生物传感器在生物制造中的创新应用：结构原理、分类体系与智能监控突破

这篇综述系统阐述了生物传感器（Biosensors）在生物制造（Bio-manufacturing）中的前沿进展，重点解析其结构组成（生物识别元件/信号转换元件）、工作原理（如电化学、光学检测）及分类体系（如酶电极、纳米传感器）。文章强调生物传感器通过实时监测代谢物浓度（如H2O2）、高通量筛选等技术，推动生物制造过程智能化，并探讨了稳定性提升、微型化集成（如微流控芯片/MOFs材料）等未来方向。

　　

Highlight

生物传感器作为生物制造过程的"智能感官"，正通过分子识别与信号转换技术的融合，重塑微生物发酵与细胞培养的监控范式。

Classification of biosensors

基于生物识别元件（如酶/DNA/抗体）和转换原理（电化学/光学/热学），生物传感器可分为三代：第一代（1960s-70s）依赖氧电极（Pt黑电极），灵敏度仅μM级；第二代（1980s-90s）引入介体（如二茂铁），灵敏度跃升至nM级；第三代（21世纪后）采用纳米材料（碳管/石墨烯）实现fM级检测，并整合微流控与AI算法，迈向穿戴式与单分子检测。

Application in bio-manufacturing

在生物制造中，传感器实时追踪胞内/外代谢物（如葡萄糖/乳酸），优化发酵参数。例如：

• 上游过程：监测菌种活性（如ATP浓度）

• 下游过程：控制产物纯度（如抗体滴度）

• 高通量筛选：加速工程菌株开发

Integration and automation

智能生物制造亟需解决传感器与控制系统的集成难题。当前挑战包括：

• 稳定性：工业环境下生物元件易失活

• 多参数同步：需开发新型阵列传感器

Challenges

尽管前景广阔，传感器仍面临：

• 抗干扰性：复杂培养基中的假阳性

• 规模化：从实验室到工厂的转化瓶颈

Conclusion

未来方向包括：

1. 开发仿生识别元件（如DNA四面体）

2. 结合脑机接口技术实现神经信号监测

3. 通过MOFs材料提升选择性