生物传感器技术概论

逍遥设计自动化

引言
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* G1 D' Q+ b* `& p9 C$ B7 M生物传感器是检测技术的重要创新，用于识别和测量生物相关的目标分析物，包括酶、抗原、DNA、RNA、蛋白质、毒素、病毒和重金属。生物传感器的发展始于1962年，当时Clark和Lyons提出了基于葡萄糖氧化酶-葡萄糖反应的血糖测量传感器[1]。
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图1：生物传感器的示意图，显示关键组件：(a)转换器，(b)放大器，(c)信号处理器，以及(d)用于结果可视化的记录和显示装置。

3 \; u- P+ N4 n* {0 [生物传感器包含四个基本功能元件：目标分析物、生物受体、转换器（将生物响应转换为物理信号）以及放大、存储和可视化测量信号的系统。其工作原理依赖于目标分析物的直接结合或通过生物识别元件的非特异性相互作用。
目标分析物和检测方法
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% ?# m/ r- b/ G; x* m- ]% p  g7 @* \现代生物传感器能够检测多种分析物，灵敏度高，检测限可达飞摩尔（fM）水平。主要目标分析物包括：
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1.重金属离子
虽然某些重金属如铁、锰和锌在低剂量下对生命必需，但汞和铅等即使在低浓度下也会带来严重健康风险。生物传感器可通过多种方法检测这些有毒金属，包括表面声波、基于纳米颗粒的检测和基于DNA的传感方法。

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图2：基于光学转换器的生物传感器方案，展示各种检测方法，包括(A)荧光，(B)化学发光，(C)表面等离子体共振，(D)局域表面等离子体共振，(E)表面增强拉曼散射，以及(F)比色检测。
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2.DNA/RNA检测
. @+ B# _# T# W9 ]% @$ b0 N( Z核酸检测在疾病诊断和监测中发挥关键作用。生物传感器可检测特定的DNA/RNA序列，包括作为各种疾病生物标志物的微RNA。

! K0 @/ K* ^- T  G生物传感器分类为标记式与无标记式检测：

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& g$ \, K( z9 ]1 \# R! y& n* j5 E1 S图3：示意图比较(A)无标记式和(B)标记式生物传感方法，展示检测机制的基本差异。
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3 u( ~' j! \" V4 j无标记式生物传感无需额外分子标记即可直接检测，而标记式方法使用特定标记物提高检测灵敏度。两种方法各具优势。
% d6 P2 Z, k  w3 \' J先进光学生物传感技术
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1.表面等离子体共振（SPR）

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图4：折射测量原理的基本示意图，显示反射系数的角度或波长依赖性中SPR谷的移动，采用Kretschmann棱镜耦合配置。
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4 I) t% r  v( ~1 w8 v% W' vSPR技术由于具有高灵敏度和实时检测能力，已成为生物传感的核心技术。该技术通过测量金属表面附近折射率的变化来检测分子结合事件。
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2.集成光学生物传感器
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' m9 H+ J9 m. F: i! a6 j6 Q1 ]图5：基于微腔谐振器的生物传感器示意图，展示光学组件的集成以增强传感能力。
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2 C6 Y2 F) x5 l* I4 a这些集成系统具有以下优势：
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微型化能力

样品用量需求低

多重检测可能性

通过光学操作提高灵敏度

实时监测能力
7 L* W4 C7 G3 R1 L# f3 F结论

9 k5 N7 u) I1 O  r, S生物传感器技术从简单的葡萄糖检测发展到复杂的多分析物传感平台。集成各种检测方法，从表面等离子体共振到光纤传感，实现了生物检测的高灵敏度和特异性。当前研究重点是开发更紧凑、灵敏和易用的器件，在保持成本效益的同时提供快速准确的结果。

生物传感器在医疗保健、环境监测和食品安全等领域的应用将继续扩大。材料科学、纳米技术和集成光学的进步将进一步提升生物传感器的性能，推动更先进的诊断工具的发展。
参考文献

[1] D. Dadadzhanov, A. Sapunova, A. Dadadzhanova, G. Alexan, and T. Vartanyan, "Biosensors," in On-Chip Photonics, Elsevier Ltd., 2024, ch. 6, pp. 155-188. DOI: 10.1016/B978-0-323-91765-0.00005-0
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