生物傳感器

生物傳感器(Biosensor)
國立臺灣師範大學化學系 黃仲楷

什麼是生物傳感器

簡單來說，生物傳感器 (biosensor) 就是一個結合了生物及物理、化學等要素，來偵測生物體內或體外環境化學物質的分析裝置。

主要可以分成三個部分，第一部分是敏感的生物識別元件，可以是生物或仿生材料，一般可以透過生物工程製造，生物傳感器也被稱為生物受體 (bioreceptor)，常被設計成能與感興趣的特定分析物作用以產生能被換能器測量的變化。¹

抗體、酶、多肽、蛋白質、核酸、適配體 (aptamer)、多肽核酸 (peptide nucleic acids, PNA)、醣蛋白、醣酯、聚醣、細胞、噬菌體、脂質體 (liposome)、分子押印聚合物 (molecularly imprinted polymers, MIPs)、仿生鉻膜 (biomimetic chromic membranes)……都能當作識別元件。²

第二部分是換能器，將生物層感應的變化轉為更易測量、量化的訊號，包含電化學、電子、壓電、光學、重量分析、溫度等機制。¹第三部分為檢測元件，轉換的訊號能被放大並處理成有意義的參數，再顯示出來。³圖一所示即為典型的生物傳感器，它所使用的檢測元件為電子系統。³

圖一、典型的生物傳感器。（圖片來源：參考資料3）

生物傳感器的類型

生物傳感器除了可根據換能機制、生物受體進行分類之外，還可以用傳感器的偵測方式來分：親和傳感器 (affinity sensor) 偵測的是生物受體與分析物的結合，代謝傳感器 (metabolism sensor) 偵測基質或產物的濃度變化，催化傳感器 (catalytic sensor) 的生物受體除了與分析物結合之外也催化產物生成。³

生活應用

生物傳感器這個研究領域起始於克拉克 (Clark) 與來昂斯 (Lyons) 於 1962 年共同研發出品的葡萄糖氧化酶 (glucose oxidase, GOx) 生物傳感器。自那時以來，生物傳感器有了更深入的研究也應用到更多的面向，從公共衛生到環境監控到國家、食品安全皆有它的蹤跡。

現在則逐漸向第一線、更易商業取得為目標研究，使之量產讓普羅大眾都能使用。例如乳製品、釀酒廠的即時監控，可以幫助業者營造一個更乾淨、衛生的環境，或是應用在開發新產品上，試驗添加不同的微生物在不同的條件下能有什麼獨特的風味。³

糖尿病人的血糖監測，由於醫療、市場的需求而成為目前最廣泛使用的生物傳感器。¹ 數以百萬計的糖尿病患者每天都要測試他們的血糖濃度，這也使得葡萄糖成為生物傳感器最常測試的分析物。³ 在分類上，大部份的血糖監測儀是屬於利用電化學的催化傳感器，電極是換能器，酶則是生物識別元件。¹

第一個發展的葡萄糖酶電極是測量酶催化反應中氧的消耗量：

接著在 1973 年時吉爾博 (Guilbault)、魯布雷諾 (Lubrano) 提出了用安培法 (amperometric) 為基礎的酶電極監測過氧化氫的產物，由此產生的生物傳感器在連接 100 微升的血液樣品時有良好的準確度和精密度：

經過了多年的研究，科學家發現葡萄糖檢測最合適的方法是將上述兩者融合，並且將葡萄糖氧化酶接上黃素腺嘌呤二核苷酸 (flavin adenine dinucleotide, FAD) 的基團，作為氧化劑參與反應，使用兩個電子還原生成 FADH₂，再經由氧分子氧化回 FAD，由此再氧化產生的電流會正比於葡萄糖濃度：³

圖二是市面上販售的血糖儀，其使用方式通常是將手指上穿刺後所流的血以即棄的試紙盛載，然後送進儀器中進行檢測。大多數第二型糖尿病的病患需要每天測一次，而第一型的病患則需一天測三至十次，以評估胰島素劑劑量的有效性。⁴

圖二、血糖儀。（圖片來源：參考資料4）

參考文獻

1. Biosensor — Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Biosensor
2. Armstrong, R. E., Drapeau, M. D., Loeb, C. A., Valdes, J. J. (2010). Bio-Inspired Innovation and National Security. National Defense University. pp. 77–98.
3. Touhami, A. (2014). Biosensors and Nanobiosensors: Design and Applications. In A. Seifalian, A. de Mel, D. M. Kalaskar (Eds.), Nanomedicine (pp. 374-403). One Central Press.
4. Blood glucose monitoring — wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Blood_glucose_monitoring