用固定化生物成分或生物體作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器（biosensor）。生物傳感器并不專指用于生物技術(shù)領(lǐng)域的傳感器，它的應(yīng)用領(lǐng)域還包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生和食品檢驗(yàn)等。
生物傳感器主要有下面三種分類命名方式：
1．根據(jù)生物傳感器中分子識(shí)別元件即敏感元件可分為五類：酶?jìng)鞲衅鳎?/font>enzymesensor），微生物傳感器（microbial sensor），細(xì)胞傳感器（organall sensor），組織傳感器（tis-sue sensor）和免疫傳感器（immunol sensor）。顯而易見(jiàn)，所應(yīng)用的敏感材料依次為酶、微生物個(gè)體、細(xì)胞器、動(dòng)植物組織、抗原和抗體。
2．根據(jù)生物傳感器的換能器即信號(hào)轉(zhuǎn)換器分類有：生物電極（bioelectrode）傳感器，半導(dǎo)體生物傳感器（semiconduct biosensor），光生物傳感器（optical biosensor），熱生物傳感器（calorimetric biosensor），壓電晶體生物傳感器（piezoelectric biosensor）等，換能器依次為電化學(xué)電極、半導(dǎo)體、光電轉(zhuǎn)換器、熱敏電阻、壓電晶體等。
3．以被測(cè)目標(biāo)與分子識(shí)別元件的相互作用方式進(jìn)行分類有生物親合型生物傳感器（affinity biosensor）。
三種分類方法之間實(shí)際互相交叉使用。
二、生物傳感器基本結(jié)構(gòu)和工作原理
生物傳感器由分子識(shí)別部分（敏感元件）和轉(zhuǎn)換部分（換能器）構(gòu)成，以分子識(shí)別部分去識(shí)別被測(cè)目標(biāo)，是可以引起某種物理變化或化學(xué)變化的主要功能元件。分子識(shí)別部分是生物傳感器選擇性測(cè)定的基礎(chǔ)。
生物體中能夠選擇性地分辯特定物質(zhì)的物質(zhì)有酶、抗體、組織、細(xì)胞等。這些分子識(shí)別功能物質(zhì)通過(guò)識(shí)別過(guò)程可與被測(cè)目標(biāo)結(jié)合成復(fù)合物，如抗體和抗原的結(jié)合，酶與基質(zhì)的結(jié)合。在設(shè)計(jì)生物傳感器時(shí)，選擇適合于測(cè)定對(duì)象的識(shí)別功能物質(zhì)，是極為重要的前提。要考慮到所產(chǎn)生的復(fù)合物的特性。根據(jù)分子識(shí)別功能物質(zhì)制備的敏感元件所引起的化學(xué)變化或物理變化，去選擇換能器，是研制高質(zhì)量生物傳感器的另一重要環(huán)節(jié)。敏感元件中光、熱、化學(xué)物質(zhì)的生成或消耗等會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化量。根據(jù)這些變化量，可以選擇適當(dāng)?shù)膿Q能器。
（一）BOD生物傳感器
BOD標(biāo)準(zhǔn)稀釋法是水體有機(jī)污染的常規(guī)監(jiān)測(cè)方法之一。它需要將含有微生物的水樣在20℃培養(yǎng)5d，需要熟練的操作技巧，操作過(guò)程繁瑣，不能及時(shí)反映水質(zhì)情況。為了簡(jiǎn)單、決速地測(cè)定BOD，產(chǎn)生了BOD生物傳感器，以代替標(biāo)準(zhǔn)稀釋法。
BOD生物傳感器使用的微生物可以是絲孢酵母（Trichosporon cutaneum）。菌體吸附在多孔膜上，室溫下干燥后保存待用。將帶有菌體的多孔膜置于氧電極的Teflon膜上，使菌體處于兩層膜之間。測(cè)量系統(tǒng)包括：帶有夾套的流通池（直徑1.7cm，高0.6cm，體積1.4ml），生物傳感器探頭安裝在流通池內(nèi)；蠕動(dòng)泵；自動(dòng)采樣器和記錄儀。
流通池夾套中水溫恒定于30℃±0.2℃，向流通池中注入氧飽和的磷酸鹽緩沖液（pH7.0，0.1mol/L），流量為1ml/min。電流顯示達(dá)穩(wěn)態(tài)值后，以0.2ml/min的流量向流通池注入樣品溶液，每隔60min注入樣品一次。
將含有葡萄糖和谷氨酸的標(biāo)準(zhǔn)BOD樣品溶液注入測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，這些有機(jī)化合物透過(guò)多孔性膜被固定化的微生物所利用。固定化微生物開(kāi)始消耗氧，引起膜附近溶液的溶解氧含量減少。結(jié)果，氧電極輸出電流隨時(shí)間明顯減小，18min內(nèi)達(dá)到某一穩(wěn)態(tài)值，此時(shí)氧分子向膜內(nèi)的擴(kuò)散和細(xì)胞呼吸之間建立了新的耗氧與供氧的動(dòng)力學(xué)平衡。
穩(wěn)態(tài)電流值的大小取決于樣品溶液的BOD濃度。樣品溶液流過(guò)之后，再將緩沖液通入流通池使傳感器的輸出電流值恢復(fù)到初始水平。生物傳感器的響應(yīng)時(shí)間（達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流所需的時(shí)間）視樣品溶液的種類而異。對(duì)含有乙酸的樣品溶液，響應(yīng)時(shí)間為8min；對(duì)含有葡萄糖的樣品溶液，響應(yīng)時(shí)間為18min。因此，實(shí)驗(yàn)中注入樣品的時(shí)間采用20min。
該生物傳感器的電流差值（初始電流和穩(wěn)態(tài)電流之差）與五天標(biāo)準(zhǔn)稀釋法測(cè)得的BOD濃度之間呈線性關(guān)系。BOD檢測(cè)濃度最低限值為3mg/L。在BOD含量為40mg/L時(shí)，10次實(shí)驗(yàn)中電流差值可以重現(xiàn)（相對(duì)誤差在±6％以內(nèi)）。
�。ǘy(cè)定氨生物傳感器
由固定化硝化細(xì)菌、聚四氟乙稀透氣膜和氧電極所構(gòu)成的生物傳感器可用于氨的測(cè)定。從活性污泥中分離到的硝化細(xì)菌，包括亞硝化單胞菌（Nitrosomonas sp．）和硝化桿菌（Ni-trobacter sp．）被吸附固定在多孔膜上（孔徑0.45μm，厚度150μm），把這種載菌膜裝在氧電極端部，再在菌膜上覆蓋一層透氣膜就制成了氨生物傳感器，硝化細(xì)菌以氨為唯一能源消耗氧。
氨的濃度可通過(guò)檢測(cè)氧電極上的固定化微生物的耗氧量來(lái)測(cè)定。測(cè)定在pH9.0，溫度30℃下進(jìn)行。電流降低值（初始電流值與穩(wěn)態(tài)電流值之差）與氨濃度之間呈線性關(guān)系。檢測(cè)最大濃度為42mg/L，最大電流降低值是4.7μA，檢測(cè)下限為0.1mg/L，（重現(xiàn)性為±5％）。對(duì)各種揮發(fā)性物質(zhì)（如醋酸、乙醇、二甲胺、丁胺等）無(wú)響應(yīng)，表明傳感器選擇性極好。對(duì)33mg/L氨樣品測(cè)定，傳感器輸出電流在長(zhǎng)達(dá)兩周或者1500次以上的測(cè)定中幾乎不變。對(duì)人尿中氨進(jìn)行測(cè)定，生物傳感器法與氨電極法相關(guān)系數(shù)為0.9，該生物傳感器已用于發(fā)酵廠排出液中氨的測(cè)定。
（三）亞硝酸鹽生物傳感器
硝化細(xì)菌利用亞硝酸鹽作為唯一能源，進(jìn)行呼吸作用耗氧，反應(yīng)過(guò)程如下：
使用由固定化硝化細(xì)菌和氧電極構(gòu)成的生物傳感器可以測(cè)定亞硝酸鹽。
帶有固定化硝化細(xì)菌的多孔性膜切成圓片并小心地貼在氧電極表面的Teflon膜上，然后再蓋上一層透氣膜（0.5μm孔徑）并用橡膠環(huán)固定好即可制成亞硝酸鹽傳感器探頭，它的測(cè)量系統(tǒng)包括：帶夾套的流通池（直徑23mm，高10mm，液體體積1ml），生物傳感器探頭置于其中；蠕動(dòng)泵；放大器和記錄儀。
通過(guò)水浴使流通池的溫度保持在30℃±1℃。以1.6ml/min的流量將氧飽和的緩沖液（pH2.0）輸入流通池，待電極電流達(dá)到某一穩(wěn)態(tài)值后，以0.4ml/min的流量將樣品溶液送入流通池，歷時(shí)2min。
樣品溶液（亞硝酸鈉溶液）送入流通池后，在pH2.0的條件下亞硝酸離子轉(zhuǎn)變成二氧化氮，然后二氧化氮通過(guò)透氣膜。在硝化細(xì)菌層內(nèi)二氧化氮又轉(zhuǎn)變成亞硝酸離子。亞硝酸離子被硝化細(xì)菌作為唯一的能源而被代謝。通過(guò)氧電極測(cè)出細(xì)菌膜附近的溶液的溶解氧消耗，由氧電極的電流降低值可以間接測(cè)定亞硝酸鹽的濃度。
該傳感器的電流隨時(shí)間明顯地減小，直到某一穩(wěn)態(tài)值。10min之內(nèi)可得到穩(wěn)態(tài)電流。
初始電流與穩(wěn)態(tài)電流之差和亞硝酸鹽的濃度（在59mmol/L以下）之間呈線性關(guān)系。亞硝酸鹽的最低檢測(cè)濃度為0.1mmol/L。用0.25mmol/L的亞硝酸鈉溶液測(cè)定時(shí)，25次實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是0.01mmol/L，相對(duì)誤差±4％。
溶液中含有各種不同的物質(zhì)并不影響到這種生物傳感器的測(cè)量效果。同一濃度樣品，在21d內(nèi)經(jīng)400次以上重復(fù)測(cè)定，傳感器的電流輸出幾乎不變。
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在乙醇氧化酶、水和氧存在的情況下，乙醇被氧化成乙醛和過(guò)氧化氫的反應(yīng)過(guò)程如下：
由固定化酶膜和過(guò)氧化氫電極可以組合構(gòu)成乙醇生物傳感器。
將350單位的乙醇氧化酶和1ml5％（V/V）的聚乙烯亞胺及3mg牛血清白蛋白溶液混合，并加入0.2ml 15％（V/V）的戊二醛溶液。在5℃存放4h。再將這種酶的混合物包在聚碳酸脂膜和醋酸纖維素膜之間，并在5℃風(fēng)干24h。這些膜再用0.02％（V/V）的戊二醛溶液處理，并用磷酸鹽緩沖液（0.05mol/L，pH 7.0）洗滌之后，獲得該傳感器的探頭。它的測(cè)量系統(tǒng)主要包括：帶夾套的流通池、蠕動(dòng)泵、自動(dòng)進(jìn)樣器、放大器和記錄儀。
在0～3.0％（V/V）濃度范圍內(nèi)觀測(cè)到的電流增加值和乙醇濃度呈線性關(guān)系。但在3.0％（V/V）濃度以上，是呈非線性的。
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甲烷氧化菌同化甲烷時(shí)因呼吸而耗氧，其反應(yīng)式如下：
制備此傳感器所用細(xì)菌是甲基單胞菌（Methylomonas）。
測(cè)量系統(tǒng)包括兩個(gè)氧電極、兩個(gè)反應(yīng)器、一個(gè)電流放大器、兩臺(tái)真空泵和一個(gè)記錄儀，兩反應(yīng)器容積均為55ml，各含41ml培養(yǎng)液。一個(gè)反應(yīng)器載有細(xì)菌細(xì)胞，另一個(gè)反應(yīng)器中沒(méi)有細(xì)菌細(xì)胞。把兩支氧電極分別安裝在兩個(gè)測(cè)量池中，用玻璃管或聚四氟乙烯管把測(cè)量池與整個(gè)系統(tǒng)連接起來(lái)。一個(gè)真空泵的用途是抽空管中的氣體，另一個(gè)泵的作用是向系統(tǒng)中輸送氣體樣品。整個(gè)系統(tǒng)保持嚴(yán)密性，不漏氣，設(shè)計(jì)線路保持測(cè)量線路和參比線路的對(duì)稱性。反應(yīng)池外用恒溫水浴控制在30℃±0.1℃。
甲烷傳感器測(cè)量的是兩個(gè)反應(yīng)池中氧電極電流差值，電流值差由含氧量不同而引起。當(dāng)含有甲烷的氣體樣品流過(guò)有細(xì)菌的反應(yīng)池時(shí)，甲烷被細(xì)菌同化，引起細(xì)菌呼吸性增加，這樣該反應(yīng)池中氧電極電流減少至最低穩(wěn)定狀態(tài)。而另一支氧電極所在的反應(yīng)池中不含有細(xì)菌，氧含量及電流值均不減少，所以兩個(gè)電極電流之間的最大差值與氣體樣品中甲烷含量有關(guān)。
此傳感器系統(tǒng)在甲烷濃度為0～6.6mmol/L范圍內(nèi)與電流差值有良好的線性關(guān)系，電流差值變化范圍是0～3.5μA，可檢測(cè)的最低濃度是5μmol/L，測(cè)定0.66mmol/L的樣品（25個(gè)）時(shí)，電流差值的重現(xiàn)性在5％以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)偏差是9.40nA。測(cè)定甲烷的響應(yīng)時(shí)間在60sec內(nèi)恢復(fù)到最初的平衡值，因此，測(cè)定一個(gè)樣品的總時(shí)間是2min。
生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的信息是多元化的，微電子學(xué)和現(xiàn)代傳感技術(shù)的成果已為檢測(cè)這些信息提供了豐富的手段。
三、生物傳感器應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)例