生物传感检测原理、类型

根据定义，包括两部分： 1、生物活性材料(也叫生物敏感膜、分子 识别元件)。 2、物理换能器(也叫传感器)
2.1 生物传感器定义、结构
生物敏感膜(biosensitive membrane) 又称为分子识别元件(molecular recognition element)是生物 传感器的关键元件(表2-1)，直接决定传感器的功能与质量。 依生物敏感膜所选用材料不同，其组成可以是酶、DNA、免疫 物质、全细胞、组织、细胞器或它们的组合，近年还引入了高 分子聚合物模拟酶，使分子识别元件的概念进一步延伸。
2.1 生物传感器定义、结构
生物传感器定义
Baidu Nhomakorabea
生物传感器(biosensor)是用生物活性材料 (酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等) 与物理换能器有机结合的器械或装臵，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。
生物传感器的结构(组成)
此界面发 生能量转 换(转换成 电信号)
此处发生信号 转换(模拟信 号转换成数字 信号)
2.3 生物传感器的分类
生物传感器的类型和命名方法比较多而且不尽统一，主要 有两种分类法。 按分子识别元件分类和按换能器类型分类。
酶 生物传感器 光 生物传感器 热 生物传感器 声波 生物传感器
免疫 生物传感器
DNA 生物传感器
分子识别元 件分类法
微生物 生物传感器
细胞 生物传感器 组织 生物传感器
换能器 分类法
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
分子印记 生物传感器
2.4 生物传感器的优点
(1) 可重复使用 采用固定化生物活性物质作催化剂，价格昂贵的试剂 可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化 学分析繁琐复杂的缺点。 (2) 专一性强(选择性高、特异性强) 如：酶只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度 的影响。 (3) 分析速度快 可以在几分钟得到结果。 (4) 准确度高 一般相对误差可以达到1％ (5) 操作系统比较简单 ，容易实现自动分析 (6) 成本低 在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。
生物敏感膜 酶 免疫物质 生物活性材料 各种酶类 抗体、抗原、酶标抗原 生物敏感膜 全细胞 细胞器 生物活性材料 细菌、真菌、动植 物细胞 线粒体、叶绿体
DNA
具有亲和能力的物质
寡聚核苷酸
配体、受体
组织
模拟酶
动植物组织切片
高分子聚合物
表2-1 生物传感器的生物敏感膜（分子识别元件）
2.1 生物传感器定义、结构
2.2 生物传感器的原理
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。 图示生物传感器原理：
生 物 敏 感 膜 换 物理变化 能 器 计 算 机
待检测物
电信号
此界面发生 生物学反应 (分子识别过 程)
生物学反应信息 离子变化 电阻、电导变化 质子变化 气体分压变化 换能器选择 离子选择性电极 阻抗计、电导仪 场效应晶体管 气敏电极 生物学反应信息 光学变化 颜色变化 质量变化 力变化 换能器选择 光纤、光敏管 光纤、光敏管 压电晶体等 微悬臂梁
热焓变化
热敏电阻、热电偶
振动频率变化
表面等离子共振
表2-2 生物学反应信息和换能器的选择
南开大学教育部生物活性材料重点实验室
体内药物传感器的开发研究
20世纪九十年代至今我国生物传感器研究队伍逐渐扩大， 其标志之一是近10年来在中国国内期刊上发表的以生物传感 器为关键词的论文总数达到650篇，其中2003年的论文数量 比1994年增加了约一倍。近十年的该领域专家的研究背景也 从生物学扩大到化学和电子学。表明了生物传感器领域学科 相互交叉的趋势。
中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实 氢离子敏场效应管，仿生生物传感器，小型台 验室 式SPR测试仪,微全分析系统 中国科学院长春应用化学所 复旦大学化学系 免疫传感器、生物芯片 电化学的酶、组织、微生物传感器
湖南大学化学计量与生物传感国家重点实验室 组织、免疫传感器 陕西师范大学化学系 浙江大学教育部生物传感器国家专业实验室 光生物传感器 嗅觉和味觉生化传感器
年份 论文数量
1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 48 64 36 47 51 56 67 66 118 90
近十年来在中国期刊发表的生物传感器论文
本章思考题
生物传感器的结构组成 生物传感器的优点
阅读材料
中国生物传感器技术发展的过程、现状
中国生物传感器研究始于20世纪八十年代初，从事生物 传感器研究的科研机构有中国科学院微生物所、中国科学院上 海生化所、清华大学、中国科学院武汉病毒所、中国科学院长 春应化所和湖南大学等单位。 直至今日，这些单位仍在生物传感器领域进行着创新研究 和开发。 最早展开生物传感器的研讨活动是1986年由中国微生物协 会酶工程专业技术委员会组织的第一届工业生化及酶工程全国 学术会议。中国酶工程专业技术委员对这一领域的国内外学术 交流起到很好的作用，其活动包括定期召开的全国性酶工程学 术会议和每隔二年一次的中日酶工程学术会议，其中生物传感 器都是重要的研讨议题。
换能器(transducer) 又称为传感器(sensor),其作用是将各种生物的、化学的和 物理的信息转变成电信号。生物反应过程产生的信息是多元化 的，微电子和传感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对换能器的选择有足 够的回旋余地。设计的成功与否主要取决于设计方案的科学性 和经济性，可供制作生物传感器的基本换能器如下表(2-2)
我国生物传感器领域的主要研究机构
研究机构 中国科学院微生物所 中国科学院武汉病毒所
主要研究方向 临床诊断分析用生物传感器 生物传感器和生物芯片、分析用酶的分子工程， BOD微生物传感器，手掌型血糖分析仪研制 生物芯片（DNA、蛋白质芯片） 生物传感器技术的最新发展
清华大学生命科学学院 中国科学院上海生化所