生物传感器的简单介绍
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• 具有一定互补序列的核苷酸单链在液相或 固相中按照碱基互补配对原则合成异质双 链的过程叫做核酸分子杂交。
• 利用这一原理，人们 制作了可用于检测基因
的DNA（或RNA）探针， 进行基因诊断
4.2 光学光纤-DNA传感器
DNA探针标 记物生化反应
光纤探头检测 特征光学信号
由光检测器 进行光电转换
• 利用这种性质，在光纤表面加上敏感膜 （ssDNA探针），当消失波穿过膜时，会 产生光信号，或者导致光线强度、相位、 频率的改变，测量其变化，即可获得信息
消失波型光纤DNA传感器示意图
待测荧光 （激光）
敏感膜
消失波 消失波
信号分析仪 计算机处理
4.2.2 光反射型光纤DNA传感器
• 与消失波型不同，光反射型传感器是将 DNA探针直接固定于光纤头，随后将其置 于杂交液中进行杂交，完毕后注入溴化乙 锭（EB）染色，再用Ar+激光器照射，激发 产生荧光进行分析。
第二节 生物敏感材料
• 生物传感器由生物敏感元件和信号转换器两个主 要部分组成，其中，传感器的选择性主要取决于 生物敏感材料，而灵敏度与信号转换器、生物材 料的固定化技术有很大关系。
• 按特性分类，可分为磁敏、电敏、热敏、光敏和 压电材料
• 具体说来，有生物酶、细胞（器）、生物组织、 基因、光纤等
第一节 概述
• 传感器是一种信息获取与处理的装置，受启发于生物 体的感觉系统，是人类感官功能的延伸。
• 生物传感器是一种特殊的传感器，它是以生物活性单 元（如酶、抗体、核酸、细胞等）作为生物敏感元件， 对被测物具有高度选择性的检测器。
• 到目前为止，生物传感器大致经历三个发展阶段：第 一代生物传感器是有固定了生物成分的非活性基质膜 （透析膜或反应膜）和电化学电极所组成；第二代生 物传感器是将生物成分直接吸附或共价结合到转换器 的表面，无需非活性基质膜，测定时不必加入其他试 剂；第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子 元件上，他们可以直接感知和放大界面物质的变化， 从而把生物识别和信号的转换处理结合在一起。
• 电位信号测量方法
• 对一个选择性膜电极， 外界条件确定时，膜 电位与溶液中待测离 子浓度呈线性关系。
• 将待测电极与参比电 极组成一个电池，测 量其电位差
• 常用的有标准氢电极、 甘汞电极、银-氯化银 电极（如图）
电极引线
饱和KCl溶 液
Ag-AgCl 丝
电位法经常用来 测量H+、NH3、CO2的
• 生物工程产业中用生物传感器监测生物反应器内各 种物理、化学、生物的参数变化以便加以控制；
• 由于时间限制，下面仅以生物酶为例做简单介绍
酶作为敏感元件
固
测
定
定
化
物
酶
质
膜
产物： O2 H2O2 NH3 CO2
H+
Pt阴电极 Pt阳电极
H+敏感膜
电流、电位信 号测定
热、光
热敏材料、光纤测定 光热信号
第三节 信号转换器
这里以电化学信号转换器为例，进行简单介绍
• 原理：化学反应与电荷变化密切相关，将待测物质以适当 形式置于点化学反应池，测量其电化学性质（如电位、电 流、电容等）变化可实现物质含量的测定。
有兴趣了解这些知识的同学可以自行查阅有 关资料
第四节 生物传感器
• 生物传感器的分类： • （1）按照生物敏感元件划分 • （2）按照信号转换器类型划分 • 很多时候两种划分的方法都是交叉使用，
以下就以光学光纤-DNA传感器为例做一个 简单介绍
4.1 基因（DNA）
• DNA双螺旋结构的发现，使人们从分子水 平上了解生物奥秘成为现实。
浓度
• 电流信号测量方法
• 控制电极的电位从而
有选择性的使溶液中
某些成分发生氧化还
原反应，电路中通过
函 数
电流时电极发生极化 发
现象，转化为电位测
生 器
量。
• 采用三电极测量体系
电流法测量O2,H2O2等 电活性物质浓度
测定溶液 辅助电极
记录仪
恒电位仪
工 作 电 极
参比电极
电化学信号转换器的特点与应用
消失波型 一般在
1.1nmol/L 可以重复使
1~10min以内
用数百次
光反射型 大约需要 40~50min
30fmol/L
贮存一年后 光纤仍可使 用
4.3 传感器的应用
&医疗、医药、生物工程、环境保护、食品、 农业、畜牧等与生命科学关系密切的一些 领域。例如：
• 临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的 各种化学成分，为医生的诊断提供依据；
敏感膜（DNA探 针）固定在光纤
头
光纤
其他光学型DNA传感器
• 1）近红外荧光型 • 2）化学发光型 • 3）拉曼光谱型（涉及化学分析的知识） • 4）共振镜型
有兴趣了解这些知识的同学可以自行查 阅有关资料
两种光学型DNA传感器的比较
• 以一个表格，进行粗略比较
性能 响应时间
灵敏度（检 稳定性（使 测下限） 用期限）
• 电化学测量技术是一种成熟的技术，具有 性能稳定、适用范围广、易微型化特点， 已在酶传感器、微生物传感器、免疫传感 器、DNA传感器中得到应用。也广泛应用 于细胞膜功能与结构、脑神经系统等研究 领域。
• 其制作加工技术在此不做叙述
其它ห้องสมุดไป่ตู้型信号转换器
1) 离子敏场效应晶体管型信号转换器（FET） 2) 热敏电阻型信号转换器 3) 压电晶体型信号转换器 4) 光纤光学型信号转换器 5) 表面等离子体共振型信号转换器（SPR）
分析信号测定 杂交分子的量
光纤DNA传感器的构建与检测过程： 1）体膜与DNA探针的固定、活化 2）光线表面功能化，即通过化学反应在其表
面连接敏感膜材料
3）杂交与检测 4）敏感膜再生，通过化学试剂或升温使已杂
交的DNA分子解旋，恢复单链，重新使用
4.2.1 消失波型光纤DNA传感器
• 消失波：当一束光线以适当角度进入光纤 时，它会以全反射方式在光纤中传播，产 生一种横贯光纤的波，，通过光纤与其他 介质的交接处传出光纤，这种波随传播距 离快速衰减，称之为消失波。
• 几个电化学概念
• （1）固体电极的相间电位：金属电极与电解质溶 液间形成的电位
• （2）液体接界电位：存在浓差梯度的两种溶液， 同时扩散的离子其淌度不同在其界面形成的电位
• （3）膜电极电位：离子选择性膜与两侧溶液接触， 膜相中离子与溶液中的离子交换，在两个界面形 成两个液体接界电位
基本电化学信号测量
• 利用这一原理，人们 制作了可用于检测基因
的DNA（或RNA）探针， 进行基因诊断
4.2 光学光纤-DNA传感器
DNA探针标 记物生化反应
光纤探头检测 特征光学信号
由光检测器 进行光电转换
• 利用这种性质，在光纤表面加上敏感膜 （ssDNA探针），当消失波穿过膜时，会 产生光信号，或者导致光线强度、相位、 频率的改变，测量其变化，即可获得信息
消失波型光纤DNA传感器示意图
待测荧光 （激光）
敏感膜
消失波 消失波
信号分析仪 计算机处理
4.2.2 光反射型光纤DNA传感器
• 与消失波型不同，光反射型传感器是将 DNA探针直接固定于光纤头，随后将其置 于杂交液中进行杂交，完毕后注入溴化乙 锭（EB）染色，再用Ar+激光器照射，激发 产生荧光进行分析。
第二节 生物敏感材料
• 生物传感器由生物敏感元件和信号转换器两个主 要部分组成，其中，传感器的选择性主要取决于 生物敏感材料，而灵敏度与信号转换器、生物材 料的固定化技术有很大关系。
• 按特性分类，可分为磁敏、电敏、热敏、光敏和 压电材料
• 具体说来，有生物酶、细胞（器）、生物组织、 基因、光纤等
第一节 概述
• 传感器是一种信息获取与处理的装置，受启发于生物 体的感觉系统，是人类感官功能的延伸。
• 生物传感器是一种特殊的传感器，它是以生物活性单 元（如酶、抗体、核酸、细胞等）作为生物敏感元件， 对被测物具有高度选择性的检测器。
• 到目前为止，生物传感器大致经历三个发展阶段：第 一代生物传感器是有固定了生物成分的非活性基质膜 （透析膜或反应膜）和电化学电极所组成；第二代生 物传感器是将生物成分直接吸附或共价结合到转换器 的表面，无需非活性基质膜，测定时不必加入其他试 剂；第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子 元件上，他们可以直接感知和放大界面物质的变化， 从而把生物识别和信号的转换处理结合在一起。
• 电位信号测量方法
• 对一个选择性膜电极， 外界条件确定时，膜 电位与溶液中待测离 子浓度呈线性关系。
• 将待测电极与参比电 极组成一个电池，测 量其电位差
• 常用的有标准氢电极、 甘汞电极、银-氯化银 电极（如图）
电极引线
饱和KCl溶 液
Ag-AgCl 丝
电位法经常用来 测量H+、NH3、CO2的
• 生物工程产业中用生物传感器监测生物反应器内各 种物理、化学、生物的参数变化以便加以控制；
• 由于时间限制，下面仅以生物酶为例做简单介绍
酶作为敏感元件
固
测
定
定
化
物
酶
质
膜
产物： O2 H2O2 NH3 CO2
H+
Pt阴电极 Pt阳电极
H+敏感膜
电流、电位信 号测定
热、光
热敏材料、光纤测定 光热信号
第三节 信号转换器
这里以电化学信号转换器为例，进行简单介绍
• 原理：化学反应与电荷变化密切相关，将待测物质以适当 形式置于点化学反应池，测量其电化学性质（如电位、电 流、电容等）变化可实现物质含量的测定。
有兴趣了解这些知识的同学可以自行查阅有 关资料
第四节 生物传感器
• 生物传感器的分类： • （1）按照生物敏感元件划分 • （2）按照信号转换器类型划分 • 很多时候两种划分的方法都是交叉使用，
以下就以光学光纤-DNA传感器为例做一个 简单介绍
4.1 基因（DNA）
• DNA双螺旋结构的发现，使人们从分子水 平上了解生物奥秘成为现实。
浓度
• 电流信号测量方法
• 控制电极的电位从而
有选择性的使溶液中
某些成分发生氧化还
原反应，电路中通过
函 数
电流时电极发生极化 发
现象，转化为电位测
生 器
量。
• 采用三电极测量体系
电流法测量O2,H2O2等 电活性物质浓度
测定溶液 辅助电极
记录仪
恒电位仪
工 作 电 极
参比电极
电化学信号转换器的特点与应用
消失波型 一般在
1.1nmol/L 可以重复使
1~10min以内
用数百次
光反射型 大约需要 40~50min
30fmol/L
贮存一年后 光纤仍可使 用
4.3 传感器的应用
&医疗、医药、生物工程、环境保护、食品、 农业、畜牧等与生命科学关系密切的一些 领域。例如：
• 临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的 各种化学成分，为医生的诊断提供依据；
敏感膜（DNA探 针）固定在光纤
头
光纤
其他光学型DNA传感器
• 1）近红外荧光型 • 2）化学发光型 • 3）拉曼光谱型（涉及化学分析的知识） • 4）共振镜型
有兴趣了解这些知识的同学可以自行查 阅有关资料
两种光学型DNA传感器的比较
• 以一个表格，进行粗略比较
性能 响应时间
灵敏度（检 稳定性（使 测下限） 用期限）
• 电化学测量技术是一种成熟的技术，具有 性能稳定、适用范围广、易微型化特点， 已在酶传感器、微生物传感器、免疫传感 器、DNA传感器中得到应用。也广泛应用 于细胞膜功能与结构、脑神经系统等研究 领域。
• 其制作加工技术在此不做叙述
其它ห้องสมุดไป่ตู้型信号转换器
1) 离子敏场效应晶体管型信号转换器（FET） 2) 热敏电阻型信号转换器 3) 压电晶体型信号转换器 4) 光纤光学型信号转换器 5) 表面等离子体共振型信号转换器（SPR）
分析信号测定 杂交分子的量
光纤DNA传感器的构建与检测过程： 1）体膜与DNA探针的固定、活化 2）光线表面功能化，即通过化学反应在其表
面连接敏感膜材料
3）杂交与检测 4）敏感膜再生，通过化学试剂或升温使已杂
交的DNA分子解旋，恢复单链，重新使用
4.2.1 消失波型光纤DNA传感器
• 消失波：当一束光线以适当角度进入光纤 时，它会以全反射方式在光纤中传播，产 生一种横贯光纤的波，，通过光纤与其他 介质的交接处传出光纤，这种波随传播距 离快速衰减，称之为消失波。
• 几个电化学概念
• （1）固体电极的相间电位：金属电极与电解质溶 液间形成的电位
• （2）液体接界电位：存在浓差梯度的两种溶液， 同时扩散的离子其淌度不同在其界面形成的电位
• （3）膜电极电位：离子选择性膜与两侧溶液接触， 膜相中离子与溶液中的离子交换，在两个界面形 成两个液体接界电位
基本电化学信号测量