生物医学传感纳米生物传感器 课件
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生物医学传感-纳米生物传感器
纳米生物传感器的应用领域
纳米技术开始应用于生物传感器领域，出现了一些基于纳米材料的生物传感器。
1990年代
2000年代
2010年代至今
随着纳米技术的不断发展，纳米生物传感器在灵敏度和特异性方面取得了显著提升。
纳米生物传感器在医学诊断、环境监测等领域得到了广泛应用，成为生物医学传感领域的重要分支。
03
代谢性疾病诊断
在疾病诊断中的应用
药物代谢研究
纳米生物传感器可以用于研究药物在体内的代谢过程，有助于了解药物的作用机制和副作用。
个体化用药
纳米生物传感器可以监测患者的药物浓度和反应，为个体化用药提供依据，提高治疗效果并降低副作用。
药物筛选
纳米生物传感器可用于高通量药物筛选，快速筛选出具有潜在疗效的药物候选物。
02
01
纳米生物传感器的发展历程
02
纳米生物传感器的原理与技术
纳米生物传感器利用纳米材料和生物分子的特性，通过与目标物质发生相互作用，产生可被检测的信号变化，实现对生物分子和环境参数的快速、灵敏和准确的检测。
纳米生物传感器的工作原理通常包括分子识别、信号转换和信号输出三个步骤。分子识别是利用生物分子（如抗体、酶、核酸等）与目标物质之间的特异性相互作用，实现目标物质的捕获和富集。信号转换是将生物分子与目标物质相互作用产生的变化转换为可检测的电信号或光信号。信号输出则是将转换后的信号进行进一步处理和显示，得到最终的检测结果。
微型化
纳米材料种类繁多，可以针对不同的生物分子和疾病标志物进行设计和优化，实现多样化的生物检测。
多样性
优势
稳定性问题
生物兼容性
批量生产
临床应用
挑战
01
02
【生物医学课件】5生物传感器
✓基于生物吸附的生物敏感膜
基于生物体内存在相互亲和性的物质，把它们的一方固定 在膜上作为分子识别元件，当被测溶液中存在它们的配体时， 发生特异性反应，形成稳定的复合体，测定反应前后膜电位 的变化，即可得知配体浓度。
✓基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜
例如膜与外来物反应，生成的复合物影响到膜结构，改变 了膜的物理化学性质，使膜的通透性发生变化，进而感知外 界信息。
微生物作为敏感膜材料与底物作用时一般有两种情况： （1）呼吸机能型：对好氧性微生物，在与底物作用的同时， 其细胞的呼吸活性提高，耗氧量增大，用氧电极或CO电极 测定其呼吸活性，便可求出底物浓度。
呼吸机能型
（2）代谢机能型：对厌氧性微生物，其微生物同化被测有机物 后将生成各种代谢产物，如CO2、H2、H+等，可利用相应的离 子选择性电极测得代谢产物浓度，进而求出底物浓度。
总反应式为：葡萄糖 O2 G OD葡萄糖酸内酯 H2O2
此时氧电极附近的氧气量由于酶促反应而减少，使得还原电 流减小，通过测量电流值的变化即可确定葡萄糖浓度。
也可以通过测量反应产物H2O2的产生量来确定葡萄糖浓度。
快速葡萄糖(glucose)分析仪
电流型酶电极多以分子氧作为生物氧化还原反应的电子受体， 在环境缺氧或氧分压变化时对测量不利。故发展了利用介体取 代O2、H2O2在酶反应和电极间进行电子传递的介体酶电极。 将GOD固定在石墨电极上，以水不溶性二茂铁单羟酸为介体， 在电极对葡萄糖的响应过程中，二茂铁离子作为GOD的氧化剂， 并在酶反应与电极过程间迅速传递电子。由于二茂铁离子不与 氧反应，故传感器对氧不敏感，故可在缺氧或氧浓度易变的场 合使用；二茂铁离子与还原的GOD之间的电子传递快，因而电 极响应快；
分类方式
基于生物体内存在相互亲和性的物质，把它们的一方固定 在膜上作为分子识别元件，当被测溶液中存在它们的配体时， 发生特异性反应，形成稳定的复合体，测定反应前后膜电位 的变化，即可得知配体浓度。
✓基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜
例如膜与外来物反应，生成的复合物影响到膜结构，改变 了膜的物理化学性质，使膜的通透性发生变化，进而感知外 界信息。
微生物作为敏感膜材料与底物作用时一般有两种情况： （1）呼吸机能型：对好氧性微生物，在与底物作用的同时， 其细胞的呼吸活性提高，耗氧量增大，用氧电极或CO电极 测定其呼吸活性，便可求出底物浓度。
呼吸机能型
（2）代谢机能型：对厌氧性微生物，其微生物同化被测有机物 后将生成各种代谢产物，如CO2、H2、H+等，可利用相应的离 子选择性电极测得代谢产物浓度，进而求出底物浓度。
总反应式为：葡萄糖 O2 G OD葡萄糖酸内酯 H2O2
此时氧电极附近的氧气量由于酶促反应而减少，使得还原电 流减小，通过测量电流值的变化即可确定葡萄糖浓度。
也可以通过测量反应产物H2O2的产生量来确定葡萄糖浓度。
快速葡萄糖(glucose)分析仪
电流型酶电极多以分子氧作为生物氧化还原反应的电子受体， 在环境缺氧或氧分压变化时对测量不利。故发展了利用介体取 代O2、H2O2在酶反应和电极间进行电子传递的介体酶电极。 将GOD固定在石墨电极上，以水不溶性二茂铁单羟酸为介体， 在电极对葡萄糖的响应过程中，二茂铁离子作为GOD的氧化剂， 并在酶反应与电极过程间迅速传递电子。由于二茂铁离子不与 氧反应，故传感器对氧不敏感，故可在缺氧或氧浓度易变的场 合使用；二茂铁离子与还原的GOD之间的电子传递快，因而电 极响应快；
分类方式
生物医学传感器通用课件
稳定性与可靠性
生物医学传感器需要长时间稳定 运行，同时需要确保数据的可靠 性，以满足临床和科研的需求。
生物相容性与安全
性
生物医学传感器需要与人体相容， 同时不能对人体产生任何不良影 响，因此对传感器的材料和制作 工艺提出了更高的要求。
交叉学科融合与创新
01
生物学与医学的融 合
生物医学传感器需要结合生物学 和医学的知识，以更好地应用于 人体检测和诊断。
工作原理与特性
总结词
生物医学传感器的工作原理基于各种物理、化学效应 和生物学反应，将生物分子间的相互作用转化为可测 量的电信号。其特性包括选择性、灵敏度、线性范围 和稳定性等。
详细描述
生物医学传感器的工作原理基于各种物理、化学效应 和生物学反应，如电化学反应、光吸收、热效应、压 差等，将生物分子间的相互作用转化为可测量的电信 号。其选择性是指传感器对目标分子的识别能力，灵 敏度是指传感器对目标分子的响应程度，线性范围是 指传感器响应与目标分子浓度之间的线性关系范围， 稳定性则是指传感器在使用过程中性能的保持能力。
VS
详细描述
生物化学传感器通过检测生物体内的化学 物质来获取生理参数，如血糖、尿酸等。 这些传感器通常具有快速响应、高精度和 低成本等特点，广泛应用于临床检验和家 庭自测。
生物力学传感器
总结词
生物力学传感器是用于测量生物体运动和形变的传感器，如 压力、应变等。
详细描述
生物力学传感器通过测量生物体的运动和形变来获取生理参 数，如血压、呼吸等。这些传感器通常具有高精度、高稳定 性和低成本等特点，广泛应用于医疗诊断和康复治疗。
详细描述
这类传感器通常由识别元件（抗体或抗原）和转换元件 （如电化学或光学转换器）组成。通过识别元件与目标 分子的特异性结合，引发转换器产生可测信号，实现对 生物分子的定量检测。基于免疫识别的生物化学传感器 在生物毒素、病毒、蛋白质等检测中具有广泛的应用。
13生物传感器PPT课件
Outline：
生物传感器概念 生物传感器类 生物传感器结构和原理 生物传感器的信号转换器 微生物传感器 生物传感器应用领域
第1页/共111页
一、what is biosensor?
1、概述
传感器是一种信息获取与处理的装置。 对物质成分传 感的器件就是化学传感器，它是一种小型化的、能专一和可 逆地对某种化学成分进行应答反应的器件，并能产生与该成 分浓度成比例的可测信号。
第21页/共111页
1.2 基本电化学信号测量技术
• （1）电位信号测量方法 对于一个选择性膜电极，当其他外界
条件固定时，膜电位与溶液中待测离子 活度（或浓度）的对数值呈线性关系， 即符合能斯特关系式。由于单个电极电 位值是无法测量的，通常将待测电极与 一个参比电极组成一个电池，测量其电 位差值。采用的参比电极处理可使用标 准氢电极外常常使用甘汞电极和银-氯化 银电极（结第22构页/共如11下1页 图）。
第11页/共111页
生物传感器分类示意图
酶传感器 固定化酶
微生物传感器
固定化微生物 生物分子 固定化抗体 免疫传感器 识别元件
固定化寡链核苷酸
生物组织切片
基因传感器
组织传感器
生物传感器按生物分子识别元件敏感物质分类
第12页/共111页
3、根据生物传感器的信号转化器 分：
电化学生物传感器 （bioelectrode） 半导体生物传感器 （semiconductbiosensor） 测热型生物传感 （calorimetricbiosensor） 测光型生物传感器 （opticalbiosensor） 压电晶体生物传感器 （piezoelectricbiosensor）
1. Pt阳极 2. 聚四氟乙烯膜（作用） 3. 固相酶膜 4. 半透膜多孔层 5. 半透膜致密层
生物传感器概念 生物传感器类 生物传感器结构和原理 生物传感器的信号转换器 微生物传感器 生物传感器应用领域
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一、what is biosensor?
1、概述
传感器是一种信息获取与处理的装置。 对物质成分传 感的器件就是化学传感器，它是一种小型化的、能专一和可 逆地对某种化学成分进行应答反应的器件，并能产生与该成 分浓度成比例的可测信号。
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1.2 基本电化学信号测量技术
• （1）电位信号测量方法 对于一个选择性膜电极，当其他外界
条件固定时，膜电位与溶液中待测离子 活度（或浓度）的对数值呈线性关系， 即符合能斯特关系式。由于单个电极电 位值是无法测量的，通常将待测电极与 一个参比电极组成一个电池，测量其电 位差值。采用的参比电极处理可使用标 准氢电极外常常使用甘汞电极和银-氯化 银电极（结第22构页/共如11下1页 图）。
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生物传感器分类示意图
酶传感器 固定化酶
微生物传感器
固定化微生物 生物分子 固定化抗体 免疫传感器 识别元件
固定化寡链核苷酸
生物组织切片
基因传感器
组织传感器
生物传感器按生物分子识别元件敏感物质分类
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3、根据生物传感器的信号转化器 分：
电化学生物传感器 （bioelectrode） 半导体生物传感器 （semiconductbiosensor） 测热型生物传感 （calorimetricbiosensor） 测光型生物传感器 （opticalbiosensor） 压电晶体生物传感器 （piezoelectricbiosensor）
1. Pt阳极 2. 聚四氟乙烯膜（作用） 3. 固相酶膜 4. 半透膜多孔层 5. 半透膜致密层
生物传感器 ppt课件
生物组织传感器是以活的动植物组织细胞切片作为识 别元件，并与相应的变换元件构成生物组织传感器。
①生物组织含有丰富的酶类，这些酶在适宜的自然环境 中，可以得到相当稳定的酶活性，许多组织传感器工 作寿命比相应的酶传感器寿命长很多；
②在所需要的酶难以提纯时，直接利用生物组织可以得 到足够高的酶活性；
③组织识别元件制作简便，一般不需要采用固定化技术。
它是对物质在分子水平上进行快速和微量分析的 方法。
ppt课件
5
1.原理
生物传感器的结构一般是在基础传感器(如电 化学装置）上再耦合一个生物敏感膜（称为感 受器或敏感元件）。生物敏感膜紧贴在探头表 面上，再用一种半渗透膜与被测溶液隔开。当 待测溶液中的成分透过半透膜有选择地附着于 敏感物质上时，形成复合体，随之进行生化和 电化学反应，产生普通电化学装置能感知的O2、 H2、NH4+、CO2等或光声等信号，并通过信号转 换元件转换为电信号。
ppt课件
22
1)酶生物传感器
酶传感器是由酶传感器和电化学器件构成的。 由于酶是蛋白质组成的生物催化剂，能催化许 多生物化学反应。酶的催化效率极高，而且具 有高度专一性，即能对待测生物量（底物）进 行选择性催化，并且有化学放大作用。因此利 用酶的特性可以制造出高灵敏度、选择性好的 传感器。
ppt课件
ppt课件
12
将光信号转变为电信号
例如，过氧化氢酶能催化过氧化氢/鲁米诺体系 发光，因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤 或光敏二极管的前端，再和光电流测定装置相 连,即可测定过氧化氢含量。
还有很多细菌能与特定底物发生反应，产生荧光， 也可以用这种方法测定底物浓度。
ppt课件
13
2.生物传感器的特点
①生物组织含有丰富的酶类，这些酶在适宜的自然环境 中，可以得到相当稳定的酶活性，许多组织传感器工 作寿命比相应的酶传感器寿命长很多；
②在所需要的酶难以提纯时，直接利用生物组织可以得 到足够高的酶活性；
③组织识别元件制作简便，一般不需要采用固定化技术。
它是对物质在分子水平上进行快速和微量分析的 方法。
ppt课件
5
1.原理
生物传感器的结构一般是在基础传感器(如电 化学装置）上再耦合一个生物敏感膜（称为感 受器或敏感元件）。生物敏感膜紧贴在探头表 面上，再用一种半渗透膜与被测溶液隔开。当 待测溶液中的成分透过半透膜有选择地附着于 敏感物质上时，形成复合体，随之进行生化和 电化学反应，产生普通电化学装置能感知的O2、 H2、NH4+、CO2等或光声等信号，并通过信号转 换元件转换为电信号。
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1)酶生物传感器
酶传感器是由酶传感器和电化学器件构成的。 由于酶是蛋白质组成的生物催化剂，能催化许 多生物化学反应。酶的催化效率极高，而且具 有高度专一性，即能对待测生物量（底物）进 行选择性催化，并且有化学放大作用。因此利 用酶的特性可以制造出高灵敏度、选择性好的 传感器。
ppt课件
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将光信号转变为电信号
例如，过氧化氢酶能催化过氧化氢/鲁米诺体系 发光，因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤 或光敏二极管的前端，再和光电流测定装置相 连,即可测定过氧化氢含量。
还有很多细菌能与特定底物发生反应，产生荧光， 也可以用这种方法测定底物浓度。
ppt课件
13
2.生物传感器的特点
第8章-生物传感器PPT课件
2021/7/2
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2
第2页/共34页
8.1 生物传感器的工作原理
生物传感器是在基础传感器上再耦合一个生物敏感膜而形成的，生物 功能膜上(或膜中)附着有生物传感器的敏感物质，被测量溶液中待测 定的物质经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别或发生生物学反 应，其所产生的信息可通过相应的化学或物理原理转变成可定量和可 显示的电信号，通过电信号的分析就可知道被测物质的成分或浓度。
➢ 多功能酶传感器、测定酶活性传感器、半导体酶传感器以及检测难 溶于水的物质的酶传感器正在研究之中。随着基因工程技术的开发，
2021/7/2
使酶传感器的特性会得到进一步的发展。
13
第13页/共34页
葡萄糖传感器
➢葡萄糖是典型的单糖类，是一切生物的良好能源，测定血液中葡萄
糖浓度对糖尿病患者作临床检查是很重要的。葡萄糖传感器是以葡
2021/7/2
22
第22页/共34页
➢图8-6为这种免疫传感器的结构原理图。图中2、3两室间有固定化 抗原膜，而1、3两室之间没有固定化抗原膜。正常情况下，1、2室 内电极间无电位差。若3室内注入含有抗体的盐水时，由于抗体和固 定化抗原膜上的抗原相结合，使膜表面吸附了特异的抗体，而抗体是 有电荷的蛋白质，从而使抗原固定化膜带电状态发生变化，因此1、2 室内的电极间有电位差产生。
2021/7/2
图8-1 生物传感器工作原理示意图
3
第3页/共34页
血糖－乳酸测定流程
2021/7/2
4
第4页/共34页
2021/7/2
体育上耐力训练
5
第5页/共34页
手掌型葡萄糖(glucose)分析仪
2021/7/2
《生物传感器》PPT课件
生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜 可用的测量量：O2的减少量，葡萄糖酸或H2O2的
产生量
信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极
一种葡萄糖传感器-Glucowatch
•Glucose pulled through the skin by charged molecules •The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) •Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxide •The reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor
灵敏。
完整版课件ppt
3
敏感元件：
酶、抗体、核酸、细胞等。
转换器：
电化学电极、光学检测元件、 场效应晶体管、压电石英晶体、 表面等离子共振。
酶 (Enzyme)
抗体(Antibody)
完整版课件ppt
DNA
4
2. 分类
根据输出信号产生的方式 生物亲和型、代谢型、催化型
根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基 因传感器等
根据信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器等
其他分类 被测对象、大小、功能
完整版课件ppt
6
3. 生物传感器的特点
➢ 高选择性。生物传感器是由选择性好的主 体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不 需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其 它试剂。
➢ 体积小、可以实现连续在位监测。
➢ 响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复 多次使用。
产生量
信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极
一种葡萄糖传感器-Glucowatch
•Glucose pulled through the skin by charged molecules •The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) •Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxide •The reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor
灵敏。
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3
敏感元件：
酶、抗体、核酸、细胞等。
转换器：
电化学电极、光学检测元件、 场效应晶体管、压电石英晶体、 表面等离子共振。
酶 (Enzyme)
抗体(Antibody)
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DNA
4
2. 分类
根据输出信号产生的方式 生物亲和型、代谢型、催化型
根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基 因传感器等
根据信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器等
其他分类 被测对象、大小、功能
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6
3. 生物传感器的特点
➢ 高选择性。生物传感器是由选择性好的主 体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不 需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其 它试剂。
➢ 体积小、可以实现连续在位监测。
➢ 响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复 多次使用。
生物传感器与纳米医学PPT课件
A sensor that integrates a biological element with a physiochemical transducer to produce an electronic signal proportional to a single analyte which is then conveyed to a detector.
背景
生物传感器是一类特殊形式的传感器，是由固定化的生物敏感材 料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核 酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、 场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系 统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。从而检测多种生命 和化学物质。纳米生物传感器是将纳米材料作为一种新型的生物 传感介质，与传统的传感器相比，具有体积更小、速度更快、而 且精度更高、可靠性更好的优点。 自从1967年第一支葡萄糖传感器诞生以来，生物传感技术已成为 一前沿技术，它是一个由生物、化学、医学、物理、电子技术等 多种学科相互渗透形成的研究领域。生物传感器具有选择性高、 分析速度快、操作简易和仪器价格低廉等特点，而且可进行在线 甚至活体分析，在临床诊断、环境监测、食品工业等方面得到了 高度重视和广泛应用。
生物传感器的简介：生物传感器的结构
第三部分: 监控器
Signals from the transducer are passed to a microprocessor where they are amplified and analyzed.
The data is then converted to concentration units and transferred to a display or/and data storage device.
背景
生物传感器是一类特殊形式的传感器，是由固定化的生物敏感材 料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核 酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、 场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系 统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。从而检测多种生命 和化学物质。纳米生物传感器是将纳米材料作为一种新型的生物 传感介质，与传统的传感器相比，具有体积更小、速度更快、而 且精度更高、可靠性更好的优点。 自从1967年第一支葡萄糖传感器诞生以来，生物传感技术已成为 一前沿技术，它是一个由生物、化学、医学、物理、电子技术等 多种学科相互渗透形成的研究领域。生物传感器具有选择性高、 分析速度快、操作简易和仪器价格低廉等特点，而且可进行在线 甚至活体分析，在临床诊断、环境监测、食品工业等方面得到了 高度重视和广泛应用。
生物传感器的简介：生物传感器的结构
第三部分: 监控器
Signals from the transducer are passed to a microprocessor where they are amplified and analyzed.
The data is then converted to concentration units and transferred to a display or/and data storage device.
《纳米生物传感器》PPT课件
光催化半导体材料纳米氧化物 在生物传感器中的应用
孙雯 2012110265
精选PPT
1
目录
半导体材料光催化性能简介 金属氧化物纳米材料在生物传感上的应用 总结与展望
精选PPT
2
1.1半导体光催化背景
通过利用可再生能源和新型环境友好型功能材料来治理或修复生态环 境和制备清洁能源，并在最大限度上提高新型环境友好型功能材料的使 用效率是21世纪环境及能源领域的重要目标之一。半导体光催化技术以 其室温深度反应和可直接利用太阳能作为能源来驱动反应等独特性能， 在此领域中发挥出重要作用。
精选PPT
10
纳米棒
例如，Liu 课题组制备的基于ZnO 纳米棒的第三代安培型葡萄糖传 感器，固定于ZnO 纳米棒的葡萄糖氧化酶表现出很高的催化活性，构 建的传感器在一个很宽的线性范围内具有高灵敏度和良好的选择性。
基于葡萄糖氧化酶修饰的 ZnO 纳米棒阵列构建的第三代安培型葡萄糖传感器
精选PPT
11
精选PPT
3
1.2 半导体光催化反应原理
根据以能带为基础的电子理论，半导体的基本能带结构是：存 在一些列的满带，在最上面的满带称为价带（Valence band, VB ）;存在一系列的空带 ，在最下面的空带称为导带（Conduction band, CB）.价带和导带之间称为禁带。当用能量大于或等于禁带 宽度（Eg）的光辐射半导体时，半导体价带上的电子可以被激发 跃迁到导带上面，同时在价带上面产生相应的空穴，于是便在半 导体内部生成了光生电子（e-）-光生空穴（h+）对。
降低成本, 实现超微量检测, 扩大应用范围。
精选PPT
15
谢谢！
精选PPT
16
广义上的纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于 纳米尺度范围(1-100nm) 或由它们作为基本单元构成的 材料。
孙雯 2012110265
精选PPT
1
目录
半导体材料光催化性能简介 金属氧化物纳米材料在生物传感上的应用 总结与展望
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2
1.1半导体光催化背景
通过利用可再生能源和新型环境友好型功能材料来治理或修复生态环 境和制备清洁能源，并在最大限度上提高新型环境友好型功能材料的使 用效率是21世纪环境及能源领域的重要目标之一。半导体光催化技术以 其室温深度反应和可直接利用太阳能作为能源来驱动反应等独特性能， 在此领域中发挥出重要作用。
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10
纳米棒
例如，Liu 课题组制备的基于ZnO 纳米棒的第三代安培型葡萄糖传 感器，固定于ZnO 纳米棒的葡萄糖氧化酶表现出很高的催化活性，构 建的传感器在一个很宽的线性范围内具有高灵敏度和良好的选择性。
基于葡萄糖氧化酶修饰的 ZnO 纳米棒阵列构建的第三代安培型葡萄糖传感器
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11
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3
1.2 半导体光催化反应原理
根据以能带为基础的电子理论，半导体的基本能带结构是：存 在一些列的满带，在最上面的满带称为价带（Valence band, VB ）;存在一系列的空带 ，在最下面的空带称为导带（Conduction band, CB）.价带和导带之间称为禁带。当用能量大于或等于禁带 宽度（Eg）的光辐射半导体时，半导体价带上的电子可以被激发 跃迁到导带上面，同时在价带上面产生相应的空穴，于是便在半 导体内部生成了光生电子（e-）-光生空穴（h+）对。
降低成本, 实现超微量检测, 扩大应用范围。
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15
谢谢！
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16
广义上的纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于 纳米尺度范围(1-100nm) 或由它们作为基本单元构成的 材料。
第二讲生物传感器ppt课件
✓ 分析成本远低于大型分析仪器， 度的影响。 便于推广普及；
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
Ⅳ 生物传感器的发展历程
BIOSENSORS
第一代生物传感器：
✓ 1962年，Clark和 Lyon报道了用葡萄糖氧化酶与 氧电极相结合检测葡萄糖的结果，可认为是最早 提出了生物传感器（酶传感器）的原理。
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
第一代生物传感器：
BIOSENSORS
✓ 1967年Updike和 Hicks将葡萄糖氧化酶固定在氧电极表面， 研制成功酶电极，被认为是世界上第一个生物传感器，开创 了生物传感器的历史。这类传感器抗干扰能力差，背景电流 大，易受溶液中氧浓度变化影响。
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
第一代生物传感器：
BI9年，美国YSI公司(维赛仪器公司) ，血糖测试用
酵素电极。
② 1988年，美国Medisense公司（1996年，雅培）， 电化学法血糖仪-- ExactechPen ，袭卷70%以上的第
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
Ⅴ 国内外得到应用的生物传感器：
测定水质的BOD（biochemical oxygen demand） 分析仪，在市场上有以日本和德国为代表产品供应
德国研发的环境废水BOD分析仪
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纳米胶囊或纳米粒子悬浮液保健品 —— ↓毒性，↑活性（硒旺胶囊 ）
21:43:49
42
6. 纳米医用陶瓷
纳米陶瓷在人工骨、人工关节、人工齿以及牙种植体、 耳听骨修复体等人工器官制造及临床应用领域有广阔 的应用前景。
纳米级羟基磷灰石复合材料
聚酰胺/纳米HA晶体生物活性材料 ZrO2 的纳米羟基磷灰石复合材料 纳米TiO2 /聚合物复合材料
这种特性可以应用在玻璃上或是战机的雷达上。
21:43:48
6
飞檐走壁的壁虎
在现实生活中, 我们可以制造出抓地更牢的运动鞋,可以 制作雨雪环境中不再打滑的汽车轮胎。而在影视剧拍摄中, 演员们可以告别工作室里的电脑,真正在摩天大楼的玻璃幕 墙上一展身手。据此开发出的空间探测用攀爬型机器人,无 论在什么恶劣的条件下都可以在太空飞行器的外表面行走, 给飞行器进行“体检”。
（4）特殊的力学性质
呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微
颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。
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26
3. 宏观量子隧道效应
电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道 效应。 纳米颗粒的一些宏观物理量，如颗粒的磁 化强度、量子相干器件中的磁通量等，亦显示出隧 道效应，称之为宏观的量子隧道效应。
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47
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48
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49
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50
碳纳米管在纳米生物传感器中的应用
碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一 种由碳六元环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米 级中空管。
CNTs具有良好的导电性、催化活性和较大的比表 面积，因此被广泛用于修饰电极的研究。分散性 良好的碳纳米管在水溶液或丙酮、甲醇等有机溶 剂中可观察到很强的荧光发射。由于独特的电学 和光学性质，碳纳米管对周围的环境极其敏感， 所以可以将其应用于化学传感器。
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36
应用不同的材料制备纳米颗粒并通过改变其大小 和形状可以改变纳米颗粒的光散射性质。以此为基础 可制备多种颜色的纳米颗粒标签。改变纳米颗粒的形 状不仅可以改变其光散射特征，还可以改变其他特征 如产生谐波等。
例如：球形纳米银颗粒不散射红光，而棱柱形纳米 银颗粒却呈红色。
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37
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38
这些不同颜色的纳米颗粒标签表面包被 细胞特异性抗体/配体后，可进行组织/细胞 染色或标记、疾病的诊断及示踪技术。
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39
3. 纳米药物控释材料
纳米粒子不但具有能穿过组织间隙并被细胞吸 收、可通过人体最小的毛细血管、甚至可通过血脑 屏障等特性, 而且还具有靶向、缓释、高效、低毒 且可实现口服、静脉注射及敷贴等多种给药途径。
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34
2.用于细胞内部染色的纳米材料
利用不同抗体对细胞内各种器官和骨骼组织的敏 感程度和亲和力的显著差异,选择抗体种类，将纳米 金粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合,制备成 多种纳米金/抗体复合物。
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35
借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统 结合而形成的复合物,在白光或单色光照射下呈现某 种特征颜色(如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红 色),从而给各种组合“贴上”了不同颜色的标签,因 而为提高细胞内组织的分辨率提供了一种急需的染 色技术。21Biblioteka 43:4829化学结构
纳米金属 纳米晶体 纳米陶瓷 纳米玻璃 纳米高分子材料 纳米复合材料
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30
应用
纳米电子材料 纳米光电子材料 纳米生物医学材料 纳米敏感材料 纳米储能材料
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31
（三） 纳米生物材料的制备
纳米颗粒的作用受其尺寸、形貌和结构的影响。 不是所有纳米尺寸的颗粒都能起作用，纳米颗粒的尺 寸也不是越小越好；特定的技术领域需要特定尺寸、 大小均一的纳米颗粒才能发挥最佳效果。
表面原子百分数↑↑
性质变化
纳米颗粒的表面能高、活性强
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13
高表面活性 → 交联或吸附性强
Drug / Gene Delivery System 药物/基因转运系统
纳米粒 吸附药物/质粒DNA
纳米粒-药物/DNA复合物
吸附在细胞膜上
胞吞作用
进入细胞
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14
纳米载体-绿色荧 光蛋白报道基因 转染细胞
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43
7.纳米生物活性材料
钙盐纳米ＳｉＯ2/聚合物复合材料 : 在人体液中放置 1周后, 可以观察到其表面有羟基磷灰石层形成。
含钛硅的纳米复合材料 ：具有优良的透光率、氧气 透过率和吸湿性, 是理想的隐形眼镜材料。
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44
聚氨酯材料 ：因其良好的生物相容性和优异的力学 性能常用来制作血管移植物、介入导管、心脏辅助循 环体系及人工心脏等。
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7
“上善若水”的水黾
超疏水特性(超强的不沾水的特性)
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8
水黾腿部上有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛。这些 像针一样的微米刚毛的表面上形成螺旋状纳米结构的构槽,吸附在构 槽中的气泡形成气垫。
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9
五彩斑斓的蝴蝶
纳米结构:光子晶体, 通过这种结 构,蝴蝶翅膀能捕捉光线。仅让某种 波长的光线透过,这便决定了不同的 颜色。
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40
4. 纳米抗菌材料及创伤敷料
Ａｇ+系抗菌材料: 利用Ａｇ+可使细胞膜上的蛋白失活, 从而杀死细菌。
ZnO、TiO2等光触媒型纳米抗菌材 料 利用该类材料的光催化作用, 与Ｈ2Ｏ反应生成具强氧 化性的羟基以杀死病菌
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41
5.纳米颗粒中药及保健品
纳米级中药粒子 ——可溶于水, 有效提高药物利用率 ——口服胶囊、口服液或膏药
光学 磁学 热学 力学
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18
由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成 能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此 可以看作是连续的。对介于原子、分子与大块固体之间的 纳米颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能 级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场 能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列 与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子/小尺寸效 应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁 矩的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反 常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子 尺寸效应的宏观表现。
纳米微孔ＳｉＯ2玻璃 ：可用作微孔反应器、功能性 分子吸附剂、生物酶催化剂及药物控释体系的载体 等。
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45
未来应用
纳米机器人消灭 癌细胞虚拟图
在血管中运动的纳米机器人， 使用纳米切割机和真空吸尘器 来清除血管中的沉积物。
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46
三.纳米生物传感器
纳米生物传感器是纳米技术与生物传感器的融合， 其研究领域涉及到生物技术、信息技术、纳米科学、 界面科学等多个重要领域。
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27
（二） 纳米材料分类
纳米粉末：碳酸钙，白炭黑，氧化锌
材料的形态
纳米纤维：纳米丝、纳米棒、纳米管 纳米膜： 超薄膜、多层膜、超晶格
纳米块体: 纳米Cu的块体材料 纳米液体材料
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物理性能
纳米半导体材料 纳米磁性材料 纳米非线性光学材料 纳米铁电体材料 纳米超导材料 纳米热电材料
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3
二、 纳米材料介绍
纳米材料是指由尺寸小于100nm（0.1-100nm） 的超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二 维材料或由它们作为基本单元构成的三维材料的总称。
纳米无创注射器
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纳米管阵列
4
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5
自然界中的纳米结构
荷叶表面上有一些微小的蜡质颗粒,并且覆盖着无数尺 寸约10个微米的突包,每个突包的表面又布满了直径仅为 几百纳米的更细的绒毛。
应用于葡萄糖的检测中 还可应用于有机磷类化合物的分析检测
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52
CNTs在DNA生物传感器中的应用
DNA生物传感器具有灵敏度高、制作简单和成本 较低等优势，近年来在基因检测和传染性疾病研究 等领域的应用得到了迅速发展。
将DNA特有的分子识别功能与碳纳米管的优良性 能相结合，通过化学吸附、共价联接、静电吸附等 方法将DNA固定在碳纳米管上，以期获得性能更 加优良的DNA生物传感器。
纳米生物传感器
（Nanobiosensors）
一、背 景 二、纳米材料介绍
三、纳米生物传感器
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1
一、背 景
纳米技术和生物技术是21世纪的两大领先技术 纳米生物传感技术成为一种新兴产业。
纳米尺寸既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，因此有 着独特的化学性质和物理性质，如表面效应、微尺寸效应、 量子效应和宏观量子隧道效应等，呈现出常规材料不具备的 优越性能。
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10
利用“罗盘”定位的蜜蜂
利用在磁性纳米粒子中存储的图像来判明方向。
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11
蛛丝
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指路线、安全绳、滑翔索。
12
（一） 纳米材料的特性 1.表面效应
纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与 总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质 上的变化。
颗粒直径↓ 比表面积↑↑
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19
（1） 特殊的光学性质
纳米颗粒当尺寸小到一定程度时具有很强的吸光性。 金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约 几微米的厚度就能完全消光。几乎所有的金属纳米颗粒 都可呈现黑色。
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6. 纳米医用陶瓷
纳米陶瓷在人工骨、人工关节、人工齿以及牙种植体、 耳听骨修复体等人工器官制造及临床应用领域有广阔 的应用前景。
纳米级羟基磷灰石复合材料
聚酰胺/纳米HA晶体生物活性材料 ZrO2 的纳米羟基磷灰石复合材料 纳米TiO2 /聚合物复合材料
这种特性可以应用在玻璃上或是战机的雷达上。
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飞檐走壁的壁虎
在现实生活中, 我们可以制造出抓地更牢的运动鞋,可以 制作雨雪环境中不再打滑的汽车轮胎。而在影视剧拍摄中, 演员们可以告别工作室里的电脑,真正在摩天大楼的玻璃幕 墙上一展身手。据此开发出的空间探测用攀爬型机器人,无 论在什么恶劣的条件下都可以在太空飞行器的外表面行走, 给飞行器进行“体检”。
（4）特殊的力学性质
呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微
颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。
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3. 宏观量子隧道效应
电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道 效应。 纳米颗粒的一些宏观物理量，如颗粒的磁 化强度、量子相干器件中的磁通量等，亦显示出隧 道效应，称之为宏观的量子隧道效应。
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50
碳纳米管在纳米生物传感器中的应用
碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一 种由碳六元环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米 级中空管。
CNTs具有良好的导电性、催化活性和较大的比表 面积，因此被广泛用于修饰电极的研究。分散性 良好的碳纳米管在水溶液或丙酮、甲醇等有机溶 剂中可观察到很强的荧光发射。由于独特的电学 和光学性质，碳纳米管对周围的环境极其敏感， 所以可以将其应用于化学传感器。
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应用不同的材料制备纳米颗粒并通过改变其大小 和形状可以改变纳米颗粒的光散射性质。以此为基础 可制备多种颜色的纳米颗粒标签。改变纳米颗粒的形 状不仅可以改变其光散射特征，还可以改变其他特征 如产生谐波等。
例如：球形纳米银颗粒不散射红光，而棱柱形纳米 银颗粒却呈红色。
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这些不同颜色的纳米颗粒标签表面包被 细胞特异性抗体/配体后，可进行组织/细胞 染色或标记、疾病的诊断及示踪技术。
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3. 纳米药物控释材料
纳米粒子不但具有能穿过组织间隙并被细胞吸 收、可通过人体最小的毛细血管、甚至可通过血脑 屏障等特性, 而且还具有靶向、缓释、高效、低毒 且可实现口服、静脉注射及敷贴等多种给药途径。
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2.用于细胞内部染色的纳米材料
利用不同抗体对细胞内各种器官和骨骼组织的敏 感程度和亲和力的显著差异,选择抗体种类，将纳米 金粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合,制备成 多种纳米金/抗体复合物。
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借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统 结合而形成的复合物,在白光或单色光照射下呈现某 种特征颜色(如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红 色),从而给各种组合“贴上”了不同颜色的标签,因 而为提高细胞内组织的分辨率提供了一种急需的染 色技术。21Biblioteka 43:4829化学结构
纳米金属 纳米晶体 纳米陶瓷 纳米玻璃 纳米高分子材料 纳米复合材料
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应用
纳米电子材料 纳米光电子材料 纳米生物医学材料 纳米敏感材料 纳米储能材料
21:43:48
31
（三） 纳米生物材料的制备
纳米颗粒的作用受其尺寸、形貌和结构的影响。 不是所有纳米尺寸的颗粒都能起作用，纳米颗粒的尺 寸也不是越小越好；特定的技术领域需要特定尺寸、 大小均一的纳米颗粒才能发挥最佳效果。
表面原子百分数↑↑
性质变化
纳米颗粒的表面能高、活性强
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高表面活性 → 交联或吸附性强
Drug / Gene Delivery System 药物/基因转运系统
纳米粒 吸附药物/质粒DNA
纳米粒-药物/DNA复合物
吸附在细胞膜上
胞吞作用
进入细胞
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14
纳米载体-绿色荧 光蛋白报道基因 转染细胞
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7.纳米生物活性材料
钙盐纳米ＳｉＯ2/聚合物复合材料 : 在人体液中放置 1周后, 可以观察到其表面有羟基磷灰石层形成。
含钛硅的纳米复合材料 ：具有优良的透光率、氧气 透过率和吸湿性, 是理想的隐形眼镜材料。
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44
聚氨酯材料 ：因其良好的生物相容性和优异的力学 性能常用来制作血管移植物、介入导管、心脏辅助循 环体系及人工心脏等。
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“上善若水”的水黾
超疏水特性(超强的不沾水的特性)
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8
水黾腿部上有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛。这些 像针一样的微米刚毛的表面上形成螺旋状纳米结构的构槽,吸附在构 槽中的气泡形成气垫。
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五彩斑斓的蝴蝶
纳米结构:光子晶体, 通过这种结 构,蝴蝶翅膀能捕捉光线。仅让某种 波长的光线透过,这便决定了不同的 颜色。
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4. 纳米抗菌材料及创伤敷料
Ａｇ+系抗菌材料: 利用Ａｇ+可使细胞膜上的蛋白失活, 从而杀死细菌。
ZnO、TiO2等光触媒型纳米抗菌材 料 利用该类材料的光催化作用, 与Ｈ2Ｏ反应生成具强氧 化性的羟基以杀死病菌
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5.纳米颗粒中药及保健品
纳米级中药粒子 ——可溶于水, 有效提高药物利用率 ——口服胶囊、口服液或膏药
光学 磁学 热学 力学
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由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成 能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此 可以看作是连续的。对介于原子、分子与大块固体之间的 纳米颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能 级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场 能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列 与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子/小尺寸效 应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁 矩的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反 常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子 尺寸效应的宏观表现。
纳米微孔ＳｉＯ2玻璃 ：可用作微孔反应器、功能性 分子吸附剂、生物酶催化剂及药物控释体系的载体 等。
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未来应用
纳米机器人消灭 癌细胞虚拟图
在血管中运动的纳米机器人， 使用纳米切割机和真空吸尘器 来清除血管中的沉积物。
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三.纳米生物传感器
纳米生物传感器是纳米技术与生物传感器的融合， 其研究领域涉及到生物技术、信息技术、纳米科学、 界面科学等多个重要领域。
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（二） 纳米材料分类
纳米粉末：碳酸钙，白炭黑，氧化锌
材料的形态
纳米纤维：纳米丝、纳米棒、纳米管 纳米膜： 超薄膜、多层膜、超晶格
纳米块体: 纳米Cu的块体材料 纳米液体材料
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物理性能
纳米半导体材料 纳米磁性材料 纳米非线性光学材料 纳米铁电体材料 纳米超导材料 纳米热电材料
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二、 纳米材料介绍
纳米材料是指由尺寸小于100nm（0.1-100nm） 的超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二 维材料或由它们作为基本单元构成的三维材料的总称。
纳米无创注射器
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纳米管阵列
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自然界中的纳米结构
荷叶表面上有一些微小的蜡质颗粒,并且覆盖着无数尺 寸约10个微米的突包,每个突包的表面又布满了直径仅为 几百纳米的更细的绒毛。
应用于葡萄糖的检测中 还可应用于有机磷类化合物的分析检测
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CNTs在DNA生物传感器中的应用
DNA生物传感器具有灵敏度高、制作简单和成本 较低等优势，近年来在基因检测和传染性疾病研究 等领域的应用得到了迅速发展。
将DNA特有的分子识别功能与碳纳米管的优良性 能相结合，通过化学吸附、共价联接、静电吸附等 方法将DNA固定在碳纳米管上，以期获得性能更 加优良的DNA生物传感器。
纳米生物传感器
（Nanobiosensors）
一、背 景 二、纳米材料介绍
三、纳米生物传感器
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1
一、背 景
纳米技术和生物技术是21世纪的两大领先技术 纳米生物传感技术成为一种新兴产业。
纳米尺寸既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，因此有 着独特的化学性质和物理性质，如表面效应、微尺寸效应、 量子效应和宏观量子隧道效应等，呈现出常规材料不具备的 优越性能。
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利用“罗盘”定位的蜜蜂
利用在磁性纳米粒子中存储的图像来判明方向。
21:43:48
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蛛丝
21:43:48
指路线、安全绳、滑翔索。
12
（一） 纳米材料的特性 1.表面效应
纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与 总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质 上的变化。
颗粒直径↓ 比表面积↑↑
21:43:48
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（1） 特殊的光学性质
纳米颗粒当尺寸小到一定程度时具有很强的吸光性。 金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约 几微米的厚度就能完全消光。几乎所有的金属纳米颗粒 都可呈现黑色。