生物传感器复习知识点

化学与生物传感器复习知识点笔记

★光化学换能器的换能原理是基于传统的光化学定律（光吸收，光反射，荧光，荧光猝灭）CCD:电荷耦合器件图像传感器。CME:化学修饰电极。CNTs:碳纳米管。ECL:电化学发光。FET:场效应晶体管。PMT:光电倍增管。ISE:离子选择性电极。SA膜:自组装膜。

★电化学DNA传感器的响应原理图：课本P122

①SSDNA的固定，制成ssDNA探针；②分子杂交反应的完成，在最佳条件下形成dsDNA杂交分子，③选择合适的电化学指示剂完成dsDNA的表达，④杂交信号的电化学测量方法的优化，根据所选择的电化学指示剂的不同产生相应的电化学信号，可将电流，电势或电导作为测量的信号。

★单光纤化学发光免疫传感器的构造和传感原理示意图:

抗体被固化在光纤的顶端，然后让定量的过氧化氢酶标记的抗原与抗体结合；当探头接触样品后，样品中的抗原会部分置换标记的抗原而与抗体结合；最后探头放入含有鲁米诺的溶液中，过氧化氢酶催化过氧化氢氧化鲁米诺发生发光反应，光信号强度与样品中抗原浓度成反比。

★鲁米诺-过氧化氢电化学发光原理图

在碱性介质中的鲁米诺阴离子在电极上氧化后生成重氮盐，继而被过氧化氢氧化成3-氨基邻苯二甲酸激发态离子，不稳定的激发态离子发射出425nm的光。

★全固态酒精气体传感器的结构及测试示意图。

在电池的阳极一边，由于催化剂铂的作用，乙醇被氧化成乙酸，并释放出4个电子:C2H5OH+H2O→CH3COOH+4H+ +4e- 在阴极一边，从阳极迁移来的氢离子与空气中的氧发生反应:O2+4H+ +4e-→2H2O. 总反应为C2H5OH+O2→CH3COOH+H2O. 这样，电子通过外部的导线从阳极到达阴极，氢离子则通过质子交换膜Nafion迁移至阴极，从而在阳极和阴极之间产生电流，且电流大小与乙醇含量成正比。

★射线光学的基本关系式是有关其反射和折射的菲涅耳定律。

由菲涅耳定律可知，入射角1＝反射角3，则sin入射角1／sin折射角2＝折射率n2／n1 。只有当光线从折射率大的介质进入折射率小的介质，即n1＞n2时，才能在界面上产生全反射，所以光在光纤中的传播是由于光在纤芯与包层界面的全反射而进行的。

★电流型酶传感器的原理：由生物酶模与各种电极如离子选择电极，气敏电极，氧化还原电极等电化学组合而成，或将酶膜直接固定在基体电极上制成的生物传感器。酶具有分子识别和催化底物发生特异性反应的功能，选择性高，能有效的放大信号，同时电化学测定具有响应速度快，操作简单的优点。

★第一代电化学酶传感器：用工作电极检测酶催化反应过程中氧气的消耗和过氧化氢的产生，反应方程式为：β-D-葡萄糖＋Ο?→ D-葡萄糖酸内酯＋H?O? (条件为GOD),

H?O?→O?＋2H＋2e,测定的是氧在铂电极上的还原电流，但空气中氧的干扰和酶的渗漏会产生误差。

★第二代电化学酶传感器：利用一种媒介(辅酶，二茂铁和它的衍生物，苯醌，铁氰化物，导电有机盐)来代替O?／H?O?来进行电子传递。反应方程为：

D-葡萄糖＋GOD-FAD?葡萄糖酸＋GOD-FADH?

GOD(FADH2)+2Fe+→GOD(FAD)+2Fe+2H+

2Fe→2Fe+2e-

★.第三代电化学酶传感器：酶上直接发生电子转移反应，是一种无中间体的酶传感器。（GOD：葡萄糖氧化酶氧化态，GOX：葡萄糖氧化酶还原态）

第一~二章

1.传感器：指一些能把光，声，力，温度，磁感应强度，化学作用和生物效应等非电学量

转化为电学量或转化为具有调控功能的元器件。由敏感元件和转换元件构成。

2.传感器一般有感受器和换能器构成，信号放大器，数据处理和显示输出常有附属或外部

设备承担，一般不算做传感器的必须组成部分。

3.化学传感器的感受器是具有化学敏感膜的分子识别结构，而换能器是可以进行能量转换

的物理传感装置。

4.化学传感器和生物传感器的最大区别是在于它们的感受器不同。

5.响应时间：从感受器或探头接触试样算起，输出信号达到平均值的95%所需要的时间。

6.半导体气体传感器更容易发展成气体阵列传感器。

7.生物芯片的基片可选择尼龙膜，凝胶膜，硅片。

8.制备电流型化学传感器的膜有透气膜，单分子膜，SA膜，(晶体膜不适合)

9.可作为免疫传感器的标记物的物质是HRP.

10.可作为DNA传感器的分子探针的物质是ssDNA.

11.声波气体传感器采用差分电路输出信号是为了提高抗干扰性。

12.第三代生物传感器优于第二代的理由是选择性好。

13.传感器的作用与功能：测量与数据采集，检测与控制作用，诊断与检测作用，观测与探

测作用，建设现代生活

14.传感器的分类：物理传感器，化学传感器，生物传感器

15.化学传感器：能够将各种化学物质在自然环境中的存在形式定性和定量的转换成有用信

号而输出的装置，一般由感受器和换能器组成，感受器是具有化学敏感层的分子识别结构，换能器是可以进行信号转换的的物理传感器装置。

16.生物传感器：是一种特殊的化学传感器，用于描述一类用以监控生命体系或与之相关联

的生物基元的器件，以生物活性单元作为敏感基元，能对被测物进行高选择性的识别，通过各种理化换能器捕捉目标物与敏感基元的作用，然后将作用的程度用离散的或连续的信号表达出来从而得出被测物的种类和含量。

17.电化学传感器：是一个电化学池装置，由电解池和电极构成。

18.分子识别指分子间特异性结合的相互作用。是在特定的条件下通过分子间作用力的协同

作用达到相互结合的过程。

19.分子探针：能够与其他分子、蛋白或细胞结合并并用于这些分子、蛋白或细胞结构的定

位、性质等分析的分子，即专用于识别某些物质的分子称为分子探针。

20.化学与生物传感器的主要性能参数有响应时间、灵敏度、精密度、检测限、测量范围

与使用寿命。

21.电解池组成：恒温，除氧，搅拌，电极，溶剂，支持电解质

22.电池与电解池的区别在于氧化还原的机理和交换能量的不同。

23.在电解池中，阴极相对于阳极较负，在电池中，阴极相对于阳极较正。

24.三电极：工作电极，参比电极，对电极，（辅助电极，一次性电极）

25.工作电极：在电化学池中，能反映物质活度（浓度），发生电化学反应或将响应激发信

号的电极，常用于电流型换能器；

指示电极：一般对于平衡体系或在测量期间主体浓度不发生可察觉的变化的体系，相应的工作电极，称指示电极，常用于电势型换能器；

参比电极：用来提供电势标准的电极，在测量过程，其电位基本不发生变化的电极；

辅助电极：提供电子传导的场所，与工作电极组成电池，形成于电子通路的电极；

pH电极即离子选择性电极，属于电势型换能器。

26.电位型换能器：检测工作电极与参比电极之间的电位差，采用二电极的方式，其工作电

极也称指示电极。因为电位型换能器的测量实在零电流的条件下进行的，不消耗待测物质，是“非破坏性”的检测技术。

27.膜电极的特点：仅对溶液中特定离子有选择性响应，膜内外被测离子活度不同而产生电

位差

28.电流型换能器：在把生化变化转化为电信号时，通常在工作电极与参比电极之间，根据

生化反应机理加一恒定的工作电压，此时进入感受器的待测物质，就会通过氧化或还原在工作电极表面产生扩散电流，在一定的极化电压下，扩散电流的大小取决于被测物质的浓度。

29.金属依靠自由电子导电，半导体依靠电子和空穴导电（因为单位体积内，自由电子的数

目＞半导体中的电子和空穴的数目，故金属的导电性比半导体的大）

30.半导体分类：元素半导体和化合物半导体

31.本征半导体：没有掺杂且无晶格缺陷的纯净半导体。温度升高时，电导率按指数上升。

32.N型半导体：电子导电P型半导体：空穴导电

33.光学换能器：光度型换能器，波导型换能器，CCD型换能器

https://www.360docs.net/doc/ef605959.html,D型换能器：可把光线转换为电荷，经模数转换芯片转换为数字信号。

CCD 能将光信号转变成电信号。CCD应用：分子识别，基因芯片

35.压电效应：当外在物理力挤压或拉伸某个晶体时，它会因形变产生不同的电荷的效应。

36.逆压电效应:在石英晶振极板上施加交变电压，会使晶片产生机械变形振动，此现象为逆

压电效应。

压电晶体：能产生压电效应的晶体。

37.热学换能器：热敏电阻和热电偶式换能器。

27光电效应：外光电效应，内光电效应（光电导效应和光生伏特效应）。

三种光电效应造就了光电管和光电倍增管（PMT）

传感原理：光的传导和光电效应。

28.光电倍增管是一种具有极高灵敏度和超快响应时间的光电器件，是根据光电子发射，二次电子发射和电子光学的原理制成的，广泛用于紫外，可见和近红外。

28感受器的主要功能是分子识别。

在石英振子上涂膜能使石英振子的振动频率降低。

29.生物传感器不如动植物传感器的是重现性，精密度和灵敏度。

第三章（重点复习）

1.换能器和感受器的关系：换能器即感受器；换能器是感受器的基础；换能器是感受器的支撑材料；换能器表面覆膜是制备感受器的通用方法。

2.在生物传感器中，感受器的职责主要由生物敏感膜来承担，敏感元件通过敏感膜对目标分子物质的分子识别作用，产生相应的物理效应或化学效应，实现传感器的第一步“摘取信号”，然后再传给换能器。

3.敏感膜的组成：膜基体，膜材料和生物敏感材料。

敏感元件是由基体材料、成膜材料敏感功能材料组成。

组成方式有四种:①基体材料／成膜材料／敏感功能材料②基体材料／成膜材料+敏感功能材料③基体材料／成膜材料（敏感功能材料）④成膜材料+敏感功能材料。

5.成膜材料分类：有机聚合物类，无机物类，天然生物材料类，人工合成的生物材料类。7.固定化技术：混合成膜法，锚定法，夹心法。

8成膜工艺：压制法，滴注法，LB法，溶胶-凝胶法，印刷法。

9.物理化学吸附：依靠静电引力和电极表面与修饰物质的π电子相互作用而实现，是物理和化学吸附共同作用的结果。

10．LB膜法：把液面上有序列排列的某些有机化合物逐层的转移到固定基片上，在分子水平上制造出按设计次序排列的分子组合体，成为单分子层或几个多分子层的修饰薄膜。有X,Y,Z三种方式。

11.SA膜法：基于分子的自组装作用，在固体表面上自然的形成高度有序的单分子层。膜类型：单分子层，混合单层，双分支层，多层膜。

13.共价键合法：将生物组分通过共价键与膜表面结合而固定的方法。要求：低温，低离子强度和生理pH。三步：基地电极表面的活化，生物分子的偶联和剩余价键的封闭及除去键合疏松的部分。

14活化载体的方法：戊二醛偶联法，叠氮法，重氮法。

15.聚合物共价键固定法：卤化氰法，缩合法，烷基化法。

18.碳糊电极（CMCPC）：化学修饰剂，石墨粉和粘合剂。

19.修饰剂：分为电活性修饰剂和非电活性修饰剂。

20电聚合法：用电化学方法在电极上进行的聚合反应。分为：阴极聚合和阳极聚合。

21电化学聚合（电聚合）装置：工作电极，对电极及参考电极的三电极系统或只有工作电极和对电极系统。常用的电聚合方法：电流沉积法，电位沉积法和循环伏安法。

22.光化学传感器的感受器（探头）是指安装在光器件附近，端部或融入部分光器件的试剂相装置，通常由称作分子探针的化学敏感试剂，固定相支持剂和其他辅助材料等组成。分子探针的光学性质的变化通过光路传输至检测系统。

第四章

1.离子选择性电极：是电位型化学传感器，在构成的电池的体系中，通过测定电池的电动势，测定与电池反应相关的化学成分，基本上是膜电极，选择性来源于敏感膜对离子的选择性响应。

2.离子选择性电极的原理：能斯特方程

3半导体气体传感器：利用各种半导体材料的物理或化学的性质制成的气体传感器，以还原性可燃气体为检测对象，少数为吸附强的非可燃性气体。如煤报警器用的是N型半导体，氧气的用P型半导体。需要通电一段时间才能正常工作。

4爆炸三要素：一定浓度的可燃气体，一定量的氧气和足够的热量点燃它们的火源。

5电流型气体传感器：主要是电池型气体传感器，使用电流型传感器。由气体进出口，隔膜，电解池，对极，参比电极构成。

6.电流型酶传感器：将酶催化反应产生的物质发生电极反应所产生的电流响应作为测量信号，在一定条件下，利用测得的电流信号与被测的物的活度（浓度）的函数关系，来测定样品中某一生物组分的活度或浓度。

7.免疫识别：利用抗原与抗体的反应，即免疫反应来进行分子识别的方法。

8.免疫传感器：感受器，换能器，电子放大器。优劣取决于：抗体与待测物质的结合的选择性和亲和力。

9三种标记法：夹心法，竞争法，置换取代法。

11.半导体的电阻主要取决于势垒的高度和接触部的形状，即主要受表面状态和晶粒大小的影响。

12.金属氧化物半导体气敏器件的结构类型主要有烧结型，薄膜型，厚膜型，其中烧结型就是半导体陶瓷型。

13.测量电池的写法：（-）参比电极‖试液丨敏感膜丨内参比溶液丨内参比电极（＋）

14.pH传感器是电势型电极

15电化学生物传感器是将电化学传感器和生物分子特异性识别的一种生物传感器的装置。基本原理是将生物特异性试剂固定在传感元件如电极的界面，在发生相应的生化反应之后会产生一个与被测物质浓度有关的信号，进一步利用电化学方法对该信号进行测量。16.电极上反应过程的可逆性取决于：电子转移速率和平均传质速率。

18.根据输出信号的不同，酶电极分为电流型和电势型两种。

19.酶电极的制备过程的关键在于酶的固定化，固定化的目的在于保持酶的的稳定性的同时尽可能的使酶膜与敏感元件的紧密接触。

23.DNA在固体电极上的固定方法主要有:吸附法，自组装膜法，共价键合法，生物素-亲和素法等。

24.免疫分子的检测模式：①标记法：夹心法，竞争法，置换取代法（要求画图）

②非标记法：适用于电位型

25.免疫组分的固定化满足条件：①固定后的免疫分子保持良好的生物活性；②生物秒和转换器的精密接触，适应多种测试环境；③固定化层保持良好的稳定性和耐用性；④减少生物膜的生物组分的相互作用，以保持良好的选择性。

27.光纤DNA：光纤式，光波导式，表面等离子共振式。

28.杂交指示剂的类型：金属配合物类；染料类和药物小分子类。

第五章

1.光化学传感器：利用感受器的敏感膜与被测物质相互作用前后的物理，化学性质的改变而引起的光谱传播特性的变化检测物质的一类传感器。具有安全性好，可远距离检测，分辨力高，工作温度低，耗用功率低，可连续实时监控，易转换成电信号的优点。

2光化学传感器的传感机理：光的传导和光电效应。三种光电效应（外光电效应，内光电效应和光生伏特效应）造就了光电管和光电倍增管，光敏电阻和光敏晶体管，光电池和CCD 等光电元件。

3.光学式气体传感器的传感原理是基于气体对光谱的吸收，光的传导和光电效应，以红外吸收型为主。

3.光纤化学传感器：一般由光源（可没有），光纤，探头，检测器，数据处理装置组成，心脏部分（探头）是指安装在光纤端或一段光纤芯部的试剂相装置，通常由称作分子探针的化学敏感试剂，固定相支持剂和其他辅助材料制成。分子探针的光学性质变化通过光纤传输至检测系统。

4分子探针的两种安装方式：①直接安装在光纤上，参与化学作用的敏感层与光纤合为一体；

②感受器与换能器分离，光纤只祈祷采集和传输光信号的作用。

5.按光纤传感方式分为：单独型和分散型

6.化学发光过氧化氢光纤传感器用光纤和安装在光纤钱的敏感膜组成的传感器，采用聚丙烯酰胺包埋敏感物质形成凝胶的方法制备敏感膜。

第六章

1电化学发光也称电致化学发光(ECL)：利用电解技术在电极表面产生的某些电活性的物质，通过氧化还原反应而导致化学发光，它是电化学技术和化学发光方法相结合的产物，既保留化学发光所具有的灵敏度高，线性范围大和仪器简单的特点，又有化学发光无法比拟的优点，如重现性好，连续可测，易于控制和可用于原位检测。

2．电化学发光与化学发光：实质是某些化学物质经过电极反应，完成较高能量的电子转移而生成的不稳定的激发态离子再回到基态时的以光辐射的方式释放能量的过程。与化学放光的根本区别是在于激发态离子的生成方式，在化学发光中，激发态粒子是由化学反应生成的，在ECL中，激发态离子石油激发电位的作用结果。

3.ECL：按电解方式分类：①使用交流电脉冲电压，用于反应机理的研究；②使用直流电压，

用于实际应用。

4鱼鲜度传感器：压电晶体化学传感器，膜材料是壳聚糖，敏感物质是庚二酸。

5.生物芯片起源与核酸分子杂交，指高密度固定在固相支持介质上的生物信息分子的微阵列，阵列的每个分子的序列及位置都是已知的，并且是预先设定好的序列点阵，放上生物样品由一种仪器收集信号，用计算机分析处理数据结果。

3.根据印迹分子与功能单体之间形成配合物的作用力的类型不同可将分子印迹聚合物的制备过程分为共价键作用和非共价键作用两种，Mosbach等将它们相应的分为分子预组装方式和分子自组装方式，二者区别在于单体与印迹分子结合的机理不同。

4.化学与生物传感器的应用:①多参数水质监测传感器系统②便携式血糖测试仪③基因芯片。

6.微型化，集成化和智能化是化学生物传感器的发展方向。

7基因芯片的基体可选择硅片，玻璃片，尼龙膜，硝酸纤维素膜

8电子鼻主要由气敏传感器阵列、信号预处理和模式识别三部分组成。某种气味呈现在一种活性材料的传感器面前，传感器将化学输入转换成电信号，由多个传感器对一种气味的响应便构成了传感器阵列对该气味的响应谱。利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子系统，它可以在几小时、几天甚至数月的时间内连续地、实时地监测特定位置的气味状况。

1．压电效应：某些电介质在沿一定的方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。

2传感器通常由敏感元件、传感元件、测量转换电路三部分组成。

3光电效应根据产生结果的不同，通常可分为外光电效应、内光电效应、光生伏特效应三种类型。

4．热敏电阻正是利用半导体的载流子数目随着温度变化而变化的特性制成的敏感元件。

5热电偶可以测量温度。光敏电阻适于作为光电导开关元件。

7固体半导体摄像元件CCD是一种MOS型晶体管开关集成电路

8、当某晶体沿一定方向受外力作用而变形时，其相应的两个相对表面产生极性相反的电荷，去掉外力时电荷消失，这种现象称压电效应。(压阻效应是引起电阻率变化,压电效应是引起电荷变化,应变效应是引起电阻变化,压磁效应是引起磁导率变化,霍尔效应的对象是半导体，产生霍尔效应的变化)

9灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数。其定义为：传感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比，用公式表示 k（x）=Δy/Δx 。线性度是指传感器的输出量与输入量之间是否保持理想线性特性的一种度量。

10在光照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，入射光强改变物质导电率的物理现象称为内光电效应。