北京研精畢智信息咨詢有限公司每年能夠產(chǎn)出近200份定制化報(bào)告以及上千份細(xì)分市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告。公司構(gòu)建了涵蓋8000萬以上的海外樣本、30萬以上的權(quán)威專家信息以及3600萬以上的國(guó)內(nèi)電話樣本與企業(yè)樣本，為各類研究提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，助力企業(yè)在復(fù)雜多變的市場(chǎng)環(huán)境中穩(wěn)健前行。

隨著生物技術(shù)、材料科學(xué)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，生物傳感器作為一種能夠?qū)⑸镄畔⑥D(zhuǎn)換為可檢測(cè)信號(hào)的分析工具，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，生物傳感器的研究與開發(fā)對(duì)于推動(dòng)醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)等行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

一、生物傳感器行業(yè)概述

1、定義與原理

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告指出，生物傳感器是一種將生物識(shí)別元件與物理或化學(xué)換能器相結(jié)合的分析工具，能夠?qū)⑸锓肿又g的特異性相互作用轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的電信號(hào)、光信號(hào)或其他物理信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的快速、靈敏檢測(cè)。其工作原理基于生物分子識(shí)別元件與目標(biāo)物質(zhì)之間的特異性結(jié)合，以及換能器對(duì)這種結(jié)合所產(chǎn)生的物理或化學(xué)變化的檢測(cè)和轉(zhuǎn)換。

當(dāng)生物傳感器與待測(cè)樣品接觸時(shí)，生物識(shí)別元件（如酶、抗體、核酸等）會(huì)特異性地識(shí)別并結(jié)合目標(biāo)物質(zhì)，形成生物分子復(fù)合物。這種結(jié)合會(huì)引發(fā)一系列物理或化學(xué)變化，如電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)量變化、光吸收或發(fā)射變化等。換能器則將這些變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)、光信號(hào)或其他可測(cè)量的信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大和處理后，最終以直觀的方式顯示出目標(biāo)物質(zhì)的濃度或活性信息。例如，在葡萄糖生物傳感器中，葡萄糖氧化酶作為生物識(shí)別元件，能夠特異性地催化葡萄糖的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生過氧化氫和葡萄糖酸。過氧化氫在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生電流信號(hào)，該信號(hào)的大小與葡萄糖的濃度成正比，通過檢測(cè)電流的大小即可確定葡萄糖的濃度。

2、結(jié)構(gòu)與組成

生物傳感器主要由生物識(shí)別元件、換能器和信號(hào)放大裝置三個(gè)部分組成，生物識(shí)別元件是生物傳感器的核心部分，它能夠特異性地識(shí)別目標(biāo)物質(zhì)，常見的生物識(shí)別元件包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等。這些生物識(shí)別元件通過表面共價(jià)結(jié)合、物理吸附或包埋等方式固定在傳感器的表面，形成一層生物膜。當(dāng)待測(cè)物質(zhì)與生物膜接觸時(shí)，生物識(shí)別元件會(huì)與目標(biāo)物質(zhì)發(fā)生特異性結(jié)合，產(chǎn)生生物學(xué)反應(yīng)。

換能器是將生物識(shí)別元件與目標(biāo)物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的生物學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的物理信號(hào)的裝置。常見的換能器有電化學(xué)電極、光電轉(zhuǎn)換器、熱敏電阻、壓電晶體等。不同類型的換能器適用于不同的生物識(shí)別元件和檢測(cè)需求。例如，電化學(xué)電極適用于檢測(cè)與電化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的生物識(shí)別事件，如酶催化的氧化還原反應(yīng)；光電轉(zhuǎn)換器則適用于檢測(cè)與光信號(hào)變化相關(guān)的生物識(shí)別事件，如熒光標(biāo)記的抗原 - 抗體反應(yīng)。

信號(hào)放大裝置用于將換能器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大和處理，以便于后續(xù)的檢測(cè)和分析。信號(hào)放大裝置通常包括放大器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。放大器用于將微弱的電信號(hào)放大到可檢測(cè)的水平；濾波器用于去除信號(hào)中的噪聲和干擾；模數(shù)轉(zhuǎn)換器則將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

3、分類方式

按生物識(shí)別元件分類

根據(jù)生物識(shí)別元件的不同，生物傳感器可分為酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、免疫傳感器、?xì)胞傳感器和基因傳感器等。酶?jìng)鞲衅骼妹傅奶禺愋源呋饔脕頇z測(cè)底物或抑制劑的濃度。例如，葡萄糖氧化酶?jìng)鞲衅骺捎糜跈z測(cè)血液中的葡萄糖濃度，在臨床診斷中具有重要應(yīng)用。微生物傳感器則利用微生物的代謝活動(dòng)來檢測(cè)環(huán)境中的物質(zhì)。比如，利用固定化的微生物細(xì)胞檢測(cè)水體中的生化需氧量（BOD），能夠快速評(píng)估水質(zhì)的污染程度。免疫傳感器基于抗原 - 抗體的特異性結(jié)合反應(yīng)，用于檢測(cè)生物體內(nèi)的各種抗原或抗體，如在疾病診斷中檢測(cè)病原體的抗體或腫瘤標(biāo)志物。細(xì)胞傳感器以活細(xì)胞為敏感元件，通過監(jiān)測(cè)細(xì)胞的生理活動(dòng)變化來檢測(cè)外界物質(zhì)的影響，可用于藥物篩選和毒性評(píng)估?；騻鞲衅骼煤怂岱肿与s交或核酸擴(kuò)增技術(shù)，檢測(cè)特定的 DNA 或 RNA 序列，在基因診斷、病原體檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

按信號(hào)轉(zhuǎn)換方式分類

按照信號(hào)轉(zhuǎn)換方式，生物傳感器可分為電化學(xué)生物傳感器、光學(xué)型生物傳感器、聲學(xué)型生物傳感器等。電化學(xué)生物傳感器通過檢測(cè)生物識(shí)別過程中產(chǎn)生的電信號(hào)變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的檢測(cè)，包括電位型、電流型、阻抗型等。例如，電位型生物傳感器通過測(cè)量電極表面與溶液之間的電位差變化來檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)，常用于離子濃度的測(cè)定。光學(xué)型生物傳感器利用光信號(hào)的變化來檢測(cè)生物識(shí)別事件，如熒光型、化學(xué)發(fā)光型、表面等離子體共振型等。熒光型生物傳感器通過檢測(cè)熒光信號(hào)的強(qiáng)度、波長(zhǎng)或壽命變化來確定目標(biāo)物質(zhì)的濃度，具有高靈敏度和選擇性。聲學(xué)型生物傳感器則基于聲波在生物材料中的傳播特性變化來檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)，如壓電晶體生物傳感器，通過檢測(cè)壓電晶體的頻率變化來反映生物分子的結(jié)合情況，具有快速、靈敏的特點(diǎn)。

二、生物傳感器行業(yè)技術(shù)進(jìn)展

1、關(guān)鍵技術(shù)突破

據(jù)市場(chǎng)研究報(bào)告進(jìn)行披露，納米技術(shù)在生物傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用取得了顯著成果，極大地提升了生物傳感器的性能。納米材料具有高比表面積、小尺寸效應(yīng)和量子效應(yīng)等獨(dú)特性質(zhì)，使其成為生物傳感器中極具潛力的材料。例如，納米金顆粒由于其良好的生物相容性和獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于生物傳感器的構(gòu)建。在免疫傳感器中，納米金顆?？梢宰鳛闃?biāo)記物，通過與抗體或抗原結(jié)合，增強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)，提高檢測(cè)靈敏度。利用納米金標(biāo)記的免疫層析試紙條，可以快速、靈敏地檢測(cè)食品中的病原體和農(nóng)藥殘留等有害物質(zhì)。

碳納米管和石墨烯等納米材料也在生物傳感器中展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。碳納米管具有良好的導(dǎo)電性和機(jī)械性能，可用于構(gòu)建電化學(xué)生物傳感器的電極材料，提高傳感器的電子傳遞效率和穩(wěn)定性。石墨烯則具有超高的電子遷移率和大的比表面積，能夠顯著增強(qiáng)生物傳感器對(duì)生物分子的吸附和檢測(cè)能力。基于石墨烯的生物傳感器在 DNA 檢測(cè)、蛋白質(zhì)檢測(cè)等方面具有高靈敏度和選擇性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)生物分子的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展為生物傳感器的微型化和集成化提供了有力支持。MEMS 技術(shù)可以在微小的芯片上集成多種功能，如生物分子識(shí)別、信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理等，實(shí)現(xiàn)生物傳感器的小型化和便攜化。通過 MEMS 技術(shù)制備的生物傳感器具有體積小、功耗低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在即時(shí)檢測(cè)（POCT）和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

在醫(yī)療領(lǐng)域，基于 MEMS 技術(shù)的血糖傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)血糖的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，患者只需佩戴小型的傳感器設(shè)備，即可隨時(shí)了解自己的血糖水平，無需頻繁采血進(jìn)行檢測(cè)。MEMS 技術(shù)還可以用于制備生物芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種生物分子的高通量檢測(cè)。通過在芯片上集成多個(gè)微陣列電極或微流控通道，可以同時(shí)檢測(cè)多種疾病標(biāo)志物，提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性，為疾病的早期診斷和個(gè)性化治療提供有力支持。

2、新型生物傳感器研發(fā)

基因編碼型生物傳感器是近年來生物傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，這類生物傳感器利用基因工程技術(shù)，將生物識(shí)別元件與熒光蛋白、酶等報(bào)告分子融合，構(gòu)建出能夠感知細(xì)胞內(nèi)代謝物濃度變化的生物傳感器。基因編碼型生物傳感器具有高特異性、高靈敏度和可遺傳等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞內(nèi)的生理過程，為生命科學(xué)研究提供了重要的工具。

西湖大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明的新型基因編碼的熒光傳感器 Nelle 和 Thyone，分別用于檢測(cè)和可視化活細(xì)胞內(nèi)的支鏈氨基酸和硫酸根離子動(dòng)態(tài)。Nelle 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)支鏈氨基酸分布和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)洞察，有助于研究人員理解細(xì)胞代謝和大腦功能；Thyone 則填補(bǔ)了哺乳動(dòng)物細(xì)胞中硫酸根離子轉(zhuǎn)運(yùn)過程難以可視化的空白，使研究人員能夠使用常規(guī)熒光顯微鏡實(shí)時(shí)觀察硫酸鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。

多功能生物傳感器也是當(dāng)前生物傳感器研發(fā)的重要方向。這類生物傳感器能夠同時(shí)檢測(cè)多種目標(biāo)物質(zhì)或具有多種功能，如檢測(cè)、診斷、治療等，為復(fù)雜疾病的診斷和治療提供了更全面的解決方案。青島科技大學(xué)開發(fā)的基于 ZnIn2S4（ZIS）/ZnS 量子點(diǎn)（QDs）@Au - Ag 的多功能光電化學(xué)（PEC）生物傳感器，與 CRISPR/Cas - 12a 偶聯(lián)，可用于雙靶點(diǎn)檢測(cè)，有效避免臨床測(cè)試中的假陽(yáng)性結(jié)果。北京師范大學(xué)開發(fā)的基于導(dǎo)電 MOF/MXene 的多功能生物傳感器，集汗液電化學(xué)檢測(cè)、電生理信號(hào)采集和電刺激治療于一體，可實(shí)現(xiàn)對(duì)代謝性疾病的診斷和治療。

3、技術(shù)創(chuàng)新挑戰(zhàn)

盡管生物傳感器技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，但在提高靈敏度、穩(wěn)定性和降低成本等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在提高靈敏度方面，雖然納米技術(shù)和新型材料的應(yīng)用在一定程度上提高了生物傳感器的檢測(cè)靈敏度，但對(duì)于一些痕量物質(zhì)的檢測(cè)，仍然難以滿足需求。生物分子之間的相互作用復(fù)雜，容易受到干擾，如何進(jìn)一步提高生物傳感器對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的特異性識(shí)別和檢測(cè)能力，是需要解決的關(guān)鍵問題。

生物傳感器的穩(wěn)定性也是影響其實(shí)際應(yīng)用的重要因素。生物識(shí)別元件的活性和穩(wěn)定性容易受到環(huán)境因素的影響，如溫度、濕度、pH 值等，導(dǎo)致傳感器的性能下降和使用壽命縮短。如何提高生物識(shí)別元件的穩(wěn)定性和生物傳感器的長(zhǎng)期可靠性，是技術(shù)創(chuàng)新的難點(diǎn)之一。

成本問題也是制約生物傳感器廣泛應(yīng)用的重要因素。目前，一些高性能的生物傳感器由于采用了昂貴的材料和復(fù)雜的制備工藝，導(dǎo)致成本較高，難以在大規(guī)模應(yīng)用中推廣。開發(fā)低成本的材料和制備工藝，降低生物傳感器的生產(chǎn)成本，提高其性價(jià)比，是推動(dòng)生物傳感器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵。