生物传感器

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生物传感器介绍、分类和应用

感器时期
酶FET 酶光二极管
4
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
22
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。
23
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

(1)生物传感器的基本组成
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
12
（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。
13
（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

• 半导体生物传感器（semiconductbiosensor） • 光生物传感器（opticalbiosensor）
• 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。