生物传感器分析解析

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生物传感器

教学单位：机电工程学院

专业名称：机械设计制造及其自动化

学号：

学生姓名：

指导教师：

指导单位：机电工程学院

完成时间：

电子科技大学中山学院教务处制发

生物传感器

摘要

传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

生物传感器(biosensor)，是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）、适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。

关键词:传感器生物传感器

目录

1 生物传感器 (1)

1.1生物传感器简介 (1)

2 生物传感器的介绍 (2)

2.1组成结构及工作原理 (2)

2.2技术特点 (2)

2.3国内外应用发展情况及应用案例 (3)

2.3.1国内应用发展 (3)

2.3.2国外应用发展 (3)

2.3.3应用案例 (4)

参考文献 (6)

1 生物传感器

1.1生物传感器简介

传感器中包含抗体、抗原、蛋白质、DNA 或者酶等生物活性材料，待测物质进入传感器后，分子识别然后发生生物反应并产生信息，信息被化学换能器或者物理换能器转化为声、光、电等信号，仪器将信号输出，我们就能够得到待测物质的浓度。传感器的主要组成部分是感受器和换能器，再将信号通过自动化仪表技术和微电子技术处理，就能构成各种仪器或者系统。

传统医学检验大多是酶分析法，这种方法步骤繁琐，费用较高，而采用生物传感器的方法，虽然试剂价格昂贵但是可以多次使用;生物传感器有很强的转移性，即只对特定的底物发生反应，不论其浊度和颜色如何 ;再者分析速度较快，一般一分钟就能得到结果 ;误差能够控制在 1%以内，准确度可以保证;相对于酶分析法操作更加简便，可以进行自动化分析 ;生物传感器检验效率更高。上述都是生物传感器的优点。

2 生物传感器的介绍

本章介绍生物传感器

2.1 组成结构及工作原理

①组成结构

生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换能器）构成：

➢以分子识别部分去识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。

分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础。

➢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），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。生物传感器实现以下三个功能：

✧感受：提取出动植物发挥感知作用的生物材料，包括：生物组织、微生物、细胞器、酶、抗体、

抗原、核酸、DNA等。实现生物材料或类生物材料的批量生产，反复利用，降低检测的难度

和成本。

✧观察：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。

✧反应：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。

②工作原理

生物传感器具有接受器与转换器的功能。对生物

物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。

生物体中能够选择性地分辩特定物质的物质有

酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识别功能物质通

过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗

原的结合，酶与基质的结合。

在设计生物传感器时，选择适合于测定对象的识

别功能物质，是极为重要的前提。要考虑到所产生的

复合物的特性。根据分子识别功能物质制备的敏感元

件所引起的化学变化或物理变化，去选择换能器，是

研制高质量生物传感器的另一重要环节。敏感元件中

光、热、化学物质的生成或消耗等会产生相应的变化

量。根据这些变化量，可以选择适当的换能器。

生物化学反应过程产生的信息是多元化的，微电子学和现代传感技术的成果已为检测这些信息提供了丰富的手段。

2.2 技术特点

生物传感器是一种可以获取并处理信息的特殊装置，如人体的感觉器官就是一套完美的传感系统通过眼、耳、皮肤来感知外界的光、声、温度、压力等物理信息，通过鼻、舌感知气味和味道这样的化学刺激。而生物传感器是一类特殊的传感器，它以生物活性单元（如酶、抗体、核酸、细胞等）作为生物敏感单元，对目标测物具有高度选择性的检测器。

⑴采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过

去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。

⑵专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。

⑶分析速度快，可以在一分钟得到结果。

⑷准确度高，一般相对误差可以达到1%

⑸操作系统比较简单，容易实现自动分析

⑹成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。

⑺有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。在

产控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。同时它们还指明了增加产物得率的方向。。

2.3 国内外应用发展情况及应用案例

2.3.1国内应用发展

目前，我国在生物传感器研究队伍和技术水平方面都进入了国际先进行列。但由于生物活性单元具有不稳定性和易变性等缺点，使生物传感器的稳定性和重现性较差。而大量的研究工作仅限于对方法学的初步尝试，离实现生物传感器的商品化要求差距较大。如何将大量的方法学研究成果转化成实际应用产品，实现我国从生物传感器研究大国向生物传感器制造强国的转变，是今后我国生物传感器技术发展的重点。

2.3.2国外应用发展

➢汗液实时检测生物传感器，（美国）

由约书亚·韦德米勒（Joshua Windmiller）和贾瑞德·谭格尼（Jared Tangney）创办的关注汗液数据分析的公司Electrozyme，研制出一款内置生物传感器的腕带产品，它可以与用户的皮肤表面进行接触并能从其汗液中读取化学信息，然后展现出该用户的身体在剧烈运动后会出现怎样的反应。

➢人工晶体的青光眼传感器（美国）

斯坦福大学的研究团队开发出一种适用于人工晶体的青光眼传感器。该传感器连接外