第4章 光化学与生物传感器-1
生物传感器的工作原理探究
生物传感器的工作原理探究生物传感器是一种通过生物体内特定生物分子与传感器上的生物识别元件发生特异性相互作用，以实现检测和分析生物样品中目标分子的装置。
它在医药、环境、食品安全等领域具有重要的应用价值。
本文将探讨生物传感器的工作原理，重点介绍典型的光学、电化学和生物识别元件的工作原理。
一、光学生物传感器的工作原理光学生物传感器是利用光学原理，通过生物反应介导的光学信号变化来检测样品中的目标分子。
其工作原理主要包括两个步骤：生物反应和光学信号变化。
1. 生物反应：光学生物传感器的关键是选择适合的生物识别元件，如酶、抗体、DNA等，使其与目标分子发生特异性识别与结合，触发一系列的生物反应。
例如，酶识别底物并催化底物转化为产物，抗体与抗原结合形成复合物，DNA发生特异性的亲和反应等。
2. 光学信号变化：生物反应导致信号变化的方式主要有荧光、吸收光谱以及表面等离子体共振等。
其中，荧光信号变化是光学生物传感器中常用的检测手段之一。
通过荧光荧光素或量子点等发光材料标记在生物分子上，当目标分子与生物识别元件结合后，荧光强度会发生可测量的变化。
吸收光谱则是通过测量反应物或产物在特定波长处的吸收强度变化来实现目标分子的检测。
二、电化学生物传感器的工作原理电化学生物传感器是利用电化学原理，通过测量电化学信号的变化来检测样品中的目标分子。
其工作原理主要包括两个步骤：生物反应和电化学信号变化。
1. 生物反应：电化学生物传感器常采用生物催化反应或生物亲和反应实现与目标分子的识别和结合。
以酶传感器为例，酶与底物发生特异性识别与结合，并催化底物的电化学反应产生电流或电势变化。
生物亲和传感器则是利用抗体或DNA等与其互补的分子结合，触发反应并导致电化学信号变化。
2. 电化学信号变化：电化学生物传感器通过测量反应产生的电流或电势变化来实现目标分子的检测。
常见的电化学探测技术包括安培法、伏安法和阻抗法等。
安培法是通过测量在电极上产生的电流来判断反应物或产物的浓度变化。
化学与生物传感器
生物感受器（biological receptor）
光导纤维免疫传感器
酶活性传感器
这类传感器是将相关酶的底物固定在光纤 上，在待测酶的作用下生成的产物可用光吸收 或进行测定。它主要用于人体内各种水解酶活 性的测定，如脂肪酶、磷酸酯酶、碳酸酯酶、 酰基转移酶和淀粉酶等，由于底物反应后非固 定化部分是酸或糖类，因而它在体内不会造成 对健康地损害。
光纤传感器的检测模式
紫外可见光吸收光谱 荧光光谱
化学发光
光反射－全内反射光谱
光散射
生物催化传感器
最简单的一种是用固定化酯酶或脂肪酶作成生物 催化层进行分子识别，再通过产物的光吸收对底 物浓度进行传感， 如测量在404nm波长下的吸收，即可确定对硝基 苯磷酸的含量，线性范围为0——400μmol/L， 生物体内许多酶类和脂肪类物质都可用这类传感 器进质在其表面都能吸附酶，例如，氧化铝、活性炭、 黏土、纤维素、高岭土、硅胶、玻璃和胶原蛋白。此技术 不需要试剂，但需要提纯步骤，并且对酶只有较小的破坏 作用。
一般有两种形式：物理吸附V.S. 化学吸附 这是最简单的方法，包含最少的准备过程，但是键联比较 弱。适于短期研究。
引言
光导纤维及其应用是20世纪70年代以来世 界科学技术领域最重要的发明之一，它与激光 器、光导体、光探测器一起，构成了光电子学 的新领域。光导纤维化学传感器和生物传感器 是80年代诞生的一种新的传感技术，是分析化 学近10多年来的一个重大发展。 光导纤维生物传感器又称光极 美国 fiber optical biosensor 欧洲大陆 optode 英国 optrode
光导纤维生物传感器的结构
光导纤维的波导作用及其构形
人们还发现，当光到达光导纤维纤 芯和包层界面时，并不能立刻产生全反 射，而是渗入光疏介质一定深度（图 19.3）。也就是说，光的电场强度在界 面处并没有立即减小为零，而是在外部 介质中以指数的形式减弱，且延伸到第 二介质中去，在第二介质形成一个“尾 巴”，这一现象叫消失波（evanescent wave）。
《化学与生物传感器》课件
什么是化学传感器和生物传感器？
化学传感器
化学传感器是一种能够检测和测量特定化学物质 的装置，用于监测和控制各种化学过程。
生物传感器
生物传感器是一种利用生物分子与目标物质相互 作用的装置，用于检测和测量生物体内的特定分 子。
化学传感器的工作原理
1
信号转换
化学传感器接收化学信号并将其转换为可测量的物理信号，如电信号或光信号。
传感器在工业过程监控和控制中发挥关键 作用，提高生产效率和产品质量。
化学与生物传感器的优势和挑战
优势
• 高灵敏度 • 选择性 • 便携性 • 快速响应
挑战
• 稳定性 • 实时监测 • 复杂样品处理 • 成本和可持续性
结语和总结
化学与生物传感器是现代科学领域的重要组成部分，它们在医疗、环境、食 品和工业等领域发挥着关键作用。通过深入研究和创新，我们可以进一步拓 展传感器技术的应用前景。
《化学与生物传感器》 PPT课件
在这个课件中，我们将一起探索化学传感器和生物传感器的世界。从工作原 理到应用领域，让我们一起揭开这个神奇领域的面纱。
我们的团队
专业背景
我们的团队由化学和生物学专家组成，拥有丰富的研究和实践经验。
创新思维
我们致力于挖掘新的传感器技术，不断推动领域的发展。
合作精神
我们与学术界和工业界密切合作，共同解决实际问题。
3
信号检测
检测设备接收并解读信号，确定目标 分子的存在和浓度。
化学与生物传感器的应用领域
1 医学诊断
2 环境监测
化学与生物传感器可用于早期疾病诊断和 治疗监测，提高医疗效率和准确性。
传感器可检测环境中的污染物和有害物质， 4 工业应用
传感器可检测食品中的有害物质和微生物， 确保食品的安全和质量。
生物传感器-讲义(学生完整版)
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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。
环境分析化学 生物传感器 Biosensor
(3)根据生物传感器的信号转化器分类
电化学生物传感器、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。
传感器类型 敏感物质 信号传感器
酶传感器
(生物膜传感器)
微生物传感器
免疫传感器
酶
电化学测定装置
微生物
场效应晶体管
抗体或抗原 光纤 光敏二极管
细胞器传感器 细胞传感器
·用生物体成分(酶、抗原、抗体等)或生物体本身(微生物、 细胞器、动植物组织等)为敏感材料, 经过适当的方法固定 在惰性基质上构成分子识别元件，再和信号转换器件(传 导器)组成的传感器，它可以将生物信号转化为数量化的 电信号。
简言之: 生物传感器是将生物感应元件的专一性与一个能 够和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的一种小型 化分析装置。
３、生物传感器的分类
可以从三个角度进行分类：
生物亲和型Biosensor
(1)根据传感器输出信号的产生方式，分为 代谢型或催化型
(受体与基质的反应特性及受体来源)
仿生生物传感器
(2)根据生物传感器中分子识别元件上的敏感物质分类；
酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免 疫传感器等。
·２０世纪７０年代中期，人们研究酶电极的衍生物：微生 物电极、细胞器电极、动植物组织电极、以及免疫电极等 新型生物传感器，使生物传感器的种类大大增多。
·２０世纪８０年代生物传感器开始出现研究热潮。（固定 化技术的研究）
·２０世纪末本世纪初，生物、化学、生物技术、生物化学、 物理、机械工程、电子技术等各领域开始多学科结合用于 生物传感器的开发。
性分析。响应范围 10-1—10-7mol/L。
二、生物传感器的基本组成、原理及分类
化学传感器与生物传感器的应用范围和局限性
化学传感器与生物传感器的应用范围和局限性传感器是一种能够感知并转化环境信息的装置，广泛应用于各个领域中。
其中，化学传感器和生物传感器作为重要的传感器类型，在科学研究、医学诊断、环境监测等方面发挥着重要作用。
本文将探讨化学传感器和生物传感器的应用范围和局限性。
一、化学传感器的应用范围和局限性化学传感器是一种能够对化学物质进行检测和分析的传感器。
它通过感知化学物质与感受层之间发生的特定物理或化学变化，将这种变化转化为可观测的信号。
化学传感器的应用范围非常广泛，以下是一些典型的应用领域：1. 医学诊断：化学传感器可以应用于临床诊断，通过检测生物样本中的特定分子来确定疾病的存在和程度。
例如，血糖传感器可以用于糖尿病患者的血糖检测，pH传感器可用于监测体液的酸碱平衡。
2. 环境监测：化学传感器可用于监测环境中的有害物质浓度，帮助保护环境和人类健康。
例如，气体传感器可以检测空气中的有毒气体，水质传感器可监测水中的污染物浓度。
3. 食品安全：化学传感器可以用于食品安全监测，检测食品中的有害物质或残留物。
例如，重金属传感器可用于检测食品中的重金属含量，农药传感器可用于检测农产品中残留农药的情况。
4. 工业生产：化学传感器在工业生产中应用广泛。
例如，pH传感器用于监测酸碱度，温度传感器用于监测温度，浊度传感器用于监测液体浊度。
虽然化学传感器具有广泛的应用范围，但也存在一些局限性：1. 特异性：化学传感器对于特定化学物质的检测较为准确，但对于复杂环境或多种化学物质的检测可能产生干扰，导致结果不准确。
2. 灵敏度：化学传感器的灵敏度可能受到环境因素的影响，如温度、湿度等。
在一些需要高精度检测的场合，化学传感器的灵敏度可能不够满足要求。
3. 耐久性：化学传感器的使用寿命受到感受层的稳定性和降解速度的影响，需要定期更换或维护。
二、生物传感器的应用范围和局限性生物传感器是一种基于生物反应原理的传感器，利用生物分子与目标分子相互作用，通过转换成可测量的信号来检测目标分子的存在和浓度。
生物传感器
传感器的开发利用——生活更美好！
Thank you!
葡萄糖氧化酶膜
电化学元 件H2O2电 极
生 物
待分析物
敏
化学变化
感
膜
换
能 可定量分析 器 的电信号
4.3 食品安全检测
食品中微生物的检测
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。
农残检测
利用有机磷农药对乙酰胆碱酯 酶活性的抑制作用研制的酶传 感器，在农残的检测中广泛应 用。
5. 展望
随着生物科学、信息科学和材料科学发展成果的推动，生物传 感器技术飞速发展。未来的生物传感器将具有以下特点：
1、微型化、多功能化 2、智能化与集成化 3、低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命
生物活性材料 生物敏感膜 生物活性材料
酶 免疫
细菌、真菌、动 植物细胞
线粒体、叶绿体
DNA
寡聚核苷酸
组织
动植物组织切片
具有亲和能力的物质
配体、受体
模拟酶
高分子聚合物
1.2.2 换能器
又称为传感器, 是将各种生物的、化学的和物理的信息转变成电信号。
生物学反应信息 离子变化
分子印记 生物传感器
换能器 分类法
光 生物传感器
热 生物传感器
声波 生物传感器
阻抗/电导 生物传感器
电化学 生物传感器
半导体 生物传感器
悬臂梁 生物传感器
生物传感器的优点
作用范围广 灵敏度高
准确度高
可重复 使用
电致化学发光与生物传感.pptx
TiO2, Au, 碳纳米管等，如在金电极表面沉积上纳米金胶颗粒以后，可 以明显增强鲁米诺的发光效率 。
（2） 纳米材料的直接电致化学发光
Si, Ge, CdSe, CdTe, CdSe/ZnSe, CdS等
5
半导体纳米材料的电致化学发光
电致化学发光的原理
氧化态与还原态 自由基离子之间 发生湮灭反应
第一部分 绪论 1.1 电致化学发光(ECL)
是电极产物之间或产物与体系中某组分进行化学反 应所产生的一种光辐射，是将电化学和化学发光结 合起来的一种分析技术。
1
电致化学发光分析的特点
(1)高灵敏度、高选择性、线性范围宽、抗干扰能力强。 (2)可同色谱和电泳技术联用，实现对复杂组分的灵敏、准确检测。 (3)可进行原位现场分析。 (4) 可对发光强度和电解电流同时测定。
R+e-→R-·
Re-→R+·
R+·+R-·→R*+R
R*
→ R+hν
电极产物同溶液 中氧化还原剂发 生电子转移反应
A+e-→A-·
Ae-→A+·
A+·+R→A*+O
A-
·+O→A*+R
6
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.2 半导体纳米晶在生命分析中的应用
(1)生物大分子之间的荧光探针识别 (2) 荧光标记与细胞成像 (3)生物组织的荧光成像和活体观察 (4)基于荧光能量转移的QDs在生物大分子相互作
1、在电化学发光的研究中，通过化学修饰的方法将直接或间接参与 化学发光反应的试剂固定在电极上而构建的一类实验装置称为电 致化学发光（ECL）传感器。
生物传感器
生物传感器信研1402摘要：生物传感器是一种以生物活性单元为敏感元件，结合化学、物理转换元件，对被分析物具有高度选择性的装置，它具有灵敏度高、检测速度快、操作简便、成本低、可进行连续动态监测等优点。
本文在介绍生物传感器发展现状、组成及工作原理以及输入输出信号的基础上，对生物传感器的应用进行了综述。
引言生物传感器技术是一个非常活跃的工程技术研究领域,它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起处在生命科学和信息科学的交叉区域，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控装置。
、生物传感器组成生物传感器（biosensor）,是一种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。
生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定实现测量，主要由两大部分组成（如图1所示）：一为功能识别物质（分子识别元件又称生物敏感膜），由其去识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。
分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础；其二是电、光信号转换装置（换能器），由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。
生物传感器被浏物g S 样品生物传感器识别和检测待测物的一般反应过程为：图1■生物传感器组成结构图首先，待测物分子与识别元素接触；然后，识别元素把待测物分子从样品中分离出来；接着，转换器将识别反应相应的信号转换成可分析的化学或物理信号；最后，使用现代分析仪器对输出的信号进行相应的转换，将输出信号转化为可识别的信号。
m AK :: Aoalyl白、工作原理生物传感器工作方式分为两种：直接转换为电信号和间接转换为电信号型, 间接型是将化学信号、光信号或者热信号等其他信号转换为电信号。
图2■生物传感器工作原理图三、生物传感器的分类根据识别元素的不同，生物传感器可分为酶免疫传感器、细胞传感器、微生物传感器、传感器等，，根据输出信号产生的方式生物传感器可分为生物亲和型传感器或催化型生物传感器等。
化学与生物传感器了解生物传感器的化学检测原理和应用
化学与生物传感器了解生物传感器的化学检测原理和应用化学与生物传感器：了解生物传感器的化学检测原理和应用一、引言生物传感器是一种可以将生物信号转换为可观测和可测量的信号的装置，它在医疗、环境监测、食品安全等领域具有广泛的应用。
生物传感器的核心是化学检测原理，本文将介绍生物传感器的化学检测原理和应用。
二、生物传感器的分类生物传感器按照检测原理和传感器结构可以分为多种类型，例如生物电传感器、光学传感器、电化学传感器等。
在这些类型中，化学检测原理在电化学传感器中被广泛应用。
三、化学检测原理化学检测原理是生物传感器中实现信号转换的关键。
电化学传感器利用电化学反应过程将生物信号转换为电信号，常用的电化学检测原理有溶液电池、电解质传感器和生物燃料电池。
1. 溶液电池溶液电池是利用溶液中的离子交换过程产生电势差的原理进行检测的。
它通过在传感器中加入特定的离子溶液，当待检测的生物信号与溶液中的离子发生反应时，就会产生离子交换，进而形成电势差。
通过测量电势差的变化，可以定量分析生物信号的含量。
2. 电解质传感器电解质传感器是利用溶液中电解质浓度与电导率成正比的原理进行检测的。
生物传感器中的电解质传感器常常使用离子选择性电极来测量溶液中特定离子的浓度变化，从而间接地反映生物信号的变化。
3. 生物燃料电池生物燃料电池是利用生物体内产生的化学能转换为电能的原理进行检测的。
它利用生物催化剂来催化生物燃料的氧化还原反应，从而产生电流。
生物燃料电池在检测生物信号时，可利用生物体内的代谢产物作为燃料，例如葡萄糖、乳酸等。
四、生物传感器的应用生物传感器具有高灵敏度、高选择性、可重复使用等优点，因此在许多领域得到了广泛的应用。
1. 医疗领域生物传感器在医疗领域中可以用于血液分析、疾病诊断和治疗监测等。
例如，血糖传感器可用于连续监测糖尿病患者的血糖水平，生物蛋白传感器可用于检测肿瘤标志物。
2. 环境监测生物传感器在环境监测中可以用于检测水质、空气质量和土壤污染等。
电化学发光化学与生物传感方法
电化学发光化学与生物传感方法目录一、电化学发光化学概述 (2)1. 电化学发光现象及原理 (2)1.1 电化学发光定义与特点 (4)1.2 电化学发光化学反应类型 (5)1.3 电化学发光技术应用领域 (6)2. 电化学发光化学发展历程 (7)2.1 早期研究与应用 (9)2.2 近年来的研究进展 (10)2.3 未来发展趋势及挑战 (11)二、生物传感方法基础 (13)1. 生物传感器概述 (14)1.1 生物传感器定义与构成 (15)1.2 生物传感器类型及特点 (16)1.3 生物传感器应用领域 (16)2. 生物识别元素与转换器件 (18)2.1 生物识别元素 (19)2.2 转换器件 (20)2.3 生物识别元素与转换器件的相互作用 (22)三、电化学发光生物传感器 (23)1. 电化学发光生物传感器原理 (24)1.1 结合电化学发光技术与生物传感方法 (26)1.2 生物传感器中的电化学发光检测信号产生机制 (27)2. 电化学发光生物传感器类型及应用 (28)2.1 基于不同生物识别元素的电化学发光生物传感器 (30)2.2 电化学发光生物传感器在医疗诊断、食品安全等领域的应用31四、电化学发光化学与生物传感方法的技术进展 (32)1. 新型电化学发光试剂与反应体系研究 (34)1.1 高性能电化学发光试剂的合成与表征 (34)1.2 新型反应体系的建立与优化 (36)2. 生物传感方法的技术改进与创新 (37)一、电化学发光化学概述电化学发光化学（Electrochemiluminescence，ECL）是一门新兴的交叉学科，它结合了电化学、发光分析和生物传感等多个领域的知识和技术。
在电化学发光化学中，当电极上发生氧化还原反应时，会释放出能量，这些能量的一部分以光的形式被发射出来，从而产生发光现象。
ECL技术具有许多优点，如高灵敏度、高选择性、快速响应以及操作简便等。
这使得它在生物医学、环境监测、食品安全等领域具有广泛的应用前景。
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。
化学发光生物传感器的原理与应用
化学发光生物传感器的原理与应用化学发光生物传感器是一种通过光学信号来检测分子的生物传感器。
它通过分子识别的方法，将微小的能量转化为光信号，然后通过对光信号的定量分析，来实现对分子的检测。
由于其高灵敏度、高选择性和非侵入性检测，化学发光生物传感器已经广泛应用于生命科学和医学领域的诊断和治疗。
一、化学发光生物传感器的原理化学发光生物传感器的原理是通过光子能量转化成电子能量，再通过电子能量转化成光子能量。
这种光子能量的转化是通过光致发光的材料实现的。
这种材料包含了两种物质：一种是激发物质，即会产生激发能量的物质；另一种是发光材料，即能转化激发能量为光信号的物质。
具体来说，在化学发光生物传感器体系中，通常会引入一种底物，而这种底物可以与一个特定的酶反应。
在酶的催化下，底物会转化为一种高能物体，这种高能物质会通过激发器激发发光材料，然后发出光信号。
通过分析光信号，我们就可以得到有关底物浓度的信息。
二、化学发光生物传感器的应用1. 病毒感染的检测化学发光生物传感器可以用于检测病毒感染。
目前，许多化学发光生物传感器已经被成功应用于甲型流感、肝炎病毒和艾滋病病毒等病毒的诊断。
这些生物传感器可以快速、准确地检测病毒，因而在医院和疫情监测中有着广泛的应用。
2. 药物检测化学发光生物传感器可以用于检测药物在体内的浓度和代谢。
这种检测可以非常准确地评估新药的药理学特性。
此外，化学发光生物传感器还可以检测药物的不良反应和毒性。
3. 化学品污染的检测化学发光生物传感器可以检测水体和环境中化学物质的污染。
这种检测方法必要样本的数量很少，因此可以保护环境和水资源，是环保行业必不可少的检测手段。
4. 食品安全检测化学发光生物传感器可以用于检测食品安全。
例如，可以测量过量的杀菌剂或其他化学物质残留的浓度，检测食品是否合格。
由于其灵敏度和准确性，化学发光生物传感器已成为今年食品和药品安全检测的首选方法。
综上所述，化学发光生物传感器的应用可谓广泛。
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-1
1.1 生物传感器的发展历程
• 20世纪60年代酶法分析：专一性强、灵敏度高、操作简便，但是测定周期长。
• 离子选择电极( ion selective electrode, ISE)：操作简单，无需对样品进行欲 处理——无试剂分析(non-reagental analysis)，但是只能检测无机离子．
• 1956
• 1962 • 1967 • 1975 • 1975
Leland C. Clark Jnr 隔离式氧电极
Leland C. Clark Jnr 酶传感器( enzyme transducer) S. J. Updike 葡萄糖酶电极 Yellow Springs Instrument(YSI) 葡萄糖测定仪 C. Divis 用完整活细胞取代纯酶制作传感器
1976 A. H. Clemens等报道了以葡萄糖酶电极为基础的第一个人工肾脏，随后被Miles公司开发 成生命稳定系统Biostator，用于重症糖尿病人床边监护。
酶光纤传感器
1983 B.Liedberg利用表面等离子激元共振(Surface Plasmon Resonance)方法，能够
1.3 生物传感器的基本概念与类型
基本概念
§
§
生物传感器概念来源于Clark关于酶电极的描述，关键是传感器的构成中
分子识别元件为具有生物学活性的材料。 首届世界生物传感器学术大会(Biosensor’s 90)上将生物传感器定义为由
生物活性材料与相应的换能器的结合体，能测定特定的化学物质(主要是生物 物质)；而将能用于生物参量测定但构成中不含生物活性材料的装置称为生物 敏(biosensing)传感器。
BIOTECH’87.
表 1-1 历届世界生物传感器学术大会的主题内容及其论文数量
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缺陷1 环境光的干扰 一般情况下，光化学传感器的探头部分应该避免环 境光的影响，有时可以利用编码方法消除背景干扰。 目前利用电子部件很容易实现各种不同的编码方式。
离子传感器 酶传感器 免疫传感器 基因传感器
定义
1991年，IUPAC将化学传感器定义如下：
1990年，O.S.Welfbeis的定义：
国标GB/T 7665-1987《传感器通用 术语》“能感受规定的化学量并转 换成可用输出信号的传感器”
化学传感器
Chemical Sensors
电化学传感器 Electrochemical Sensors
4-3 信号转换方式 4-4 发展方向
4-1 基本概念
4-1-1 发展概况
历 史
1930年代 Kautsky，Hirsch 吖啶黄/荧光素 硅胶 1968 1975 Bergman Lubbers，Opitz 荧蒽 芘丁二酸 磷光 氧 聚乙烯 荧光 氧 聚乙烯 荧光 氧
气敏光化学传感器
1974
1975
全内反射
消失波
光学波导构型
光学波导损耗
光导纤维制造工艺简介
4-1-4 测量仪器
•光源和光检测器
•激光器 •发光二极管
•灯光源
•光电二极管(PD)
•光电倍增管(PMT)
•光极探头设计
聚合物保护层
热电偶
光 导 纤 维
pH传感器 pCO2传感器 1mm pO2传感器
压力传感器 20号动脉导管
压力传感器 温度传感器 磁传感器
压 力 、 温 度 物理量传感器 触觉
光
光传感器
视觉 听觉
压力、声 音、磁
脑 信
心
处 理 中 生物体反应： 跨膜运输 酶反应 免疫反应 核酸杂交
化学∕生物传感器
嗅觉：各种 有味气体
息
气体传感器 气味传感器 味道传感器
味觉：有机物 无机物 （盐、 （香、甜、苦味） 酸味）
敏感层，因此具有选择性好、测量对象多等优点，但随之而
来的是光漂白和试剂洗脱等问题。这类传感器根据测量机理 的不同，又分为简单配合物体系、离子交换体系和共萃取体 系等。
复杂程度--生物修饰型
事实上，并不是所有的物质都有相对应的合适的
指示剂。为了解决这个问题，常在普通光学波导传感
器或化学修饰光化学传感器上在修饰一层生物敏感层。 生物敏感层与分析对象相互作用，产生能被普通光学 波导传感器所检测的光学信号或能被化学修饰光化学 传感器所检测的物质。这类基于生物识别的光化学传
800 850
pH7.0 Tris-HCl buffer pH9.0 Tris-HCl buffer 510-6 mol/L Li+ 510-5 mol/L Li+ 510-4 mol/L Li+ 510-3 mol/L Li+ 110-2 mol/L Li+ 510-2 mol/L Li+ 0.1 mol/L Li+ 0.5 mol/L Li+ 1.0 mol/L Li+ 0.1 mol/L NaOH
数千dB/km
1990年 $0.1/m
光学玻璃 >500dB/km 同轴电缆 10dB/km
光纤通信
光学波导
光源
检测器
被检测的信号
检测对象
无机离子
常规的光谱信息 二次谐波 光致发光 相分辨
无机中性分子 芳香烃 脂肪烃 醇
等离子体共振(SPR)
胺
有机酸 药物、酶 … …
光化学传感器，又称光极，是建立在光谱化学和光学波导与 量测技术基础上的将分析对象的化学信息以吸收、反射、荧光或 化学发光、散射、折射和偏振光等光学性质表达的传感装置。
复合光极
血管
włókno wprowadzające
membrana optyczna
światłowody planarne na podłożu
siatka dyfrakcyjna
membrana optyczna
światłowód
podłoże laser detektor
固有的光学性质，因此也称为被动光极。这种传感器的选择
性受到制约，而且分析对象也受到限制。但是这种传感器不 存在光漂白和试剂被洗脱的问题，因此寿命长，稳定性好。 又因为不存在样品与敏感层中试剂的作用，其响应时间短， 能瞬间检测到样品性质的变化。这类传感器在实际应用方面
处于领先地位。如环境中铀酰离子的测定、血液氧饱和度的
目 录
4-1 基本概念
4-1-1 4-1-3 4-1-5 4-1-6 发展概况 4-1-2 光谱学基础 光学波导基础 4-1-4 测量仪器 光化学传感器的分类和特点 传感器特征 4-2-2 敏感层支持材料 4-2-4 电价固定法
4-2 敏感试剂固定化方法
4-2-1 概述 4-2-3 机械固定法 4-2-5 共价固定法
4-1-5 光化学传感器的分类和特点
分类标准
光学波导 传光型 功能型
光学信息
吸收、反射、 散射、折射、发光
复杂Байду номын сангаас度
普通光学波导型
化学修饰型 生物修饰型
光学波导
在传光型光化学传感器中，光学波导器件只起传输光的 作用，利用检测对象本身或另外修饰上去的敏感层的光学性 质来完成检测。目前很多光化学传感器是属于传光型的。例 如测量电镀液中铜离子浓度和环境中UO22+浓度，利用的是检 测对象本身的光学性质，光纤都只是用来传输光的。功能型 传感器又叫做传感型传感器，或本征传感器，利用了光纤本 身的性质。最初，功能型传感器都是用于物理参数的测量。 氢气传感器可能是最早用于化学参数测量的例子。这种传感 器利用了光纤压力传感器Mach-Zehnder干涉效应：光纤表面 涂覆的钯黑吸附氢气后压缩光纤，使传输光相位发生变化。 基于消失波的传感器也可以看作功能型的。例如，光导纤维 的一段包层被剥去，代之以敏感试剂层。
优势3 环境适应性好 光化学传感器的抗腐蚀能力强并且抗电磁干扰， 探头可在高温、低温、腐蚀性、易燃、易爆、强电场 及放射性等恶劣环境中使用。对电化学传感器有较大 影响的静电、表面电势、强磁场等均不干扰光学信号。 而且由于探头不带电，特别适用于临床检测及生物化 学的研究，避免了电刺激对测量环境的影响。
感器具有更高的选择性和灵敏度。酶、抗原、抗体是
光化学传感器中用得较多的生物物质。
光化学传感器的特点
优势1 几何外形上的优势
光学波导器件易于加工成小巧、轻便和空间适应性 好的探头。从原理上讲，光导纤维及其探头的直径可以 小到与其传导的光波长属同一数量级。目前，直径 100m的普通石英光纤可拉制成直径0.1m以下的探针。 这样小巧的探针可直接插入那些非整直的空间和无法采 样的小空间（如活体组织、毛细血管、细胞等）中，对 分析对象进行连续监测。由这种探针制成的亚微米光导 纤维化学传感器已能对活体胚胎的pH进行连续监测。另 一方面，各种电光、光电器件的小型化和集成化，使得 整个分析仪器变得小巧轻便。基于发光二极管、光电二 极管及集成电路，可制成轻巧紧凑的光化学传感装置。
光化学传感器（光极） Optical Chemical sensors Optrode Optode
pH电极
pH试纸
参考文献
• 王柯敏， 光化学传感器理论与方法 ，湖南教育 出版社，长沙，1995 • Joseph R. Lakowicz, Topics in Fluorescence Spectroscopy. Volume 4, Probe Design and Chemical Sensing, New York Kluwer Academic Publishers, New York, 2002 • Otto S. Wolfbeis, Fiber-Optic Chemical Sensors and Biosensors, Analytical Chemistry, 2004, 76(12), 3269 - 3284; (Review)
Hesse
Hardy
将光化学传感器与光纤联系起来
光纤全内反射
1980
Peterson
pH，血气测量
里程碑
材料、器件的发展
古代 1951 1970年代 1970年后 气相沉积法 烽火台 玻璃光纤 光通信 损耗大 100-1000dB/km $X00/m 0.2dB/k 1980年 $5-10/m
窗玻璃
光学信息
光学信息是多种多样的。因此，光化学传感器
又可分为吸收、反射、散射、折射和发光等多种类 型。其中基于发光现象的光化学传感器是最为庞大 的一支。它又可分为荧光、磷光、化学发光等不同 类型。
复杂程度--普通光学波导型
普通光学波导传感器是结构最为简单的一种。它本身不 具备化学识别功能，其传感机理被动地依赖于分析对象本身
优势4 检测方面的优势
光化学传感器所涉及的许多光学信号测量利用了 自参比方式，因此不再需要外部的参比信号。这点对 微型生物传感器来说特别有利。对于微型生物电传感 器来说，两个电解质之间的液－液接界电位往往是误 差的主要来源。
优势5 理论及实验基础雄厚 光学方法在分析化学中有较长的历史，一直占有重 要地位。各种光度试剂，如吸光光度试剂、荧光试剂和 化学发光试剂等都获得了充分发展。通过适当的修饰方 法用于光化学传感器，能大大丰富现有传感器的测试对 象。尤其是许多电化学传感器不能直接检测的中性分子 可用光化学传感器直接检测。另一方面，基于光纤的物 理光学性质，发展了许多新技术。例如，利用光导纤维 消失波制成的免疫传感器，能在线地分析抗原和抗体， 这是非放射免疫分析方法的一项重要突破。
4-1-2 光谱学基础
紫外与可见吸收
R H2O
R
F3C
O
HO
OH CF3