生物传感器

按分子识别元件分类
酶传感器
微生物 传感器
分子识别 元件
免疫传感器
细胞器传感器
组织传感器
按器件分类
生物电极 光生物传感器
介体生物传感器
换能器
半导体生物传感 器
热生物传感器
压电晶体生物传感器
酶传感器
酶传感器的类型
热 光 测 定 物 质 热敏电阻传感器 光纤传感器
H正离子 透气膜 氧气 过氧化氢 氨气 二氧化碳 酶膜
S A A P A
E
S R0
B
P
V B R0
E
• 2.热电传感器 热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的 原理制成的，如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、 电饭煲等）的温度控制、火警报警器、恒温箱等。 • 3.光电传感器 光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。如果是光敏电 阻的阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。如自动冲水 机、路灯的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电 传感器的原理。 声电传感器、电容传感器。。。。
分子识别原件
换能器 • 换能器的作用是将各种生物的、化学的和物理的信息转换成电 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。 主要的换能器包括氧电极、光敏管、场效应管、和压电晶体 等。
电位（电极） 电流（场效应管）
铂阴电极 铂阳电极
电流测量 电极 电位测量
氢正离子敏感膜
应用举例：葡萄糖传感器
工作原理
葡萄糖氧化酶（ＧＯＤ）
葡萄糖+H2O＋Ｏ２――――――→葡萄糖酸＋Ｈ２Ｏ２
故葡萄糖浓度测试方法有三种：
①测耗量Ｏ２ ②测Ｈ２Ｏ２生成量
③测由葡萄糖酸而产生的pＨ变化。
手掌型血糖分析器
• 金纳米粒子的合成
胶体金的科学合成法可以追溯到年的工作，他们将憐溶解在二硫化 碳，然后还原水溶性的氯金酸盐来获得胶体金。现了一种现在最流 行的方法来合成金纳米粒子，即是利用梓檬酸盐在水溶液中还原氯 金酸的方法来合成金纳米粒子。在这个方法里，梓檬酸既作为还原 剂，又作为保护剂，得到了粒径为的金纳米粒子。接下来的工作中 通过控制梓樣酸盐和氯金酸的比例成功的合成了不同粒径的纳米金 粒子。
• 动物组织电极主要有:肾组织电极、肝组织电极、肠组织电极、肌肉 组织电极、胸腺组织电极等。测定对象主要有:谷氨酰胺、葡萄糖胺 6 磷酸盐、Ｄ 氨基酸、Ｈ2Ｏ2、地高辛、胰岛素、腺苷、ＡＭＰ等。 • 植物组织电极敏感元件的选材范围很广,包括不同植物的根、茎、叶、 花、果等。植物组织电极制备比动物组织电极更简单,成本更低并易 于保存。 • 细胞器电极传感器是利用动植物细胞器作为敏感元件的传感器。细 胞器是指存在于细胞内的被膜包围起来的微小“器官”,如线粒体、 微粒体、溶酶体、过氧化氢体、叶绿体、氢化酶颗粒、磁粒体等等。 • 其原理是利用细胞器内所含的酶(往往是多酶体系)。
电化学ＤＮＡ传感器
• 电化学DNA传感器是利用单链DNA (ssDNA) 或基因探针作为敏感 元件固定在固体电极表面,加上识别杂交信息的电活性指示剂(称 为杂交指示剂)共同构成的检测特定基因的装置。 • 其工作原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的ssDNA与溶 液中的同源序列的特异识别作用(分子杂交)形成双链 DNA(dsDNA)(电极表面性质改变),同时借助一能识别ssDNA和 dsDNA的杂交指示剂的电流响应信号的改变来达到检测基因的目 的。
生物传感器
•传感器的含义 •生物传感器的分类及其工作原理
一、传感器的含义
传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度 等）转换成易于测量、传输、处理的电学量（如电压、电流、电容等）的一种组件，起自 动控制作用。一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，如：
非电物理量
• 金纳米粒子修饰在桂片上制备成一种传感器，该传感器对异烟胼 的检测限为。 • 对细胞的传感检測修饰了金纳米粒子和壳聚糖的纳米凝胶复合物 在传感器，已经成功的用于细胞吸附、增值、调亡等地生理过程 进行检测，，有研究报道，浓度为活细胞对玻碳电极就会产生很 大的电阻。等将活的胰腺癌细胞固定在金纳米粒子修饰的电极上， 将该电极检测抗胰腺癌药物阿霉素。 • 金纳米粒子以其优越的物理学和化学性质，已经得到很大的发展。 各种修 • 饰技术的发展又促进了对金纳米粒子研究的热潮。纳米检测技术 的新发展，为金纳米粒子的应用拓宽了道路
微生物传感器——BOD传感器（示例）
• 发展背景：传统标准稀释法所需时间长、操作繁琐、准确度差。 BOD传感器不仅能满足实际监测的要求，并且有快速、灵敏的特 点。 • BOD传感器的工作原理：以微生物的单一菌种或混合种群作为BOD 微生物电极，由于水体中BOD物质的加人或降解代谢的发生，导 致水中的微生物内外源呼吸方式的变化或转化，藕联着电流强弱 信号的改变，一定条件下传感器输出的电流值与BOD的浓度呈线 性关系。 • 制作BOD生物传感器的微生物主要有酵母、假单胞菌、芽抱杆菌、 发光菌和嗜热菌等。
•
生物传感器的分类
• a.根据生物传感器中生物分子识别元件上 的敏感物质可分为酶 传感器、微生物传感器、组织传感器、基因传 感器、免疫传感 器等； • b. 根据生物传感器的信号转化器可分为电化学生物传感器、半 导体生物传感器、热生物传感器、光生物传感器、压电型生物传 感器等。 电化学生物传感器又可分为安培型和电位型两种。
测量氧消耗量的葡萄糖传感器
测量氧消耗量的葡萄糖传感器 1. 氧电极构成：①由Ｐb阳极和Ｐt阴极浸入碱溶液，②阴极表面用 氧穿透葡萄糖（基质）膜覆盖[特氟隆，厚约１０μ m]
2. 氧电极测 O2原理：利用氧在阴极上首先被还原的特性。溶液中的 O2穿过特氟隆膜到达 Pt阴极上，当外加一个直流电压为氧的极化 电压 ( 如 0.7V) 时，则氧分子在 Pt 阴极上得电子，被还原 : 其电流 值与含O2浓度成比例。 Ｏ2+２Ｈ2Ｏ+４e=======４ＯＨ－
免疫传感器的工作原理
• 基本原理是免疫反应。利用固定化抗体（或抗原）膜与相应的抗 原（或抗体）的特异反应，使得生物敏感膜的电位发生变化。
• 抗原或抗体一经固定于膜上，就形成具有识别免疫反应强烈的分
子功能性膜。如，抗原在乙酰纤维素膜上进行固定化，由于蛋白
质为双极性电解质，（正负电极极性随ＰＨ值而变）所以抗原固
敏感元件
转换器件
转换电路 电学量
二、传感器的分类
1.力电传感器 力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等） 转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、 现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱 死制动系统等。
pH 测量原理
测量系统是： – pH 玻璃电极 – 参比电极 E = EGlas - ERef
玻璃电 极
pH 计
参比电 极
此方程是用来测量溶液中pH电极与参 比电极的电位之差。
pH电极构造
玻璃电极
S7 接口 填充口 铂金属丝 参比电解液 参比系统 内参比液 电极膜玻璃 膜玻璃
参比电极
生物传感器
石英晶体电极及表面固定和检测
• 金纳米粒子
• 金纳米粒子以其独特的物理化学属性，使得他们在制备新型化学和生物传感器方面成为优良的支架材 料。首先，金纳米粒子的制备简单，可以用一步合成法合成具有非常高稳定性的金纳米粒子；其次， 金纳米粒子具有非常独特的光电特性；第三，他们与适当的配体表现出优良的生物相容性，并提供高 的表面体积比；第四，通过改变其大小，形状和周围的化学环境，金纳米粒子的上述属性可以随时获 得调整例如在识别元素和分析物间的键合作用就能够改变金纳米粒子传感的物理化学性质，比如等离 子体共振吸收，电导率，还原性等，因为这些信号可能会产生可测量的反应信号；最后，金纳米粒子 为一种广泛的有机或生物配体选择性对小分子或生物分子键合检测提供了了一个合适的平台。对金纳 米粒子的每一个贡献都会促进各国研究者去发展高灵敏度、高选择性、更稳定的新型传感系统。在过 去几十年的研究中，金纳米粒子作为一种传感元素的引入，在快速、高效的检测金属离子、小分子、 蛋白质、核酸、毒性细胞等方面为我们提供了一种更新颖的检测方法。
组织电极与细胞器电极传感器
• 直接采用动植物组织薄片作为敏感元件的电化学传感器称组织电 极传感器。 • 其原理是利用动植物组织中的酶, • 优点：酶活性及其稳定性均比离析酶高,材料易于获取,制备简单, 组织中酶处于适宜的环境，同时又相当于被固定化了，使用寿命 长等。 • 缺点：但在选择性、灵敏度、响应时间等方面还存在不足。
• 对小分子的传感检测
• 金纳米粒子被广泛的应用于多种检测小分子的化学过程中，如检测葡萄糖、多巴胺、尿酸、wk.baidu.com抗坏血酸、酷甲院、亚销酸盐等“。用金纳米粒子制备了一种伏安传感器，即使在抗坏血 酸和尿酸存在的情况下，该传感器也可以对肾上腺素表现出良好的选择性。 • 对毒品的传感检测 • 基于金纳米粒子的构建的多种酶电极、非酶电极可以对诸如砷、铬等有毒离子实现检测， 还可以用于对农药残留进行检测。
• 物理方法修饰金纳米粒子
• 物理方法可以用来控制金纳米粒子的结构，并最终决定金纳米粒 子的组成。热分解作用、消化作用包括传统的熟化作用，在降低 粒径、分散粒子以及形成或的超晶格结构都齐了极大地作用。超 声可以用来控制水溶液中Aucl4的还原速率，因此也可以用改变超 声频率或者改变反应位点来影响金纳米粒子的粒径。福射也可以 用来控制纳米粒子的粒径。合成的金纳米粒子可以根据其形状和 大小用型号排除套色版来进行分离。
号放大装置构成的分析工具或系统
原理
• 被分析物扩散进入固定化生物敏感膜，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 换
待分析物
化学量或 物理量变化
能 器
可定量加工 的电信号
压电晶体生物传感器
• 利用压电石英晶体对表面电极区附着质量的敏感性，并结合生物 功能分子(如抗原和抗体)之间的选择特异性，使压电晶体表面产 生微小的压力变化，引起其振动频率改变可制成压电生物传感 器 。 • 它主要由压电晶体、振荡电路、差频电路、频率计数器及计算机 等部分组成。 • 常用压电晶体材料：石英（SiO2）、钽酸锂（LiTaO3） • 晶体振动两种类型：体声波(bulk acoustic wave, BAW)表面声 波(Surface acoustic wave, SAW)
定化膜具有表面电荷。其膜电位随膜电荷要变化。故根据抗体膜 电位的变化，可测知抗体的附量。
微生物电极传感器
• 将微生物(常用的主要是细菌和酵母菌)作为敏感材料固定 在电极表面构成的电化学生物传感器称为微生物电极传感 器。 • 其工作原理大致可分为三种类型:
• 其一,利用微生物体内含有的酶(单一酶或复合酶)系来识别分子, 这种类型与酶电极类似; • 其二,利用微生物对有机物的同化作用,通过检测其呼吸活性(摄 氧量)的提高,即通过氧电极测量体系中氧的减少间接测定有机 物的浓度; • 其三,通过测定电极敏感的代谢产物间接测定一些能被厌氧微生 物所同化的有机物。
杂交检测技术
• 电化学检测DNA 可以分为直接检测和间接检测。 • 直接检测的依据在于DNA 与某些电极表面的直接电子转移是可能 的,而且DNA 的一些组分包括碱基和核糖在一定电势窗口下也是 有电化学活性的。 • 间接检测则是通过一些氧化还原媒介来实现电子传递,借助于这 些与DNA 选择性结合的有电化学活性的指示剂来进行杂交检测。
• 高分子稳定的金纳米粒子
• 首次报道了聚合物保护的金纳米粒子。常用作保护剂的聚合物， 有聚乙烯比咯烷酮，聚乙烯醇，聚乙烯基甲醚，壳聚糖，聚乙烯 亚胺，聚二烯丙基二甲基氯化铵等。
• 金纳米粒子的应用
• 金纳米粒子具有优良的导电性、大的比表面积、很好的催化活性和良好的生物相容性，因 此金纳米粒子可以被很好的应用于多种分析检测过程。尤其是在制造传感器方面。
生物传感器(biosensor)：以生物活性单元(如酶、抗体、核酸、细
胞等)作为生物敏感基元，对目标被测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。
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