生物傳感器技術具有較高專一性和靈敏度，被廣泛運用于復雜體系的在線分析和檢測，在臨床診斷、分析化學、食品檢測、醫藥分析、化工等領域都具有良好發展前景。

生物傳感器技術是分析生物科學的一個分支，滲透于分析化學、生物學、生命科學、物理學等多個學科。而對于生物傳感器來說主要分為兩個部分，分別為識別系統與信號轉換系統。

特定物質經過識別系統能與傳感器發生特異性反應，是傳感器具有識別性的關鍵，突出了對檢測物質的專一性。作為識別系統檢測物質可以為蛋白質、酶、抗原抗體、DNA、核酸、生物膜、細胞、組織、微生物等材料，按識別材料的種類就可以將生物傳感器分為酶傳感器、免疫傳感器、細胞傳感器等。另一部分信號轉換系統是將特定物質與識別系統發生的特異性反應轉換為我們能夠識別的信息(如光、熱、電信息)放大并輸出，按信號的轉換方式又可以將傳感器分為光生物傳感器、電化學生物傳感器等。

由于電信號具有響應速度快、便于轉換獲取、數據分析簡單直觀等特點，電化學生物傳感器成為發展最早，研究內容及成果最為豐富，應用最為廣泛的傳感器。電化學生物傳感器主要是以電極作為信息轉換材料，將物質特異性反應過程轉換為電信號，利用電信號的大小間接的表示反應物的濃度大小。其中，酶電極的發展在生物傳感器領域最具有代表性。

酶電極傳感器

酶電極是研究最為廣泛的生物傳感器，其中主要是由于酶具有靈敏度高、專一性好、儀器簡單、相應速度快等特點。酶電極生物傳感器指的是以生物酶作為識別單元，將生物酶固定于經修飾后的電極表面。當測試底物中存在與生物酶所對應的特定物質會將其催化氧化，反應過程就會在電極表面產生電子交換，通過檢測電流的變化情況來反應所發生的化學反應，從而來表示讀物質的濃度變化。但是，生物酶通常有一個或幾個金屬離子構成的氧化還原活性中心，大部分的活性中心都深埋在蛋白質肽鏈中，使得酶活性中心很難實現與電極表面直接進行電子交換。

為解決酶的活性中心與電極之間的電荷轉移問題，生物酶電化學傳感器主要發展有三個階段。

第一階段的酶電極以氧氣作為電子受體，以葡萄糖氧化酶傳感器為例，反應過程如(1)、(2)。GOx(FAD)氧化態葡萄糖酶將葡萄糖氧化為葡萄糖內酯酸，同時還原態酶GOx(FADH2)將溶液中氧氣還原為過氧化氫，通過測定反應過程中氧氣或過氧化氫的濃度變化量來間接測定葡萄糖濃度。但這一階段的傳感器極易受環境中氧氣的影響，抗干擾能力差。

GOx(FAD)+glucose→GOx(FADH2)+glucolactone(1)

GOx(FADH2)+O2→GOx(FAD)+H2O2(2)

第二階段的傳感器是在生物酶與電極之間增加用于電子傳遞的介體層，替代氧氣作為電子受休，克服了受干擾性的問題。利用可快速進行氧化還原反應的介體材料作為酶活性中心與電極表面電子傳遞的中間體，反應過程如(3)、(4)、(5)。氧化態酶氧化底物轉化為還原態酶，同時將介體物質還原氧化的過程將反應電荷傳遞至電極表面，通過電荷量來表示反應底物濃度。但介體材料容易擴散，這對介體材料的固定提出了更高要求。

GOx(FAD)+glucose→GOx(FADH2)+glucolactone(3)

GOx(FADH2)+2Medox+2e-→GOx(FAD)+2Medred+2H+(4)

2Medred→2Medox+2e-(5)

第三階段的酶電極傳感器不需要氧或介體作為電子受體，而是利用化學方法把生物酶蛋白肽鏈打開將酶活性中心暴露或對電極表面進行特殊處理，將生物酶固定于電極表面，在催化氧化反應物的同時直接與電極發生電荷交換，反應過程如(6)、(7)。然而，受生物酶自身性質電子傳輸效率仍然有限。

GOx(FAD)+glucose→GOx(FADH2)+glucolactone(6)

GOx(FADH2)+2e-→GOx(FAD)+2H+(7)

無酶電極傳感器

在酶電極傳感器中，酶的活性是決定傳感器穩定性、靈敏性的關鍵因素，但在酶固定過程容易變性失活，同時酶的活性也容易受周圍環境如濕度、溫度、以及化學因素的影響，并且酶在固定過程中可能出現泄漏，一些生物酶的成本較高。從而提出了利用某些具有多個氧化價態的金屬、金屬氧化物、合金等作為催化材料代替生物酶固定于電極表面來催化氧化待測物的方法。對于物質在電極表面催化氧化的理論有兩種氧化機理被普遍認可。

以葡萄糖在電極表明氧化為例。第一種為相鄰位點吸附理論，認為吸附在電極表面的葡萄糖被氧化時，葡萄糖分子中半縮醛碳上的C-H鍵斷裂，氫原子和半縮醛碳同時在電極表面形成化學鍵，如圖1所示。

圖1相鄰位點吸附示意

第二種為中間體氧化理論，金屬原子在被葡萄糖分子吸附時形成金屬離子膜，金屬離子將吸附的葡萄糖分子氧化為葡萄糖內酯酸，離子膜在電極表面還原為金屬原子從而實現電荷交換，如圖2所示。

圖2中間體氧化示意

目前，已有很多對于無酶傳感器的研究，葡萄糖無酶傳感器研究最為廣泛。比如有利用貴金屬Pt、Au、Pd作為葡萄糖催化材料制作電極的無酶傳感器，過渡金屬Ni、Cu以及其氧化物經修飾處理后制作傳感器電極，多種金屬或氧化為雜化后制作的電極等。雖然，無酶傳感器不受酶活性影響，但也存在一些問題，比如貴金屬Pt、Au的成本較高，雖然對葡萄糖具有良好的催化活性，但溶液中的Cl-易在電極表面發生吸附；Pd納米粒子容易發生聚合；過渡金屬Ni、Cu以及其氧化物雖然具有較高靈敏度，但具有對葡萄糖檢測的線性范圍窄等問題。無酶傳感器極易受化學環境影響，對檢測環境有較高要求，所以一般都在緩沖溶液中進行檢測。