什么是生物传感器？

传感器(Sensor)是一个可感知目标物质并输出可分析信号的装置。传感器由敏感元件(Sensing Element)与信号转换器(Transducer)组成。

生物传感器(Biosensor)多了生物两个字，原因在于生物传感器采用生物物质(酶、抗体、核酸)作为传感器的敏感原件。生物敏感元件如何识别目标物质并转换成相应的信号？接下来通过几个案例来理解。

血糖测试纸

血糖测试条是以酶作为敏感元件的生物传感器，其中最常用的酶是葡萄糖氧化酶。人体血糖中的葡萄糖(Glucose)在葡萄糖氧化酶(Glucose Oxidase)的催化下发生反应，产生过氧化氢与葡糖酸。这个过程则是酶对目标物质的识别。

glucose + $O_2 \to H_2O_2$ + gluconic acid

如何将识别结果转化成可分析的信号，即血糖测试纸采用什么信号转换单元？目前最常用的信号转换方式为电化学。从反应式中可观察到：葡萄糖浓度越高，产生的过氧化氢就越多。通过电化学的方法检测过氧化氢浓度，就可以检测出葡萄糖的浓度。市场上最常用的电化学传感器就是丝网印刷电极(Screen Printed Electrode, SPE)。

过氧化氢$H_2O_2$在丝网印刷电极表面发生反应而产生电流。通过测量化学反应的电流就可以确定$H_2O_2$的浓度。最终电流大小与葡萄糖的浓度成正比。这便是电化学检测的原理。

$$H_2O_2 + OH^- \to O_2 + H_2O + 2e-$$

免疫生物传感器

免疫传感器中生物识别单元通常为抗体，抗体会捕获特定的抗原(细菌、病毒、蛋白质等)。这一过程为生物识别过程。

抗体捕获抗原之后，信号如何转换呢？即采用什么信号转换单元？如果是采用光学的信号转换单元，那么需要用另一个标记荧光的抗体再次去捕获抗原，然后再检测荧光的强度。最后通过荧光的强弱去判断目标物质的浓度。胶体金的原理大致就是这样的。

如果是采用电化学的方式，那么就需要标记一个能产生电信号的物质，比如标记电子络合物，比如酶标记的抗体催化底特产生电信号。

现在也在研究免标记(Label Free)的信号转换器。比如SPR，电化学阻抗分析，FET及压电型传感器。