生物信号检测及传感器第一节
生物信号的检测和处理技术
生物信号的检测和处理技术生物信号是生命活动过程中的表征，比如心电信号、脑电信号、肌电信号等。
这些生物信号的检测和处理对医学诊断、生理学研究、生物控制等领域都有很大的意义。
本文将探讨生物信号的检测和处理技术。
一、生物信号的检测技术1. 传感器技术传感器是生物信号检测中最基础的技术手段。
传感器将生物信号转化为电信号，再通过放大、滤波等技术进行处理。
常用的传感器包括肌电传感器、心电传感器、脑电传感器等。
2. 无线传输技术无线传输技术将传感器采集到的信号通过无线方式传输到接收端进行处理，克服了传感器布线难、干扰等问题，大大提高了生物信号检测的可靠性和灵敏度。
3. 光学检测技术光学检测技术利用光学信号来检测生物信号并进行处理，主要应用于检测微弱的生物信号或对生物信号进行非侵入式检测。
例如，利用近红外光进行脑部功能成像、利用光纤传感技术测量心脏和呼吸运动等。
二、生物信号的处理技术1. 信号滤波技术信号滤波技术可以去除生物信号中的噪声和干扰信号，提高信号的信噪比和可靠性。
常用的滤波方法包括低通滤波、高通滤波、带通滤波、陷波滤波等。
2. 时域和频域分析技术时域分析技术可以分析信号的时间特征，例如幅值、时间延迟、周期等；频域分析技术可以分析信号的频谱特征，例如频率、谐波等。
时域和频域分析可以提取信号的特征，辅助医学诊断和生理学研究。
3. 信号模型和模式识别技术信号模型和模式识别技术能够建立生物信号的数学模型，并通过数学算法识别信号的特征和模式，为医学诊断和生理学研究提供量化分析手段。
例如，利用心电信号的形态特征和频率分布建立心脏病的诊断模型，利用脑电信号的相位同步信息进行脑部神经病变的监测。
三、应用前景在医学、生理学、生物控制等领域，生物信号检测和处理技术将会有广泛的应用。
例如，利用生物信号检测技术对心血管疾病、呼吸系统疾病、神经系统疾病等进行非侵入式的早期诊断和监测；利用生物信号控制技术实现假肢控制、生理状态调节等；利用生物信号反馈技术实现自我调节和治疗等。
生物信号检测及传感器第一节
根据米-曼氏方程可以计算
5).设计适宜的底物浓度 酶促反应进程曲线表明，只有初速度才能真正代表酶活性，一般
要求初速度达到最大速度的90%～95%、底物消耗率为1%～5%。 这样既可以近似地表示酶活性，又不致于使底物浓度过高而造成浪 费。
(五）、酶生物传感器的种类
基于抑制原理的酶传感 器的影响因素：
1.底物浓度
2.pH 3.反应温度
(五)酶催化反应的某些缺点
1、 酶催化反应只能得到一种构型（L-型或D-型）的光学产物； 2、酶常常存在着底物或产物抑制现象，造成反应转化率降低，
生产能力低等问题； 3、极端的pH、较高的温度和高盐浓度的反应体系都可能使酶
钝化，失去部分甚至大部分催化活性； 4、大量的氧化还原酶、转氨酶等需要等计量反应物的辅因子
1.基于酶促反应的酶传感器
• 1）.底物浓度 • 在低底物浓度时, 反应速度与
底物浓度成正比，表现为一 级反应特征。 • 当底物浓度达到一定值，几 乎所有的酶都与底物结合后， 反应速度达到最大值
（Vmax），此时再增加底
物浓度，反应速度不再增加， 表现为零级反应。
• 2）.pH
• 在一定的pH 下, 酶具有最大的 催化活性,通常称此pH为最适 pH。
缺点: 标准难建立,反应途径繁多, 易受环境干扰
不同点:
•微生物细胞的膜系统为酶反 应提供了天然的适宜环境
•在多底物反应时,微生物更适 宜
•细胞本身能提供所需的各种 辅助因子和能量
•更方便,更廉价
（二）微生物反应类型
1、根据细菌的营养类型分类
自养菌
以简单的无机物为原 料，合成菌体成分
生物传感器技术的使用教程
生物传感器技术的使用教程生物传感器技术是一种将生物体的生理状态、化学成分或环境因素转化为可测量信号的技术。
它广泛应用于医疗、环境监测、食品安全等领域，帮助人们实时监测并处理相关问题。
本文将详细介绍生物传感器技术的原理、分类以及使用方法，以帮助读者更好地理解和应用该技术。
一、生物传感器技术的原理生物传感器技术基于生物体与传感器之间的相互作用，需要了解生物体的生理活动、代谢产物等。
传感器将生物信息转化为电信号或光信号，并通过数据处理和输出来实现监测和分析。
生物传感器技术的原理可以简单概括为以下几个步骤：1. 生物识别：生物传感器首先识别目标分析物或生物体，例如通过分子识别或特定结构的配体与分析物结合。
2. 转换过程：通过生物体与传感器的相互作用，目标分析物或生物体的信息转化为电信号或光信号。
这通常涉及到某种生物反应，例如酶催化、抗体结合等，将生物信息转化为可测量的信号。
3. 信号检测：将转换后的信号进行检测和测量，通常使用电化学、光学或电子学技术。
这些技术可实时记录和定量分析生物体的信息，从而提供数据支持。
4. 数据处理和输出：通过数据分析和处理，将测得的信号转化为人们可以理解的数据形式，例如浓度、活性等。
这些数据可以进一步用于监测、分析或决策。
二、生物传感器技术的分类根据不同的转换过程和应用领域，生物传感器技术可分为多种类型。
以下是几种常见的分类：1. 酶传感器：利用酶与分析物之间的反应进行检测，广泛应用于医疗领域、环境监测等。
例如，血糖仪就是一种酶传感器，通过检测血液中的葡萄糖浓度来帮助糖尿病患者管理血糖水平。
2. 抗体传感器：针对特定目标分析物制备的抗体与目标分析物结合，通过检测结合事件来实现分析。
这种传感器常应用于医学诊断、食品安全等领域。
3. DNA传感器：基于DNA分子的识别和特异性配对作用。
DNA传感器可以用于检测基因突变、细菌感染等，对于疾病的早期诊断和基因工程领域有重要应用。
4. 免疫传感器：通过利用免疫反应进行分析和检测。
生物传感器的基本工作原理及检测流程
生物传感器的基本工作原理及检测流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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生物传感器-讲义(学生完整版)
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3
第一章 第一节
绪论
传感器的定义和组成
传感器的定义：能感受或响应规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。 传感器的典 型结构如图 1-1 所示。
图 1-1 传感器的典型结构
医用传感器（medical sensors）感知非电量的生物信息并将其转换成电学量的器件或装置。
第二节
传感器的作用
医用传感器作为拾取生命体征信息的“感官” ，延伸了医生的感觉器官，把定性的感觉扩展为定量的检测， 是医用仪器、设备的关键器件。常用的生物信号检测类仪器结构框图如图 1-2 所示。
图 1-2 检测类仪器结构框图
传感器将微弱的生物信号转化成微弱的电信号，再经过放大后进行 A/D 转换，将模拟信号转换成数字信号 输人计算机。在计算机中可以进行分析、计算以及各种处理，然后输出到显示器、打印机等输出设备。 一种新的传感器可以引领一类医用仪器设备的发展， 甚至带来根本性的变革。 由于精密光电传感器和电生化 传感器技术的发展，使原来必须到医院检测的血糖可以自己在家里完成， 从而导致微型快速血糖仪在糖尿病患者 家庭的普及和在医院的广泛应用。
医用传感器应具有以下特性：
（1） （2） （3） （4） （5） （6） 足够高的灵敏度。能够检测出微弱的生物信号。 尽可能高的信噪比。以便在干扰和噪声背景中提取有用的信息。 良好的精确性。以保证检测出的信息准确、可靠。 足够快的响应速度。能够跟随生物体信息量的变化。 良好的稳定性。保持长时间检测漂移很小，输出稳定。 较好的互换性，调试、维修方便。
1
医用传感器的主要用途有：
1．提供信息 如心音、血压、脉搏、体温、血流等，作为重要的生理参数供临床诊断和基础研究用。 2．监护 长时间连续检测某些生理参数，监视其是否超出正常范围，以便随时掌握患者的状况，出现异常 及时报警。 3．生化检验 利用传感器的分子识别能力，检测各种体液、溶液中的成分和含量。 4．自动控制 根据传感器提供的生理信息，调节执行机构做出反应，实现自动控制。例如：注射泵根据流 量传感器的信息调节推进量，实现单位时间注射量的自动控制。 5．参与治疗 医用电极经常既用于检测信号，又用于实施治疗。例如：按需型体内起搏器的电极既作为自 主心电的检测电极，又作为无自主心电时起搏器发放脉冲的刺激电极，此时所起的就是治疗作用。
现代生物检测技术 生物传感器检测技术PPT课件
生物传感器的基本原理
• 生物传感器是利用生物的因子或生物学原理来检测或计量化合物的装置 • 它通常利用纯化的酶、免疫系统、组织、细胞器或完整细胞作为催化剂, 这些催化剂通常被固定化, 并与物
化仪器相结合使用。物化仪器可监测被分析物质在固定的催化剂作用下所发生的化学变化, 并转换成电信号
生物毒素和农药残留检测
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生物传感器概述
• 高灵敏度、集成化、微型化、多功能化等是未来用于食品安全检测的生物传感器的发展趋势 • 生物传感器在食品污染物的快速实时及特异性检测方面有着广阔的应用前景
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生物传感器的基本原理
• 传感器是一种可以获取并处理信息的特殊装置, 如人体的感觉器官就是一套完美的传感系统, 通过眼、耳、 皮肤来感知外界的光、声、温度、压力等物理信息, 通过鼻、舌感知气味和味道这样的化学刺激
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生物传感器的基本原理
• 生物传感器定义为“ 使用固定化的生物分子(immobilized biomolecules)结合换能器, 用来侦测生体内或 生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• 生物传感器由两个主要关键部份构成 • 一为来自于生物体分子、组织部份或个体细胞的分子辨认组件, 这一组件为生物传感器信号接收或产 生部分 • 另一属于硬件仪器组件部份, 主要为物理信号转换组件
第五章 生物传感器检测技术
• 生物传感器概述 • 生物传感器的分类、工作原理及活性物质的固定化 • 生物传感器在食品分析中的应用
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生物传感器概述
• 生物传感器特异性好、分析速度快、成本低, 在食品安全检测领域有着重要的应用价值 • 当前电化学、光学、压电和量热生物传感器在食品安全检测中得到了广泛应用, 包括致病菌、抗生素残留、
人体生物电信号检测实验中的传感器选择和信号滤波技巧
人体生物电信号检测实验中的传感器选择和信号滤波技巧随着科技的进步和人们对健康的关注不断增加，人体生物电信号检测实验成为了一项热门研究领域。
人体生物电信号是指从人体内部获得的电信号，如心电图、脑电图等，这些信号能够反映人体的生理状态和疾病情况。
然而，在进行人体生物电信号检测实验时，传感器的选择和信号滤波技巧成为了影响实验结果准确性和可靠性的关键因素。
传感器的选择是人体生物电信号检测实验中的第一步。
传感器作为与人体直接接触的装置，需要具备高度的敏感性和稳定性。
传感器广泛应用于心电图、脑电图和肌电图等实验中，不同的生物电信号需要采用不同类型的传感器。
在心电图实验中，选择合适的电极是至关重要的。
常见的心电图传感器包括湿式电极和干式电极。
湿式电极使用胶体填料，通过接触电导胶体和皮肤来获取信号，能够获得较好的信号质量。
而干式电极则通过电容传感的方式，无需涂胶体，更易于使用和清洁。
在选择时，需根据实验需求和实际情况进行权衡。
脑电图实验中，选择合适的电极能够有效改善信号质量。
一般来说，脑电图传感器分为干式电极和湿式电极。
干式电极适用于临床和研究环境中，无需胶体填料，方便快捷。
湿式电极则通过涂抹导电胶体来增加信号传输效果，但需要确保电极与皮肤接触良好，以降低噪音干扰。
肌电图实验中，传感器的选择对准确测量肌肉电信号非常重要。
肌电图传感器通常分为固定式电极和可穿戴电极。
固定式电极适用于长时间监测，能够精确识别和测量肌肉收缩。
可穿戴电极则更适合日常使用，便于携带和操作。
除了传感器的选择，信号滤波技巧也是人体生物电信号检测实验中的关键环节。
信号滤波是为了去除信号中的噪音和干扰，使得测量结果更加准确可靠。
常用的信号滤波技术包括低通滤波、高通滤波和带通滤波等。
低通滤波用于过滤信号中的高频成分，保留低频成分，常用于心电图和脑电图实验中。
它能够有效去除高频噪音和干扰信号，使得信号更加平滑稳定。
高通滤波则用于过滤信号中的低频成分，常用于肌电图实验中。
第2章 生物医学传感器基础课件
• E 0 是金属浸在含有该金属离子有效浓度 为lmol/L的溶液中达到平衡时的电极电位, 称为这种金属的标准电极电位（表3.2 ）
• 可看出 E 0 值远远大于所有生物电位信号 的大小。
• E 0 与金属以离子形态转入溶液的能力K 以及温度T有关系。
第2章 生物医学传感器基础
第2章 生物医学传感器基础
• 图 电极－溶液界面的平衡电位
锌电极放入含Zn2＋的溶液 中，锌电极中Zn2＋进入溶 液中，在金属上留下电子
带负电，溶液带正电。
进入水中的正离子和带负 电的金属彼此吸引,使大多 数离子分布在靠近金属片 的液层中,形成的电场,阻 碍Zn2＋进一步迁移最终达 到平衡。
此时金属与溶液之间形成电荷 分第2布章 产生物生医学一传感定器的基础电位差。
第2章 生物医学传感器基础
一、电极的基本概念
• 生物电是生物体最基本的生理现象，各种生物 电位的测量都要用电极；给生物组织施加电剌 激也要用电极
• 电极实际上是把生物体电化学活动而产生的离 子电位转换成测量系统的电位
• 电极起换能器作用，是一种传感器
• 电流在生物体内是靠离子传导的,在电极和导
线中是靠电子传导的,在电极和溶液界面上则
＋
-
-
-
＋
-
生物电检测电极示意图 第2章 生物医学传感器基础
生物电测量的等效电路
第2章 生物医学传感器基础
• 医用电极按工作性质可分为检测电极和 刺激电极两大类：
• 检测电极是敏感元件,用来测定生物电位的。 需用电极把这个部位的电位引导到电位测量 仪器上进行测量,这种电极称为检测电极。
• 剌激电极是对生物体施加电流或电压所用的 电极。剌激电极是个执行元件。
生物医学信号检测基础(1)PPT优秀
第一节 生物医学传感器简介
④光学量信号，如血氧饱和度等。 一、生物医学测量中的干扰
• （Introduction to Biomedical transducer） 生物医学信号大多是低频的微弱信号，在对这类信号进行各种处理、分析和记录时，首先必须把信号放大到所要求的幅度。 干扰可以是确定信号，也可以是噪声，包括单纯随机噪声(如均值为0的白噪声)。 可见，第二次积分的计数值正比于输入模拟电压。 逐次逼近比较型A/D转化的原理如图1-3所示。 A/D转换器每个量化级所实际对应的电压值和理论值之间会有误差，这种误差的最大值为绝对误差。 反之将数字信号转换为模拟信号的过程称为模/数转换（D/A）。 由于经历两次积分，转换速度低，一般用于测量变化缓慢的信号。 通常情况下，高精度的数据采集系统要用分辨率高的A/D转换器，但当系统误差已超过分辨率时提高分辨率就没有实际意义了。 由于经历两次积分，转换速度低，一般用于测量变化缓慢的信号。 它由电压比较器、逻辑控制器、n位逐次逼近寄存器和n位D/A转换器组成。 在将模拟信号进行数字化的A/D转换中，特别要注意必须遵循采样定理，即采样频率不能低于信号所含最高频率成分的两倍。 要求该子系统是线性时不变系统。 实际使用时，一般采样频率至少取信号所含最高频率成分的三至五倍，有时甚至十倍以上。
第一章 生物医学信号检测基础
(BiomedicalSignal Measurement Basis)
• 生物体本身既是很好的信号发生系统又是很好的信号处理
系统。生物体能感知现实世界，就是感知现实世界的各种 信号（刺激），并根据对信号的处理结果，自动作出各种 反应（响应）。要对生物医学信号进行处理，首先要能正 确地获得生物医学信号。本章首先简单介绍感知生物医学 信号的器件：传感器或换能器。因为生物医学信号十分微 弱，在进行各种后处理之前，还必须将生物医学信号放大 到一定的程度，所以本章第二节对生物医学模拟放大器进 行了简单的介绍。现代信号处理技术，基本上都以数字计 算机为工具，进行数字处理，所以在用计算机对生物医学 信号进行处理之前，还必须对测得的生物医学信号进行数 字化。按什么要求进行数字化，才能不失真地重现原始信 号，这就是本章第三节要介绍的关于生物医学信号数字化 方法的内容。这是本章的重点。如怎样确定采样频率，或 一个周期要采集多少个点，总共要采集多长（共多少点） 的数据，才能准确重现原始信号。然后，在本章第四节简 单介绍了生物医学信号获取与处理系统的基本组成。最后， 第五节简单介绍了捆扰生物医学信号处理的干扰和噪声两 个既有联系又有区别的概念。
第一章传感器技术基础知识
时间常数：用时间常数τ来表征一阶传感器的动态特性。τ越小， 频带越宽。
固有频率：二阶传感器的固有频率ωn表征了其动态特性。
传感器的选用原则
与测量条件有关的因素 (1)测量的目的 (2)被测试量的选择 (3)测量范围 (4)输入信号的幅值，频带宽度 (5)精度要求 (6)测量所需要的时间
相应的响应曲线 ：
传感器存在惯性，它的输出不能立即复现输入信号，而是从零开 始，按指数规律上升，最终达到稳态值。 理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值，但实际上 当t=4τ时其输出达到稳态值的98.2%，可以认为已达到稳态。 τ越小，响应曲线越接近于输入阶跃曲线， 因此，τ值是一阶传感器重要的性能参数。
测量
测量是指人们用实验的方法，借助于一定的仪器或 设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，
并确定被测量对标准量的倍数，从而获得关于被测
量的定量信息。
xnu或
x——被测量值；
n x u
u——标准量，即测量单位；
n——比值，含有测量误差。
测量过程
传感器从被测对象获取被测量的信息，建立起 测量信号，经过变换、传输、处理，从而获得 被测量量值的过程。
线性传感器
S y x
灵敏度是它的静态特性的斜率，即S为常数。
非线性传感器
它的灵敏度S为一变量，用下式表示。
S dy dx
传感器的灵敏度如图1-3所示。
Y
Y
S y - y0
Yo
x
X O
a）线形传感器
Байду номын сангаас
Y dy
dx S dy dx X
生物医学工程概论 生医传感器及信号检测 舒位光21页PPT
• 2.3 信号检测
• 2.4 信号放大 • 2.5 生物医学传感器的特殊性 • 2.6 人体信息的检测与传感器 • 2.7 生物医学传感器的地位和用途 • 2.8 生物医学传感器的干扰和噪声 • 2.9 医用传感器的安全性 • 2.10 传感器的标定
2.1传感器认识
传感器(Sensor)曾称为换能器或变送器(Transducer)。国家标准“传
•
图2.4(a)为信号源与电阻相串联的情况，前面的电阻式传感器的输出
的等效电路属于此种类型；放大器输入电压信号，通常还使用如图2.4(b)
所 处 (且co示 ”Rms的 对1m=等 地oRn效有sm2电一。o路电d在e。位)人电这U体压C种。的；等因心对效为电应电U或的C路同脑U有时S电称两加波为个在的差电两测模压个量或源输中常，出，模电端电(压n故极o信称r(m传号为a感Ul共Sm器的模o)“间de中的)电间电压压1/，2
• 若增加抵消零位电压的电路，如图2．3(b)所示，输出电 压由式(2．6)表示。
•
U ORxR x
R 1
R2R 3R3E
在输入X=0时：由于RX=R0（ RX=kX+R0），要使零位电压UO=0；
只需取:R0＝R1＝R2＝R3, 就可使下式
R0 R3 R0 R1 R2 R3
或年稳定性表示；评估传感器接近理想传感器的特性，可用线性度表
示。此外，还有响应速度、重复、滞后、动态范围和准确度等的评估
指标。
•
应用或设计传感器时要尽量减小环境变量的影响。
2.3信号检测
• 传感器的输出有各种形式:如热电偶、pH电极等输 出为直流电压，光电二极管输出为直流电流，热敏 电阻或应变计(电阻型)、半导体气体传感器输出为 电阻值，电感式位移传感器输出为电感量,电容式位 移传感器输出为电容量。
%E7%AC%AC%E4%B8%80%E7%AB%A0%20%E7%94%9F%E7%89%A9%E5%8C%BB%E5%AD%A6%E4%BF%A1%E5%8F%B7%E6%A3%80%E6%B5%
•
图1-1 生物换能器的原理图 • • 按所使用敏感基元的不同，生物换能器可分为酶
传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞传感 器和免疫传感器等。 生物换能器中所使用的能量转换器与传统的转 换器并没有本质的区别。 此外，按输出电信号的不同，生物换能器还 可分为电位型生物换能器、电流型生物换能器和 伏安型生物换能器。
第一节 生物医学传感器简介
• （Introduction to Biomedical transducer） transducer）
• 人体的生物电信号如脑电和心电等可以通过电极采用一定
•
的导联方式获取，非电量生物医学信号则必须使用各种换 能器将其变换为电信号后方可获取。不对人体施加任何刺 激，获取到的信号是自发信号；施加一定刺激后，得到的 是诱发信号。 非电量生理信号按其能量方式，可以分为：①机械量 信号，如脉搏和心音是振动信号，血压是压力信号等；② 热学量信号，如体温等；③化学量信号，如血液的pH值等； 热学量信号，如体温等；③化学量信号，如血液的pH值等； pH ④光学量信号，如血氧饱和度等。对不同类型的信号，所 用换能器的换能原理不同，一般医学换能器的换能方式有 压电效应、热效应、光电效应及阻抗变化和电化学效应等。 换能器的主要性能指标有：安全性、线性、频响或传递函 数、精度（幅度分辨率）、准确度（测量误差范围）和稳 定性等，生物医学换能器是生物医学工程中的一个专门研 究领域，有许多专著对此有详细介绍。常用生物医学换能 器按使用方式分有以下几类。
如果放大器的输入阻抗不够高（与源阻抗相比），则造 成信号的低频分量的幅度减小，产生低频失真。电极阻抗还 随电极中电流密度的大小而变化。小面积电极（如脑电测量 的头皮电极，眼电测量的接触电极）在信号幅度变化时，电 极电流密度变化比较明显，相应的电极阻抗会随信号幅度的 变化而不同，即低幅度信号的电流密度小，电极阻抗大。如 果人体是在运动的情况下，电极和皮肤接触压力有变化，人 体组织液和导电膏中的离子浓度也有变化，都会导致电信号 在放大器输入端产生极大的干扰。表1 在放大器输入端产生极大的干扰。表1-1是部分生物电放大器 的输入阻抗指标。 用于细胞电位测量的微电极放大器的输入阻抗高达109 用于细胞电位测量的微电极放大器的输入阻抗高达109 量级。此外，放大器高输入阻抗也是高共模抑制比的必要条 件。 表1-1 部分生物电放大器的输入阻抗指标
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酶作用专一性的机制
• 酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有 催化活性的手性中心，这些手性中心对底物 分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反 应可以按单一方向进行。
• 酶能够区分对称分子中等价的潜手性基团。
3．反应条件温和
• 酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行，反应温度范围 为20-40C。
• 活性中心处在一个深沟中，在沟的基部是一组 由丝氨酸-组氨酸-谷氨酸组成的三氨基酸序列, 其大小正好可使乙酰胆碱掉入其中。
• 乙酰胆碱酯酶是人体中反应最快的酶之一，降 解一个分子约80 微秒。
蛇毒阻塞活性位点并 限制酶的行动
通过一种药物毒 化乙酰胆碱酯酶 来试图扭转Alzhe 沙林im向er丝病氨的酸症转状移
• 酶及酶反应
人工酶
• 微生物反应
• 免疫学反应
分子模版高分子
molecular imprinting polymers
• 核酸和核酸反应
核酸适配体（aptamers ）
• 催化抗体(抗体酶)
• 催化性核酸
二、酶及酶反应
（一）、什么是酶？ • 酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂Biocatalysts 。 • 绝大多数的酶都是蛋白质。 • 酶催化的生物化学反应，称为酶促反应Enzymatic reaction。 • 在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物substrate。
(四)、酶生物传感器中几个常用术语
1、酶活性
酶活性即酶促反应速度，指在规定条件下单位时间内底物的减 少量或产物的生成量。
v =-d〔S〕/dt 或 v =d〔P〕/dt。
底物浓度为〔S〕,产物浓度为〔P〕,时间为t，反应速度为v
注：在实际测定酶促反应速度时，以测定单位时间内产物的 生成量为好。
2、酶活性单位的计算
步骤： 明确测定方法的酶单位定义，按照酶单位定义确定物质 量、体积和时间的单位，
计算公式:
运用公式进行计算。
产物的增加量 每单位规定的保温时间 1000（ml） 酶单位/升 = —————————×——————————×————————
每单位规定的产物增加量 实际保温时间 实际标本用量（ml）
分光光度法测定的公式：
• （1）氧化酶类：催化底物脱氢，并氧化生成H2O或H2
O2 。
2A·2H+O2
2A+2H2O
A·2H+O2
A+H2O2
• 例：邻苯二酚氧化酶（EC 1.10.3.1，邻苯二酚：氧氧
化酶） OH
O
OH 邻苯二酚氧化酶
O
2
+ O2
2
+ 2H2O
邻苯二酚
邻苯醌
葡萄糖氧化酶
（2）脱氢酶类：直接催化底物脱氢
由米-曼氏方程可以导出：Km
ห้องสมุดไป่ตู้
=
———————
v
当v = 1/2Vmax时，Km =〔S〕。因 此Km值为反应速度相当于 最大反应速度一半时的底物浓度。Km 值是酶的特征常数，具有重 要的应用价值。
A·2H + B
A + B·2H
例：乳酸脱氢酶（EC 1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化还原酶）
COOH
乳酸脱氢酶
H O C H + NAD+
COOH C O + NADH + H+
CH3
乳酸
CH3
丙酮酸
乙醇脱氢酶 （ADH)
• 乙醇脱氢酶催化反应时为两分子“机制”。一是锌原子 ，它结合乙醇分子上的-OH基并定位。另一个是NAD复合 因子（由烟酸构成），决定催化反应的特异性
3)．调控部位 Regulatory site
• 酶分子中存在着一些可以与其 他分子发生某种程度的结合的部 位，从而引起酶分子空间构象的 变化，对酶起激活或抑制作用。
(二)、酶催化作用特性
1． 高效性
• 酶的催化作用可使反应速度提高106 -1012倍。 • 例如：过氧化氢分解
2H2O2 2H2O + O2 • 用Fe+ 催化，效率为6*10-4 mol/mol.S，而
1. 酶分子的结构特点
• 1)．结合部位 Binding site
• 酶分子中与底物结合的部位或区域 一般称为结合部位。
• 2)．催化部位 catalytic site
• 酶分子中促使底物发生化学变化的 部位称为催化部位。
• 通常将酶的结合部位和催化部位总 称为酶的活性部位或活性中心。
• 结合部位决定酶的专一性. • 催化部位决定酶所催化反应的性质。
用过氧化氢酶催化，效率为6*106 mol/mol.S。 • 用-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C
条件下可催化2吨淀粉水解。
2．专一性
• 酶的专一性 Specificity，又称为特异性，是指 酶在催化生化反应时对底物的选择性
• 酶的专一性包括 • (1)结构专一性 • 绝对专一性 • 相对专一性 • (2)立体异构专一性 • 光学异构专一性 • 几何异构专一性
（A测定 – A对照）·V总·106 每单位规定的保温时间
酶单位/升 = —————————×————————
·L·V标
实际保温时间
3、米-曼氏方程：
Vmax〔S〕
v = —————
〔S〕+ Km
上式中v代表反应速度，Vmax代表最大反应速度，〔S〕代表底物 浓度， Km称为米氏常数。
4、米氏常数的定义 （Vmax-v）〔S〕
• 高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。
4.酶活力可调节控制
• 如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活 及激素控制等。
5.某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离 子有关。
(三) 生物传感器中经常使用的酶
1、氧化还原酶类（oxido-reductases）
• 催化氧化还原反应的酶，包括氧化酶类、脱氢酶类、过 氧化氢酶、过氧化物酶等。 。
2、 水解酶 hydrolase
• 水解酶催化底物的加水分解反应。 • 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 • 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：
R COOCH2CH3 H2O RCOOH CH3CH2OH
乙酰胆碱脂酶
• 乙酰胆碱酯酶存在于神经元和肌细胞之间的突 触上
• 作用:将神经递质分子乙酰胆碱降解为乙酸和 胆碱
生物信号检测及传感器
第二章 传感器生物材料
第一节 分子识别元件及其生物 反应基础
一、分子识别元件
• 生物传感器的分子识别元件又称敏感元件,主要指来 源于生物体的生物活性物质（包括酶、抗原、抗体和 各种功能蛋白质、核酸、微生物细胞、细胞器、动植 物组织）、生物衍生材料以及或生物模拟材料等.
• 生物传感器的分子识别元件的生物反应原理: