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生物传感器的基本原理及应用

生物传感器是一种能够将生物学、化学和物理学的信号转化为

电子信号的设备。它通过利用细胞、酶、抗体、DNA等生物分子

特异性识别分析分子，从而实现对特定分子的高灵敏、高选择性

检测。生物传感器由于具有易制备、低成本、高效率、检测稳定

和快速响应等特点，在环境监测、食品安全、医疗诊断等领域得

到了广泛应用。

一、生物传感器的基本原理

生物传感器是利用生物分子对特定分子（分析物）的特异性识

别作用来进行检测分析的一种传感器。其基本原理是基于配体—

受体相互作用的生物学检测方法，其最主要的两个元素是生物分

子（受体）和信号转换器（转换器）。当分析物与生物分子配对

时，生物分子就能够改变原本的电学或光学特性，这种改变可以

被转换器转换为可读取的信号输出。常用的生物分子包括抗体、

DNA、RNA和酶等，常用的信号转换器包括电化学和光学传感器

等。

1.抗体与生物传感器

抗体生物传感器是广泛应用于生物分析领域的一种传感器。T

原位单抗生物传感器被广泛应用于药物、食品及环境中分析物测

定，能够实现对高灵敏、高选择性的检测。抗体生物传感器的检

测过程包括两个步骤：生物分子与分析物的特异性识别和信号转

换。由于抗体对于特异性与亲和力非常强，所以可以实现对分析

物的高灵敏、高选择性检测。

2.DNA生物传感器

DNA是一种具有适应性的高分子生物分子，可以通过特定配对

的碱基与其它DNA分子、RNA分子、蛋白质等生物大分子相互

作用。基于这种特点，发展了大量的DNA生物传感器。DNA生

物传感器的优点在于其对于寡核苷酸寡肽的特异性识别及其大量、

容易制备的DNA库。同时，DNA的亲和力最适pH值稳定，而且

对温度不敏感，这使得DNA生物传感器的检测过程具有高的重复

性和稳定性。

3.酶生物传感器

酶生物传感器是利用酶的催化作用对特定底物进行检测分析的

一种生物传感器。酶催化过程伴随着氧化还原反应、酸碱中和反

应、添加或消耗分子等变化，这些变化能够通过电化学或光学方

法检测和分析。酶生物传感器的优点在于其速度快、选择性高、

灵敏度高、可重复性好等特点，是一种非常优秀的传感器。

二、生物传感器的应用

生物传感器在环境、食品、医疗等领域都具有重要的应用价值。

1.环境监测

生物传感器可以用于水质检测，检测污染物含量，可以把微有

毒材料监测的信息快速返回到生物传感器，并转化为可读信息。

使用草甘膦生物传感器检测水中草甘膦，草甘膦污染的水源也可

以通过生物传感器快速检测并及时排放。同时，通过检测空气中

的气体、有害微生物和化学物质等，为环境监测带来了新的突破。

2.食品安全

生物传感器可以用于食品中的快速检测，减少传统的污染物检

验过程，提升检测速度和灵敏度。其中在检测农药残留、重金属、

真菌毒素、细菌等方面，生物传感器技术已经得到广泛的应用。

3.医疗领域

生物传感器可以应用于医疗领域，特别是病原微生物和肿瘤标

记物的检测，在临床医学上非常有价值。同时，生物传感器还可

以用于检测呼吸性疾病、肝脏疾病、神经系统和心脏系统疾病等。

此外，生物传感器还可以用于排毒、清除浸润性癌细胞、血栓形

成防治等。

总之，生物传感器一直以来在各领域得到了广泛的应用，今后

更是将展现其技术优势及潜力，为人类健康、环境保护和食品安

全提供更好的保障。