传感器原理与应用论文模板

《传感器原理与应用》课程结业论文

院系：理学院

班级：T1003-2

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学号：***********

专业：光信息科学与技术（光电子技术）

2013年11月

生物传感器的应用与发展

摘要：随着信息技术与生物工程技术的发展，生物传感器得到了极为迅速的发展当今各发达国家都把生物传感器列为二十一世纪的关键技术，给予高度的重视。生物传感器不仅广泛应用于传统医学领域，推动医学发展，而且还在空间生命科学、食品工业、环境监测和发酵工程等领域广泛应用[1]。关键词：生物传感器；应用；发展

1、生物传感器简介

1.1 生物传感器的原理

生物传感器是以固定化生物活性物质(酶、蛋白质、微生物、DNA及生物膜等)作敏感元件与适当的物理或化学换能器有机结合而组成的一种先进分析检测装置[2]。酶等生物体材料和物理化学器件相结合，构成生物传感器。但酶易溶于水，故不适用于传感器[3]。

生物传感器的传感原理框图如下所示，其构成包括两部分：生物敏感膜和换能器。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，再经检测放大器放大并输出，便可知道待测物浓度。

生物敏感膜又称分子识别原件，他们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。依生物敏感膜所选材料不同，其组成可以是酶、核酸、免疫物质、全细胞、组织、细胞器或它们的不同组合，近年来还引入了高分子聚合物模拟酶，使分子识别元件概念进一步延伸。

换能器的作用是将各种生物的、化学的和物理的信号转换成电信号。生物学反应过程产生的信息是多元化的，微电子学和传感器技术的现代成果为检测这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换能器的选择有足够的回旋余地[4 ]。

1.2 生物传感器的分类[5]

生物传感器主要有下面三种分类命名方式：

（1）根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器（enzymesensor），微生物传感器（microbialsensor），细胞传感器

（organallsensor），组织传感器（tis-suesensor）和免疫传感器

（immunolsensor）。显而易见，所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。

（2）根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有：生物电极（bioelectrode）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）等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。

（3）以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲和型生物传感器（affinitybiosensor）、代谢型或催化型生物传感器。

三种分类方法之间实际互相交叉使用。

2、生物传感器的应用[8]

近年来，随着信息技术与生物工程技术的发展，生物传感器得到了极为迅速的发展，当今各发达国家都把生物传感器列为21世纪的关键技术，给予高度的重视。生物传感器的强大生命力不仅在于它具有特异的生物分子识别功能[6]，这是任何其它敏感材料如金属、半导体等难以达到的，而且还在于它与现代的物理化学方法相结合，产生一种灵敏、专一、微量、快速和准确的“无试剂”的检测

分析方法[7]。

2.1 空间生命科学发展中的应用

空间飞行对生命系统产生重大影响的问题很多。如调查在微重力环境和空间飞行中对大鼠生命的影响，必须在一段长时间内允许它们相对自由行动中进行。这些研究用现在的仪器检测技术和数据收集系统是无法做到的，而可植入的生物传感器和微型生物遥测术的结合在这方面有着巨大的发展潜力。可以预计可植入生物体内传感器和生物遥测技术的结合将使得灵活方便地远距离测量连续在线的资料获得成为可能。关于它的研究将推动现代医学和空间生命科学的迅速发展。

2.2 食品工业中的应用

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。食品成分分析：在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中葡萄糖的含量。食品添加剂的分析：亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。此外，也用生物传感器测定色素和乳化剂。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。2002 年，Morales等研究的一种聚四氟乙烯- 酪氨酸酶生物传感器可以测量食物中的安息香酸，原理是基于安息香酸对酶的抑制作用。该生物传感器的电极可以长时间稳定运行，并且它的专一性好，在同时含有众多其他物质的食物中可以准确地检测安息香酸的浓度而不受影响。用该生物传感器对两类不同的样品进行了测量：高度不沾水的蛋黄酱和可乐类饮料，不需要任何样品的处理过程，其结果令人满意。

2.3 环境监测领域的应用

大气环境监测中，SO2是酸雨酸雾形成的主要原因，传统的检测方法很复杂。Marty等人将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上，和氧电极制成安培型生物传感器，可对酸雨和酸雾样品溶液进行检测。生化需氧量的测定是监测水体被有机物污染状况的最常用指标，常规的BOD测定需要5天的培养期，操作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大，不宜现场监测。一种紧凑的光学生物传感器也已

经研制成功，能同时测量多种样品的BOD值，生物传感器在环境监测领域的应用主要有工业污染物、残留农药和环境微生物的检测。生化耗氧量(biochemicaloxygendemand，BOD)是广泛应用的水中有机污染物测试标准。除了生化耗氧量的测定以外，生物传感器还可以用于测定多种污染物的浓度。一种安培生物传感器用于测量酚类化合物已经运用于纸浆厂的污水测定。它是基于漆酶的抑制作用。该生物传感器显示出相当好的稳定性，可以连续工作3个月。传感器上的一种透析膜可以保护它不受污泥等影响，并且提供适合的工作环境。这使得它可以用于测量一些复杂的样品，而不需要样品的处理过程。

2.4 发酵工程领域的应用

在各种生物传感器中，微生物传感器最适合发酵工业诸多化学、生物参数的测定。因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且，发酵液往往不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰，并且，不受发酵液混浊程度的限制。同时，由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器成本低、设备简单的特点使其在应用中具有更大的优势。微生物传感器可用于原材料(如糖蜜、乙酸等)的测量和代谢产物(如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等)的测量。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。

2.5 在医学领域中的应用

生物传感器在医学领域发挥着重大的作用。生物传感技术不仅为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型检测方法，而且，因其专一、灵敏、响应快等特点，在军事医学方面，也具有广阔的应用前景。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。免疫传感器等生物传感器可用来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提供依据。在军事医学中，对生物毒素地及时、快速检测是防御生化武器的有效措施，生物传感器除用于监测多种细菌、病毒及其毒素，还可以用来测量乙酸、乳酸、乳糖尿酸、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸，以及各种致癌物质。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、稳定性和延长使用寿命。这些特性的改善也会加速生物传感器市场