浙江大学生物传感器与测试技术整理(徐梦浙等)

1、王剑平老师部分第一章 绪论测量：是指确定被测对象属性量值为目的的全部操作。测试：是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量和试验的综合。广义上测试是人的认知行为，用科学的方法发现、度量一个客观存在的过程。测试可能是确定量值，也可以是判定被测参数的“有”或“无”，也可以是一种预报、故障分析。测试技术：是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。测量原理：如何感知被测量。传感器技术：能不受人为因素的干扰感受被测量及其变化测量方法：测量原理确定后，根据对测量任务的具体要求和现场实际情况，如直接测量法或间接测量法、电测法或非电测法等。测量系统的设计：包括信息转换、存储记录、显

2、示和数据处理装置等。数据处理：根据测试系统获得的信息，对被测量进行定性或定量的结论。测试系统的组成：测试技术的发展趋势：智能化、虚拟化、网络化、微型化、软测量技术传感器向新型、微型、智能型方向发展多传感器融合技术积木式、组合式测量方法虚拟仪器技术：pc机仪器板卡代替传统仪器；计算机软件代替硬件分析电路测试技术应用：科学研究-先行官、军事-战斗力、社会-物化法官、工农业生产-倍增器生物传感器的发展历程：早期：化学法、酶法、离子选择性电极(只检测无机离子)酶传感器(第一个是葡萄糖测定仪)：隔离式氧电极、酶电极、电位型酶电极活细胞生物传感器：用完整活细胞取代纯酶制作传感器基于生物学反应产生信息的生物

3、传感器：不再局限于电化学，可以利用其他信息，如光、热表面等离子共振(spr)生物传感器：生物亲和反应介体酶电极：利用化学介体戊二醛取代分子氧作为氧化还原酶酶促反应的电子受体，市场好活体测定、多指标测定和在线测定重要人物与著作：1965年美国leland c. clark jnr教授发表了隔离式氧电极的经典论文1962年clark首次提出酶传感器，并与lyons一同创造了酶电极这个术语1969年美国学者g.g. guilbault 和j.g. montao研究了电位型酶电极1975年c. divis提出用完整活细胞取代纯酶制作传感器（活细胞生物传感器）1974年瑞典学者lund大学k. mosb

4、ach等发明了热生物传感器1990年瑞典pharmacia公司（利用表面等离子共振（spr）方法）推出商用仪器biacore1984年英国学者a.e.g. cass等首次建立了介体酶电极法1985年，由elsevier 科学出版公司创刊出版了生物传感器国际学术期刊，主编为英国cranfield大学anthonyp.f. turner教授。该刊物1990年更名为生物传感器与生物电子学1980s，牛津出版社出版的生物传感器：基础与应用，该书被誉为生物传感器的“圣经”，其第一主编为turner教授。生物传感器的三个发展阶段：60-70年代：起步阶段，以clark的传统酶电极为代表70-80年代：学科

5、交叉产生各种传感器，代表之一是介体酶电极90年代后：市场开发和技术突破，以表面等离子体和生物芯片为代表生物传感器的原理和特点：由两部分组成：生物敏感膜（分子识别原件）和换能器工作原理：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，经二次仪表（检测放大器）放大并输出，便可知道待测物浓度。生物识别元件：生物敏感膜，又称分子识别元件，由固定化的生物敏感材料制成，直接决定传感器的功能与质量。换能器：将各种生物、化学和物理的信息转变为电信号。生物传感器的主要特点：多样性、无试剂分析(除缓冲液外)、操作简便快速准确

6、、易于联机、可重复和连续使用(也可一次性)生物传感器的定义：由生物活性材料与相应的换能器的结合体，能测定特定的化学物质（主要是生物物质）。（而将能用于生物参量测定但构成中不含生物活性材料的装置称为生物敏传感器。）其他定义：1.生物传感器是一类分析器件，它将一种生物材料（如组织、微生物细胞、细胞器、细胞受体、酶、抗体、核酸等）、或生物衍生材料、或生物模拟材料，与物理化学传感器或传感微系统密切结合或联系起来，行使其分析功能，这种换能器或微系统可以是光学的、电化学的、热学的、压电的或磁学的。2.生物传感器其是一种精致的分析器件，它结合一种生物的或生物衍生的敏感元件与一只理化换能器，能够产生间断或连续

7、的数字电信号，信号强度与被分析物成比例。3.一个生物传感器应是一个独立的、完整的装置，通过利用与换能器保持直接空间接触的生物识别元件(生物化学受体)，它能够提供特殊的定量和半定量分析信息。生物传感器的分类：主要以下两种分子识别元件分类法：酶传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、核酸传感器、微生物传感器、分子印迹生物传感器(属生物衍生物)换能器件分类法：电化学生物传感器(也叫生物电极)、光生物传感器、热生物传感器、半导体生物传感器、电导/阻抗生物传感器、声波生物传感器、微悬臂梁生物传感器其他分类：亲和生物传感器(以分子之间特异识别并结合为基础，代表：免疫传感器、酶pz生物传感器和spr生物

8、传感器)、多功能传感器(能够同时测定两种以上指标化综合指标)、杂合生物传感器(由两种以上不同的分子识别元件组成，或采用两种或多种反应原理构成)生物传感器的命名：功能+构成特征（如：葡萄糖氧化酶电极、谷氨酸脱氢酶电极）商品化的已有：酶电极生化分析仪、bod测定仪、手持式血糖测定仪、spr分析仪生物传感器的发展趋势：主流：电化学占主导地位；其次是光生物传感器三种趋势：上升趋势(生物芯片)、稳定发展(光、压电)、下降趋势(热电、电化学)借鉴生物体或细胞传感机制：感知化学和生物试剂的生物报告技术生物传感器的局限性：稳定性差、常需精细护理和频繁标定、成本高（原因是与“活”的物质打交道，不确定因素多）第二

9、章 测试系统特性测试系统的研究目的：如何构造一个不失真（或不严重失真）的系统系统分析中的三类问题：系统辨识：当输入、输出是可测量的(已知)，可以通过它们推断系统的传输特性。反求：当系统特性已知，输出可测量，可以通过它们推断导致该输出的输入量。预测：如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。测试系统的基本特征：输出-输入关系特征稳态：静态、准静态(信号变化缓慢)动态：周期、瞬态一个高精度的测试装置必须有良好的静态特性和动态特性才能完成信号无失真的转换。测试系统基本要求：理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入输出关系。其中以输出和输入成线性关系最佳。（非线性原因：结构原理、外界干扰）

10、1.正确感知被测量（输入与输出：单值、线性）2.安装测试装置不应扰乱被测量；3.仪器之间应能匹配（阻抗匹配）；4.符合测试要求的精度；精度用允许误差表示测试系统的总误差=（1/31/5）测试要求允许误差5.仪器之间满足测量环境要求。测试装置的技术性能指标：精度：表征了给出值与被测值相符合的程度精密度：表征测量仪器的随机误差接近于零的程度，即在同样条件下，给出相同示值的能力，用误差限表示。分辨力：分辨力是指测试系统所能检测出来的输入量的最小变化量，通常是以最小单位输出量所对应的输入量来表示。分辨力与灵敏度有密切的关系，即为灵敏度的倒数。分辨率：分辨力的相对值表示；测量上限的百分数表示（分辨率=分

11、辨力/测量上限）测量范围：仪器能正常工作的范围静态测量仪器：幅值范围动态测量仪器：幅值范围、频率范围示值稳定性：（产生漂移的原因：仪器自身结构、环境的变化）零漂：指测试系统在输入为零（最低值）的条件下，恒温条件下，仪器开机一段时间仪器零点的变化情况。热漂（温漂）：指测试系统在输入不变的条件下，仪器在正常允许的使用温度范围内，示值随外界温度的变化而变化的值。测试装置的经济指标：不应盲目的采用超过测试目的所要求精度的仪器；当测试系统有许多环节组成时，该系统各环节的精度应是同一等级的。可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。线性系统及其主要性质：工程上：线性时不变系统（一般在工程中使用

12、的测试装置都是线性系统）数学上：常系数线性微分方程式线性时不变系统的重要性质：（叠加原理和频率保持性在测量工作中有重要作用）叠加性：系统对各输入之和的输出等于各单个输入的输出之和。（输入间互不影响，可分解求解）比例性：常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍微分性质：线性系统对输入导数的响应等于对该输入响应的导数积分性质：若线性系统的初始状态为零（即当输入为零时，其响应也为零）。则对输入积分的响应等于对该输入响应的积分频率保持性：若系统的输入为某一频率的谐波信号，则系统的稳态输出将为同一频率的谐波信号。测试系统静态响应特性：静态测量：测量时，测试系统的输入、输出信号不随时间而变化。灵敏度

13、：当测试装置的输入x有一增量x,引起输出y发生相应变化y时,定义: s=y/x定标曲线：用实验测定的办法求得系统的输入输出关系曲线。非线性度：指测试系统的输入、输出关系保持常值线性比例关系的程度。实测定标曲线偏离其拟合直线的程度即为非线性度。是最大偏差b与满量程输出a的百分比。端基直线：是指通过测量范围的上下限点的直线。求解简单，但非线性度差。独立直线：是指使输入与输出曲线上各点的线性误差bi的平方和最小的直线。回程误差：测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间差值最大者为hmax，则定义回程误差为: (hmax/a)100%重复性：同一

14、条件下，对同一被测量，同一方向，多次重复测量，差异程度。（重复性是测试系统最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证）重复性误差：可用正反行程的最大偏差表示， 见ppt23页测试系统的动态特性：是指输入量随时间变化时，其输出随输入而变化的关系。线性系统用定常线性系统微分方程描述测试系统及输入和输出之间的关系拉氏变换建立传递函数，描述固有动态性质傅氏变换建立频率响应函数，描述动态特性传递函数：测试系统的传递函数h(s)为输出量和输入量的拉普拉斯变换之比，包含了瞬态、稳态时间响应和频率响应的全部信息；s是复变量，s =+j。传递函数的特点：与输入量和初始状态无关是一种数学描述，与物理结构无关分母

15、取决于系统的结构，分子表示系统同外界之间的联系分母中s的幂次n代表系统微分方程的阶数一般测试系统都是稳定系统，其分母中s的幂次总是高于分子中s的幂次频率响应函数：将拉氏变换变成傅氏变换，h(s)h()。频率响应函数是复数，h()= a()ej() a()：系统的幅频特性，()：系统的相频特性曲线实际作图时，常对自变量取对数标尺，幅值坐标取分贝数，即作和曲线，两者分别称为对数幅频曲线和对数相频曲线，总称为波德图将h()按实部和虚部改写，可作实频特性曲线：p()-，虚频特性曲线：q()-，奈魁斯特图：q()-p()传递函数h(s)与频率响应函数h()的关系：传递函数h(s)是在复数域中描述和考察系

16、统的特性，与在时域中用微分方程来描述和考察系统的特性相比有许多优点。频率响应函数是在频域中描述和考察系统特性。与传递函数相比，频率响应函数易通过实验来建立，且其物理概念清楚，利用它和传递函数的关系，由它极易求出传递函数。 在系统传递函数h(s)已经知道的情况下，令h(s)中s的实部为零，即s=j便可以求得频率响应函数h()。一阶系统：传递函数： ：系统的时间常数，：系统灵敏度。二阶系统： ：阻尼比(小于1)，：固有频率动态性能指标：ppt39-42页（一阶、二阶）测试系统在典型输入下的响应：单位阶跃响应、正弦输入响应：ppt43-46页不失真测试：使测试系统的输出信号能够真实、准确地反映出被测

17、对象的信息。应满足： a0、t0均为常数其幅频特性和相频特性为：，不失真测试的条件为：幅频特性曲线是一条平行于轴的直线，相频特性曲线是斜率为-t0的直线。（注意是指波形不失真的条件，而幅值和相位都发生了变化。）幅值失真：a() 不等于常数时所引起的失真相位失真：()与之间的非线性关系所引起的失真对一阶系统：时间常数越小越好（时间常数越小，则装置的响应越快，近于满足测试不失真条件的频带也越宽）对二阶系统：0.3n ()的数值较小，()-特性曲线接近直线，a（）变化小)在（0.3n，2.5n）区间内，在=0.60.8时，可以获得较为合适的综合特性。测量系统的静态参数测量方法：用校准的“标准”静态量

18、作为输入，绘出输入-输出曲线，然后根据曲线确定灵敏度、线性误差、回程误差。测量系统的动态参数测量方法：频率响应法：输入各种频率的正弦信号，检测系统的输出信号，作出对应频率成分的输出与输入信号的幅值比(幅频特性)和相位差(相频特性)。最为精确，但繁琐且效率低。具体见ppt56-58页阶跃响应法：输入阶跃信号，测量输出信号。是简单易行的时域测量方法。一阶系统取系统输出值达到最终稳态值的63%所经过的时间作为时间常数。具体见ppt59-60页负载效应：在实际测量中，接入的测量装置构成了被测对象的负载，内外各环节彼此间存在能量交换和相互影响，使传递函数不再是各组成环节传递函数的叠加(并联)或连乘(串联

19、)。即负载的接入导致了传递函数的变化。减小措施：提高后续环节(负载)的输入阻抗在原来两个相连接的环节中，插入高输入阻抗，低输出阻抗的放大器使用反馈或零点测量原理，使后面环节几乎不从前面环节吸取能量测量误差：测量结果与其真值的差异真值：被测量的客观真实值测量误差的来源：随机误差：在实际相同条件下，多次测量同一量值时，其绝对值和符号无法预计的测量误差。系统误差：在相同的测量条件下的测量值序列中数值、符号保持不变或按某确定规律变化的测量误差。粗大误差：在一定的测量条件下，测得值明显地偏离实际值所形成的误差。测量精度：测量结果与真值吻合程度几个概念：数据处理的一般方法：算术平均值法：多次重复测量时，取

20、全部测量数据的算术平均值为测量结果剩余误差：，全部剩余误差的代数和等于零偶然误差：标准误差：用偶然误差表示：用剩余误差表示：异常数据剔除：原理：当测量结果超出正常范围时，给与剔除准则：测量数据与算术平均值的偏差大于标准差的3倍，则剔除说明：测量误差为随机变量，且符合正态分布真值必然处于一个有限的范围此法只适合于测量数据大于10个的情况其他方法：最小二乘法、一元线性回归第三章 常用传感器原理传感器定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。狭义上是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。传感器是测量装置，能完成检测任务；输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量

21、、生物量等；输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器的组成：敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。应变式传感器金属电阻应变片式传感器：核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。优点：精度高，测量范围广 频率响应特性较好 结构简单，尺寸小，重量轻 可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀

22、等恶劣条件下正常工作 易于实现小型化、固态化 价格低廉，品种多样，便于选择缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。电阻应变效应：金属导体的电阻值随其机械变形而发生变化的现象。在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。金属箔式应变片：尺寸小、图形准确横向灵敏度小容许电流大疲劳寿命长生产效率高半导体应变片基于半导体的“压阻效应”体积小、灵敏度高、机械滞后小温度稳定性差、非线性严重应变片的零漂和蠕变零漂：指示随时间的漂移（未加载、温度恒定）。蠕变：在某

23、一恒定温度下，对试件加一恒定应变，这时指示应变随时间变化的特性。原因：敏感栅通电流后的温度效应、应变片的内应力、固化不充分直流电桥：下述所有电阻标号都与左图一致ui供桥电压、u0输出电压、ac供桥端、bd输出端如四个桥臂电阻都相等，称为等臂电桥。单臂半桥、双臂半桥、全桥通式：，ri本身有正负则温度误差产生原因：敏感栅的金属电阻本身随温度发生变化试件材料与应变材料的线膨胀系数不同引起应变片附加形变补偿方法：桥路补偿法、温度自补偿法、热敏电阻补偿法桥路补偿法：(详见ppt 28-42页)温度误差补偿：(3种方法)1.工作应变片贴在试件r1上，补偿片贴在补偿件r2上，补偿件不受力，并接入电桥相邻臂。

24、2.工作片r1、补偿片r2贴在同一试件上，但补偿片不受力作用。3.工作片r1、补偿片r2贴在同一试件的正反面，但两者感受的应变符号相反。拉伸/压缩时的弯矩补偿：弯曲时的拉压补偿：每面也可各贴两片，r1,r3一面，r2,r4另一面；输出增加一倍测剪力：下面也可贴上r3,r4，输出增加一倍应变式传感器：弹性敏感元件+应变片f（力）（应力f/s）（应变 /e）r/r （） usc测力弹性敏感元件：柱式弹性敏感元件：特点：结构简单、可承受很大载荷多种截面形状：实心截面、空心截面梁式弹性敏感元件：等截面梁、等强度梁压力弹性敏感元件：弹簧管、波纹膜片和膜盒、平膜片、薄壁圆筒应变式力传感器：柱式弹性元件、悬

25、臂梁式弹性元件、弓形小载荷传感器应变式压力传感器：膜片式压力传感器、筒式压力传感器、应变式位移传感器、扭矩传感器、加速度传感器电容传感器：原理：0真空的介电常数，(0=8.85410-12f/m）s极板的遮盖面积（m2)r极板间介质的相对介电系数两平行极板间的距离（m)分类：变间隙电容传感器变面积电容传感器变介电常数电容传感器灵敏度：极距愈小，灵敏度愈高c与呈非线性，减小初始极距将引起非线性误差初始极距过小容易引起电容器击穿或短路，采用高介电常数的材料作介质只适合于微位移的测量非线性：非线性误差随着0的减小而增大为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移量，通常规定测量范围为了提高灵敏度、减小非

26、线性误差, 大都采用差动式结构差动电容结构：灵敏度提高一倍，非线性减小电容式传感器的应用和特点：应用：位移、压力、流量、液位等测试特点：优点：高阻抗、小功率、输人能量小而灵敏度高、电参量相对变化大、动态特性好、结构简单，适应性好缺点：分布电容的影响较大，易受干扰、变间隙型输出特性的非线性较严重电感传感器：原理：最基本原理是电磁感应原理分类：按结构分：气隙式、螺管式自感式可分：变间隙型、变面积型、螺管型特点：结构简单、可靠、测量力小分辩率高传感器的输出信号强重复性能好、线性度宽且较稳定能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制存在交流零位信号不宜高频动态信号的测量变磁阻式传感器气隙厚度d变化线圈自

27、感系数l变化差动式传感器：优点：改善非线性、提高灵敏度、受环境影响小、电磁吸力小、零位电压小互感式传感器：把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为差动变压器式传感器：根据变压器原理制作，并采用差动形式连接。应用最多的是螺线管式。结构：应用：测振动、加速度、挠度、压力涡流式传感器：（电涡流：当带有高频电流的线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流。）原理：涡流产生的磁场引起线圈等效阻抗、等效电感等发生相应的变化高频反射式涡流传感器低频透射式涡流传感器应用：位移、振动、转速、距离、厚度、温度等参数测量；计数、探伤；可实现非线性测量电感传感器总结：传

28、感元件或传感器原始输入量变换原理物理现象能量关系输出量变磁阻式位移电磁感应结构型控制型自感系数差动变压器式位移电磁感应结构型控制型互感系数涡流式位移、厚度、电阻率、磁导率涡流效应结构型控制型涡流磁电式传感器磁感应电式传感器：简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势。分类：恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器特点：不需要外部供电电源电路简单性能稳定输出阻抗小具有一定的频率响应范围适用于振动、转速、扭矩等测量尺寸和重量都较大动圈式传感器：当线圈在垂直于磁场方向作直线运动或旋转运动时，产生电动势。感应电动势与线圈相对磁场的运动速度成正比，所以这类传感器的

29、基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。变磁通式磁电感应式传感器：线圈和磁铁都不动，被测材料的运动导致磁路磁阻变化，从而产生电动势。又称磁阻式或变气隙式，常用来测量旋转物体的角速度。该传感器对环境条件要求不高，但工作频率下限较高。压电式传感器压电式传感器：是一种可逆型换能器，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它的工作原理是基于某些物质的压电效应。压电效应：某些物质(物体)，如石英、铁酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面上也会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态。逆压电效应（电致伸缩效应）：由外电场作用导致物质 (物体）产

30、生机械变形的现象。压电材料：具有压电效应的物质(物体)。压电单晶体：石英 等多晶体压电陶瓷等效电路：ppt 15-16页测量电路：需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。特点：力敏感传感器，可测如力、压力、加速度等双向有源传感器体积小、重量轻结构简单、工作可靠频响宽磁电式速度传感器存在响应频率范围小，机械运动部件容易损坏，传感器质量大造成附加质量大等缺点，近年发展了压电式传感器。应用：测加速度、压力光电式传感器：内光电效应：光电导效应：在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化。光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。内光电效应器件：光敏电

31、阻：基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。光电池：利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。光敏二极管和光敏三极管：和光电池类似。结面积小，因此频率特性好。外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。外光电效应器件：利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件光电管应用：可以用来检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成份分析等，也可以用来检验能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等优点：非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和相应快。光纤传感器：光纤传感器：是一

32、种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。分类：干涉型、非干涉型(ppt 7 页)还可按光纤的作用或按调制形式分类(ppt 8-12 页)特点：电绝缘性能好抗电磁干扰能力强非侵入性高灵敏度容易实现对被测信号的远距离监控应用：可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量霍耳磁敏传感器：霍尔传感器：就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流i，在薄片垂直方向施加磁感强度b的磁场，

33、在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流i和磁感强度b的乘积成比例的电动势uh。霍尔效应：通电的导体（半导体）放在磁场中，电流i与磁场b方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势。霍耳开关集成传感器：是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。优点：使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境霍耳线性集成传感器：输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当外加磁场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压,经放大器放大后输出。优点：对外加磁场的线性感应应用：

34、位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。 叶尊忠老师部分第一章 绪论(同前)第二章 生物传感器实验基本步骤实验步骤：1.蛋白a修饰金电极2.固定抗体（定向）3.bsa封闭4.检测细菌金黄色葡萄球菌a蛋白（spa）：也叫蛋白a，是细胞壁抗原的主要成分，稳定性好。能与人及多种哺乳动物血清igg分子中的fc片段结合等电点pi：使蛋白质表面净电荷为零的ph。与该蛋白质结构有关，而与环境ph无关。（人体内大部分蛋白质带负电）蛋白质在等电点的性质：等电点时，蛋白质分子以双极离子存在，总净电荷为零,颗粒无电荷间的排斥作用,易凝集成大颗粒，因而最不稳定，溶解度最小，易沉淀析出。蛋白a的作用：sp

35、a结合部位是fc段而不是fab段，这种结合不会影响抗体的活性。（具有双价的结合力，每个spa分子可以同时结合两个igg分子，也可一方面同igg相结合，一方面与标记物如荧光素、过氧化物酶、胶体金和铁蛋白等相结合。）抗体：来源：兔抗、kpl抗体（亲和顺序）效价：指抗体的物理状态及其在体内的滞留时间，以其与抗原反应的多少来表示其免疫效果，称为抗体效价。储存：避免反复冻融。-20保存。bsa(牛血清白蛋白)封闭：目的是封闭固相载体表面尚未被所占据的空隙，减少后续步骤中非特异性蛋白的干扰。还可以用脱脂奶粉。操作过程中造成假阳性的因素：加样：对于间接标本一般都要进行稀释，如果加样不准就会造成误差，尤其当稀

36、释倍数大时，很小的绝对误差，会导致较大的相对误差，使阴性（或弱阳性）标本呈阳性（或阴性）。加样时应将所加物加在的底部，并注意不可溅出，不可产生气泡。洗涤：靠洗涤来达到分离游离和结合的酶标记物的目的。通过洗涤以消除残留在传感器中没能与固体抗原或抗体结合的物质，以及在反应过程中非特异性吸附于固相载体的干扰物质。温育：每种试剂都有其最佳反应模式，其中温度和温育时间控制是重要因素。因孵育温度高，反应时间长，会造成整板本底高，阳性率高。温育一般用湿盒或水浴，反应板不宜叠放，以保证各板温度都能迅速平衡，为避免蒸发，板上应加盖。第三章 生物敏感膜固定化技术生物功能膜：是一种生物传感器分子识别器件，包括各种固

37、定化生物功能膜。固定化的主要目的：将酶等生物敏感元件限制在一定的空间，但又不妨碍被分析物的自由扩散。常用固定化方法：夹心法、吸附法、共价结合法、交联法、包埋法、微胶囊法夹心法：将生物活性材料封闭在双层滤膜之间特点：操作简单，不需要任何化学处理，固定生物量大，响应速度较快，重现性较好，尤其适用于微生物和组织膜制作。吸附法：经非水溶性载体物理吸附或离子结合作用使生物敏感元件固定特点：主要用于制备酶和免疫膜，吸附过程一般不需要化学试剂，对蛋白质分子活性影响较小。但蛋白质分子容易脱落，特别在环境条件改变时，故常与其他固定化方法结合使用。凝胶包埋法：将酶分子或细胞包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构

38、基质中特点：一般不产生化学修饰、对生物分子活性影响较小、膜的孔径和几何形状可任意控制、被包埋物不易渗漏，底物分子可以在膜中任意扩散缺点：是分子量大的底物在凝胶网格内扩散较困难，因此不适合大分子底物的测定共价键合法：使生物活性分子通过共价键与不溶性载体结合而固定的方法反应性：指氨基酸残基的反应活性，即氨基酸残基参与共价反应的活泼程度。可接近性：是指反应是否能够抵达到蛋白质中的氨基酸残基所在的位置，它与氨基酸残基的疏水性有关。在酶的共价固定中，尤其要注意保护活性中心的氨基酸。特点：结合牢固、蛋白质分子不易脱落、载体不易被生物降解、使用寿命长。缺点：操作步骤较多、酶活性可能因为发生化学修饰而降低、制

39、备具有高活性的固定化酶比较困难交联法：借助双功能试剂使蛋白质结合到惰性载体或蛋白质分子彼此交联成网状结构双功能试剂具有两个功能基团同质交联试剂：含有两个相同的活性基团特点：广泛用于酶膜和免疫分子膜制备、操作简单、结合牢固、在酶源较困难时常常需要加入数倍于酶的惰性蛋白质作为基质。微胶囊法：主要采用脂质体来包埋生物活性材料或指示分子脂质体：是由脂质双分子层组成的内部为水相的闭合囊泡。lb膜：许多生物分子在洁净的水表面展开后能形成水不溶性液态单分子膜，小心压缩表面积使液态膜逐渐过渡到成为一个分子厚度的拟固态膜。特点：很薄、高密度。因此协调了响应速度和响应活性之间的矛盾光平版印刷技术：简称光刻，利用照

40、相原理与化学腐蚀相结合，在工件表面制取精密、细微和复杂薄层图形，广泛用于印刷电路和集成电路的制造以及印刷制版等过程。固定化酶的稳定性：使酶的保存稳定性增加，有时也可能增加酶的热稳性。酶的稳定性：低温/常温下长期保存的稳定性、高温下的稳定性、长期工作的稳定性导向性固定：控制固定化生物材料的空间取向第四章 生物学反应生物传感器的分子识别元件，又称敏感元件主要指来源于生物体的生物活性物质，都具有对靶分子（待检测对象）特异的识别功能。酶：蛋白质性质、催化性质催化特点：高度专一性、催化效率高、在温和条件下进行催化、有些酶需要辅酶或辅基、酶在体内的活力常常受多种方式调控、酶促反应产生的信息变化有多种形式分

41、类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶、合成酶命名：名称由两部分组成，开头部分是底物，后面部分表示催化反应类型，再用ase结尾酶活力单位：用国际单位iu表示。一个酶活力单位指在特定条件下，在1 min能转化1/mol底物分子的酶量，单位为iu。酶比活力：指1mg酶所具有的酶活力，一般用iu/mg表示。酶含量：指每克或每毫升酶制剂含有的活力单位数，即iu/g或iu/ml。酶催化的化学形式：共价催化、酸碱催化微生物反应：反应类型：同化与异化、自养与异养、好氧性与厌氧性分析微生物学：利用微生物完成定量分析任务的学科。细胞增殖法和呼吸法免疫学反应：免疫：指机体对病原生物感染的抵抗能力。分类：自

42、然免疫（非特异性）、获得性免疫（特异性）抗原：能够刺激动物机体产生免疫反应的物质。抗原有两种性能：刺激机体产生免疫应答反应（免疫原性）；与相应免疫反应产物发生特异性结合反应（反应原性）。完全抗原：具有免疫原性的抗原半抗原：只有反应原性，不刺激免疫应答反应抗原种类：天然、人工、合成抗体：由抗原刺激机体产生的具有特异性免疫功能的球蛋白，又称免疫球蛋白。免疫学分析：沉淀法：可溶性抗体与其相应的抗原在液相中相互接触，可形成不溶性抗原抗体复合物而发生沉淀。放射免疫测定法：利用放射性同位素示踪技术和免疫化学技术结合起来的方法。免疫荧光测定法：将抗体（或抗原）标记上荧光素与相应的抗原（或抗体）结合后，在荧光

43、显微镜下呈现特异性荧光。酶联免疫测定法：用酶促反应的放大作用来显示初级免疫学反应。即：抗原抗体先结合，再发生酶促反应。核酸与核酸反应生物学反应中的物理量变化：（详见ppt最后两大页）生物反应的热力学生物发光颜色反应和光吸收阻抗变化第五章 免疫磁分离技术当磁纳米颗粒粒径小于其超顺磁性临界尺寸时，粒子进入超顺磁状态，无矫顽力和剩磁矫顽力：使铁磁质完全退磁需要的反向磁场的大小。剩磁：将铁磁性材料磁化后去除磁场，被磁化的铁磁体上所剩余的磁化强度。磁性超微粒常见几种形式：单核型、多核型、草莓型、毛刷型检测原理：微磁珠表面进行基团修饰并键合连接臂，将多克隆抗体或单克隆抗体连接后进行包被，制成带磁性的免疫抗

44、体。磁性抗体可以选择性吸附流动样品中的目标抗原，借助外磁场的作用吸附在捕获区，实现对大容量样品中微生物进行快速免疫浓缩纯化。磁分离方法第六章 压电生物传感器声波传感器检测的是机械波或声波常，常采用压电材料产生声波。通过测量传感器的振动频率或相特征可以监测传播速率的变化，然后将这种变化与待测定的相应的物理量联系起来。压电声波传感器提供一个震荡电场来产生机械波，它穿过基质后回到电场中得以测量。晶体振动有两种类型：体声波（baw）、表面声波（saw）石英具的特点：不同的晶体切割角度和声波的传播方向表现出不同的对温度依赖程度。经合适的选择，可以最大程度地减少温度效应。（如石英振荡器。）切型多采用at型

45、，受温度影响比较小反之，最大程度地利用这种效应，可以制备温度敏传感器，而其他压电基质不具备这种特性。（如石英温度传感器）。体声波：广泛用作石英晶体微天平（qcm），声波传感方向从内部垂直朝向晶体表面。振动频率越高，传感器对外来质量越敏感。要提高振动频率，需要将晶片制得更薄，但晶片变得易脆，工艺上也很难实现。采用压电薄膜和体微加工技术。表面声波：电极装在晶体的同一侧，振动波跨越晶体表面，具有径向和垂直剪切组分，并与晶体表面耦合。这种耦合对振动波的振幅和速度影响很大，使该传感器能够直接对外来质量和机械性质响应。不适合于液体中传感。调整压电晶体材料的切割方向，调整后可液体中传感。saw的外来吸附质量比baw更加敏感。sauerbrey频率质量关系式石英晶体上沉积的质量变化和振动频率移动之