生物传感器的原理及应用1

现代化学传感技术

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生物传感器

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生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术,是一种将生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置.由于其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂体系中进行在线连续监测的特点,已在生物、医学、环境监测、食品、医药、及军事医学等领域显示出广阔的应用前景,引起了世界各国的极大关注.综述了生物传感器的基本原理、分类、特点及在环境监测、食品分析、生物医学和军事上的应用,并对其发展前景进行了展望.

关键词:生物传感器；原理；应用；发展

目录

一. 引言 (3)

二. 生物传感器的基本原理 (3)

三. 生物传感器的分类 (4)

四. 生物传感器的应用 (4)

4.1生物传感器在医学领域的应用 (4)

4.1.1. 基于中医针灸针的传感针 (4)

4.1.2.生物芯片 (5)

4.1,3.生物传感器的临床应用 (5)

4.2生物传感器在非传统医学领域的应用 (6)

4.2.1．在空间生命科学发展中的应用 (6)

4.2.2．在环境监测中的应用 (6)

4.2.3．在食品工程中的应用 (6)

4.2.4．在军事领域的应用 (7)

五. 生物传感器的未来 (7)

六. 结束语 (8)

七. 参考文献 (8)

一．引言

传感器作为现代科技的前沿技术，被认为是现代信息技术的三大支柱之一，也是国内外公认的最具有发展前途的高技术产业。在国内有自动化方面的专家指出塑料工业网，传感器技术直接关系到我国自动化产业的发展形势，认为“传感器技术强，则自动化产业强”。由此可见传感器技术对自动化产业乃至整个国家工业建设的重要性。

生物传感器是生物技术群的一个领域，也是典型的多学科交叉生长点，涉及到生命科学、物理、化学、信息科学等众多学科和技术。由于生物传感器具有操作简便、快速、准确、易于联机及重复使用等特点，在生命科学研究、医学生物工程临床诊断与分析、生物工艺过程检测与监控、环境质量检测、食品科学、化学化工过程分析及分析化学研究等许多方面都有广泛的应用前景。

二.生物传感器的基本原理

生物传感器的传感原理如(图1)表示，其构。成包括两部分:生物敏感膜和换能器。被分析物扩散进入固定化生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的化学换能器或物理换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经检测放大器放大并输出，便可知道待测物浓度。

生

物

敏

感

膜

又

称

分

子识别元件，它们是

生物传感器的关键元

件(表1)，直接决定传

感器的功能与质量。

依生物敏感膜所选材

料不同，其组成可以是酶、核酸、免疫物质、全细胞、组织、细胞器或它们的不同组合，近年来还引人了高分子聚合物模拟酶，使分子识别元件概念进一步延伸。

换能器的作用是将各种生物的、化学的和物理的信息转换成电信号。生物学反应过程产生的信息是多元化的，微电子学和传感器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换能器的选择有足够的回旋余地。

三．生物传感器的分类

生物传感器，具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低等特点，目前在国民经济的各个部门如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。生物传感器主要有下面三种分类命名方式：

1、根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器，微生物传感器，细胞传感器，组织传感器和免疫传感器。显而易见，所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。

2、根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有：生物电极传感器，半导体生物传感器，光生物传感器，热生物传感器，压电晶体生物传感器等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。

3、以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲和型生物传感器、代谢型或催化型生物传感器。

四.生物传感器的应用

4.1．生物传感器在医学领域的应用

4.1.1.基于中医针灸针的传感针

基于中医针炙针的传感针是以中医针灸针为基体，应用多种现代技术加工制作后，赋予其传感人体微区中的温度、pH值、氧分压、多巴胺，Ca2+,K+,Na+等信息的新功能而得的一种特殊传感针。它具有传感与治疗两种功能，既能实时传感出人体微区中各种生理、生化参数，并进行人体微区的动态监测，又能按中医针刺的实施治病理疗法。与其它生物传感器相比，它具有能直接进入被测对象体内，不需取样，操作简单，测量快速，结果可靠，实时显示测量结果等优点。

传感针的基本设计:它是以普通针灸针(或根据应用学科的具体外形要求用外直径为0.3~ 0.4mm的空心不锈钢竹)作为基体加工而成的。一般制备过程为:对针灸表面进行清洁处理或用处理液浸泡；针尖上镀相应的合金和相应参数的敏感膜，然后再覆盖上有机高分子功能保护的材料;针体镀绝缘膜，使之有耐、提、插、捻、转的机械作用，这一点是由它的传感和治疗双重功能决定的;用戊二醛消毒液消毒;根据不同的参数特性配上相应的测量仪，进行直接读数;在实验室经过反复浸泡、冲洗实验并进行动物实验，使它们的主要性能指标(如线性范围、响应时间、分辨率、零点漂移、寿命等)达到要求标准。

目前己制成的有温度传感针、氧分压传感针、pH传感针、Ca2+传感针和多巴胺传感针等。若还能进一步微型化，还可用于细胞内环境的监测。此外，还可研制离了生物传感针，如K+传感针、N a+传感针、中枢神经递质传感针、酶传感针、抗体传感针、受体传感针、激素传感针、DNA传感针、RNA传感针，并进而研制多参数、微型化与智能化的传感针。

4.1.2.生物芯片

是具有某些特种功能的分子器件。如细胞色素C的传导性，其氧化态与还原态之间的传感性相差一千倍。除了上述传感器，国外正在开发半导体生物传感器，它包括一个参考电极和一个PH值量子场效应品体管感应膜，膜上固定有酶和微生物，当固定酶和微生物分别与待测物反应时，PH值发生变化，那么输出的电流或电压就可测定，这就完成了对参加反应的化学物质的定量分析。如果把这些信号同计算机输人端联接，按一定的软件程序，那么，可开发生物模拟计算机。4.1.3.生物传感器的临床应用

1、在预防医学中，应用生物传感器可将内外环境的监测统一起来。例如，乙酸胆碱传感器既可用于外环境中有机磷农药的监测，又可用于评价这种农药进入人体后可能对神经传递过程产生的影响。

2、由于现代医学研究已进人细胞和生物分子水平，微型生物传感器的问世为了解细胞内的代谢过程和生物大分子的运动变化提供了信息。目前的微型传感器已能插入细胞内进行监测。日本研究的一种蚊子型生物传感器，其探头只有0.5微米粗，可直接刺入人体病变细胞，边检查边由计算机显示出病变信号。

3、血液探针:日本和北美的几家公司研制出一种外形象电子笔一样的生物传感器。在这种传感器的“笔尖”上滴一滴血，3分钟后便可由液晶数字显示器读出血糖浓度。它的问世使糖尿病患者呆在家中即可自己测血糖变化。

4、神经传导性传感器:目前，科学家们正在研制能植入人体的生物传感器，并已取得了突破性进展。如植入机体内的生物传感器能帮助恢复神经系统损伤所留下的后遗症。建立起人工传感器和大脑之间的联系。放于静脉或动脉中的葡萄糖传感器能持续不断地监测血糖浓度，并将指令送人一个植人的胰岛素泵，帮助病人直接控制胰岛