浙江大学生物传感器与测试技术整理(徐梦浙等)

王剑平老师部分

第一章绪论

测量：是指确定被测对象属性量值为目的的全部操作。

测试：是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量和试验的综合。广义上测试是人的认知行为，用科学的方法发现、度量一个客观存在的过程。测试可能是确定量值，也可以是判定被测参数的“有”或“无”，也可以是一种预报、故障分析。

测试技术：是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。测量原理：如何感知被测量。

传感器技术：能不受人为因素的干扰感受被测量及其变化

测量方法：测量原理确定后，根据对测量任务的具体要求和现场实际情况，如直接测量法或间接测量法、电测法或非电测法等。

测量系统的设计：包括信息转换、存储记录、显示和数据处理装置等。

数据处理：根据测试系统获得的信息，对被测量进行定性或定量的结论。

测试系统的组成：

测试技术的发展趋势：智能化、虚拟化、网络化、微型化、软测量技术

传感器向新型、微型、智能型方向发展

多传感器融合技术

积木式、组合式测量方法

虚拟仪器技术：PC机＋仪器板卡→代替传统仪器；计算机软件→代替硬件分析电路

测试技术应用：科学研究-先行官、军事-战斗力、社会-物化法官、工农业生产-倍增器

生物传感器的发展历程：

早期：化学法、酶法、离子选择性电极(只检测无机离子)

酶传感器(第一个是葡萄糖测定仪)：隔离式氧电极、酶电极、电位型酶电极

活细胞生物传感器：用完整活细胞取代纯酶制作传感器

基于生物学反应产生信息的生物传感器：不再局限于电化学，可以利用其他信息，如光、热表面等离子共振(SPR)生物传感器：生物亲和反应

介体酶电极：利用化学介体戊二醛取代分子氧作为氧化还原酶酶促反应的电子受体，市场好活体测定、多指标测定和在线测定

重要人物与著作：

1965年美国Leland C. Clark Jnr教授发表了隔离式氧电极的经典论文

1962年Clark首次提出酶传感器，并与Lyons一同创造了酶电极这个术语

1969年美国学者G.G. Guilbault和J.G. Montao研究了电位型酶电极

1975年C. Divis提出用完整活细胞取代纯酶制作传感器（活细胞生物传感器）

1974年瑞典学者Lund大学K. Mosbach等发明了热生物传感器

1990年瑞典Pharmacia公司（利用表面等离子共振（SPR）方法）推出商用仪器BIAcore 1984年英国学者A.E.G. Cass等首次建立了介体酶电极法

1985年，由Elsevier 科学出版公司创刊出版了《生物传感器》国际学术期刊，主编为英国Cranfield大学AnthonyP.F. Turner教授。该刊物1990年更名为《生物传感器与生物电子学》1980s，牛津出版社出版的《生物传感器：基础与应用》，该书被誉为生物传感器的“圣经”，其第一主编为Turner教授。

生物传感器的三个发展阶段：

60-70年代：起步阶段，以Clark的传统酶电极为代表

70-80年代：学科交叉产生各种传感器，代表之一是介体酶电极

90年代后：市场开发和技术突破，以表面等离子体和生物芯片为代表

生物传感器的原理和特点：

由两部分组成：生物敏感膜（分子识别原件）和换能器

工作原理：被分析物扩散进入固定化生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的化学换能器或物理换能器转变成可定量和可处理的电信号，经二次仪表（检测放大器）放大并输出，便可知道待测物浓度。

生物识别元件：生物敏感膜，又称分子识别元件，由固定化的生物敏感材料制成，直接决定传感器的功能与质量。

换能器：将各种生物、化学和物理的信息转变为电信号。

生物传感器的主要特点：多样性、无试剂分析(除缓冲液外)、操作简便快速准确、易于联机、可重复和连续使用(也可一次性)

生物传感器的定义：由生物活性材料与相应的换能器的结合体，能测定特定的化学物质（主要是生物物质）。（而将能用于生物参量测定但构成中不含生物活性材料的装置称为生物敏传感器。）

其他定义：

1.生物传感器是一类分析器件，它将一种生物材料（如组织、微生物细胞、细胞器、细胞受体、酶、抗体、核酸等）、或生物衍生材料、或生物模拟材料，与物理化学传感器或传感微系统密切结合或联系起来，行使其分析功能，这种换能器或微系统可以是光学的、电化学的、热学的、压电的或磁学的。

2.生物传感器其是一种精致的分析器件，它结合一种生物的或生物衍生的敏感元件与一只理化换能器，能够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。

3.一个生物传感器应是一个独立的、完整的装置，通过利用与换能器保持直接空间接触的生物识别元件(生物化学受体)，它能够提供特殊的定量和半定量分析信息。

生物传感器的分类：主要以下两种

分子识别元件分类法：酶传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、核酸传感器、微生物传感器、分子印迹生物传感器(属生物衍生物)

换能器件分类法：电化学生物传感器(也叫生物电极)、光生物传感器、热生物传感器、半导体生物传感器、电导/阻抗生物传感器、声波生物传感器、微悬臂梁生物传感器

其他分类：亲和生物传感器(以分子之间特异识别并结合为基础，代表：免疫传感器、酶PZ 生物传感器和SPR生物传感器)、多功能传感器(能够同时测定两种以上指标化综合指标)、杂合生物传感器(由两种以上不同的分子识别元件组成，或采用两种或多种反应原理构成)

生物传感器的命名：功能+构成特征（如：葡萄糖氧化酶电极、谷氨酸脱氢酶电极）

商品化的已有：酶电极生化分析仪、BOD测定仪、手持式血糖测定仪、SPR分析仪

生物传感器的发展趋势：

主流：电化学占主导地位；其次是光生物传感器

三种趋势：上升趋势(生物芯片)、稳定发展(光、压电)、下降趋势(热电、电化学)

借鉴生物体或细胞传感机制：感知化学和生物试剂的生物报告技术

生物传感器的局限性：稳定性差、常需精细护理和频繁标定、成本高

（原因是与“活”的物质打交道，不确定因素多）

第二章测试系统特性

测试系统的研究目的：如何构造一个不失真（或不严重失真）的系统

系统分析中的三类问题：

系统辨识：当输入、输出是可测量的(已知)，可以通过它们推断系统的传输特性。

反求：当系统特性已知，输出可测量，可以通过它们推断导致该输出的输入量。

预测：如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。

测试系统的基本特征：输出-输入关系特征

稳态：静态、准静态(信号变化缓慢)

动态：周期、瞬态

一个高精度的测试装置必须有良好的静态特性和动态特性才能完成信号无失真的转换。

测试系统基本要求：理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入－输出关系。其中以输出和输入成线性关系最佳。（非线性原因：结构原理、外界干扰）

1.正确感知被测量（输入与输出：单值、线性）

2.安装测试装置不应扰乱被测量；

3.仪器之间应能匹配（阻抗匹配）；

4.符合测试要求的精度；

精度用允许误差表示