biosensor)、納米微生物感測器(Nano Biosensor)，此類感測器在活體測定方面具有重要意義。能夠同時測量兩種以上指標或者綜合指標的生物感測器稱為多功能感測器(Muhifunctional Biosensor)，如嗅覺感測器、鮮度感測器、血液成分感測器等。由兩種以上不同分子識別元件組成的生物感測器稱為雜合生物感測器(Hybridized Biosensor)，如多酶感測器、電化學一熱生物感測器、酶一微生物雜合感測器等。
