《生物传感器》生物传感器产业现状和发展前景

生物传感器产业现状和发展前景 1.1生物传感器概述 生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域,它与生物信息学、生物芯片、生 物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起,处在生命科学和信息科学的交叉区域。它们 的共同特征是:探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等 基本规律,探讨应用于人类经济活动的基本方法。生物传感器技术的研究重点是:广泛地 应用各种生物活性材料与传感器结合,研究和开发具有识别功能的换能器,并成为制造新 型的分析仪器和分析方法的原创技术,研究和开发它们的应用。生物传感器中应用的生物 活性材料对象范围包括生物大分子、细胞、细胞器、组织、器官等,以及人工合成的分子 印迹聚合物( molecularly imprinied polymer,MIP)。由于研究DNA分子或蛋白质分子的 识别技术已形成生物芯片(DNA芯片、蛋白质芯片)独立学科领域,本文对这些领域将不 进行讨论 生物传感器硏究起源于20世纪的60年代,1967年 Updike和 Hicks把葡萄糖氧化酶 (GOD)固定化膜和氧电极组装在一起,首先制成了第一种生物传感器,即葡萄糖酶电极。 到80年代生物传感器研究领域已基本形成。其标志性事件是:1985年“生物传感器”国 际刊物在英国创刊;1987年生物传感器经典著作在牛津出版社出版;1990年首届世界生 物传感器学术大会在新加坡召开,并且确定以后每隔二年召开一次 此后包括酶传感器的生物传感器研究逐渐兴旺起来,从用一种或多种酶作为分子识别 元件的传感器,逐渐发展设计出用其他的生物分子作识别元件的传感器,例如酶一底物 酶一辅酶、抗原一抗体、激素一受体、DNA双螺旋拆分的分子等,把它们的一方固定化后 都可能作为分子识别元件来选择地测量另一方。除了生物大分子以外,还可以用细胞器、 细胞、组织、微生物等具有对环境中某些成分识别功能的元件来作识别元件。甚至可以用 人工合成的受体分子与传感器结合来测定微生物、细胞和相关的生物分子 与生物活性材料组合的传感器可以是多种类型的物理或化学传感器,如电化学(电位 测定、电导测定、阻抗测定)、光学(光致发光、共振表面等离子体)、机械(杠杆、压

生物传感器产业现状和发展前景 1.1 生物传感器概述 生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域，它与生物信息学、生物芯片、生 物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。它们 的共同特征是：探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等 基本规律,探讨应用于人类经济活动的基本方法。生物传感器技术的研究重点是：广泛地 应用各种生物活性材料与传感器结合，研究和开发具有识别功能的换能器，并成为制造新 型的分析仪器和分析方法的原创技术，研究和开发它们的应用。生物传感器中应用的生物 活性材料对象范围包括生物大分子、细胞、细胞器、组织、器官等，以及人工合成的分子 印迹聚合物(molecularly imprinied polymer，MIP)。由于研究 DNA 分子或蛋白质分子的 识别技术已形成生物芯片（DNA 芯片、蛋白质芯片）独立学科领域，本文对这些领域将不 进行讨论。 生物传感器研究起源于 20 世纪的 60 年代，1967 年 Updike 和 Hicks 把葡萄糖氧化酶 (GOD)固定化膜和氧电极组装在一起，首先制成了第一种生物传感器，即葡萄糖酶电极。 到 80 年代生物传感器研究领域已基本形成。其标志性事件是：1985 年“生物传感器”国 际刊物在英国创刊；1987 年生物传感器经典著作在牛津出版社出版；1990 年首届世界生 物传感器学术大会在新加坡召开，并且确定以后每隔二年召开一次。 此后包括酶传感器的生物传感器研究逐渐兴旺起来，从用一种或多种酶作为分子识别 元件的传感器，逐渐发展设计出用其他的生物分子作识别元件的传感器，例如酶—底物、 酶—辅酶、抗原—抗体、激素—受体、DNA 双螺旋拆分的分子等，把它们的一方固定化后 都可能作为分子识别元件来选择地测量另一方。除了生物大分子以外，还可以用细胞器、 细胞、组织、微生物等具有对环境中某些成分识别功能的元件来作识别元件。甚至可以用 人工合成的受体分子与传感器结合来测定微生物、细胞和相关的生物分子。 与生物活性材料组合的传感器可以是多种类型的物理或化学传感器，如电化学（电位 测定、电导测定、阻抗测定）、光学（光致发光、共振表面等离子体）、机械（杠杆、压

电反应)、热(热敏电阻)或者电(离子或者酶场效应晶体管)等等。所有这些具有生物 识别功能的组合体通称为生物传感器。 按期召开的世界生物传感器学术大会记录了生物传感器技术发展的历程,总汇了这 领域的发展新动向。例如1992年在德国慕尼黑“国际生物传感器流动注射分析与生物工 艺控制”学术会议上对生物工艺控制和在线系统进行研讨,至今仍作为研究者攻关的课题。 2004年在西班牙格拉纳达会展中心召开的第八届世界生物传感器大会可以说是世界生物 分析系统领域的一次大的盛会[1],参会代表人数和发表论文数量都创造了历史新高。 共有700余名来自世界各地的学者参加了本届大会,第八届世界生物传感器大会涉及领域 内容空前广泛,对9个专题进行了分组讨论。包括核酸传感器和DNA芯片、免疫传感器、 酶传感器、组织和全细胞传感器、用于生物传感器的天然与合成受体、新的信号转导技术、 系统整合/蛋白质组学/单细胞分析、生物电化学/生物燃料/微分析系统、商业发展和市场 其中,单分子/细胞分析和生物印迹生物传感器由于它们良好的发展态势及在生命科学研 究中的重要位置成为与会学者讨论的热点问题。 1.2中国生物传感器技术发展的过程 中国生物传感器研究始于20世纪八十年代初,从事生物传感器研究的科研机构有中 国科学院微生物所、中国科学院上海生化所、上海冶金所、中国科学院武汉病毒所、华东 理工大学和山东省科学院生物研究所等单位,直至今日,这些单位仍在生物传感器领域进 行着创新研究和开发。最早展开生物传感器的研讨活动是1986年由中国微生物协会酶工 程专业技术委员会组织的第一届工业生化及酶工程全国学术会议。中国酶工程专业技术委 员对这一领域的国内外学术交流起到很好的作用,其活动包括定期召开的全国性酶工程学 术会议和每隔二年一次的中日酶工程学术会议,其中生物传感器都是重要的研讨议题。 20世纪九十年代至今我国生物传感器研究队伍逐渐扩大,其标志之一是近10年来在 中国国内期刊上发表的以生物传感器为关键詞的论文总数达到650篇,其中203年的论 文数量比1994年增加了约一倍(表3-30)。近十年的该领域专家的研究背景也从生物学扩 大到化学和电子学。1999年这一领域主要研究单位和专家集体编撰的专著“中国生物传感 器进展”一书在美国出版[2],表明了生物传感器领域学科相互交叉的趋势。表3-31列

电反应）、热（热敏电阻）或者电（离子或者酶场效应晶体管）等等。所有这些具有生物 识别功能的组合体通称为生物传感器。 按期召开的世界生物传感器学术大会记录了生物传感器技术发展的历程，总汇了这一 领域的发展新动向。例如 1992 年在德国慕尼黑“国际生物传感器流动注射分析与生物工 艺控制”学术会议上对生物工艺控制和在线系统进行研讨，至今仍作为研究者攻关的课题。 2004 年在西班牙格拉纳达会展中心召开的第八届世界生物传感器大会可以说是世界生物 分析系统领域的一次大的盛会［1］，参会代表人数和发表论文数量都创造了历史新高。 共有 700 余名来自世界各地的学者参加了本届大会，第八届世界生物传感器大会涉及领域 内容空前广泛，对 9 个专题进行了分组讨论。包括核酸传感器和 DNA 芯片、免疫传感器、 酶传感器、组织和全细胞传感器、用于生物传感器的天然与合成受体、新的信号转导技术、 系统整合/蛋白质组学/单细胞分析、生物电化学/生物燃料/微分析系统、商业发展和市场。 其中，单分子/细胞分析和生物印迹生物传感器由于它们良好的发展态势及在生命科学研 究中的重要位置成为与会学者讨论的热点问题。 1.2 中国生物传感器技术发展的过程 中国生物传感器研究始于 20 世纪八十年代初，从事生物传感器研究的科研机构有中 国科学院微生物所、中国科学院上海生化所、上海冶金所、中国科学院武汉病毒所、华东 理工大学和山东省科学院生物研究所等单位，直至今日，这些单位仍在生物传感器领域进 行着创新研究和开发。最早展开生物传感器的研讨活动是 1986 年由中国微生物协会酶工 程专业技术委员会组织的第一届工业生化及酶工程全国学术会议。中国酶工程专业技术委 员对这一领域的国内外学术交流起到很好的作用，其活动包括定期召开的全国性酶工程学 术会议和每隔二年一次的中日酶工程学术会议，其中生物传感器都是重要的研讨议题。 20 世纪九十年代至今我国生物传感器研究队伍逐渐扩大，其标志之一是近 10 年来在 中国国内期刊上发表的以生物传感器为关键詞的论文总数达到 650 篇，其中 2003 年的论 文数量比 1994 年增加了约一倍(表 3-30)。近十年的该领域专家的研究背景也从生物学扩 大到化学和电子学。1999 年这一领域主要研究单位和专家集体编撰的专著“中国生物传感 器进展”一书在美国出版［2］，表明了生物传感器领域学科相互交叉的趋势。表 3-31 列

出了我国生物传感器的有代表性的主要研究机构。 表3-30近十年来在中国期刊发表的生物传感器论文 年份 1994199919819999899g000012002200 文数量 4864 47 56 l1890 表3-31我国生物传感器领域的主要研究机构 单位 研究方向 中国科学院微生物所 临床诊断分析用生物传感器 中国科学院武汉病毒所 物传感器和生物芯片、分析用酶的分子工程,BOD微生物传感器 手掌型血糖分析仪研制 山东省科学院生物研究所山东固定化酶生物传感分析系统及其应用 省生物传感器重点实验室主任 物传感在线分析系统、系列化生物传感分析仪器的制造技术 列化固定化酶膜及配套试剂盒 清华大学生物技术系生物膜重用于分子识别分析的SPR生物传感器的研制和应用 点实验室 上海工业微生物研究所 手掌型血糖分析仪研制和产业化 中国科学院上海生化所 生物传感器技术的最新发展 中国科学院电子学研究所传感氢离子敏场效应管,仿生生物传感器,小型台式SPR测试仪,微全 技术国家重点实验室 分析系统 上海冶金研究所 物传感器技术的最新发展 中国科学院长春应用化学所主编的中国生物传感器进展一书在美国出版,BC微生物传感器 基于化学修饰电极的电流型酶电极 华东师范大化学系 基于化学修饰电极的电化学生物传感器 复旦大学化学系 电化学的酶、组织、微生物传感器 湖南大学化工系 织、免疫传感器 湖南师范大学化学研究所压电化学与生物传感,提出了完整的压电晶体液相振荡性能定量关

出了我国生物传感器的有代表性的主要研究机构。 表 3-30 近十年来在中国期刊发表的生物传感器论文 年份 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 论文数量 48 64 36 47 51 56 67 66 118 90 表 3-31 我国生物传感器领域的主要研究机构 单位 研究方向 中国科学院微生物所 临床诊断分析用生物传感器 中国科学院武汉病毒所 生物传感器和生物芯片、分析用酶的分子工程，BOD 微生物传感器， 手掌型血糖分析仪研制 山东省科学院生物研究所山东 省生物传感器重点实验室主任 固定化酶生物传感分析系统及其应用 生物传感在线分析系统、系列化生物传感分析仪器的制造技术、系 列化固定化酶膜及配套试剂盒 清华大学生物技术系生物膜重 点实验室 用于分子识别分析的 SPR 生物传感器的研制和应用 上海工业微生物研究所 手掌型血糖分析仪研制和产业化 中国科学院上海生化所 生物传感器技术的最新发展 中国科学院电子学研究所传感 技术国家重点实验室 氢离子敏场效应管，仿生生物传感器，小型台式 SPR 测试仪,微全 分析系统 上海冶金研究所 生物传感器技术的最新发展 中国科学院长春应用化学所 主编的中国生物传感器进展一书在美国出版，BOD 微生物传感器 基于化学修饰电极的电流型酶电极 华东师范大化学系 基于化学修饰电极的电化学生物传感器 复旦大学化学系 电化学的酶、组织、微生物传感器 湖南大学化工系 组织、免疫传感器 湖南师范大学化学研究所 压电化学与生物传感，提出了完整的压电晶体液相振荡性能定量关

式 陕西师范大学化学系 光生物传感器 浙江大学教育部生物传感器国嗅觉和味觉生化传感器 家专业实验室 上海师范大学化学系 微生物传感器的发展 河北科技大学 BOD微生物传感器 南开大学生命科学学院教育部体内药物传感器的开发研究 生物活性材料重点实验室 1.3我国生物传感器产业化的现状 当前我国生物传感器产业化现状和市场特点是:我国自主研发生物传感器产品及跨国 企业集团在中国推出的产品共存并相互竞争。一些掌握生物传感器技术的跨国大企业集 团,看好被称为“世界工厂”的中国市场,采取技术输出的途径,吸收我国的技术力量和 销售途径,在我国市场上进行生物传感器的开发、产品制造和销售。一部份海外留学归国 的生物传感器专门人才也将自己的成果在中国转化并设厂办企业。家用保健类生物传感器 技术已率先较好地实现了产业化突破,取得了显著经济效益。固定化酶生物传感器作为」 类多品种的精密科学仪器,支撑了一部份生物技术过程检测,对传统生物产业技术改造具 有重要意义。我国生物传感器产业表现的空前繁荣景象代表了当前世界生物传感器产业的 主要潮流。中国已产业化和应用的主要生物传感器种类见表3-32 表3-32中国已产业化和应用的主要生物传感器种类 生物传感器种类研究、生产或研制单位开始完成时间年产值或市场规模分析 手掌型血糖分析器海工业微生物研究所(新立),1996年至今估测,2003年销售量为1亿元 民币(含进口产品) 中国科学院武汉病毒所,长沙三 诺公司,北京世安公司 胰岛素泵 北京鼎涛医疗器械公司 2002年 2003年销售量已达到1亿元人 民币。(含国外厂商进口产品)

系式 陕西师范大学化学系 光生物传感器 浙江大学教育部生物传感器国 家专业实验室 嗅觉和味觉生化传感器 上海师范大学化学系 微生物传感器的发展 河北科技大学 BOD 微生物传感器 南开大学生命科学学院教育部 生物活性材料重点实验室 体内药物传感器的开发研究 1.3 我国生物传感器产业化的现状 当前我国生物传感器产业化现状和市场特点是：我国自主研发生物传感器产品及跨国 企业集团在中国推出的产品共存并相互竞争。一些掌握生物传感器技术的跨国大企业集 团，看好被称为“世界工厂”的中国市场，采取技术输出的途径，吸收我国的技术力量和 销售途径，在我国市场上进行生物传感器的开发、产品制造和销售。一部份海外留学归国 的生物传感器专门人才也将自己的成果在中国转化并设厂办企业。家用保健类生物传感器 技术已率先较好地实现了产业化突破，取得了显著经济效益。固定化酶生物传感器作为一 类多品种的精密科学仪器，支撑了一部份生物技术过程检测，对传统生物产业技术改造具 有重要意义。我国生物传感器产业表现的空前繁荣景象代表了当前世界生物传感器产业的 主要潮流。中国已产业化和应用的主要生物传感器种类见表 3-32。 表 3-32 中国已产业化和应用的主要生物传感器种类 生物传感器种类 研究、生产或研制单位 开始完成时间 年产值或市场规模分析 手掌型血糖分析器 上海工业微生物研究所(新立)， 中国科学院武汉病毒所，长沙三 诺公司，北京世安公司 1996 年至今 估测，2003 年销售量为 1 亿元 人民币(含进口产品) 胰岛素泵 北京鼎涛医疗器械公司 2002 年 2003年销售量已达到1亿元人 民币。(含国外厂商进口产品)

株海福尼亚医疗设备有限公司 固定化酶生物传感山东省科学院生物研究所,山东1989年至今共供应各类固定化酶分析仪 分析仪和系统省生物传感器重点实验室 423台套,年完成分析200万 次,产值120万元人民币 BOD微生物传感器中国科学院武汉病毒所中国科1990年至今小规模应用 院长春应用化学所、清华大学 环境系、河北科技大学、江苏分 仪器厂等 SP生物传感器清华大学生物技术学院,中国科1998年至今实验室规模应用与推广 学院电子研究所 1.3.1家用医疗保健类生物传感器 生命科学等新兴学科的发展正越来越显著地提髙着人们的生活质量和工作效率,给人 类生活和生产带来深刻的革命性变化。在生物传感器领域中产生较大经济效益产业的典型 代表产品是手掌型血糖分析仪以及相关的胰岛素泵,它们在改善糖尿病人的健康方面起到 了非常重要的作用。 20世纪七十年代,当葡萄糖传感器开始用于血糖的分析后,研究者目光已集中到糖尿 病相关的血糖检测技术上,并和胰岛素给药方式相联系,提出研制闭环式人工胰岛的设想。 30多年来,研制闭环式人工胰岛努力从未间断。虽然至今还不能成功地推出人工胰岛产品, 却发展出二个相关独立的大产业:手掌型血糖分析器和胰岛素泵产业。二者在全世界都已 发展成几十亿美元的产业规模。 13.1.1手掌型血糖分析器 糖尿病人可以自测的手掌型血糖分析器已经达到大规模应用的程度。在上世纪70年 代血糖自我监测仪器就已问市,使血糖的检验由医院延伸到家中。80年新一代血糖及操 作技术简单化,使得自我监测血糖的准确度提高了。研究者最初沿着干化学试剂条测定尿 糖浓度的思路,采用酶法葡萄糖分析技术、并结合丝网印刷和微电子技术制作的电极,以

珠海福尼亚医疗设备有限公司 固定化酶生物传感 分析仪和系统 山东省科学院生物研究所，山东 省生物传感器重点实验室 1989 年至今 共供应各类固定化酶分析仪 423 台套，年完成分析 200 万 次，产值 120 万元人民币 BOD 微生物传感器 中国科学院武汉病毒所、中国科 学院长春应用化学所、清华大学 环境系、河北科技大学、江苏分 析仪器厂等 1990 年至今 小规模应用 SPR 生物传感器 清华大学生物技术学院，中国科 学院电子研究所 1998 年至今 实验室规模应用与推广 1.3.1 家用医疗保健类生物传感器 生命科学等新兴学科的发展正越来越显著地提高着人们的生活质量和工作效率，给人 类生活和生产带来深刻的革命性变化。在生物传感器领域中产生较大经济效益产业的典型 代表产品是手掌型血糖分析仪以及相关的胰岛素泵，它们在改善糖尿病人的健康方面起到 了非常重要的作用。 20 世纪七十年代，当葡萄糖传感器开始用于血糖的分析后，研究者目光已集中到糖尿 病相关的血糖检测技术上，并和胰岛素给药方式相联系，提出研制闭环式人工胰岛的设想。 30 多年来，研制闭环式人工胰岛努力从未间断。虽然至今还不能成功地推出人工胰岛产品， 却发展出二个相关独立的大产业：手掌型血糖分析器和胰岛素泵产业。二者在全世界都已 发展成几十亿美元的产业规模。 1.3.1.1 手掌型血糖分析器 糖尿病人可以自测的手掌型血糖分析器已经达到大规模应用的程度。在上世纪７０年 代血糖自我监测仪器就已问市，使血糖的检验由医院延伸到家中。８０年新一代血糖及操 作技术简单化，使得自我监测血糖的准确度提高了。研究者最初沿着干化学试剂条测定尿 糖浓度的思路，采用酶法葡萄糖分析技术、并结合丝网印刷和微电子技术制作的电极，以