传感器原理与应用论文

传感器原理与应用 课程结业论文 院系：理学院 班级：T1003-2 姓名：陆 磊 学号：20100030204 专业：光信息科学与技术（光电子技术） 2013 年 11 月 生物传感器的应用与发展 摘要：随着信息技术与生物工程技术的发展，生物传感器得到了极为迅速的发 展当今各发达国家都把生物传感器列为二十一世纪的关键技术，给予高 度的重视。生物传感器不仅广泛应用于传统医学领域，推动医学发展， 而且还在空间生命科学、食品工业、环境监测和发酵工程等领域广泛应 用 1。 关键词：生物传感器；应用；发展 1、生物传感器简介 1.1 生物传感器的原理 生物传感器是以固定化生物活性物质(酶、蛋白质、微生物、DNA 及生物膜 等)作敏感元件与适当的物理或化学换能器有机结合而组成的一种先进分析检测 装置 2。酶等生物体材料和物理化学器件相结合，构成生物传感器。但酶易溶 于水，故不适用于传感器 3。 生物传感器的传感原理框图如下所示，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原件，他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，近年来还引入了 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、化学的和物理的信号转换成电信号。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 4 。 待分析物 生 物 敏 感 膜 化学量或物理量变化 换 能 器 可定量加工的电信号 1.2 生物传感器的分类 5 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 （enzymesensor），微生物传感器（microbialsensor ），细胞传感器 （organallsensor），组织传感器（tis-suesensor ）和免疫传感器 （immunolsensor）。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 （bioelectrode）传感器，半导体生物传感器（semiconductbiosensor）， 光生物传感器（opticalbiosensor），热生物传感器 （calorimetricbiosensor），压电晶体生物传感器 （piezoelectricbiosensor）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（affinitybiosensor）、代谢型或催化型生物传感器。 三种分类方法之间实际互相交叉使用。 2、生物传感器的应用 8 近年来，随着信息技术与生物工程技术的发展，生物传感器得到了极为迅 速的发展，当今各发达国家都把生物传感器列为 21 世纪的关键技术，给予高度 的重视。生物传感器的强大生命力不仅在于它具有特异的生物分子识别功能 6， 这是任何其它敏感材料如金属、半导体等难以达到的，而且还在于它与现代的 物理化学方法相结合，产生一种灵敏、专一、微量、快速和准确的“无试剂” 的检测分析方法 7。 2.1 空间生命科学发展中的应用 空间飞行对生命系统产生重大影响的问题很多。如调查在微重力环境和空 间飞行中对大鼠生命的影响，必须在一段长时间内允许它们相对自由行动中进 行。这些研究用现在的仪器检测技术和数据收集系统是无法做到的，而可植入 的生物传感器和微型生物遥测术的结合在这方面有着巨大的发展潜力。可以预 计可植入生物体内传感器和生物遥测技术的结合将使得灵活方便地远距离测量 连续在线的资料获得成为可能。关于它的研究将推动现代医学和空间生命科学 的迅速发展。 2.2 食品工业中的应用 生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及 食品鲜度等的测定分析。食品成分分析：在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量 水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已开发的酶电极型生物传感器可用来 分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中葡萄糖的含量。食品添加剂的分析：亚硫酸 盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成 的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。此外，也用生物传 感器测定色素和乳化剂。它是基于细胞质基因组的反应，通过光学系统传输信 号，已达到的检测极限为 16.2 ng/mL 。一天可以检测 20 个牛奶样品。2002 年，Morales 等研究的一种聚四氟乙烯- 酪氨酸酶生物传感器可以测量食物中 的安息香酸，原理是基于安息香酸对酶的抑制作用。该生物传感器的电极可以 长时间稳定运行，并且它的专一性好，在同时含有众多其他物质的食物中可以 准确地检测安息香酸的浓度而不受影响。用该生物传感器对两类不同的样品进 行了测量：高度不沾水的蛋黄酱和可乐类饮料，不需要任何样品的处理过程， 其结果令人满意。 2.3 环境监测领域的应用 大气环境监测中，SO2 是酸雨酸雾形成的主要原因，传统的检测方法很复 杂。Marty 等人将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上，和氧电极制成安培型生 物传感器，可对酸雨和酸雾样品溶液进行检测。生化需氧量的测定是监测水体 被有机物污染状况的最常用指标，常规的 BOD 测定需要 5 天的培养期，操作复 杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大，不宜现场监测。一种紧凑的光学生物传 感器也已经研制成功，能同时测量多种样品的 BOD 值，生物传感器在环境监测 领域的应用主要有工业污染物、残留农药和环境微生物的检测。生化耗氧量 (biochemicaloxygendemand，BOD)是广泛应用的水中有机污染物测试标准。除 了生化耗氧量的测定以外，生物传感器还可以用于测定多种污染物的浓度。一 种安培生物传感器用于测量酚类化合物已经运用于纸浆厂的污水测定。它是基 于漆酶的抑制作用。该生物传感器显示出相当好的稳定性，可以连续工作 3 个 月。传感器上的一种透析膜可以保护它不受污泥等影响，并且提供适合的工作 环境。这使得它可以用于测量一些复杂的样品，而不需要样品的处理过程。 2.4 发酵工程领域的应用 在各种生物传感器中，微生物传感器最适合发酵工业诸多化学、生物参数 的测定。因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且，发酵液往往不是清澈 透明的，不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰， 并且，不受发酵液混浊程度的限制。同时，由于发酵工业是大规模的生产，微 生物传感器成本低、设备简单的特点使其在应用中具有更大的优势。微生物传 感器可用于原材料(如糖蜜、乙酸等)的测量和代谢产物(如头孢霉素、谷氨酸、 甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等)的测量。测量的装置基本上都是由适合的 微生物电极与氧电极组成，原理是利用微生物的同化作用耗氧，通过测量氧电 极电流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。 2.5 在医学领域中的应用 生物传感器在医学领域发挥着重大的作用。生物传感技术不仅为基础医学 研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型检测方法，而且，因其专一、灵敏、 响应快等特点，在军事医学方面，也具有广阔的应用前景。在临床医学中，酶 电极是最早研制且应用最多的一种传感器。利用具有不同生物特性的微生物代 替酶，可制成微生物传感器。免疫传感器等生物传感器可用来检测体液中的各 种化学成分，为医生的诊断提供依据。在军事医学中，对生物毒素地及时、快 速检测是防御生化武器的有效措施，生物传感器除用于监测多种细菌、病毒及 其毒素，还可以用来测量乙酸、乳酸、乳糖尿酸、抗生素、谷氨酸等各种氨基 酸，以及各种致癌物质。生物传感器技术的不断进步，必然要求不断降低产品 成本， 提高灵敏度、稳定性和延长使用寿命。这些特性的改善也会加速生物传感器市 场化、商品化的进程。 3、生物传感器的发展 9 3.1、生物传感器的发展过程 生物传感器由生物识别元件和信息转换器件组成。利用生物活性物质的分 子识别功能，将其引起的化学或物理变化，借助转换器变换成电信号。从广义 上说仿生传感器是属于生物传感器的重要组成部分，因为在生物中有视觉、嗅 觉、味觉、听觉和触觉等等。所以生物传感器研究中的一个重要内容就是研究 能代替这些感觉器官的生物传感器，称它为仿生传感器，也称它为以生物系统 为模型的生物传感器。五种感觉中有响应物理量光、力的视觉、听觉和触觉， 也有响应化学物质的嗅觉和味觉，它们的响应机理是不同的，特别是嗅觉和味 觉，其响应机理至今尚有很多问题仍不明确，但这些感觉都是分子识别、分子 信息转移、传输和处理的过程。通常认为分子识别时会导致神经脉冲的发生， 引起界面膜电位的变化。多年来利用一些生物材料、非生物材料或两者混合材 料，来模仿生物系统，实现感官功能，研制一系列的仿生传感器。这里列举一 些例子。嗅觉传感器不同于通常的气敏传感器。气敏传感器只检测某种特定的 气体，而嗅觉传感器具有对复杂的混合气体和气味的识别和检测能力，具有广 泛的交叉灵敏性。虽然目前对嗅觉的机理尚不甚清楚，但已知生物嗅觉组织的 主要成分是磷脂酞胆碱、磷脂乙醇胺等磷脂材料，我们试验了磷脂材料，采用 分子膜和分子自组装技术，制备仿生嗅敏膜，并同信息转换元件相结合，观察 到对醇类气味的敏感性，最小检测到的乙醇气浓度，响应速度达秒。目前国际 上正在研制的嗅觉传感器是模拟哺乳动物鼻子识别气味的过程，称为“人工鼻” 或“电子鼻” 。它包括取样系统、阵列式嗅觉传感器、信息处理系统和气味识别 系统。而关键是阵列式嗅觉传感器。味觉传感器味觉是同时捕捉多种物质的复 合感觉，同嗅觉一样，味觉的机理也不甚清楚。国外学者采用胆固醇油酸脂与 人工合成的氯化乙烯脂质混合成膜，其膜电位在不同的味道中是不同的。由此 可测定酸、甜、苦、辣以及啤酒、咖啡等味道。这是用人工合成仿生脂质膜来 模拟味觉，研制“ 人工舌” 的一个例子。一个完善的“ 人工舌” 必须研制 阵列式不同种类的人造合成脂质膜电极，感受不同味道，对味觉信息进行编码、 综合图像处理和味觉识别研究。视觉传感器近年来对仿生视觉传感器的研究已 有很大进展。细菌视紫红质上一种由生物体中提取出来的光敏染料，具有动物 视觉染料视紫红质相似的功能，即具有光色互变和质子泵作用，响应速度快光 牢度好，可反复使用。已有人用它做成膜的光敏元件，构成成像体系，模拟视 功能，是一种视觉传感器。近年来在研究中提出对视觉神经系统进行人工仿真。 人从外界获取信息来自眼睛。视网膜是一种多层的神经元互连处理网络，尽管 其速度和精度低于现代计算机，但功能要比计算机强很多，研究这种光电子视 网膜，就是一个绝好的视觉传感器。也许未来的视觉传感器是带有光电子多膜 的生物芯片。听觉、触觉传感器仿生听觉和触觉传感器都是一种力敏传感器。 听觉已有相当的发展，但是触觉传感器的发展却很落后，特别是大面积、高分 辨率的触觉传感器尚在研制。目前我们正在研制的一种真空微电子阵列场发射 压力传感器有可能发展成为一种触觉传感器。仿生传感器当然远远不止模拟上 述五种感觉器的功能，现代生物传感技术是模拟五官功能更要超越五官能力。 研制出一系列的仿生传感器。感器已有光纤型和半导体型一直在研究改进，是 医疗保健、生命科学研究中急需的传感器。当然生理传感器是多种多样的。它 们汇聚成生物传感器发展的一个重要组成部分。这里不一一赘述了。生理量传 感器并不都属于生物传感器，但它们都是以生物系统为测量对象，往往同生物 系统紧密联系在一起。如血气、血压、血流量、脉搏、体温、呼吸压力传感器 等一直受到关注。 2.2 生物传感器的发展前景 随着生物传感器在食品、医药、环境和过程监控等方面应用范围的扩大， 要求传感器既不干扰测定对象而又不被测定对象中的其他相关组分影响，要满 足这一要求，同时又能得出高精度的测量结果，不能只依靠对敏感元件的改进， 而需要建立一套一体化、微型化的优化系统( 包括进样、处理和测量) 才能得 到满意的结果。生物传感生物传感器的实用化、多样化和微型化当前生物传感 器的发展的主要目标是实用化、多样化和微型化。生物传感器的实用化和商品 化，一直是长期奋斗的目标，第一代酶的实用化有很大局限性，而第二代酶电 极介体电极的商品化已成现实，第一代酶及其它新型生物传感器也将逐步实 用，进入市场。生物传感器的多样化，不仅类型多样化，而且功能也多样化， 多种新的生物活性材料、生物敏感材料和新的换能器件不断出现带来生物传感 器类型的多样化，而不同功能的集成，将带来功能的多样化。生物传感器的微 型化并同生物微系统组合是随着科学技术的发展的必然趋势。这是在临床诊断、 发酵控制、食品加工、环境保护以及生命科学研究等领域中迫切需要解决的问 题。深入研究还使人们认识到生物系统中代替电子和光子的是分子作为信息