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。
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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。
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10.1.2 生物传感器的类型
生物传感器可以根据其分子识别元件的敏感物 质分为：酶传感器、微生物传感器、组织传感 器、细胞传感器和免疫传感器。还可以根据换 能器和测声型生物传感器等。生物传感器的分 类如图10-1所示。
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▪
图10-1 生物传感器的基本结构
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生物传感器通常将生物物质固定在高分子膜等 固体载体上，例如酶、微生物组织、动物细胞、 底物、抗原、抗体等，被识别的生物分子作用 于生物功能性人工膜（生物传感器）时，将会 产生生理变化或化学变化，换能器将此信号转 换为电信号，从而检测出待测物质。转换包括 电化学反应、热反应、光反应等，输出为可处 理的电信号。人们把这类固定化的生物物质： 酶、抗原、抗体、激素等，或生物体本身：细 胞、细胞体（器）、组织作为敏感元件的传感 器，称为生物分子传感器或简称生物传感器。
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10.3.2 生物场效应晶体管结构类型
一 生物场效应晶体管有分离型和结合型 二 结合型生物场效应晶体管 三 酶场效应晶体管差分输出
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10.3.3 应用研究实例
1 尿素测定 2 NAD+-NADH测定 3 肌酸酐测定 4 青霉素测定 5 甲醛测定 6 有机磷农药测定 7 活细胞场效应晶体管 8 昆虫触角天线场效应晶体管 9 其他用途
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▪ DNA在固体电极上的固定化方法： ▪ （1）吸附法 ▪ （2）共价键结合法 ▪ （3）自组装膜法
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10.2.3 电化学传感器中的标识物
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
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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
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。
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。
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
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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
生物传感器详细介绍
按分子识别元件分类
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
按器件分类
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
传递系统 热敏电阻
换能器
换能器 压电晶体
半导体生物 传感器
热生物传感器
生 物 传 感 器（biosensor）
目录
11.1 简要介绍
11.2 酶传感器
11.3 微生物传感器
11.4 免疫传感器
11.5 半导体生物传感器
11.6 生物传感器应用与未来
本章小结
11.1 简要介绍
生物传感器的发展史 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
生物传感器的固定方法 生物传感器的特点
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。
2.
聚四氟乙烯膜（作用）
生物传感器
优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前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
声 被 测 对 象 生物敏 感膜 （分子 识别感 受器） 物理、化学反应 换 能 器 电 信 号
...
溶液（Solution）
识别元件（RECOGNITION）
换能器（Transducer）
感受器（Receptor）
测量信号 （Measurable Signal）
选择性膜（Thin selective membrane）
几种主要的生物芯片
基因芯片。也称DNA芯片，它是在基因探针基础上研制而成的 蛋白质芯片。以蛋白质代替DNA作为检测目的物，蛋白质芯片与基因芯 片的原理基本相同，但其利用的不是碱基配对而是抗体与抗原结合的特 异性，即免疫反应来实现检测
细胞芯片。由裸片、封装盖板和底板组成，裸片上密集分布有6000～ 10000乃至更高密度不同细胞阵列，封装于盖板与底板之间。细胞芯片 能够通过控制细胞培养条件使芯片上所有细胞处于同一细胞周期，在不 同细胞间生化反应及化学反应结果可比性强；一块芯片上可同时进行多 信息量检测
第12章 生物传感器
12.1 概述
一、生物传感器的定义
一般定义：使用固定化的生物分子(immobilized biomolecules)结合换能器， 用来侦测生物体内或生物体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产 生响应的一种装置。 Gronow定义：一种含有固定化生物物质(如酶、抗体、全细胞、细胞器或其 联合体)并与一种合适的换能器紧密结合的分析工具或系统，它可以将生化 信号转化为数量化的电信号。
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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生物传感器
主要内容： 1、生物传感器的发展史 2、生物传感器的定义和结构 3、生物传感器的工作原理 4、生物传感器的分类 5、生物传感器的应用及实例 6、生物传感器的优点及展望
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。 2、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
生物传感器的发展趋势:
1) 更加灵敏、准确、快速和简便是分析科学技术发展趋
势的共同特征。 2) 生物芯片使高通量、多参数的同步测定成为可能 3) 挑战性需求包括体内测定、细胞内测定、单分子分 析、在线测定等。为了满足这些要求，基因技术，纳米 技术，各种单分子荧光技术，仿生技术或生物模拟技术 得到发展。
动植物组织切片
生 物 传 感 器 定 义 、 结 构
具有亲和能力 的物质
配体、受体
模拟酶 高分子聚合物
表1 生物传感器的生物敏感膜（分子识别元件）
生物传感器定义、结构 换能器(transducer)
又称为传感器(sensor),其作用是将各种生物的、化 学的和物理的信息转变成电信号生物反应过程产生的信 息是多元化的，微电子和传感技术的现代成果为检测这
生物传感器工作原理
化学物质 声 热
光 被 检 测 物 质 （ 分 子生 识物 别敏 感感 受膜 器 ） 物理、化学反应
换 能 器
目 标 信 号
生物传感器模型
感受器是生物传感器的 心脏。制备分两方面工 作，一是选择最佳载体 材料（需活化）；二是 在载体表面固定化亲和 配基（非共价和共价）
换能器感知固定 化配基与待测物 结合产生的微小 变化，其质量好 坏决定了传感器 的灵敏度。
料不同，其组成可以是酶、DNA、免疫物质全细胞、组织、
细胞器或它们的组合，近年还引入了高分子聚合物模拟 酶，使分子识别元件的概念进一步延伸。
生物敏感膜
生物活性材料
生物敏感膜 全细胞
生物活性材料
酶
各种酶类
细菌、真菌、动植物 细胞
免疫物质
抗体、抗原、酶 标抗原 寡聚核苷酸
细胞器 组织
线粒体、叶绿体
DNA
SBA-70型血糖乳酸自动分析仪
手掌型葡萄糖(glucose)分析仪
用电化学葡萄糖传感器测定人体血糖 • 葡萄糖传感器传感 器的响应原理: • 葡萄糖氧化酶 （GOD）参与的酶 促反应
葡萄糖+H2O+O2
葡萄糖酸+H O
GOD
2
2
葡萄糖酶传感器原理
葡萄糖酶传感器插入到被测葡萄糖溶液中，由于酶的催化
生物传感器
污染微生物及病原菌的检测 通过免疫学方法，即获得相应的特异性抗原 和抗体进行分析和检测。
生物传感器的应用 酶联免疫测定
(1)将适宜的酶与抗原或抗体结合在一起。制成酶标抗体（或 酶标抗原 ）； (2)将酶标抗体（或酶标抗原）与样品中的待测抗原（或抗体） 混合，通过免疫反应二者即可特异性地结合在一起，形成酶 －抗体－抗原复合物。 (3)通过酶催化反应的速度即可测定复合物中酶的含量，进而 测出样品中的待测抗原（或抗体）的量。
人工智能胰腺
生物传感器的优点
(1) 可重复使用 采用固定化生物活性物质作催化剂，价格昂贵的 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(选择性高、特异性强) 如：酶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 可以在几分钟得到结果。 (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。
生物传感器定义、结构
生物传感器的结构(组成)
根据定义，包括两部分： 1、生物活性材料(也叫生物敏感膜、分子识别元件)。
2、物理换能器(也叫传感器)
生物传感器定义、结构 生物敏感膜(biosensitive membrane)
又称为分子识别元件 是生物传感器的关键元件(表1)， 直接决定传感器的功能与质量。依生物敏感膜所选用材
谢 谢
观 赏
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传感器定义
生物传感器(biosensor)是用生物活性材料(酶、蛋 白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)与物理换能器有机 结合的器械或装置，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。
离子选择性电极 阻抗计、电导仪 场效应晶体管 气敏电极 热敏电阻、热电偶
光学变化 颜色变化 质量变化 力变化 振动频率变化
光纤、光敏管 光纤、光敏管 压电晶体等 微悬臂梁 表面等离子共振
表2 生物学反应信息和换能器的选择
生物传感器原理
待测物质
扩散作用
固定化生物敏感膜层 电信号
分子识别
换能器
生 物 学 反 应
生物传感器的应用
• 鱼死后5～20h，ATP，ADP和AMP已分解尽，超过24h，鲜
度主要取决于IMP--肌苷--次黄嘌呤--尿酸。
• 将这三个步骤的三种酶（5’－核苷酸酶、核苷磷 酸化酶、黄嘌呤氧化酶）固定在氧电极上，制成鱼鲜度
测定仪。
• • • 当K＜20时，鱼极新鲜，可供生食。 K在20～40之间为新鲜，必须熟食。 K大于40，不新鲜，不宜食用。
些信息提供了丰富的手段，使得研究者在设计生物传感
器时对换能器的选择有足够的回旋余地。设计的成功与 否主要取决于设计方案的科学性和经济性，可供制作生
物传感器的基本换能器如下表2
生物传感器定义、结构
生物学反应信息 换能器选择 生物学反应信息 换能器选择
离子变化 电阻、电导变化 质子变化 气体分压变化 热焓变化
作用而产生耗氧(过氧化氢H202),其反应式为
葡萄糖+H2O+O2 GOD 葡萄糖酸+H2O2
（GOD为葡萄糖氧化酶） 葡萄糖氧化时产生H2O2，而H2O2通过选择性透气膜，在Pt电极上氧化， 产生阳极电流。葡萄糖含量与电流成正比，由此可测出葡萄糖溶液的浓 度。
装置由三部分组成：血糖传感 器、供药泵、胰岛素药源。传 感器、泵与病人的血液三者构 成一个闭环控制系统。 传感器将测定的信号变为对供 药泵开启与关闭的指令，使糖 尿病病人能像正常人一样保持 最恰当的血糖含量 。
或用单胺氧化酶膜和氧电极组成的酶传感器测定肉在贮 藏过程中的鲜度。
生物传感器的应用 食品鲜度 鱼鲜度传感器 在日本、加拿大等国广泛用于鱼类鲜度的测定。 鱼死后体内ATP经酶解依次形成ADP、AMP、IMP、肌
苷、次黄嘌呤和尿酸。鲜度可用K值表示：
K= 肌苷+次黄嘌呤 ATP +ADP+AMP+IMP +肌苷+次黄嘌呤+尿酸
连续、在线的测定。
生物传感器的应用
4、医学领域 在临床医学中，酶电极是最早研制且应用最多 的一种传感器。利用具有不同生物特性的微生物代 替酶，可制成微生物传感器。在军事医学中，对生
物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。
生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。
SBA-50型单电极生物传感分析仪 谷氨酸(乳酸)-葡萄糖双功能分析仪
生物传感器的应用
2、环境监测 德国研发的环境废水BOD分析仪
生物传感器的应用
3、发酵工业 微生物传感器具有成本低、设备简单、不受发 酵液混浊程度的限制、可能消除发酵过程中干扰物 质的干扰等特点。 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。还用于微生物细胞数目的测定。利用 这种电化学微生物细胞数传感器可以实现菌体浓度
生物传感器的分类
按分子识别元件分类和按换能器类型分类。
生物传感器应用领域
生物传感器的应用 1、食品工业 生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、 食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析。 肉鲜度传感器
• 肉类在腐败过程中会产生各种胺类，故胺类测定能反映
肉类的新鲜程度。
•
用腐胺氧化酶与过氧化氢电极构成多胺生物传感器，
的类别大大增多；
3、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。
生物传感器的发展史
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