生物传感器
生物传感器介绍、分类和应用
酶FET 酶光二极管
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生物传感器的发展史(2)
生物传感器发展的整体划分:
❖ 第一代生物传感器以将生物成分截留在膜上或结合在膜 上为基础，这类器件由透析器(膜)、反应器(膜)和电化学 转换器所组成，其实验设备相当简单。
❖ 第二代生物传感器是指将生物成分直接吸附或共价结合 在转换器的表面上，从而可略去非活性的基质膜。
压电晶体生物传感器
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生物传感器的固定方法
固定化技术：把生物活性材料与载体固定化成 为生物敏感膜。
1. 物理方法：夹心法、吸附法、包埋法； 2. 化学方法: 共价连接法、交联法； 3. 近年来, 由于半导体生物传感器迅速发展,
因而又出现了采用集成电路工艺制膜技术。
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夹心法
❖ 将生物活性材料封闭 在双层滤膜之间，形 象地称为夹心法。
❖ 此方法的特点是一般不产 生化学修饰，对生物分子 活性影响较小；缺点是分 子量大的底物在凝胶网格 内扩散较固难。
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生物传感器的特点
1. 根据生物反应的奇异和多样性，从理论上讲可以制 造出测定所有生物物质的多种多样的生物传感器；
2. 这类生物传感器是在无试剂条件下工作的(缓冲液 除外)，比各种传统的生物学和化学分析法操作简 便、快速、准确；
3. 可连续测量、联机操作、直接显示与读出测试结果。
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生物传感器的分类 ❖ 按分子识别元件分类 ❖ 按换能器分类
3
生物传感器的发展史(1)
❖ 最先问世的生物传感器是酶电极， Clark和Lyons最先提出组成酶电极 的设想。
❖ 70年代中期，人们注意到酶电极的 寿命一般都比较短，提纯的酶价格也 较贵，而各种酶多数都来自微生物或 动植物组织，因此自然地就启发人们 研究酶电极的衍生型：微生物电极、 细胞器电极、动植物组织电极以及免 疫电极等新型生物传感器，使生物传 感器的类别大大增多；
生物传感器
第三节生物传感器一、生物传感器的基本概念生物体的基本特征之一，是能够对外界的各种刺激做出反应。
其所以能够如此，首先是由于生物体能感受外界的各类刺激信号，并将这些信号转换成体内信息处理系统所能接收并处理的信号。
例如，鹰的眼睛具有犀利的视觉，它能在半英里外搜捕猎物，从上千英尺的高空扎向反光的水面抓鱼；苔藓植物的叶大都只有一层细胞，二氧化硫等有毒气体可以从背、腹两面侵入叶细胞，所以，苔藓植物对二氧化硫等有毒气体十分敏感，在污染严重的城市和工厂附近很难生存。
人们利用这个特点，把苔藓植物当作监测空气污染程度的指示植物。
生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。
待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。
有人把21世纪称为生命科学的世纪，也有人把21世纪称为信息科学的世纪。
生物传感器正是在生命科学和信息科学之间发展起来的一个交叉学科。
必将在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。
二、生物传感器的基本构成及工作原理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），以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。
生物传感器的基本构成及工作原理如图所示：三、生物传感器与传统的各种物理传感器和化学传感器的区别传感器主要由信号感受器和信号转换器组成，它能够感受一定的信号并将这种信号转换成信息处理系统便于接收和处理的信号（如电信号和光信号）。
什么是生物传感器
1.什么是生物传感器?主要由哪几部分组成,分别有什么功能.生物传感器的定义：生物传感器是一种精致的分析器件，它结合一种生物或者生物衍生的敏感器件与一只理化换能器，能给产生间断或连续的数字电信号，信号强度与被分析物成比例。
组成：生物敏感膜（分子识别元件），换能器作用过程是，待分析物与生物敏感膜发生反应，产生物理、化学量的变化，物理化学量的变化传递给换能器，转换为可被计算机识别的电信号。
生物敏感膜的种类：酶，全细胞，组织，细胞器，免疫物质，具有生物亲和能力的物质，核算，模拟酶。
以上生物敏感膜均是人工膜，而非天然生物膜换能器：其作用是将各种生物的、化学的和物理的信息转化成电信号。
可以用作转化的信息有，离子变化，电阻、电导变化，光学变化，质量变化，力学变化，气体分压变化。
2.什么是酶联免疫测定法?描述其两种检测方法,可画图说明.并举一两个例子。
夹心法：先将抗体固定在膜的表面，加入待检测的抗原，与固定抗体结合，因为抗原至少含有两个结合点，可以再结合一个被酶标记的抗体，加入底物，根据标记到抗体上的酶与底物的颜色，荧光，氧化还原电位等信号检测待测抗原的量。
竞争法：将与待测抗原全部覆盖到固定膜上，然后加入待测样品和酶标记的抗体，待反应完全后冲洗固定膜，再检测固定膜上的抗体的量，因为样品中的抗原已被冲走，剩下的抗体是与样品中抗原竞争时结合到被固定抗原上的抗体量。
3.DNA的三级结构？一级结构：脱氧核糖核苷酸的排列顺序二级结构：根据碱基互补配对形成的双螺旋连。
现在已发现的螺旋分为B型，A型，C型，Z型，它们在螺距，直径，每个螺旋的碱基数和旋转的方向上不同。
三级结构：DNA双螺旋继续扭曲变形，并与蛋白质分子结合形成核小体，压缩进染色体内。
4.生物敏感元件的固定化方法有哪几种?分别有什么特点.酶和DNA分别常用哪几种固定方法.5.NH3电极属于第一代生物传感器的哪种基础电极,说明其作用原理.6.分析裸电极上Fe(CN)63－/4－的循环伏安曲线，并指出由其能得到什么信息。
生物传感器
生物传感器生物传感器是利用电化学、光学或热学等原理构成对某种或某些特定分子如糖、氨基酸、DNA、激素等有特定响应的检测器，它由对被测物有高选择性的分子识别能力的膜和能把膜上进行的生物化学反应中消耗或生成的化学物质或产生的光、热转变为电信号的换能器所构成。
生物传感器并不专指用于生物技术领域的传感器，它的应用领域还包括环境监测、医疗卫生喝食品检验等。
生物传感器是用生物活性材料与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法也是物质分子水平的快速、微量分析方法。
生物传感器克服了过去分析酶法试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点，但是专一性强、分析速度快、准确度高、操作系统比较简单、成本低，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。
21世纪是生命科学的世纪,随着“人类基因组工作草图”的完成、纳米生物技术和纳米微电子加工技术的出现,使得无论在原理上还是加工技术上,都将为生物传感器的发展带来巨大的变革。
生物传感器作为一类特殊的化学传感器,它是以生物活性单元作为生物敏感基元,对被测目标物具有高度选择性的检测器。
它通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应,然后,将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来,从而得出被测物的浓度。
固定化微生物也越来越多地被用作生物传感器的敏感材料，于是产生了微物传感器。
微生物传感器主要由两部分组成——固定化微生物膜和转换器，将这两部分组合在一起便构成了微生物传感器。
微生物传感器与酶传感器相比，价格更便宜、使用时间更长、稳定性更好，微生物传感器是由固定微生物膜及电化学装置组成，微生物膜的固定化法与酶的固定方式相同。
微生物的菌株比分离提纯的酶的价格低得多，因而制成的传感器便于推广普及。
微生物细胞内的酶在适当环境下活性不易降低，因此微生物传感器的寿命更长。
即使微生物体内的酶的催化活性已经丧失，也还可以因细胞的增殖使之再生。
生物传感器
3．微生物反应
微生物反应：
是指利用微生物作为天然的生物催化剂 进行的反应。 （1）微生物反应定量原理：微生物在利用 物质进行呼吸或代谢的过程中,将消耗溶液中 的溶解氧或产生一些电活性物质。在微生物 的数量和活性保持不变的情况下,其所消耗的 溶解氧量或所产生的电活性物质的量可反映 被检测物质的量。
（6）聚合酶链式反应
聚合酶链式反应(PCR扩增),是利用DNA聚 合酶依赖于DNA模板的特性,模仿体内的复制 过程,在附加的一对引物之间诱发聚合酶反应, 包括模板变性、引物退火及用DNA聚合酶延 伸退火引物在内的重复驯化,使末端被引物5’ 端限定的特异性片段成指数形式累积。由于 每一循环中合成的引物延伸产物可作为下一 循环的模板,因而每次循环靶DNA的拷贝数几 乎呈几何级数增长,20次PCR循环将产生约一 百万倍的扩增。
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。 2．分子识别元件 是由一种敏感物质即分子识别材料,经固 定化后构成的生物传感器敏感元件。 是生 物传感器的核心元件。
(2)
FMNH(OOH)·E+RCHO→FMN+R·CO2H+E 十H2O+hv
颜色反应 生物反应中的颜色变化包括两个方面 生物体内产生色素 酶与底物作用后产生颜色物质, (4) 阻抗变化 生物反应可使培养中的电惰性物质,如碳水化 合物、类脂和蛋白质等代谢为电活性产物,如乳酸盐、 乙酸盐、碳酸盐和氨等代谢物。当微生物生长和代 谢旺盛时,培养基中生成的电活性分子和离子增多, 从而导致培养液的导电性增大,阻抗则随之降低,反 之,则阻抗升高。这类反应是设计微生物传感器的基 础。
生物传感器
6.1 生物传感器的原理
分子印迹传感器
原理:将所研究的目标分子作为模板分子，选择在官能团和空间结构上与之相匹配的功能 单体，让两者间发生共价作用或非共价作用(一 般指氢键、静电引力、范德华力、离子交 换、疏水作用、金属螯合及空间位阻效应等)，再加入交联剂通过热聚合或光聚合，在引 发剂和致孔剂的诱发下产生聚合反应，从而形成包裹有目标分子的高聚物，即分子印迹聚 合物。随后，利用物理或化学方法，将目标分子从聚合物内部洗脱出来，以此获得具有与 目标分子形状相同且官能团位置。
6.2 生物传感器快速检测技术的构建
6.2.2 生物传感器固定化技术 6.2.2.1 生物元件的固定方法
针对不同的生物敏感元件，选择合适的固定化方法来实现敏 感元件与载体的有机结合，可以获得较好的固定效果，并保 持敏感元件的生物活性，以此使生物传感器具有较好的灵敏 度、稳定性以及在不同测试环境的使用性。
6.1 生物传感器的原理
细胞生物传感器与生物组织传感器
细胞生物传感器
细胞传感器工作原理为当 活细胞与病原体或毒素特异性 结合后，产生的信息如阻抗特 性、胞外离子浓度、胞外电位 信号等改变，通过换能器转换 为可处理信号，从而定性定量 的检测病原体或毒素的性质。
生物组织传感器
生物组织传感器基本原理 为生物组织中酶的催化反应， 相比于传统的酶传感器其具有 酶活性高，稳定性好和生物材 料易于获取等优点但是存在特 异性不高、重现性不太好、响 应时间较长及使用寿命较短等 问题。
生物传感器 快速检测技术
目录
6.1 生物传感器原理 6.2 生物传感器快速检测技术的构建 6.3 生物传感器快速检测技术的应用现状 6.4 生物传感器发展趋势
6.1 生物传感器的原理
什么是传感器？
生物传感器
在食品分析的应用
• 食品成分分析
• 食品添加剂的分析 • 农药和抗生素残留量分析 • 微生物和生物毒素的检验 • 食品鲜度的检测
在环境监测中的应用
•水质分析：一个典型应用是测定生化需氧量 （BOD），传统方法测BOD需5天，且操作复杂。 1977年Karube等首次报道了BOD微生物传感器， 只需15分钟即能测出结果,连续使用寿命达17天；
优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛 的应用。
缺点：1.酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差异的
梭曼与沙林。
2.酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。
2、组织传感器(Tissue Sensor)
测定项目 谷氨酸 组织膜 木瓜 基础电极 CO2 稳定性／ 天 7 线性范围 2×10-4～1.3×102mol/L 3.4×10-5～1.5×103mol/L 1×10-4～1.1×102mol/L
生物传感器的特点
(1) 测定范围广泛。
(2)生物传感器使用时一般不需要样品的预处理，样品中的被测组分的分离和 检测同时完成，且测定时一般不需加入其它试剂。 (3) 采用固定化生物活性物质作敏感基元（催化剂），价值昂贵的试剂可以 重复多次使用。 (4)测定过程简单迅速。 (5) 准确度和灵敏度高。一般相对误差不超过1％。 (6)由于它的体积小，可以实现连续在线监测，容易实现自动分析。 (7) 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。 (8)可进入生物体内。 (9)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，便于推广普及。
• (2)一般不需进行样品的预处理,它利用本身具备 的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测 统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂,使 测定过程简便迅速,容易实现自动分析
生物传感器
（一）电位型电极
1 离子选择电极 离子选择性电极是一类对特定的离子呈选择 性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、价廉等 优点，因此应用范围很广．离子选择性电极作为 生物传感器的信号转换器只是它的一种应用，在 生物医学领域也常直接用它测定体液中的一些成 分（如H+，K+，Na+，Ca2+等）。 2 氧化还原电极 氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一 类电位型电极。
上面介绍的各种名称都是类别的名称，每一类 又都包含许多种具体的生物传感器。 例如，仅酶电极一类，根据所用酶的不同就有 几十种，如葡萄糖电极、尿素电极、尿酸电极、 胆固醇电极、乳酸电极、丙酮酸电极等等。 就是葡萄糖电极也并非只有一种，有用pH电极 或碘离子电极作为转换器的电位型葡萄糖电极， 有用氧电极或过氧化氢电极作为转换器的电流 型葡萄糖电极等。实际上还可再细分。
2 酶的固定化技术
固定化酶(Immobilized Enzyme）是20世纪60年代发展起来的— 项新技术。以往使用的酶绝大多数是水溶性的酶。这些水溶性酶 催化结束后，极难回收，因而阻碍了酶工业的进一步发展。60年 代后，在酶学研究领域内涌现出固定化酶。它是通过物理的或化 学的手段，将酶束缚于水不溶的载体上，或将酶柬缚在一定的空 间内，限制酶分子的自由流动，但能使酶充分发挥催化作用；过 去曾称其为水不溶酶或固相酶。1971年第一届国际酶工程会上正 式建议采用固定化酶的名称。 从60年代起，固定化酶的研究发展很快，起初人们把注意力 集中在酶的固定化方法研究上，近年来，不但固定化方法和载体 开发有了长足发展，并且已转向它在工业、医药、化学分析、亲 和层析、环境保护、能源开发以及理论研究等方面的应用研究。
（二）电流型电极
电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转 换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电 位型电极相比有以下优点： （1）电极的输出直接和被测物的浓度呈线性关系， 不像电位型电极那样和被测物浓度的对数呈线 性关系。 （2）电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度 的相对误差比电位型电极的小。 （3）电极的灵敏度比电位型电极的高。
生物传感器与医学应用
生物传感器的类型
▪ 压电生物传感器
1.压电生物传感器是基于压电效应，将生物分子间的相互作用 转化为电信号，实现生物分子检测的传感器。 2.该类型传感器具有灵敏度高、稳定性好等优点，可用于检测 生物分子浓度和活性。 3.压电生物传感器在生物医学、环境监测等领域有广泛的应用 前景。
▪ 热学生物传感器
1.热学生物传感器是通过测量生物分子结合过程中释放的热能 ，实现生物分子检测的传感器。 2.该类型传感器具有无需标记、非破坏性等优点，可用于实时 监测生物分子间的相互作用。 3.热学生物传感器在药物筛选、疾病诊断等领域有重要的应用 价值。
康复医学中的应用
1.生物传感器能实时监测患者的生理指标，为康复治疗提供依 据。 2.通过监测患者的运动和功能恢复情况，评估康复治疗效果。 3.生物传感器技术有助于提高康复治疗的针对性和效率。
在医学中的应用
▪ 远程医疗与健康监测
1.生物传感器可实现远程实时监测，为远程医疗提供便利。 2.患者可在家中自测生理指标，将数据实时传输给医生，提高 医疗效率。 3.生物传感器技术有助于降低医疗成本，提高医疗资源的普及 率。
▪ 生物传感器与可穿戴设备
1.生物传感器可集成于可穿戴设备中，实时监测用户的生理指 标。 2.可穿戴设备结合生物传感器技术，可实现健康监测、运动跟 踪等功能。 3.随着技术的进步，生物传感器在可穿戴设备中的应用将更加 广泛，提高人们的健康水平。
生物传感器与医学应用
生物传感器的优势
生物传感器的优势
生物传感器概述
▪ 生物传感器的应用领域
1.生物传感器在医学、环境监测、食品安全等领域有广泛应用。 2.在医学领域，生物传感器可用于疾病诊断、药物筛选、生物分子相互作用研究等。
生物传感器
生物传感器导言生物传感器是一种具有生物识别功能的器件，可以通过生物体的特定信号或变化来检测和测量外部环境、生理活动或生物分子等信息。
生物传感器的应用领域广泛，涵盖了生物医学、环境监测、食品安全等多个领域，具有重要的研究和应用价值。
生物传感器的类型生物传感器按照传感元件的特性和信号来源可以分为多种类型，其中常见的包括电化学传感器、免疫传感器、DNA传感器、细胞传感器等。
这些传感器通过不同机制与生物体相关的物质相互作用，转化成可输出的信号。
•电化学传感器：利用生物体内或生物体产生的电活性物质引起电流变化的原理进行检测，如葡萄糖传感器等。
•免疫传感器：通过生物体内抗原和抗体的结合反应来检测特定物质，常用于检测病原体、荷尔蒙等。
•DNA传感器：基于DNA分子结构的特异性识别原理，用于检测DNA序列、病毒等。
•细胞传感器：利用细胞与外部环境的相互作用来监测环境中的毒素、微生物等。
生物传感器的应用生物传感器在医学、环境监测、食品安全等领域有着广泛的应用，主要表现在以下方面：•医学领域：生物传感器可用于检测药物浓度、疾病标志物、生理参数等，有望提高医学诊断和治疗的准确性和效率。
•环境监测：生物传感器可以检测环境中的污染物、重金属等有害物质，为环境保护和监测提供技术支持。
•食品安全：生物传感器可用于检测食品中的有害物质、微生物等，保障食品安全，减少食品中毒事件发生。
生物传感器的发展趋势随着生物技术和纳米技术的不断发展，生物传感器的灵敏度、稳定性和便携性不断提升，未来生物传感器的发展趋势主要包括以下几个方面：•多功能一体化：未来生物传感器将趋向于多功能一体化，同时具备多种检测功能，提高传感器的综合性能。
•微型化和便携化：生物传感器将逐渐向微型化、便携化发展，方便快速实时检测需要。
•智能化：结合人工智能和大数据分析，生物传感器将具备智能化的特性，提高信号处理和数据分析的效率和准确性。
结语生物传感器作为一种具有生物体识别功能的重要器件，对医学、环境监测、食品安全等方面具有重要的应用意义。
14生物传感器
生物传 感器一般由
分子识别元件 生物活性材料
敏感膜、换
能器和信号 处理器三部
分组成。
酶膜 全细胞膜 组织膜 细胞器膜 免疫功能膜
各类酶类 细菌，真菌，动植物细胞 动植物组织切片 线粒体，叶绿体 抗体，抗原，酶标抗原等
(2)生物传感器的工作原理
工作原理是：生物敏感膜内含有能与目标物进行选
2 生物传感器的特点
根据生物反应的奇异和多样性，从理论上讲可以制造
出测定所有生物物质的多种多样的生物传感器； 这类生物传感器是在无试剂条件下工作的(缓冲液除 外)，比各种传统的生物学和化学分析法操作简便、快速、 准确； 可连续测量、联机操作、直接显示与读出测试结果。
３生物传感器的基本组成和工作原理
• 可用离子选择电极来测定微生物代谢产物 例：甲酸传感器(H2电极厌气性微生物传感器)
1. 2. 3. 4. 5. 6. 圆环 液体连接面 电解液(100mol/m3磷酸缓冲液) Ag2O2电极(阴极) Pt电极(阳极) 聚四氟乙烯膜
甲酸传感器工作原理
• 将产生氢的酪酸梭状芽菌固定在低温胶冻膜上，并把它固
定在燃料电池Pt电极上；
• 当传感器浸入含有甲酸的溶液时，甲酸通过聚四氟乙烯膜
向酪酸梭状芽菌扩散，被资化后产生H2 ,而H2 又穿过Pt电
极表面上的聚四氟乙烯膜与Pt电极产生氧化还原反应而产
生电流，此电流与微生物所产生的H2 含量成正比，而H2 量又与待测甲酸浓度有关，因此传感器能测定发酵溶液中 的甲酸浓度。
(2)按换能器分类
生物电极:电化学电极
介体生物传感器:介体
光生物传感器:光学换能器
半导体生物传感器:半导体
热生物传感器:热敏电阻
生物传感器
二、酶生物传感器 应用固定化酶 固定化酶作为敏感元件的生物传感器 应用固定化酶作为敏感元件的生物传感器 酶电极 酶场效应管传感器 酶生物传感器 酶热敏电阻传感器 酶光纤传感器 (一)、酶电极传感器 一、 定义： 固定化酶与离子选择电极 气敏电极、 与离子选择电极、 定义：由固定化酶与离子选择电极、气敏电极、氧化还原 电极等电化学电极 电化学电极组合而成的生物传感器 电极等电化学电极组合而成的生物传感器 电流型酶电极 酶电极 电势型酶电极
二、生物敏感材料的固定化技术 生物传感器制作的核心部分 1、固定化的目的：将生物敏感物质限制在一定的空间，但 、固定化的目的：将生物敏感物质限制在一定的空间， 又不妨碍被分析物的自由扩散 2、固定化的方法 、 1）吸附法 ） 用非水溶性载体物理吸附 离子结合， 物理吸附或 用非水溶性载体物理吸附或离子结合，使蛋白质分子固定 化的方法。 化的方法。 物理吸附：通过极性键、氢键、 物理吸附：通过极性键、氢键、疏水力或 π 电子的相互作 用将生物组分吸附在不溶性的惰性载体上。 用将生物组分吸附在不溶性的惰性载体上。 离子交换吸附法：选用具有离子交换性质的载体， 离子交换吸附法：选用具有离子交换性质的载体，在适宜 条件下， 的PH条件下，使生物分子与离子交换剂通过离子键结合， 条件下 使生物分子与离子交换剂通过离子键结合， 形成固定化层。 形成固定化层。
待测物 的浓度
放大、 放大、输出 检测处理电路
电信号
二、生物传感器的分类及特点 ）、分类 （一）、分类 酶传感器 免疫传感器
光生物传感器
热生物传感器
微生物传感器 生物传感器 生物传 半导体生物 感器 信号转换器） 组织传感器 （信号转换器） 传感器 敏感物质） （敏感物质） 电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ学生物 细胞传感器 传感器 基因传感器 声波生物 传感器
生物传感器及其应用
电场
压电晶体式
气体
等离子体共振式 磁场
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（1） 将化学变化转变成电信号 以酶传感器为例,酶催化特定底物发生反应,从
而使特定生成物的量有所增减，用能把这类物质的 量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合,即构 成酶传感器。
常用转换装置有氧电极、过氧化氢。
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（2）将热变化转换成电信号 固定化的生物材料与相应的被测物作用时常
膜
还原型辅酶
燃料电极
电流式
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（2）微生物传感器特点
微生物较酶易获得，价格相对较低； 稳定性好，连续使用时间可达一个月左右； 响应时间比酶传感器长，多数在10分钟左右； 特异性较酶传感器差。
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（3）微生物传感器实例
例1：谷氨酸传感器 谷氨酸脱羧酶催化谷氨酸的反应为：
HOOC-(CH2)2-CHNH2-COOH 谷氨酸脱羧酶 HOOC-(CH2)2-CH2NH2 + CO2
• 免疫电极(immuno bioelectrode)是以免疫物质 （抗原或抗体）作为敏感元件的电化学生物传感 器。
• 免疫物质的高特异性识别使免疫电极具有很高的 特异性。
• 根据测定过程是否需要标记物可分为直接免疫电 极（direct immuno electrode）和间接免疫电极 （indirect immuno electrode）。
葡萄糖传感器示意图
电解质溶液
记录仪
Pb Pt
聚四氟乙稀膜
氧电极
固定化葡萄糖氧化酶膜
葡萄糖 酶催化反应 电极旁O2浓度↓电化学反应 电流值↓→葡萄糖浓度
酶膜上
氧电极上
主要性能：测量范围：1~500 mg/L 响应时间：10~30 s 使用寿命：60~100 day
生物传感器详细介绍
生物传感器是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。
生物传感器具有接受器与转换器的功能。
由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能,只对特定反应起催化活化作用,因此生物传感器具有非常高的选择性。
缺点是生物固化膜不稳定。
生物传感器涉及的是生物物质,主要用于临床诊断检查、治疗时实施监控、发酵工业、食品工业、环境和机器人等方面。
生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科,是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法,也是物质分子水平的快速、微量分析方法。
在未来21世纪知识经济发展中,生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点,在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。
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。
智能化集成化未来的生物传感器必定与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙，形成检测的自动化系统。
同时，芯片技术将愈加进入传感器，实现检测系统的集成化、一体化。
低成本高灵敏度高稳定性高寿命生物传感器技术的不断进步，必然要求不断降低产品成本，提高灵敏度、稳定性和寿命。
这些特性的改善也会加速生物传感器市场化，商品化的进程。
在不久的将来，生物传感器会给人们的生活带来巨大的变化，它具有广阔的应用前景，必将在市场上大放异彩。
生物传感器实用性是生物体成分（酶、抗原、抗体、激素、DNA) 或生物体本身（细胞、细胞器、组织），它们能特异地识别各种被测物质并与之反应；后者主要有电化学电极、离子敏场效应晶体管（ISFET ) 、热敏电阻器、光电管、光纤、压电晶体（PZ) 等，其功能为将敏感元件感知的生物化学信号转变为可测量的电信号。
生物传感器
1.3 主要应用
1．在食品加工中的应用 生物传感器在食品分析中的应用包括对食品成分、食品添加剂、 有害毒物及食品鲜度等的测定分析。
在食品中 分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中葡萄糖的含量
例 如
在工业中 可用于测定食品中的亚硫酸盐含量
2．在医学中
在临床医学中，酶生物传感器是最早研制且应用最多的一种传感器，目前已成 功应用于血糖、乳酸、维生素C、尿酸、尿素、谷氨酸、转氨酶等物质的检测中。
在军事医学中，生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及毒素。
在法医学中，生物传感器可用作DNA鉴定和亲子认证等。
传感器原理与应用
酶生物传感器又分为电位型酶生物传感器和电流型酶 生物传感器两类。
电位型酶生物传感器可检测出参与反应的物质的浓度； 电流型酶生物传感器可得到被测物质的浓度。
葡萄糖传感器（见图6-19）是第一支酶生物传感器，它是由葡萄糖氧化酶膜和克拉克 型氧电极或过氧化氢电极组成的。葡萄糖传感器也可采用光化学法进行检测。
传感器原理与应用
1.1 结构及工作原理
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。
转换部分把分子识别部分表达的信号转换为电信 号，它主要包括电化学器件、光学器件、热敏器件、 声波器件、压敏器件等。
图6-18 生物传感器结构
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1.2 常用生物传感器
1．酶生物传感器
酶生物传感器就是将酶作为生物敏感基元，通过各种 物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应 所产生的与目标物浓度成比例关系的可测信号，实现对目 标物定量测定的分析仪器。
图6-19 葡萄糖传感器
图6-20 葡萄糖传感器工作原理
图6-21 葡萄糖传感器工作过程
生物传感器
（3）.根据生物传感器的信号 转换器分类
生物传感器的信号转换器有：电化学 电极、离子敏场效应晶体管、热敏电阻、 光电转换器等．据此又将生物传感器分为 电化学生物传感器、半导体生物传感器、 测热型生物传感器、测光型生传感器、测 声型生物传感器等．
以上后两种分类方法之间还可互相交叉，因而生 物传感器的类别就更加增多，例如酶传感器又分为酶 电极、酶热敏电阻、酶FET、酶光极等． 上面介绍的各种名称都是类别的名称，每一类又 都包含许多种具体的生物传感器，例如，仅酶电极一 类，根据所用酶的不同就有几十种，如葡萄糖电极、 尿素电极、尿酸电极、胆固醇电极、乳酸电极、丙酮 酸电极等等．就是葡萄糖电极也并非只有一种，有用 pH电极或碘离子电极作为转换器的电位型葡萄糖电极， 有用氧电极或过氧化氢电极作为转换器的电流型葡萄 糖电极等．实际上还可再细分。总之，生物传感器是 传感器中类别较多、内容较广的一大类传感器，随着 科学技术的不断发展，它所包含的内容也必将更为丰 富．为醒目起见，现将生物传感器的分类示于图中．
(4).酶的固定化技术
固定化酶使酶的利用率、稳定性与 机械强度等方面均较可溶性酶有所提高， 使用固定化酶为酶电极的制备提供了良 好的条件．
1.惰性载体——物理吸附法
此法是酶分子通过极性键、氢键、 疏水力或π电子相互作用等吸附于不溶性 载体上．常用的载体有：多孔玻璃、活 性炭、氧化铝、石英砂、纤维素酯（包 括硝酸纤维素、醋酸纤维素）、葡聚糖、 琼脂精、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，已用 此法固定化的酶如：脂肪酶、 α － D 葡萄 糖苷酶、过氧化物酶等．
2．氧化还原电极 氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一类电位型电 极．这里指的主要是零类电极。
Ⅱ．电流型电极
电化学生物传感器中采用电流型电极为 信号转换器的趋势日益增加，这是因为这类 电极和电位型电极相比有以下优点： （1）电极的输出直接和被测物的浓度呈线性关 系，不像电位型电极那样和被测物浓度的对 数呈线性关系． （2）电极输出值的读数误差所对应的待测物浓 度的相对误差比电位型电极的小． （3）电极的灵敏度比电位型电极的高．
生物传感器
• 热生物传感器（calorimetricbiosensor）
• 压电晶体生物传感器（piezoelectricbiosensor）
3.3 以待测物与分子识别元件的相互作用方式进行分类
5.3 发酵工业
(1)原材料及代谢产物的测定 微生物传感器可用于测量发酵工业中的原材料和代谢产 物。测量的装置基本上都是由适合的微生物电极与氧电极组 成，原理是利用微生物的同化作用耗氧，通过测量氧电极电 流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的 目的。 (2)微生物细胞数目的测定 人们发现在阳极表面上，菌体可以直接被氧化并产生电流。 这种电化学系统可以应用于细胞数目的侧定。侧定结果与常 规的细胞计数法测定的数值相近。利用这种电化学微生物细 胞数传感器可以实现菌体浓度连续、在线的测定。
• 生物亲合型生物传感器（affinitybiosensor）
4.1 速度快，成本低 采用固定化酶膜作为分析工具, 酶法分析试剂可 以反复使用数千次, 其分析成本大大降低，分析速度快, 不到20s可以获得准确的分析结果 4.2 专一性强 生物传感器只对特定的底物起反应,而且不受颜色 和浊度的影响, 因此一般不需要进行样品的预处理, 干 扰少
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
生 物 传 感 器
生物传感器原理及应用
生物传感器原理及应用
一、生物传感器原理
生物传感器的原理是基于生物物质和化学信号的反应机制，也就是可
以通过检测物质的改变来检测生物物质，化学信号转变成电信号被检测仪
检测。
这类传感器的构造由生物过程、转换过程以及信号传输过程组成，
传感器可以用来检测蛋白质、基因、生物体活动、药物代谢等物质和信号。
一般来说，生物传感器系统包括传感器本身、信号处理系统，这些都
能够检测、传输和显示检测信号。
生物传感器的原理就是以生物物质或化
学信号为作用因素，利用生物反应机制或化学反应机制来检测物质的变化，最后以电信号的形式显示出来。
二、生物传感器应用
1、医学诊断：生物传感器的应用可以用于医学诊断，可以检测人体
的活性物质，例如检测血液中的糖、胆固醇等物质，以及心跳、血压的检测。
2、环境检测：生物传感器也可以用于环境污染物监测，其可以检测
空气、水和土壤中的有毒物质，以及温度、湿度等物质。
3、食品安全：生物传感器也可以用于食品安全检测，可以检测食品
中的有毒物质，例如砷、汞等。
4、军事检测：生物传感器可以用于军事情报收集，例如对目标物体
的检测，以及对危险物质的检测等。
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我国生物传感器主要研究机构和现状（１）(2007-07-1711:56:30)转载生物传感器产业现状和发展前景冯德荣1.1生物传感器概述控制论、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表3-31我国生物传感器领域的主要研究机构年份1994199519961997199819992000200120022003论文数量486436475156676611890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术国家重点实验室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表3-32中国已产业化和应用的主要生物传感器种类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珠海福尼亚医疗设备有限公司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)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，以及智能化仪器的读出装置，三者完美地组合成微型化的血糖分析仪。
它们大多数是价位在500-1800元之间的简易型仪器，适于家用和病人自己使用。
据报道，韩国LG公司推出的可测定血糖的手机，也已在中国市场上出现。
表3-33列出了我国市场上现有的血糖仪系列产品，其中包括国外著名的健康事业公司和我国自主研发产品为主的企业。
表3-33我国市场的血糖仪系列产品产品名生产或经销商罗氏血糖仪罗氏公司是以研究为导向的健康事业公司之一，2003年，罗氏成功购并世界第二大胰岛素泵生产商，瑞士Disetronic公司，使在糖尿病监控领域拥有世界领先技术的罗氏诊断部成为糖尿病综合控制系统设备的最主要供应商。
美国雅培血糖仪1996年，雅培公司收购了MediSense后进入了血糖仪监护市场，而MediSensE公司是第一家将采用传感器技术进行血糖检测并有产品进入市场的公司。
据雅培称，目前全球每天有250万人使用MediSense的血糖仪，同时雅培还推出了血酮测定仪日本京都血糖仪由北京麦邦生物工程技术公司经销的日本京都血糖仪和美国PALCO公司MB胰岛素注射笔。
公司成立于1996年，是专业经营糖尿病产品和致力于糖尿病教育的股份合作制公司。
公司经过近7年的奋斗，现已发展成为拥有重庆、南京、成都等20多个办事处和遍及全国的经销代理机构的完整销售网络，年销售额过千万的糖尿病产品专营公司。