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。
生物传感器概述及应用
膜或电极电荷状态的变化
膜电位法、电极电位法
质量变化
压电元件法
阻抗变化
电导率法
热变化（热效应）
热敏电阻法
光谱特性变化（光效应）
光纤和光电倍增管
将识别元件上进行的生化反应中消耗或生成的化学物质，或产生的光或热等转换为可用信号，并呈现一定的比例关系。
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。
酶具有识别特定分子的能力
1962年，
酶与电极结合起来测定酶的底物
固定化葡萄糖氧化酶（GOD）＋氧电极
葡萄糖电极
196
1956, L.C. Clark : oxygen electrode 1962, L.C. Clark : biosensor concept (electrochemical sensor + enzyme transducers as membrane = enzyme electrode)
oxygen electrode enzyme electrode
酶 辅酶 维生素 抗原 抗体
生物功能膜（酶、微生物、细胞器、组织、细胞、抗原、抗体）
待测物质
扩散作用
固定化生物敏感膜层
分子识别
生物学反应
电信号
换能器
生物传感器的分子识别元件
分子识别元件
生物活性单元
酶膜
各种酶类
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连续、在线的测定。
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
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。
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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。
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（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
(4).酶的固定化技术
固定化酶使酶的利用率、稳定性与 机械强度等方面均较可溶性酶有所提高， 使用固定化酶为酶电极的制备提供了良 好的条件．
1.惰性载体——物理吸附法
此法是酶分子通过极性键、氢键、 疏水力或π电子相互作用等吸附于不溶性 载体上．常用的载体有：多孔玻璃、活 性炭、氧化铝、石英砂、纤维素酯（包 括硝酸纤维素、醋酸纤维素）、葡聚糖、 琼脂精、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，已用 此法固定化的酶如：脂肪酶、α－D葡萄 糖苷酶、过氧化物酶等．
3）酶浓度 每毫升酶蛋白溶液所含某酶的活力 单位数称某酶浓度． 一定重量或一定体积酶制剂所具有 的酶活力单位数叫做总活力．在酶的提 纯过程中，总活力逐渐下降，比活力逐 渐提高．
4）转换值
也称分子活力或摩尔活力．其定义是1摩尔酶在 最适条件下，1min内所转化的底物的摩尔数．转化 值的单位为min-1．转换值的倒数是一个催化循环所 需要的时间．
4. 生物传感器的分类
(1).根据生物传感器的输出 信号方式分类
a．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
b．代谢型或催化型传感器 另一类是底物（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 型或催化型传感器，其反应形式可表示 为
二. 生物传感器的信号转换
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． 电化学电极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 电极和电流型电极．
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
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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(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。
国转化并设厂办企业。
家用保健类生物传感器技术已率先较好地实现了产业化突破，取
得了显著经济效益。
固定化酶生物传感器作为一类多品种的精密科学仪器，支撑了一
部份生物技术过程检测，对传统生物产业技术改造具有重要意义。
我国已产业化和应用的主要生物传感器种类
手掌型血糖分析器
胰 岛 素 泵
固定化酶生物传感分析仪
5.3 发酵工业
(1)原材料及代谢产物的测定 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。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)微生物细胞数目的测定 人们发现在阳极表面上，菌体可以直接被氧化并产生电流。 这种电化学系统可以应用于细胞数目的侧定。侧定结果与常 规的细胞计数法测定的数值相近。利用这种电化学微生物细 胞数传感器可以实现菌体浓度连续、在线的测定。
4.3 稳定性好，分析精度高 像目前市场上应用的高精度血糖分析仪是采用固 定化酶的生物传感分析仪,其分析精度很高 4.4 操作系统简单, 容易实现自动分析
4.5 作用广, 应用价值大 现在生物传感器的应用, 涉及到医疗保健、疾 病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业等领域
5.1 食品工业
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。 ⑵ 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盐含量
BOD生物传感器
SPR生物传感器
我国生物传感器的产业正处在发展阶段，有较大经 济潜力的项目主要是手掌型血糖分析仪及胰岛素泵两类 产品。生产单位不多，都属于中小型企业。但是行业竞 争激烈。与外资公司同类产品相比较，技术上差距不大。 我国在固定化酶生物传感器研发、生产和应用方面 居国际领先水平，经过15年发展已有许多应用单位，对 国民经济影响大，产生了比较显著的经济效益。但是作 为一类生物技术专用的检测工具，其产业规模不大。
• 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）
3.3 以待测物与分子识别元件的相互作用方式进行分类
2.1.1 分子识别元件
2.1.2 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。
东北 46
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华北 93
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西部! ! !
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华东 148
华中
58
华南
31 台湾2
生物传感器在全国应用数量和地理分布
当前我国生物传感器产业化现状和市场特点是：
5.4 医学
(1)临床医学
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，目前，已成功地应用于血糖、乳酸、维生素C、尿酸、 尿素、谷氨酸等物质的检测。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，在临床中应用的微生物传 感器有葡萄糖、乙醉、胆固醇等传感器。
DNA传感器是目前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。
5.2 环境监测
(1)水环境监测 生物需氧量(BOD)是一种广泛采用的表示有机物污染程 度的综合性指标。国外普遍采用的BOD生物传感器一般是将微 生物膜固定在溶解氧的探头上，当样品溶液通过传感器检测系 统时，渗透通过多孔膜的有机物被固定化的微生物吸收，消耗 氧，引起膜周围溶解氧减少，使氧电极电流随时间急剧减小。 (2)大气环境监测 二氧化硫(S02)是酸雨酸雾形成的主要原因，传统的检测 方法很复杂。Martyr等人将亚细胞类脂类(含亚硫酸盐氧化酶 的肝微粒体)固定在醋酸纤维膜上，和氧电极制成安培型生物 传感器，对S02形成的酸雨酸雾样品溶液进行检测，lOmin可以 得到稳定的测试结果。
3.2 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。
待分析物
生 物 敏 感 膜
物理或化学量的变化
换 能 器
可定量加工的电信号
3.1 根据生物传感器中分子识别元件可分为五类：
我国自主研发生物传感器产品及跨国企业集团在中国推出的产品
共存并相互竞争。
一些掌握生物传感器技术的跨国大企业集团，看好被称为“世界
工厂”的中国市场，采取技术输出的途径，吸收我国的技术力量 和销售途径，在我国市场上进行生物传感器的开发、产品制造和 销售。
一部份海外留学归国的生物传感器专门人才也将自己的成果在中
• 酶传感器（enzymesensor）
• 微生物传感器（microbialsensor）
• 细胞传感器（organallsensor）
• 组织传感器（tissuesensor）
• 免疫传感器（immunolsensor）
3.2 根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有
• 生物电极传感器（bioelectrodesensor）
1977年，美国A.Rchnitz研制出检测测精氨酸的微生物电极
1979年，A.Rchnitz成功研制出了测定谷氨酰胺的组织传感器 20世纪80年代，牛津出版社《生物传感器：基础与应用》
1990年，在新加坡召开了“首届世界生物传感器学术大会”
2.1 结构 生物传感器主要包括两个部分：分子识别元件和换能器