科技进展

    生物体是由各种精巧的生物传感单元汇集而成的智能化调控体系，从感官传感器（眼、鼻、舌、耳、皮肤等）、昆虫的触角、蝙蝠的超声波、豚类的声呐等到各种细胞、组织、器官和系统，都具有天然的传感与执行机制，用于生理生化、遗传变异和新陈代谢等一切形式的生命活动。

    生物传感器将生物反应与传感技术有机结合起来，定量感知各种生物信息的变化，即利用生物活性的敏感元件构建各类分析装置。生物传感器技术是人工智能的核心、智能化交互的必备，它与化学传感器技术、物理传感器技术构成新时代信息技术的“三驾马车”。

    实际上，生物传感器充当着一个接收器和转换器的角色。科学家们提取出动植物发挥感知作用的活性材料，这包括生物组织、微生物、细胞器、酶、抗体等，同时将生物材料感受到的持续、有规律的信息转换为人们可以理解的信息，将信息通过光学、压电、电化学、温度、电磁等方式展示给人们，为人们的决策提供依据。

    各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜），及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器）。二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

    生物传感器采用的生物活性材料有酶、蛋白质、DNA、RNA、抗体、抗原、细胞器、组织、细胞等。换能器有离子选择性电极、光纤、光敏管、场效应晶体管、压电晶体、微悬臂梁、表面等离子体等。将生物活性材料与换能器有机结合，使生物反应信息转换成光、电等各种可识别的信号，形成了一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。

    生物传感器是典型的交叉学科和汇聚技术，涉及生物学、物理学、化学、材料学、信息学等，自20世纪60年代中期以来，经过50多年的发展已经成为一个涉及内容广泛、多学科介入融合与充满创新活力的前沿科学技术领域。

    在未来知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品安全、药物分析、环境监测、军事生化防护，以及器官芯片、生物计算机等研究领域有着广泛的应用前景。未来，生物传感器的主要应用领域，第一是人体信息检测技术促进医疗健康；第二是环境监测与预报预警；第三是高端科研装备；第四是工业过程信息化、自动化；第五是军事装备。生物传感器的发展方向有三个方面，首先是以纳米技术为核心的生物分子器件，其次是以微细加工技术为依托的精密制造技术，另外是应用服务体系建设。最终目标是在第三代或第四代生物传感器领域引领国际生物传感器技术及产业发展。

    我国生物传感器研究起步于上世纪80年代，90年代产品进入应用，在从无到有的发展史上，一个个“拓荒者”拓展着该领域的广度和深度。我国的生物传感器已经具备了“三宗最”：科研群体国际最大、研究论文国际最多、科研条件国际一流。但由于美国长期主导国际生物传感器市场发展，占国际市场50%以上，而我国却不到10%。目前，作为我国唯一实现生物传感器产业化应用的科研单位，山东省科学院生物所已先后研制出葡萄糖、还原糖、乳酸等多种生化分析传感器，产品占国内食品发酵市场95%以上（其余5%为进口产品），打破了国外技术封锁，为我国生物技术产业的科技进步提供了技术支撑，产生了显著的经济效益和社会效益。

    （中国生物工程学会生物传感、生物芯片与纳米生物技术分会副主任）