生物传感器
生物传感器介绍、分类和应用
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。
18
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。
19
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。
生物传感器的原理与应用
生物传感器的原理与应用生物传感器是一种能够依靠生物分子与物理信号进行相互作用，实现生物信息转化和检测的装置。
它借鉴了生物学，化学和电子学的理论和技术，广泛应用于医疗、环境、食品安全等领域。
本文将介绍生物传感器的原理和一些常见的应用。
一、生物传感器的原理生物传感器通常由三个组成部分构成：生物识别元件、信号转换元件和信号处理元件。
1. 生物识别元件：生物传感器通过生物识别元件与待测物相互作用，实现检测和分析。
生物识别元件通常是具有特定选择性的生物分子，如酶、抗体、核酸等。
通过与待测物相互作用，生物识别元件可以产生特异性的信号响应。
2. 信号转换元件：信号转换元件将生物识别元件产生的生物分子信号转化为物理或化学信号。
常见的信号转换元件包括光电二极管、电化学电极和晶体振荡器等。
不同的生物传感器采用不同的信号转换元件来实现信号的转换和放大。
3. 信号处理元件：信号处理元件将信号转换元件转换得到的物理或化学信号进行放大、滤波和解码等处理。
信号处理元件通常由微处理器或电子电路组成，能够对信号进行实时监测和分析，并输出相应的结果。
二、生物传感器的应用生物传感器在医疗、环境监测和食品安全等领域有广泛的应用。
1. 医疗领域：生物传感器在医疗诊断中起到了重要的作用。
例如，血糖传感器可以测量血液中的葡萄糖浓度，用于糖尿病患者的自我监测。
基因传感器可以检测DNA序列，用于遗传疾病的早期筛查。
此外，生物传感器还可以用于药物筛选和监测药物浓度等方面。
2. 环境监测：生物传感器被广泛应用于环境监测，尤其是水质和空气质量监测。
水质传感器可以检测水中的氨氮、重金属等物质，用于水质评估和污染监测。
生物传感器还可以用于检测空气中的有害气体和微生物，提供实时的环境监测数据。
3. 食品安全：生物传感器在食品安全领域也有重要的应用。
例如，食品中的农药残留可以通过生物传感器进行快速检测。
利用生物传感器还可以检测食品中的重金属和微生物等有害物质，确保食品的安全性。
生物传感器
(2)军事医学
军事医学中，对生物毒素的及时快速检测是防 御生化武器的有效措施。生物传感器已应用于监测 多种细菌、病毒及其毒素，如鼠疫耶尔森菌、肉毒 杆菌类毒素等。 此外，在法医学中，生物传感器可用作DNA鉴 定和亲子认证等。
我国生物传感器领域的主要研究机构
我国生物传感器领域的主要研究机构
! ! ! ! !! !! ! ! ! ! ! ! ! ! !
生 物 传 感 器
生物传感器(biosensor)：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与适当 的理化换能器及信号放大装置构成的分析工具 或系统
1962年，Clark教授 → 酶电极
1967年，Updike，Hicks → 酶传感器
1975年，C.Divis 提出用完整的微生物活细胞取代纯酶制作 的传感器
• 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
(3) 农药残留量分析 近年来，人们对食品中的农药残留问题越来越重视，各 国政府也不断加强对食品中的农药残留的检测工作。 Yamazaki等人发明了一种使用人造酶测定有机磷杀虫剂的电 流式生物传感器，可用于检测果蔬表面有机磷农药 。
(4) 微生物和毒素的检验 食品中病原性微生物的存在会给消费者的健康带来极 大的危害，食品中毒素不仅种类很多而且毒性大，大多有 致癌、致畸、致突变作用，因此，加强对食品中的病原性 微生物及毒素的检测至关重要。 一种快速灵敏的免疫生物传感器可以用于测量牛 奶中双氢除虫菌素的残余物，它是基于细胞质基因组的反 应，通过光学系统传输信号。已达到的检测极限为16.2 ng/ml。一天可以检测20个牛奶样品。
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？
生物传感器技术
生物传感器技术生物传感器技术近年来在生物医学、环境监测、食品安全等领域得到广泛应用。
它具有快速、高灵敏度、高选择性、便携性等优点，可以对生物分子进行检测和分析。
本文将介绍生物传感器技术的原理、分类、应用以及未来发展趋势。
一、生物传感器技术的原理生物传感器技术是基于生体过程或生物材料与物理信号或化学信号的相互作用实现的一种检测技术。
其原理主要包括生物识别元件（如抗体、酶、核酸等）与物理或化学传感元件（如电极、有机分子等）之间的作用。
通过生物识别元件与待测物质之间的特异性反应，产生信号变化，进而被物理或化学传感元件检测到并转化为可量化的电信号。
二、生物传感器技术的分类根据生物识别元件的类型，生物传感器技术可分为抗体传感器、酶传感器、核酸传感器、细胞传感器等。
抗体传感器利用抗体与特定抗原结合发生免疫反应，实现对抗原的检测和分析。
酶传感器则是利用酶与底物之间的特异性反应来检测和分析底物的存在和浓度。
核酸传感器通过测定DNA或RNA的序列或特定结构来实现对目标核酸的检测。
细胞传感器则基于细胞活性和代谢产物的变化来检测和分析生物分子。
三、生物传感器技术的应用生物传感器技术在医学领域具有广泛的应用价值。
例如，血糖传感器可以通过检测血液中的葡萄糖浓度，实现对糖尿病患者血糖水平的监测和调控。
DNA传感器可以帮助人们进行遗传病的早期诊断。
此外，生物传感器技术还可以应用于环境监测领域，如检测环境中的有害物质浓度和种类，以及水质、空气质量等的监测。
在食品安全方面，生物传感器可以大大提高食品中有害物质如农药残留、重金属等的检测灵敏度和准确性。
四、生物传感器技术的未来发展趋势随着生物传感器技术的不断发展，人们对其性能和应用的要求也越来越高。
未来，生物传感器技术可能出现以下发展趋势：首先，生物传感器的灵敏度将得到进一步提高，可以检测到更低浓度的物质。
其次，传感器将变得更加小型化和便携化，方便实时检测和现场应用。
此外，多功能和多参数传感器的研究和应用也将成为发展的趋势，实现复合分析和全面监测。
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
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
31
（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。
32
（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
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
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
生物传感器
抗体(Antibody)细胞器传感二.敏感器件（分子识别元件）1．酶（Enzyme）及酶电极(1).酶的催化特性酶是生物体内产生并具有催化活性的一类蛋白质。
此类蛋白质表现出特异的催化功能，因此，酶被称为生物催化剂．酶在生命活动中起着极为重要的作用，它们参加新陈代谢过程中的所有生化反应，并以极高的速度和明显的方向性维持生命的代谢活动，包括生长、发育、繁殖与运动．可以说，没有酶生命将不复存在．目前已鉴定出的酶有2000余种。
B.交联法借助双功能试剂使酶分子之间发生交联作用，制成网状结构特点：利用共价键固定酶，不使用载体。
双功能试剂戊二醛、己二胺、双偶氮苯等2.免疫传感器(Immunosensor)免疫是指机体免疫系统识别自身与异己物质，并通过免疫应答排除抗原性异物，以维持机体生理平衡的功能。
抗体（antibody）抗体是一种免疫球蛋白．免疫球蛋白有5种，分别命名为IgG，IgA，IgM，IgD和IgE，无脊椎动物不产生免疫球蛋白．鱼有IgM,两栖类有IgM和IgG.除人类有5种免疫球蛋白外，大多数哺乳动物只有IgG，IgA,IgM和IgE四种免疫球蛋白．1电化学电极(1)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阳离子或阴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．（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。
我们在前面提到光在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成消逝波进入到光疏介质中，而在介质（假。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
酶生物传感器
交联法
• 使生物活性分子通过共价键 与固相载体结合固定的方法。
• 此方法的特点是结合牢固， 生物活性分子不易脱落，载 体不易被生物降解，使用寿 命长。
• 缺点是实现固定化麻烦，酶 活性可能因发生化学修饰而 降低。
德国研发的环境废水BOD分析仪
生物传感器的分类
• 按分子识别元件分类 • 按换能器分类
按分子元件识别分类
酶传感器
固定化酶
微生物 传感器
固定化 微生物
分子识别 元件
固定化免疫物质
免疫传感器
固定化细胞器
细胞器传感器
生物组织切片
组织传感器
按换能器分类
生物电极 光生物传感器
电化学电极 介体
介体生物传感器
光学换能器 半导体 换能器 压电晶体
手掌型葡萄糖(glucose) 分析仪
SBA-50型单电极生物传感分析仪
SBA-70型血糖乳酸自动分析仪
瓶颈与展望
酶生物传感器的研制过程有诸多难点： • 如何高效地筛分出高活性的酶； • 为了使传感器具有令人满意的灵敏度，关键是保 证有足够量高活性酶尽可能牢固地固定在半导体
片上。同时，为了缩短传感器的响应时间及延长
酶生物传感器
酶生物传感器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。 与传统分析方法相比，酶生物传感器是由固定化的生物 敏感膜和与之密切结合的换能系统组成，它把固化酶和电化 学传感器结合在一起，因而具有独特的优点。它既有不溶性 酶体系的优点，又具有电化学电极的高灵敏度。由于酶的专 属反应性，使其具有高的选择性，能够直接在复杂试样中进 行测定。
寿命，在工艺上将基膜做得尽可能的薄。 • 如何改进传感器对应用条件的适应性与稳定性
展望
探索与合成更有效的电子介体和性能更优异的聚 合物载体材料
寻找方便、高效的酶固定化方法 研制开发响应快速、稳定性好、信号可靠的第二 代酶生物传感器
深入阐明酶生物传感器的电子传递机理及寻找更 有效的方法，实现更多酶的直接电化学制备性能 优越的第三代酶生物传感器。
压电晶体生物传感器 半导体生物 传感器
传递系统 热敏电阻
热生物传感器
换能器
生物传感器的特点
（1）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。
（2）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。 （3）分析速度快，可以在一分钟得到结果。 （4）准确度高，一般相对误差可以达到1％ （5）操作系统比较简单 ，容易实现自动分析 （6）成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。 （7）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。同时它们还指明了增加产物得率的方 向。
反应结果，O2浓度减小，H2O2浓度增大。
酶生物传感器
第二代酶生物传感器
即介体型酶生物传感器，它是基于介体的电催化反应：
第二代生物传感器采用了含有电子媒介体的化学修饰层。此化 学修饰层不仅能促进电子传递过程，使得响应的线性范围拓宽， 电极的工作电位降低，同时，噪声、背景电流及干扰信号均小， 且由于排除了过氧化氢，使得酶生物传感器的工作寿命延长。
生物传感器的定义及说明
• 传感器是一种信息获取和处理的装置，获取被测量对象的 信息，把获取的信息进行转换，将其转换成一种与被测量
有对应关系的便于输出处理的信号的装置。
• IUPAC（国际纯粹与应用化学联合会）的定义 • 将化学信息转换成有用的分析信号的装置。
生物传感器的定义及说明
• 定义：
生物传感器是指有一中占有非常重要的地位。
酶生物传感器
• 固定化酶和电化学传感器的结合。 • 优点： • ①既有不溶性酶体系的优点，又具有电化学电极的高灵敏 度； • ②酶的专一反应性，使其具有较高的选择性，能够直接在
复杂试样中进行测定。
酶生物传感器
基本结构
酶生物传感器的基本结构单元是由物质识别元件（固定化 酶膜）和信号转换器（基体电极）组成。当酶膜上发生酶 促反应时，产生的电活性物质由基体电极对其响应。基体 电极的作用是使化学信号转变为电信号，从而加以检测。 基体电极可采用碳质电极、石墨电极、玻碳电极、碳糊电 极 、Pt电极及相应的修饰电极。
酶生物传感器
原则
（1）必须注意维持酶的构象，特别是活性中心的构象 （2）酶与载体必须有一定的结合程度 （3）固定化应有利于自动化、机械化操作。 （4）固定化酶应有最小的空间位阻。
（5）固定化酶应有最大的稳定性。
（6）固定化酶的成本适中
酶生物传感器
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。
酶生物传感器
分类
电位型：酶电极与参比电极间输出的电位信号，它与被
测物质之间服从能斯特关系。
电流型：以酶促反应所引起的物质量的变化转变成电流 信号输出，输出电流大小直接与底物浓度有关。
酶生物传感器
发展 第一代酶生物传感器
第一代酶生物传感器是以氧为中继体的电催化，以葡萄糖氧 化酶（GOD）催化葡萄糖为例：
生物传感器的工作原理
生物传感器的基本组成和工作原理
生物传感器的工作原理
1. 2. 3. 4. 将化学变化转变成电信号（间接型） 将热变化转换为电信号（间接型） 将光效应转变为电信号（间接型） 直按产生电信号方式（直接型） 生 物 敏 感 膜
被测 物质
物理或化学 量的变化
换 能 器
可定量加 工的电信 号
年代 60 特点 生物传感 器初期 研究内容 酶电极
70
发展时期
微生物传感器， 免疫传感器， 细胞类脂质传 感器，组织传 感器，生物亲 和传感器
80
进入生物 电子学传 感器时期
酶FET 酶光二极管
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。 • 第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子元件上， 例如FET的栅极上，它可直接感知和放大界面物质的变化， 从而将生物识别和电信号处理集合在一起。这种放大器 可采用差分方式以消除干扰。
酶生物传感器
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。 • 这种方法的特点是操作简单， 不需要任何化学处理，固定 生物量大，响应速度快，重 复性好。
酶生物传感器
吸附法
• 用非水溶性固相载体物理吸 附或离子结合，使蛋白质分 子固定化的方法。 • 载体种类较多，如活性炭、 高岭土、硅胶、玻璃、纤维 素、离子交换体等。
生物传感器
目 录
生物传感器的发展史 生物传感器定义及说明 生物传感器的基本组成和工作原理
生物传感器的分类
酶生物传感器
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； • 进入本世纪80年代之后，随着离子 敏场效应晶体管的不断完善，于1980 年Caras和Janafa率先研制成功可测 定青霉素的酶FET。
酶生物传感器
包埋法
• 把生物活性材料包埋并固定 在高分子聚合物三维空间网 状结构基质中。
• 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。
酶生物传感器
共价连接法
• 使生物活性分子通过共价键 与固相载体结合固定的方法。
• 此方法的特点是结合牢固， 生物活性分子不易脱落，载 体不易被生物降解，使用寿 命长。
生物传感器的基本组成和工作原理
生物传感器的分子识别元件
分子识别元件 酶膜 全细胞膜 组织膜 细胞器膜 免疫功能膜
生物活性材料 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
生物传感器的基本组成和工作原理
生物传感器基本构成示意图
生物传感器的基本组成和工作原理
酶生物传感器
第三代酶生物传感器
第三代酶生物传感器是酶与电极间进行直接电子传递， 是生物传感器构造中的理想手段。这种传感器与氧或其它电 子受体无关，无需媒介体，即所谓无媒介体传感器。
到目前为止，只发现辣根过氧化物酶、葡萄糖氧化酶、酪氨 酸酶、细胞色素c过氧化物酶、超氧化物歧化酶、黄嘌呤氧 化酶、微过氧化物酶等少数物质能在合适的电极上进行直接 电催化。
酶生物传感器
信号变换方式
(1)电位法 电位法是通过不同离子生成在不同感受体，从测得膜电 位去计算与酶反应有关的各种离子的浓度。一般采用铵离 子电极（氨气电极）、氢离子电极、氧化碳电极等； (2)电流法 电流法是从与酶反应有关的物质的电极反应得到的电流 值来计算被测物质的方法。电化学装置采用的是氧电极。 燃料电池型电极和过氧化氢电极等。 酶电极：酶传感器由固定酶和基础电极组成，酶电极的设 计主要考虑酶催化过程产生或消耗的电极活性物质，如一 个酶催化反应是耗O2过程，就可以使用O2电极或H2O2电极； 若酶催化反应过程产生酸，即可使用pＨ电极。