生物医学传感器原理与应用第9章 新型生物医学传感器及系统
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第9章 新型生物医学传感器及系统
生物医学传感器应用广泛，因此，自其出现以来就 得到了快速发展。近年来随着微纳加工技术、物理化学 检测技术、表面处理与修饰技术、生物分子识别技术等 的突破性进展，新型生物医学传感器不断涌现，高通量、 高精度、高灵敏度、高集成度、低功耗、低消耗以及微 型化成为其主要特征。其中，微型传感器不仅可以作为 单一传感检测设备，还可以与其他器件集成，形成生物 医学微系统。本章将介绍几种独具特色的新型生物医学 传感器及系统。
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9.2.1 SPR生物传感器 作为一种基于激光的生物传感技术，SPR生物传感 器可以通过折射率的变化来检测金属敏感表面的分子结 合情况。SPR 传感检测在金属-液体界面靠液体一侧的 典型探测深度在200nm左右。这一特点使SPR装置成为 一种表面敏感的检测技术，是检测表面固定的生物分子 与液相中待测物分子相互作用的理想方法［3］。
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9.1.3 可选用的化学传感器 用于仿生传感器阵列系统的传感器与传统用于特异 性分析的传感器有着本质区别，必须满足以下几点要求： 有一定交互敏感能力，能同时对待测物中几种不同 组分有一定响应； 有一定选择性，对不同的组分具有不同响应能力； 各项参数以及响应信号必须稳定，具有重现性； 在不同的检测环境下需要有较长使用寿命。
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9.2.2 光纤生物传感器 尽管光纤生物传感器可基于不同的检测原理，但是 它们基本还是采用激光作为光源。大多数利用激光作为 光源的大型传感检测设备都可以利用光纤进行小型化， 如荧光和光吸收检测。
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9.2.3 光波导生物传感器 光波导与光纤的工作原理类似，因此，大多数基于 光纤的光学生物传感检测方法都可以用光波导传感器来 完成。相对于光纤，光波导更容易与其他光学器件，如 光栅、干涉仪等集成为一个微型化的小型检测装置。
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9.2.4 微悬臂梁生物传感器 微悬臂梁可以把受体覆盖表面的识别过程转换为机 械偏转。当配体与受体相互作用时，两者之间的吸附力 引起微悬臂梁的弯曲。
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9.3 纳米传感器
纳米技术通常是指与亚微米尺度有关的过程和产品， 是“指一种加工技术，其中涉及单原子和分子，以及至 少一个尺度小于100nm 的物体的操作”。1993年，国 际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为纳米电子学、 纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米加工学和纳 米计量学等6个分支学科。现代社会在材料的超微化， 元器件的高集成度，仪器的微型化和智能化，高密度存 储和超快传输等方面的特殊要求对纳米科技的发展提供 了广阔的空间。
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9.3.4 纳米传感器 在生物医学领域的应用纳米技术可用于制造生物、 化学、物理等不同种类的传感器，通过与微电子学和 MEMS技术结合还可以制造出具有高度智能和灵敏度， 便携以及廉价的传感器（图9.17）。
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9.4 基于液滴的微流控系统在生物医学传感分析中的应用
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9.1 仿生化学传感器阵列系统———电子鼻及电子舌
尽管分析技术在近年发展迅速，但是很多方面还难 与人类视、听、嗅、触、味等5个感知功能相提并论。 化学传感器阵列系统的研究对推动人工嗅觉和味觉装置 （电子鼻和电子舌）的发展具有特别重要的意义。化学 传感器（chemicalsensor或者chemosensor）是一类对 化学物质敏感并可以将其浓度信息转换为电信号，从而 进行检测的传感装置，具有对待测化学物质的构象或分 子结构等有选择性俘获（接受器）功能和将俘获的化学 量有效转换为电信号（转换器）的能力。化学传感器种 类繁多、分析速度快、自动化程度高、易于小型化，因 此在医学诊断、环境检测、公共安全、自动控制等领域 发挥着重要作用。
在过去20多年里，微流控分析系统的研发得到了快 速发展。它们可以用于分子、细胞以及小的多细胞组织 的分析，检测传统传感方法难以分析的微量低浓度样本。 通过微量操作、快速混合、高通量集成，可以大大提高 分析能力，减少试剂和能耗，降低成本及污染物的产生， 实现便携化。微流控技术卓越的性能使其在生物医学领 域得到广泛的应用，已被用于常规的生化分析，高通量 生物筛选，细胞分析，临床诊断等。
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9.3.1 纳米传感器的研究现状 现有的纳米传感器可以用于于生物、化学、气体检 测以及热力学等过程的分析。 9.3.2 纳米传感器的常用材料 纳米传感器常用纳米材料包括碳纳米管 （carbonnanotubes，CNTs），金属及金属氧化物纳米 管，非金属及金属氧化物，陶瓷、磁以及其他材料的纳 米颗粒，金属、硅及其他半导体的纳米丝和纳米棒，纳 米多孔硅、碳、陶瓷等。
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9.1.4 数据处理方法 如果说化学传感器是传感器阵列系统的“心脏”， 其“大脑”就是适当的数据处理方法及相应设备。 9.1.5 仿生传感器阵列系统研究 电子鼻的思想源于人类嗅觉机制，包括“气味”传 感器阵列、数据处理器、模式识别系统。传感器阵列模 拟人类嗅觉受体细胞，用作信号接收器。 9.1.6 应用举例 仿生传感器阵列系统适合完成多样化的分析任务， 如组分的定量分析以及传统设备很难完成的识别、鉴定 及分类等工作。
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9.2 基于激光技术的生物传感器
基于激光技术的生物传感器很多，可以采用不同检 测方法，如表面等离体激元共振（surfaceplasmon resonance，SPR），光纤（fiberoptic），光波导 （waveguide），微悬臂梁（micro-cantilever）等。由 于其高度的敏感性和精确性，基于激光的生物传感器被 广泛用于免疫分析，药物筛选等领域。
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9.1.1 仿生传感器阵列系统及其生物学原型 仿生传感器阵列系统的设计需要考虑化学及生物两 方面的特性。传感原理、参数及数据处理等化学特性的 研究有助于获得更合适的化学传感器，而对生物学原型 的研究有利于了解感觉器官的组织和功能，从而设计出 更加智能化的传感器阵列系统。 9.1.2 仿生传感器阵列系统原理及结构 仿生传感器阵列系统也称为人工嗅觉及味觉系统， 是模拟人的鼻和舌的工作原理进行工作的化学传感器阵 列系统。
生物医学传感器应用广泛，因此，自其出现以来就 得到了快速发展。近年来随着微纳加工技术、物理化学 检测技术、表面处理与修饰技术、生物分子识别技术等 的突破性进展，新型生物医学传感器不断涌现，高通量、 高精度、高灵敏度、高集成度、低功耗、低消耗以及微 型化成为其主要特征。其中，微型传感器不仅可以作为 单一传感检测设备，还可以与其他器件集成，形成生物 医学微系统。本章将介绍几种独具特色的新型生物医学 传感器及系统。
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9.2.1 SPR生物传感器 作为一种基于激光的生物传感技术，SPR生物传感 器可以通过折射率的变化来检测金属敏感表面的分子结 合情况。SPR 传感检测在金属-液体界面靠液体一侧的 典型探测深度在200nm左右。这一特点使SPR装置成为 一种表面敏感的检测技术，是检测表面固定的生物分子 与液相中待测物分子相互作用的理想方法［3］。
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9.1.3 可选用的化学传感器 用于仿生传感器阵列系统的传感器与传统用于特异 性分析的传感器有着本质区别，必须满足以下几点要求： 有一定交互敏感能力，能同时对待测物中几种不同 组分有一定响应； 有一定选择性，对不同的组分具有不同响应能力； 各项参数以及响应信号必须稳定，具有重现性； 在不同的检测环境下需要有较长使用寿命。
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9.2.2 光纤生物传感器 尽管光纤生物传感器可基于不同的检测原理，但是 它们基本还是采用激光作为光源。大多数利用激光作为 光源的大型传感检测设备都可以利用光纤进行小型化， 如荧光和光吸收检测。
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9.2.3 光波导生物传感器 光波导与光纤的工作原理类似，因此，大多数基于 光纤的光学生物传感检测方法都可以用光波导传感器来 完成。相对于光纤，光波导更容易与其他光学器件，如 光栅、干涉仪等集成为一个微型化的小型检测装置。
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9.2.4 微悬臂梁生物传感器 微悬臂梁可以把受体覆盖表面的识别过程转换为机 械偏转。当配体与受体相互作用时，两者之间的吸附力 引起微悬臂梁的弯曲。
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9.3 纳米传感器
纳米技术通常是指与亚微米尺度有关的过程和产品， 是“指一种加工技术，其中涉及单原子和分子，以及至 少一个尺度小于100nm 的物体的操作”。1993年，国 际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为纳米电子学、 纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米加工学和纳 米计量学等6个分支学科。现代社会在材料的超微化， 元器件的高集成度，仪器的微型化和智能化，高密度存 储和超快传输等方面的特殊要求对纳米科技的发展提供 了广阔的空间。
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9.4 基于液滴的微流控系统在生物医学传感分析中的应用
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9.1 仿生化学传感器阵列系统———电子鼻及电子舌
尽管分析技术在近年发展迅速，但是很多方面还难 与人类视、听、嗅、触、味等5个感知功能相提并论。 化学传感器阵列系统的研究对推动人工嗅觉和味觉装置 （电子鼻和电子舌）的发展具有特别重要的意义。化学 传感器（chemicalsensor或者chemosensor）是一类对 化学物质敏感并可以将其浓度信息转换为电信号，从而 进行检测的传感装置，具有对待测化学物质的构象或分 子结构等有选择性俘获（接受器）功能和将俘获的化学 量有效转换为电信号（转换器）的能力。化学传感器种 类繁多、分析速度快、自动化程度高、易于小型化，因 此在医学诊断、环境检测、公共安全、自动控制等领域 发挥着重要作用。
在过去20多年里，微流控分析系统的研发得到了快 速发展。它们可以用于分子、细胞以及小的多细胞组织 的分析，检测传统传感方法难以分析的微量低浓度样本。 通过微量操作、快速混合、高通量集成，可以大大提高 分析能力，减少试剂和能耗，降低成本及污染物的产生， 实现便携化。微流控技术卓越的性能使其在生物医学领 域得到广泛的应用，已被用于常规的生化分析，高通量 生物筛选，细胞分析，临床诊断等。
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9.3.1 纳米传感器的研究现状 现有的纳米传感器可以用于于生物、化学、气体检 测以及热力学等过程的分析。 9.3.2 纳米传感器的常用材料 纳米传感器常用纳米材料包括碳纳米管 （carbonnanotubes，CNTs），金属及金属氧化物纳米 管，非金属及金属氧化物，陶瓷、磁以及其他材料的纳 米颗粒，金属、硅及其他半导体的纳米丝和纳米棒，纳 米多孔硅、碳、陶瓷等。
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9.1.4 数据处理方法 如果说化学传感器是传感器阵列系统的“心脏”， 其“大脑”就是适当的数据处理方法及相应设备。 9.1.5 仿生传感器阵列系统研究 电子鼻的思想源于人类嗅觉机制，包括“气味”传 感器阵列、数据处理器、模式识别系统。传感器阵列模 拟人类嗅觉受体细胞，用作信号接收器。 9.1.6 应用举例 仿生传感器阵列系统适合完成多样化的分析任务， 如组分的定量分析以及传统设备很难完成的识别、鉴定 及分类等工作。
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9.2 基于激光技术的生物传感器
基于激光技术的生物传感器很多，可以采用不同检 测方法，如表面等离体激元共振（surfaceplasmon resonance，SPR），光纤（fiberoptic），光波导 （waveguide），微悬臂梁（micro-cantilever）等。由 于其高度的敏感性和精确性，基于激光的生物传感器被 广泛用于免疫分析，药物筛选等领域。
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9.1.1 仿生传感器阵列系统及其生物学原型 仿生传感器阵列系统的设计需要考虑化学及生物两 方面的特性。传感原理、参数及数据处理等化学特性的 研究有助于获得更合适的化学传感器，而对生物学原型 的研究有利于了解感觉器官的组织和功能，从而设计出 更加智能化的传感器阵列系统。 9.1.2 仿生传感器阵列系统原理及结构 仿生传感器阵列系统也称为人工嗅觉及味觉系统， 是模拟人的鼻和舌的工作原理进行工作的化学传感器阵 列系统。