生物传感器
生物传感器技术的原理和应用
生物传感器技术的原理和应用生物传感器技术是一种利用生物材料作为感测元件的传感器技术，拥有灵敏度高、选择性好、反应速度快等优点。
这种技术已经在生物医学、环境监测、食品安全等领域得到了广泛应用。
一、生物传感器技术的原理生物传感器是通过生物体对特定分子的敏感性来实现物质检测的一种传感器。
它将生物识别和电信号转换结合在一起，通过生物反应来测量生物体系的化学变化，从而实现对分子的检测。
生物传感器由生物分子、电子元件和信号转换部分构成。
1.生物分子生物分子是生物传感器中最核心的部分，主要包括抗体、酶和核酸等。
这些生物分子能够在适当的条件下与特定的物质结合，并发生一系列可检测的化学反应。
例如，酶可以作为生物传感器的感测元素之一，它可以检测到特定的底物并产生相应的电信号变化。
因为生物体系对所要检测的物质具有高度的选择性和灵敏度，所以生物分子能够作为高效、高灵敏的感测元素。
2.电子元件电子元件是探测生物反应所产生的信号的部分，主要有电极、传感器等。
电极是被固定在导电体表面的电荷的传递路径，其主要作用是将生物体系中发生的电化学反应转换为电信号，并传输到电子采集和信号处理系统中。
传感器是一种将生物体系与电子元件相结合的设备，通过改变电荷状态来反映所要检测的物质浓度。
3.信号转换部分信号转换部分是将反应信号与输出信号相匹配的系统。
一般来说，输出信号是电信号。
信号转换系统包括所有可以将生物反应信号转换为电信号的部分：从信号放大到信号增强、滤波、数字化以及相关的处理。
目的是使输出信号具有更准确、更敏感和更高的分辨能力。
二、生物传感器技术的应用生物传感器技术已经在医疗诊断、环保和食品安全等领域得到广泛应用。
下面介绍一些生物传感器的应用实例。
1.医疗诊断生物传感器能够检测多种疾病所产生的生物标志物，如糖尿病的血糖检测、肝炎的抗体检测等。
针对这些疾病，生物传感器提供了更加便捷、精确、无痛的检测方法，有助于加快疾病的早期发现和治疗，提高治疗效果。
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
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。
生物传感器及其在微生物检测中的应用
生物传感器及其在微生物检测中的应用生物传感器是一种将生物分子与传感器技术相结合的新型传感器，具有高灵敏度、高选择性、高稳定性等特点。
由于生物体系具有天然的分子识别和高度特异性，因此利用生物分子作为传感器中的识别元素，生物传感器能够精确、快速、准确地对生物分子进行定量分析，特别适用于微生物的检测。
一、生物传感器的原理生物传感器是以生物分子作为感受器的一种传感器，其基本原理是通过对生物分子与其其他物质之间相互作用的敏感性进行检测。
一个典型的生物传感器通常包括两个主要组成部分：生物识别元素和传感器转换元素。
生物识别元素通常是酶、抗体、DNA、RNA等生物分子，用于特异性地识别目标分子；传感器转换元素则是一种转换检测信号的物质，如荧光素、电子转移体等，用于将识别元素与检测系统结合起来，实现信号转换和检测。
二、生物传感器在微生物检测中的应用微生物在食品、医疗等领域被广泛应用，但其检测和控制一直是一个难题。
传统的微生物检测方法需要耗费时间和耗能，不如生物传感器快速、准确和便捷。
目前，生物传感技术已经被广泛应用于食品、医疗、环境和农业等领域的微生物检测中。
2.1 食品安全生物传感器技术在食品安全领域中具有广泛的应用前景。
例如，在鸡肉病原菌的检测中，利用免疫磁性微珠将鸡肉中的病原菌捕获，通过荧光检测进行定量分析。
此外，食品安全中常见的沙门氏菌、大肠杆菌等病原菌也可通过生物传感器技术进行检测。
2.2 医疗检测生物传感器技术也可用于临床诊断中。
例如，基于DNA纳米技术和电化学传感器的血清学检测平台已经被开发用于人源病毒和肿瘤标志物的检测。
此外，生物传感器技术也可用于呼吸道病原微生物的检测，例如肺结核病原微生物检测等。
2.3 环境污染预警生物传感器技术在环境保护中发挥着重要的作用。
例如，将微生物识别元素与电化学传感器结合，可用于环境中有机物化合物和重金属离子的检测等。
此外，生物传感技术还可应用于水源、大气和土壤中微生物的检测。
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
⑵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。
⑶分析速度快，可以在一分钟得到结果。
⑷准确度高，一般相对误差可以达到1%
⑸操作系统比较简单，容易实现自动分析
⑹成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。
环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器，生物传感器 满足了人们的要求。已有相当部分的生物传感器应用于环境监测中。
⑴水环境监测
生化需氧量(BOD）是一种广泛采用的表征有机污染程度的综合性指标。在水体监测和污水处理厂的运行控制 中，生化需氧量也是最常用、最重要的指标之一。常规的BOD测定需要5d的培养期，而且操作复杂，重复性差， 耗时耗力，干扰性大，不适合现场监测。SiyaWakin等人利用一种毛孢子菌(Trichosporoncutaneum）和芽孢杆 菌(Bacilluslicheniformis）制作一种微生物BOD传感器。该BOD生物传感器能同时精确测量葡萄糖和谷氨酸的 浓度。测量范围为0.5～40mg/L，灵敏度为5.84nA/mgL。该生物传感器稳定性好，在58次实验中，标准偏差仅为 0.0362。所需反应时间为5～lOmin。
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。
生物传感器⑴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、果酱和蜂蜜中的葡萄糖。其它糖类，如果糖，啤酒、麦芽 汁中的麦芽糖，也有成熟的测定传感器。
DNA传感器是生物传感器中报道最多的一种，用于临床疾病诊断是DNA传感器的最大优势，它可以帮助医生从 DNA,RNA、蛋白质及其相互作用层次上了解疾病的发生、发展过程，有助于对疾病的及时诊断和治疗。此外，进 行药物检测也是DNA传感器的一大亮点。Brabec等人利用DNA传感器研究了常用铂类抗癌药物的作用机理并测定了 血液中该类药物的浓度。
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
生物传感器1. 概述生物传感器基本特征之一，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受并处理的信号。
例如，人能通过眼、耳、鼻、舌、神等感觉器官将外界的光、声、温度及其他各种化学和-物理信号转换成人体内神经系统等信息处理系统能够接受和处理的信号。
现代和未来的信息社会中，信息处理系统要对自然和社会的各种变化作出反应，首先需要通过传感器将外界的各种信息接收下来，并转换为信息系统中的信息处理单元（即计算机）能够接受和处理的信号。
随着生产力的高度发展和物质文明的不断提高，在工农业生产、环境保护、医疗诊断和生物工程等领域，每时每刻都有大量的样品余姚分心和检验。
这些样品要求在很短的时间内完成检测，有时甚至要求在线或在或体内直接测定。
这就需要开发一种能够测定各种无机或有机化合物的新型有效的传感器。
生物传感器便是其中的一个重要方面。
在现代信息科学技术领域中，有人把计算机比作大脑，而把传感器比作感觉器官。
在生物信号的分析检测领域，目前的状况是“头脑发达，感觉迟缓”。
因此，生物传感器的研究和应用更加被提到日益重要的地位。
2. 生物传感器的定义根据中华人民共和国国家标准(GB 7665-1987)的规定，传感器定义为：能感受规定的被测量信号并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转化、转换元件组成。
其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量信号的部分；转换元件是指将敏感元件感受或响应的被测量信号转换成使用于传输或测量的电信号部分。
生物传感器由生物识别元件和信号转换器组成，能够选择性地对样品中的待测物发出相应，通过生物识别系统和电化学或其他传感器把待测物质的浓度转为电信号，根据电信号的大小定量测出待测物质的浓度。
生物传感器是应用生物活性材料（如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理或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，也是物质在分子水平的快速、微量分析方法。
生物传感器
多肽分子以预先设计的方式固定在玻片、硅片、
聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体上组成密集分子 排列，当荧光标记的靶分子与芯片上的探针分子 结合后，通过激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像 机（CCD）对荧光信号的强度进行检测，从而判
断样品中靶分子的数量。
（2）生物芯片的分类： 生物芯片根据芯片上的探针不同，可分为蛋
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。
生物传感器的分子识别元件 分子识别元件 酶膜 全细胞膜 生物活性材料 各种酶类 细菌、真菌、动植物细胞
组织膜
细胞器膜 微生物膜 免疫功能膜
动植物组织切片
线粒体，叶绿体 微生物 抗体、抗原、酶标抗原等
迄今为止的研究认为纳米技术分为三种概念：
（1）1986年美国科学家德雷克斯勒博士在
《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根
据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从
而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任 何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取 得重大进展。 （ 2 ）把纳米技术定位为微加工技术的极限。
也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米
大小的结构的技术。
（3）从生物的角度出发而提出的。本来，生物在 细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。
二、纳米生物前沿技术
（1）生物分子微分析技术 (Microanalysis of
Biomolecules)
许多的生物分子相当微小，其大小通常就在纳 米范围，因此若能利用纳米尺度的检测设备或系 统，将有助于进一步观察及探讨生物分子、细胞 表面与细胞内分子层级的活动及变化。
生物传感器与生物芯片
生物传感器与生物芯片生物传感器和生物芯片是近年来生物技术领域的重要研究方向。
生物传感器是一种能够将生物学信号转化为可观测信号的设备，而生物芯片则是将生物传感器集成在微小芯片上，具有更高的灵敏度和集成度。
本文将重点介绍生物传感器和生物芯片的原理、应用以及未来发展趋势。
一、生物传感器的原理生物传感器是一种通过生物分子识别、信号转导和信号检测等步骤，将生物学过程转换为电化学信号或光学信号的装置。
其主要原理包括生物识别元件、转换元件和检测元件。
生物识别元件一般选择具有特异性结合能力的生物分子，如抗体、酶和核酸等，用于与目标生物分子发生特异性相互作用。
转换元件将生物识别反应转化为电化学信号或光学信号。
常用的转换元件包括电极、荧光染料和表面等离子共振等。
检测元件用于测量转换后的信号，并将信号转换为数字信号进行分析和处理。
二、生物传感器的应用1. 医学诊断生物传感器在医学诊断领域中具有重要应用。
它们可以用于检测血糖、血压、心率等生理指标，提供及时准确的诊断结果。
同时，生物传感器还可以用于检测生物标志物，如癌症标志物和感染性疾病标志物，辅助医生进行疾病诊断和治疗。
2. 环境监测生物传感器用于环境监测领域可以实时检测污染物浓度、水质和空气质量等环境指标。
例如，利用微生物传感器可以检测水中有机污染物和重金属离子，提高环境监测的准确性和灵敏度。
3. 食品安全通过生物传感技术可以实现食品安全的快速检测，提高食品安全水平。
生物传感器可以检测食品中的有害物质和微生物，如重金属、农药残留和致病菌等，确保食品质量。
三、生物芯片的原理生物芯片是将多种生物传感器集成在微小的芯片上，以实现多通道、高灵敏度和高通量的生物检测。
生物芯片的原理主要包括芯片设计、样品处理和信号检测等步骤。
芯片设计是将多种传感器和样品处理单元布置在芯片上，以实现多通道检测。
通过合理的设计，可以提高芯片的灵敏度和检测效率。
样品处理是对待测样品进行预处理，以提高检测的准确性和可靠性。
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。
生物传感器工作原理
生物传感器工作原理
生物传感器是一种能够感知生物体内特定化学或生物活动的设备，其工作原理主要包括以下几个方面：
1. 生物识别：生物传感器通常使用生物识别技术，如抗体与抗原的结合、酶与底物的反应等，来特异性地识别目标生物分子或反应。
2. 传感转换：一旦目标生物分子或反应被识别，生物传感器会将其转换为可测量的物理或化学信号。
这一转换通常涉及到一系列的反应步骤，比如酶催化、电化学反应等。
3. 信号放大：转换后的信号可能较微弱，生物传感器需要将其放大以增强检测的灵敏度。
通常采用放大器或放大电路来实现信号放大。
4. 信号检测：放大后的信号将被传感器的探测器或传感器阵列检测。
常见的检测技术包括光学检测、电化学检测、磁性检测等。
5. 数据处理：检测到的信号将被传输到数据处理单元，经过滤波、数据分析和解码等步骤，最终得到目标生物分子或反应的定量测量结果。
生物传感器工作原理的具体实现方式根据传感器的类型和用途而有所不同，可以应用于许多领域，如医学诊断、环境监测、
食品安全等。
同时，随着纳米技术、生物技术和电子技术的发展，生物传感器的工作原理也不断得以改进和创新。
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。
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2 生化过程的检测与控制
3 生化过程的检测与控制
（1） 将化学变化转变成电信号
17 生化过程的检测与控制
2.3.5 生物传感器组成部分
生物分子识别元件(感受器)：是具有分子识别能 力的生物活性物质(如组织切片、细胞、细胞器、 细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等); 信号转换器(换能器)：主要有电化学电极(如电位、 电流的测量)、光学检测元件、热敏电阻、场效应 晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等， 当待测物与分子识别元件特异性结合后,所产生的 复合物(或光、热等)通过信号转换器变为可以输 出的电信号、光信号等,从而达到分析检测的目的。
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,即组成酶传感器. 常用转换装置有氧电极、过氧化氢。
4 生化过程的检测与控制
（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 时常伴有热的变化.例如大多数酶反应的热 焓变化量在25-100kJ/mol的范围.这类生物 传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏 电阻转换为阻值的变化,后者通过有放大器 的电桥输入到记录仪中.
15 生化过程的检测与控制
2.3.4 生物传感器优点
(1)根据生物反应的特异性和多样性,理论上可以 制成测定所有生物物质的传感器,因而测定范围 广泛 (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 (3)体积小、响应快、样品用量少,可以实现连续 在位检测
5 生化过程的检测与控制
（3） 将光信号转变为电信号
例如，过氧化氢酶,能催化过氧化氢/鲁米诺体 系发光,因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或 光敏二极管的前端,再和光电流测定装置相连,即可 测定过氧化氢含量. 还有很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧 光.也可以用这种方法测定底物浓度.
6 生化过程的检测与控制
18 生化过程的检测与控制
a 生物传感器的信号转换器
生物传感器中的信号转换器是将分子识别元件 进行识别时所产生的化学的或物理的变化转换 成可用信号的装置． 生物传感器的信号转换器已有许多种，其中到 目前为止用得最多的且比较成熟的是电化学电 极，用它组成的生物传感器称为电化学生物传 感器． 可用作生物传感器的信号转换器的电化学电极， 一般可以分为两种类型。电位型电极和电流型 电位型电极和电流型 电极． 电极．
35 生化过程的检测与控制
36 生化过程的检测与控制
(3) 微生物传感器(Microorganism Sensor)
微生物传感器分为两类： 一类是利用微生物在同化底物时消耗氧的呼 吸作用；另一类是利用不同的微生物含有不 同的酶。 好氧微生物在繁殖时需消耗大量的氧,可以氧浓 度的变化来观察微生物与底物的反应情况。
19 生化过程的检测与控制
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．这里指的主要是零类电极。
31 生化过程的检测与控制
肝组织电极
动物肝组织中含有丰富的H2O2酶，可与氧电 极组成测定H2O2及其它过氧化物的组织电 极．1981年Mascini等研究了数种哺乳动物和其 它动物（鸟、鱼、龟）的肝组织电极，翌年， 报道了基于牛肝组织的H2O2电极．
32 生化过程的检测与控制
牛肝-H2O2电极 取0.1mm厚牛肝一片，覆盖于氧电极的 特氟隆膜上，用“O”型橡皮圈固定，即成牛肝 组织电极． 在pH6.80的缓冲液中，使电极与空气 中的氧平衡，然后加入底物，底物为浓度大于 1O-5mol／L H2O2溶液．反应产生的氧气到达氧 电极的特氟隆膜时，使电极输出增加．在 1×10-4mol/L底物浓度时，1.5min即可获得稳 定电流，如图所示：
2.3 生物传感器
传感器（电极或探头）：能感受规定的被测 量并按照一定的规律将其转换成可用信号的 器件或装置，它通常由敏感元件、转化元件 及相应的机械结构和线路组成。 生物传感器：是利用酶、抗体、微生物等作 为敏感材料，将所感受的生物体信息转换成 电信号进行检测的传感器。
1 生化过程的检测与控制
2.3.1 生物传感器工作原理
11 生化过程的检测与控制
生物亲合型传感器
被测物质与分子识别元件上的敏感物质具 有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同 时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发生 变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。 反应式可表示为： S（底物）+ R（受体） = SR
12 生化过程的检测与控制
代谢型传感器
22 生化过程的检测与控制
氧电极
有不少酶特别是各种氧化酶和加氧酶在催化底物反应时要 用溶解氧为辅助试剂，反应中所消耗的氧量就用氧电极来测 定．此外，在微生物电极、免疫电极等生物传感器中也常用氧 电极作为信号转换器，因此氧电极在生物传感器中用得很广。 目前用得最多的氧电极是电解式的Clark氧电极，Clark氧 电极是由铂阴极、Ag/AgCl阳极、KCl电解质和透气膜所构成。 当将氧电极插入含有溶解氧的溶液后，溶液中的O2将扩散，透 过透气膜到达铂阴极表面被还原，还原电流值与溶解氧的量有 关．
10 生化过程的检测与控制
2.3.3 生物传感器分类
（1） 根据传感器输出信号的产生方式 输出信号的产生方式,可分为生物亲合 输出信号的产生方式 型生物传感器、代谢型或催化型生物传感器; （2） 根据生物传感器的信号转换器 信号转换器可分为电化学生物传 信号转换器 感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生 物传感器、测声型生物传感器等 （3） 根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感材料 生物分子识别元件上的敏感材料 可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感 器、基因传感器、细胞及细胞器传感器。
9 生化过程的检测与控制
20世纪70年代中期后,生物传感器技术的成功主要 集中在对生物活性物质的探索、活性物质的固定化 技术、生物电信息的转换以及生物传感器等研究 , 并获得了较快的进展 ,如Divies首先提出用固定化 细胞与氧电极配合 ,组成对醇类进行检测所谓“微 生物电极”。 1977年,钤木周一等发表了关于对生化需氧量(BOD) 进行快速测定的微生物传感器的报告 ,并在微生物 传感器对发酵过程的控制等方面 ,作了详细报导 , 正式提出了对生物传感器的命名。
上述三原理的生物传感器共同点： 都是将分子识别元件中的生物敏 感物质与待测物发生化学反应,将反应 后所产生的化学或物理变化再通过信号 转换器转变为电信号进行测量,这种方 式统称为间接测量方式.
7 生化过程的检测与控制
（4） 直接产生电信号方式
这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、 微生物细胞的氧化直接(或通过电子递体 的作用)在电极表面上发生.根据所得的电 流量即可得底物浓度.
16 生化过程的检测与控制
(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反复多次 使用 (5)准确度高,一般相对误差可达到1%以内 (6)可进行活体分析 (7)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪, 因而便于推广普及 (8)有的微生物传感器能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，能得到许多复杂 的物理化学传感器综合作用才能获得的信息
33 生化过程的检测与控制
若向溶液中通 以氮气，以降低 氧的溶解度，减 少空气平衡溶液 中氧的残余电流 （ 约 10µA ） 至 十分之几微安， 检测下限可降低 至 1X10-5mol ／L，相关系数 R=0.997(n ＝ 9)
34 生化过程的检测与控制
植物组织膜电极 结构图解
a一木瓜, b一果皮, c-中果皮,d-内果皮 1-中果皮组织薄片 2-固定化骨架 3-透气健, 4-垫圈 5-内电解质 6-复合PH电极 7-塑料电极体 3-7为二氧化碳气敏 电极结构
底物（被测物）与分子识别元件上的敏感 物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的 消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感 器称为代谢型传感器，其反应形式可表示为 S（底物）＋R（受体）= SR → P（生成物）
13 生化过程的检测与控制
14 生化过程的检测与控制
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。
8 生化过程的检测与控制
2.3.2 生物传感器发展历程
开端于 20 世纪 60 年代。 1962 年克拉克等人报道了用葡萄糖氧化酶与氧 电极组合检测葡萄糖的结果 ,可认为是最早提 出了生物传感器(酶传感器)的原理。 1967年Updike等人实现了酶的固定化技术 ,研 制成功酶电极 ,这被认为是世界上第一个生物 传感器。
26 生化过程的检测与控制
27 生化过程的检测与控制
葡萄糖电极缺点: (1)溶解氧的变化可能引起电极响应的波动; (2)由于氧的溶解度有限,当溶解氧贫乏时, 响应电流明显下降而影响检测限; (3)传感器响应性能受溶液pH值和温度影响 较大