生物传感器介绍

生物传感器介绍生物传感器的概念生物传感器的背景生物传感器的类型生物传感器的优点生物传感器的应用领域生物传感器的发展前景主要内容

传感器位于信息采集系统之首、检测与控制之前，是仪器仪表与自动化系统最基础的元器件之一。因此，传感器的性能、质量和水平直接决定了信息系统的功能和质量。定义：

传感器是一种装置或器件，能够将物理量、化学量或生物量等按照一定的规律转换成可用的信号；构成：研究传感器的核心与关键生物传感器的概念新功能、新应用的扩展敏感材料的基础研究新材料的研发新原理的采用新现象的发现新工艺的开发优点敏感元件研究方向生物传感器的概念生物传感器—将生物体的成份（酶、抗原、抗体、DNA、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）固定化在一器件上作为敏感元件的传感器称为生物传感器。

生物传感器的概念

生物传感器的基本组成分子识别元件+信号转换器件+信号检测生物传感器的概念分子识别元件分子识别元件生物活性单元酶膜各种酶类全细胞膜细菌、真菌、动植物细胞组织膜动植物组织切片细胞器膜线粒体、叶绿体免疫功能膜抗体、抗原、酶标抗原等酶(Enzyme)抗体(Antibody)DNA生物传感器的概念转换器：电化学电极、离子敏场效应晶体管、热敏电阻、光电转换器等生物传感器的概念1962年，Clark教授在纽约自然科学学会的论文集中首次提出了“在化学电极的敏感膜中加入酶以实现对目标物进行选择性分析”的设想。生物传感器的背景起源第一种生物传感器——葡萄糖酶电极1967年Updike和Hicks葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜+氧电极组生物传感器的背景第一代生物传感器1975年，热酶探针和酶热敏电阻器研制1980年，测量乙醇的光学生物传感器1983年，免疫传感器的产生1984年，廉价酶电极制作方法生物传感器的背景20世纪90年代初，进入第二代生物传感器阶段，特点：使用抗体或受体蛋白作分子识别组件，换能器的选用则更为多样化1991年上市的瑞典商家Pharmacia所推出的BIAcore与BIAlite两项产品1996年，Turner等人研制的一种以DNA为敏感源的传感器生物传感器的背景21世纪发展的生物传感器为第三代生物传感器发展方向：微型化、集成化、便携式测试仪成就：生物表达化学、表面定性、分子标记以及纳米科技，带动了生物传感器在各种环境下应用的增长生物传感器的背景纳米材料在生物传感器中的应用，使其研究进入崭新的阶段。纳米颗粒能增强酶生物传感器的敏感性纳米颗粒表面积大、表面自由能高，吸附能力较强，能固定酶分子纳米颗粒尺寸很小，有可能与酶内部的亲水基团发生作用，从而引起酶构型上的变化生物传感器的背景手掌型血糖分析器生物传感器的背景胰岛素泵生物传感器的背景固定化酶生物传感分析仪生物传感器的背景SPR生物传感器国内外差距的比较——产业正处在发展阶段，有较大经济潜力的项目主要是手掌型血糖分析仪及胰岛素泵二类产品；——生产单位不多，都属于中小型企业。但是行业竞争激烈；——与外资公司同类产品相比较，技术上差距不大；生物传感器的背景三种分类方式：生物分子识别元件输出信号方式信号转换器类型酶传感器免疫传感器微生物传感器细胞传感器光生物传感器组织传感器等代谢型或催化型生物传感器生物亲合型生物传感器等电化学生物传感器半导体生物传感器测热型生物传感器测光型生物传感器测声型生物传感器等生物传感器的分类（1）根据生物分子识别元件方式分类微生物传感器分子识别元件酶传感器免疫传感器细胞器传感器组织传感器微生物固定化细胞器生物组织切片固定化免疫物质固定化酶生物传感器的分类（2）根据输出信号方式分类a．生物亲合型传感器

被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和固定介质发生变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。反应式可表示为：

S（底物）+R（受体）==SRb．代谢型或催化型传感器

另一类是底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型传感器，其反应形式可表示为

S（底物）＋R（受体）==SR→P（生成物）

生物传感器的分类

电化学电极光学换能器介体半导体传递系统换能器热敏电阻压电晶体介体生物传感器转换器半导体生物传感器生物电极光生物传感器热生物传感器压电晶体生物传感器（3）根据信号转换器类型分类生物传感器的分类(1)根据生物反应的特异性和多样性,理论上可以制成测定所有生物物质的传感器,因而测定范围广泛(2)一般不需进行样品的预处理,它利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂,使测定过程简便迅速,容易实现自动分析(3)体积小、响应快、样品用量少,可以实现连续在位检测生物传感器的优点(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反复多次使用(5)准确度高,一般相对误差可达到1%以内(6)可进行活体分析(7)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪,因而便于推广普及(8)有的微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息生物传感器的优点1

食品工业⑴食品成分分析已开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖。其它糖类，如果糖，啤酒、麦芽汁中的麦芽糖，也有成熟的测定传感器。⑵食品添加剂的分析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盐含量生物传感器的应用(3)

农药残留量分析近年来，人们对食品中的农药残留问题越来越重视，各国政府也不断加强对食品中的农药残留的检测工作。Yamazaki等人发明了一种使用人造酶测定有机磷杀虫剂的电流式生物传感器，可用于检测果蔬表面有机磷农药。(4)

微生物和毒素的检验一种快速灵敏的免疫生物传感器可以用于测量牛奶中双氢除虫菌素的残余物，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16.2ng/ml。一天可以检测20个牛奶样品。生物传感器的应用2环境监测(1)水环境监测生物需氧量(BOD)是一种广泛采用的表示有机物污染程度的综合性指标。国外普遍采用的BOD生物传感器一般是将微生物膜固定在溶解氧的探头上，当样品溶液通过传感器检测系统时，渗透通过多孔膜的有机物被固定化的微生物吸收，消耗氧，引起膜周围溶解氧减少，使氧电极电流随时间急剧减小。(2)大气环境监测

二氧化硫(S02)是酸雨酸雾形成的主要原因，传统的检测方法很复杂。Martyr等人将亚细胞类脂类(含亚硫酸盐氧化酶的肝微粒体)固定在醋酸纤维膜上，和氧电极制成安培型生物传感器，对S02形成的酸雨酸雾样品溶液进行检测，lOmin可以得到稳定的测试结果。

生物传感器的应用(1)原材料及代谢产物的测定

微生物传感器可用于测量发酵工业中的原材料和代谢产物。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)微生物细胞数目的测定人们发现在阳极表面上，菌体可以直接被氧化并产生电流。这种电化学系统可以应用于细胞数目的侧定。侧定结果与常规的细胞计数法测定的数值相近。利用这种电化学微生物细胞数传感器可以实现菌体浓度连续、在线的测定。

3发酵工业生物传感器的应用4医学

(1)临床医学在临床医学中，酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器，目前，已成功地应用于血糖、乳酸、维生素C、尿酸、尿素、谷氨酸等物质的检测。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，在临床中应用的微生物传感器有葡萄糖、乙醉、胆固醇等传感器。

DNA传感器是目前生物传感器中报道最多的一种，用于临床疾病诊断是DNA传感器的最大优势，它可以帮助医生从DNA、RNA、蛋白质及其相互作用层次上了解疾病的发生、发展过程，有助于对疾病的及时诊断和治疗。生物传感器的应用(2)军事医学军事医学中，对生物毒素的及时快速检测是防御生化武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素，如鼠疫耶尔森菌、肉毒杆菌类毒素等。此外，在法医学中，生物传感器可用作DNA鉴定和亲子认证等。生物传感器的应用生物传感器在全国应用数量和地理分布东北46华北93华东148台湾2华南31华中58西部25

我国生物传感器的产业正处在发展阶段，有较大经济潜力的项目主要是手掌型血糖分析仪及胰岛素泵两类产品。生产单位不多，都属于中小型企业。但是行业竞争激烈。与外资公司同类产品相比较，技术上差距不大。我国在固定化酶生物传感器研发、生产和应用方面居国际领先水平，经过15年发展已有许多应用单位，对国民经济影响大，产生了比较显著的经济效益。但是作为一类生物技