生物医学传感生物传感器[可修改版ppt]
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进入上世纪80年代之后，随着离子敏场效应晶体管的不 断完善，如1980年Caras和Janafa率先研制成功可测定 青霉素的酶FET。
本世纪：纳米技术和生物传感技术的结合
年代 上世纪
60
上世纪 70
特点 生物传感器初期
发展时期
研究内容
酶电极 微生物传感器，免疫传 感器，细胞类脂质传感 器，组织传感器，生物
亲和传感器
上世纪 进入生物电子学
80
传感器时期
酶FET 酶光二极管
本世纪：进入纳米生物传感器时期
从整体划分:
第一代生物传感器以将生物成分截留在膜上或结合在膜 上为基础，这类器件由透析器(膜)、反应器(膜)和电化 学转换器所组成，其实验设备相当简单。
第二代生物传感器是指将生物成分直接吸附或共价结合 在转换器的表面上，从而可略去非活性的基质膜。
（a）将化学变化转变成电信号（间接型）
酶传感器为例，酶催化特定底物发生反应,从而 使特定生成物的量有所增减，用能把这类物质的量的 改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合，即组成酶 传感器。
常用转换装置有：氧电极、过氧化氢电极。
（b）将热变化转换成电信号
固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有 热的变化。例如大多数酶反应的热焓变化量在25100kJ/mol的范围.这类生物传感器的工作原理是把反应 的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化，后者通过有放 大器的电桥输入到记录仪中。
生物医学传感生物传感器
2021/1/8
1
上次课回顾
（一）离子敏场效应晶体管(ISFET)
1、结构 2、工作原理
3、特性
（二）电化学气体传感器
1、检测原理、特性
2、气敏电极
（1）O2电极(Po2电极） （2）CO2电极(Pco2电极）
（三）半导体气体传感器
1、电阻型 2、MOSFET（非电阻型）
生物传感器（biosensors)
各类酶类 细菌，真菌，动植物细胞 动植物组织切片 线粒体，叶绿体 抗体，抗原，酶标抗原等
生物敏感膜按其分子识别原理可分为三种不同类 型： A、基于生物催化反应的生物敏感膜
B、基于生物吸附的生物敏感膜
C、基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（2）信号转换器：将各种生物的、化学的和物理的信
号转换为可输出的有用信号（电信号）。
第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子元件上， 例如FET的栅极上，它可直接感知和放大界面物质的变 化，从而将生物识别和电信号处理集合在一起。这种放 大器可采用差分方式以消除干扰。
目前国内外得到广泛应用的生物传感器主要包括：
1、测定水质的BOD分析仪、在市场上有以日本和德国 为代表产品供应。
热辐射 热传导
（c）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，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。
上述三原理的生物传感器共同点： 都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发
作用：当待测物与分子识别元件特异性结合后， 所产生的复合物通过信号转换器转变为可输出的电信 号、光信号等。
主要有：电化学电极、光学检测元件、场效应 晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振等。
转换器转化为电信号的方式：
❖ 将化学变化转变成电信号（间接型） ❖ 将热变化转换为电信号（间接型） ❖ 将光效应转变为电信号（间接型） ❖ 直按产生电信号方式（直接型）
2、采用丝网印刷和微电子技术的手掌型血糖分析器， 已形成规模化生产，年销售量约为十亿美元；
3、固定化酶传感分析仪：国外以美国的YSI公司和德 国BST公司为代表，都有系列分析仪产品，它们主要 用于环境监测和食品分析，国内到目前为主只有山 东省科学院生物研究所的系列化产品在市场得到应 用。
4、SPR生物传感器，在日、美、德、瑞典等国得到了 开发和初步应用。 极大多数同类其它研究还都处在探索性阶段
生化学反应，将反应后所产生的化学或物理变化再通过 信号转换器转变为电信号进行测量，这种方式统称为间 接测量方式。
德国研发的环境废水BOD分析仪
手掌型葡萄糖(glucose)分析仪
SBA-50型单电极生物传感分析仪-乳酸分析仪
SBA-60型生物传感在线分析系统，为发酵自动 控制提供了新的基础平台
发酵罐
主机 计算机
SBA-70型血糖乳酸自动分析仪
在我国发酵工厂普及应用的SBA-40型 谷氨酸-葡萄糖双功能分析仪
工厂发酵车间化验 员正在分析样品
二、生物传感器的基本组成和工作原理
1、基本组成
待测物
生物敏感 膜
转换器
生物传感器基本构成示意图
生物敏感膜（分子识别元件）---决定传感器的功能和质量 物理或化学转换器（换能器）
（1）生物敏感膜（分子识别元件）
由生物活性材料作为敏感基元构成。 酶、抗体、抗原、细胞、生物组织、DNA等
酶 (Enzyme) 抗体(Antibody)
DNA
具有高度的选择性和敏感性
几种主要的生物活性材料及反应 A、酶及酶促反应 B、抗原与抗体及免疫反应 C、微生物及微生物反应 D、受体及受体配体结合反应
生物敏感膜按所选材料不同分类：
生物敏感膜
酶膜 全细胞膜 组织膜 细胞器膜 免疫功能膜
生物活性材料
生物传感器的概述 生物传感器的基本组成和工作原理 生物传感器的分类及特点 生物敏感材料的固定化技术 几种主要的生物传感器
一、生物传感器的概述
1、生物传感器的定义
利用生物活性物质的选择性识别和测定各种生物化学 物质的传感器。
主要由两大部分组成： 一是功能识别物质（分子识别元件），由其对
被测物质进行特定识别； 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。
对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应。
2.生物传感器的发展史
最先问世的生物传感器是酶电极，1962年Clark将酶与 ISE结合，最先提出组成酶电极的设想。
上世纪70年代中期，人们注意到酶电极的寿命一般都比 较短，提纯的酶价格也较贵，而各种酶多数都来自微生 物或动植物组织，因此自然地就启发人们研究酶电极的 衍生型：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，使生物传感器的类别大 大增多。
本世纪：纳米技术和生物传感技术的结合
年代 上世纪
60
上世纪 70
特点 生物传感器初期
发展时期
研究内容
酶电极 微生物传感器，免疫传 感器，细胞类脂质传感 器，组织传感器，生物
亲和传感器
上世纪 进入生物电子学
80
传感器时期
酶FET 酶光二极管
本世纪：进入纳米生物传感器时期
从整体划分:
第一代生物传感器以将生物成分截留在膜上或结合在膜 上为基础，这类器件由透析器(膜)、反应器(膜)和电化 学转换器所组成，其实验设备相当简单。
第二代生物传感器是指将生物成分直接吸附或共价结合 在转换器的表面上，从而可略去非活性的基质膜。
（a）将化学变化转变成电信号（间接型）
酶传感器为例，酶催化特定底物发生反应,从而 使特定生成物的量有所增减，用能把这类物质的量的 改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合，即组成酶 传感器。
常用转换装置有：氧电极、过氧化氢电极。
（b）将热变化转换成电信号
固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有 热的变化。例如大多数酶反应的热焓变化量在25100kJ/mol的范围.这类生物传感器的工作原理是把反应 的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化，后者通过有放 大器的电桥输入到记录仪中。
生物医学传感生物传感器
2021/1/8
1
上次课回顾
（一）离子敏场效应晶体管(ISFET)
1、结构 2、工作原理
3、特性
（二）电化学气体传感器
1、检测原理、特性
2、气敏电极
（1）O2电极(Po2电极） （2）CO2电极(Pco2电极）
（三）半导体气体传感器
1、电阻型 2、MOSFET（非电阻型）
生物传感器（biosensors)
各类酶类 细菌，真菌，动植物细胞 动植物组织切片 线粒体，叶绿体 抗体，抗原，酶标抗原等
生物敏感膜按其分子识别原理可分为三种不同类 型： A、基于生物催化反应的生物敏感膜
B、基于生物吸附的生物敏感膜
C、基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（2）信号转换器：将各种生物的、化学的和物理的信
号转换为可输出的有用信号（电信号）。
第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子元件上， 例如FET的栅极上，它可直接感知和放大界面物质的变 化，从而将生物识别和电信号处理集合在一起。这种放 大器可采用差分方式以消除干扰。
目前国内外得到广泛应用的生物传感器主要包括：
1、测定水质的BOD分析仪、在市场上有以日本和德国 为代表产品供应。
热辐射 热传导
（c）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，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。
上述三原理的生物传感器共同点： 都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发
作用：当待测物与分子识别元件特异性结合后， 所产生的复合物通过信号转换器转变为可输出的电信 号、光信号等。
主要有：电化学电极、光学检测元件、场效应 晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振等。
转换器转化为电信号的方式：
❖ 将化学变化转变成电信号（间接型） ❖ 将热变化转换为电信号（间接型） ❖ 将光效应转变为电信号（间接型） ❖ 直按产生电信号方式（直接型）
2、采用丝网印刷和微电子技术的手掌型血糖分析器， 已形成规模化生产，年销售量约为十亿美元；
3、固定化酶传感分析仪：国外以美国的YSI公司和德 国BST公司为代表，都有系列分析仪产品，它们主要 用于环境监测和食品分析，国内到目前为主只有山 东省科学院生物研究所的系列化产品在市场得到应 用。
4、SPR生物传感器，在日、美、德、瑞典等国得到了 开发和初步应用。 极大多数同类其它研究还都处在探索性阶段
生化学反应，将反应后所产生的化学或物理变化再通过 信号转换器转变为电信号进行测量，这种方式统称为间 接测量方式。
德国研发的环境废水BOD分析仪
手掌型葡萄糖(glucose)分析仪
SBA-50型单电极生物传感分析仪-乳酸分析仪
SBA-60型生物传感在线分析系统，为发酵自动 控制提供了新的基础平台
发酵罐
主机 计算机
SBA-70型血糖乳酸自动分析仪
在我国发酵工厂普及应用的SBA-40型 谷氨酸-葡萄糖双功能分析仪
工厂发酵车间化验 员正在分析样品
二、生物传感器的基本组成和工作原理
1、基本组成
待测物
生物敏感 膜
转换器
生物传感器基本构成示意图
生物敏感膜（分子识别元件）---决定传感器的功能和质量 物理或化学转换器（换能器）
（1）生物敏感膜（分子识别元件）
由生物活性材料作为敏感基元构成。 酶、抗体、抗原、细胞、生物组织、DNA等
酶 (Enzyme) 抗体(Antibody)
DNA
具有高度的选择性和敏感性
几种主要的生物活性材料及反应 A、酶及酶促反应 B、抗原与抗体及免疫反应 C、微生物及微生物反应 D、受体及受体配体结合反应
生物敏感膜按所选材料不同分类：
生物敏感膜
酶膜 全细胞膜 组织膜 细胞器膜 免疫功能膜
生物活性材料
生物传感器的概述 生物传感器的基本组成和工作原理 生物传感器的分类及特点 生物敏感材料的固定化技术 几种主要的生物传感器
一、生物传感器的概述
1、生物传感器的定义
利用生物活性物质的选择性识别和测定各种生物化学 物质的传感器。
主要由两大部分组成： 一是功能识别物质（分子识别元件），由其对
被测物质进行特定识别； 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。
对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应。
2.生物传感器的发展史
最先问世的生物传感器是酶电极，1962年Clark将酶与 ISE结合，最先提出组成酶电极的设想。
上世纪70年代中期，人们注意到酶电极的寿命一般都比 较短，提纯的酶价格也较贵，而各种酶多数都来自微生 物或动植物组织，因此自然地就启发人们研究酶电极的 衍生型：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，使生物传感器的类别大 大增多。