生物传感器的原理及应用

生物传感器的原理及应用摘要: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21世纪的关键技术，给予高度的重视。生物传感器不仅广泛用于传统医学领域，推动医学发展，而且还在空间生命科学、食品工业、环境监测和军事等领域广泛应用。关键词:生物传感器；原理；应用；发展Abstract:Asinformationtechnologyandbiologicalengineeringtechnology,bio-sensorshasbeenveryrapiddevelopment，today'sdevelopedcountriesregardthebiosensortechnologyasthekeytothe21stcentury,givenahighpriority.Biosensorsarewidelyusedintraditionalmedicinenotonlytopromotethedevelopmentofmedicine,butalsoinspacelifescience,foodindustry,environmentalmonitoringandwidelyusedinmilitaryandotherfields.Keywords:biosensor;principle;application;development目录引言 4生物传感器的原理 4生物传感器的应用 5生物传感器在医学领域的应用 5.基于中医针灸针的传感针 5.生物芯片 5.生物传感器的临床应用 5生物传感器在非传统医学领域的应用 63.2.1．在空间生命科学发展中的应用 63.2.2．在环境监测中的应用 63.2.3．在食品工程中的应用 63.2.4．在军事领域的应用 6生物传感器的未来 7结束语 7参考文献 7一.引言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.生物传感器的应用3.1．生物传感器在医学领域的应用3.1.1.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、Na+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。3.1.2.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。3.1.3.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素释放量。这种传感器还能为癌症患者监测所用的抗癌药物的血液浓度。3.2生物传感器在非传统医学领域的应用生物传感器除了应用于传统的医学领域，如动态检测人体血压、体温、血液酸碱度、血氧含量，检测酶活性、蛋白质等生化指标方面，还在其它非传统医学领域获得了应用。3.2.1在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。3.2.2在环境监测中的应用传统的环境监测通常采用离线分析方法，操作复杂，所需仪器昂贵，且不适宜进行现场快速监测和连续在线分析。随着环境污染问题日益严重，生物传感器在建立和发展连续、在线、快速的现场监测体系中发挥着重要作用。（1）水质监测生化需氧量(BOD)是衡量水体有机污染程度的重要指标，BOD的研究对于水质监测及处理都是非常重要的此研究也成为水质检测科技发展的方向。BOD的传统标准稀释法所需时间长，操作繁琐，准确度差，BOD传感器不仅能满足实际监测的要求，并具有快速、灵敏的特点。自1977年首次将丝孢酵母菌分别用聚丙酰胺和骨胶原固定在多孔纤维素膜上，利用BOD微生物传感器测定水中BOD以来，此项技术得到了迅速的发展。目前，已有可用于测定废水中BOD值的生物传感器和适于现场测定的便携式测定仪。随着BOD快速测定研究的不断深入，研究发现BODst(快速BOD测定值)还可作为在线监测生物处理过程的一个重要参数。（2）大气质量监测生物传感器可监测大气中的CO2，NO，NH3及CH,等。AntonelliM等人采用地衣组织研制了一种传感器，有望用于对大气、水和油等物质中苯的浓度的监测。用多孔渗透膜、固定化硝化细菌和氧电极组成的微生物传感器，可测定样品中亚硝酸盐含量，从而推知空气中NO的浓度，其检测极限为1xl0mol／L。3.2.3.在食品工程中的应用食用牛肉很容易被大肠杆菌0157.H7.所感染，因此需要快速、灵敏的方法检测和防御大肠杆菌0157.H7.一类的细菌。2021年，Kramer等人研究的光纤生物传感器可以在几分钟内检测出食物中的病原体，如大肠杆菌0157.H7.，而传统的方法则需要几天。生物传感器可以直接测量102CFU(菌落形成单位)的大肠杆菌0157.H7.。检测病原体之后即可以将它分离到培养基上生长。从检测出病原体到从样品中重新获得病原体并使它在培养基上独立生长总共只需1天时间，而传统方法需要4天。还有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，己达到的检测极限为16.2nd/mL。一天可以检测20个牛奶样品。3.2.4在军事领域的应用生物传感器在化学、生物战剂的侦检方面具有独特的优势。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素(如炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶尔森菌、埃博拉出血热病毒、肉毒杆菌类毒素等)，2021年，美军报道已研制出可检测土拉弗菌、蓖麻素、肉毒毒素和葡萄球菌肠毒素B等4种生物战剂的免疫传感器。在化学战剂检测中研究和使用最多的是乙酰胆碱脂酶传感器。20世纪5O年代，就有人设计了沙林毒剂的酶检测方法，可检出0．1—0．5×10的沙林，这一方法至今仍被国际上普遍用于神经性毒剂侦毒包和报警器中。四．生物传感器的未来未来生物传感器在医学领域中将有很大的发展潜力,发展趋势将在以下几个方面：①应用领域不断拓宽由于生物传感器潜在的巨大优势,它必将向更广阔的应用范围发展。如向心理学方面发展。研制心理传感器,传感人们的心理活动,这对心理学、生理学以及社会科学的研究都将有推动作用。此外,传感器在仿生学方面将有更大发展。光导纤维可代替人的神经纤维,效应管生物传感器可起到细胞膜的作用。总之生物传感器将向医学所有领域伸展。②小型化、集成化未来的生物传感器将趋于小型化,向体内监测、在线监测的方向发展。已报道有植入体内的微小传感器实时监测血糖变化或通过病人脑电波的监测预知癫痫的发作。同时芯片技术将愈加进入传感器,实现检测系统的集成化、一体化。③智能化未来的生物传感器必定与计算机紧密结合,自动采集数据、处理数据,更科学、更准确地提供结果,采样、进样、结果一条龙,形成检测的自动化系统。④联用技术生物传感器将不断与其它分析技术联用,如流动注射技术、色谱等,互相取长补短。生物传感器必将在发展中不断完善,成为医学发展的巨大推动力。五．结束语生物传感器可以取代常规的化学分析方法，因此，它的出现可以说是一场技术革命。人类基因组计划的实施大大加速了与生物学、医学、信息学等学科息息相关的各类新型生物传感器的发展，这给当前生物传感器的研究提供了前所未有的发展机遇。生物传感器作为多学科交叉的高科技领域，如何组织各方面的科技力量和财力、物力来推动这一高科技领域在我国的发展，不仅是对生物、信息、物理、化学、医学、微电子、材料等相关领域中科技人员的挑战，也是有关行政管理部门面临的一个课题。参考文献：[1]许文娟，焦晨旭．生物传感器的发展应用及前景[J]．化工中间体.2021(11)[2]谢佳胤,李捍东,王平,李霁．微生物传感器的应用研究[J]．现代农业科技体.2021(6)[3]马莉萍,毛斌,刘斌,李工农,韩根亮,刘国汉．生物传感器的应用现状与发展趋势[J]．传感器与微系统.2021,28(4)[4]杨艳．生物传感器的发展及应用[J]．茂名学院学报.2021.8[5]孙幼娟,袁启明．生物传感器的发展趋势[J]．上海生物医学工程.1996.17(3)

论大学生写作能力写作能力是对自己所积累的信息进行选择、提取、加工、改造并将之形成为书面文字的能力。积累是写作的基础，积累越厚实，写作就越有基础，文章就能根深叶茂开奇葩。没有积累，胸无点墨，怎么也不会写出作文来的。写作能力是每个大学生必须具备的能力。从目前高校整体情况上看，大学生的写作能力较为欠缺。一、大学生应用文写作能力的定义那么，大学生的写作能力究竟是指什么呢？叶圣陶先生曾经说过，“大学毕业生不一定能写小说诗歌，但是一定要写工作和生活中实用的文章，而且非写得既通顺又扎实不可。”对于大学生的写作能力应包含什么，可能有多种理解，但从叶圣陶先生的谈话中，我认为：大学生写作能力应包括应用写作能力和文学写作能力，而前者是必须的，后者是“不一定”要具备，能具备则更好。众所周知，对于大学生来说，是要写毕业论文的，我认为写作论文的能力可以包含在应用写作能力之中。大学生写作能力的体现，也往往是在撰写毕业论文中集中体现出来的。本科毕业论文无论是对于学生个人还是对于院系和学校来说，都是十分重要的。如何提高本科毕业论文的质量和水平，就成为教育行政部门和高校都很重视的一个重要课题。如何提高大学生的写作能力的问题必须得到社会的广泛关注，并且提出对策去实施解决。二、造成大学生应用文写作困境的原因：（一）大学写作课开设结构不合理。就目前中国多数高校的学科设置来看，除了中文专业会系统开设写作的系列课程外，其他专业的学生都只开设了普及性的《大学语文》课。学生写作能力的提高是一项艰巨复杂的任务，而我们的课程设置仅把这一任务交给了大学语文教师，可大学语文教师既要在有限课时时间内普及相关经典名著知识，又要适度提高学生的鉴赏能力，且要教会学生写作规律并提高写作能力，任务之重实难完成。（二）对实用写作的普遍性不重视。“大学语文”教育已经被严重地“边缘化”。目前对中国语文的态度淡漠，而是呈现出全民学英语的大好势头。中小学如此，大学更是如此。对我们的母语中国语文，在大学反而被漠视，没有相关的课程的设置，没有系统的学习实践训练。这其实是国人的一种偏见。应用写作有它自身的规律和方法。一个人学问很大，会写小说、诗歌、戏剧等，但如果不晓得应用文写作的特点和方法，他就写不好应用文。（三）部分大学生学习态度不端正。很多非中文专业的大学生对写作的学习和训练都只是集中在《大学语文》这一门课上，大部分学生只愿意被动地接受大学语文老师所讲授的文学经典故事，而对于需要学生动手动脑去写的作文，却是尽可能应付差事，这样势必不能让大学生的写作水平有所提高。（四）教师的实践性教学不强。学生写作能力的提高是一项艰巨复杂的任务，但在教学中有不少教师过多注重理论知识，实践性教学环节却往往被忽视。理论讲了一大堆，但是实践却几乎没有，训练也少得可怜。阅读与写作都需要很强的实践操作，学习理论固然必不可少，但是阅读方法和写作技巧的掌握才是最重要的。由于以上的原因，我们的大学生的写作水平着实令人堪忧，那么如何走出这一困境，笔者提出一些建议，希望能对大学生写作水平的提高有所帮助。三、提高大学生应用写作能力的对策（一）把《应用写作》课设置为大学生的必修课。在中国的每一所大学，《应用写作》应该成为大学生的必修课。因为在这个被某些人形容为实用主义、功利主义甚嚣尘上的时代，也是个人生存竞争最激烈的时代，人们比任何时代都更需要学会写作实用性的文章，比如职场竞争中的求职信，生活中的财经文书、法律文书等，以提高个人的生存竞争能力。（二）端正大学生的学习态度。首先，要让大学生充分认识到实用写作课的重要性，这门课关乎到他人生的每一个方面，诸如就职，求爱，理财，人际交往等，是他终生都需要使用的一些基础性的知识，也是他必备的一项生存技能。其次，实用写作有它自身的规律和方法。它不是你想怎样写都行的，它有严格的格式性的要求，所以需要系统的研究学习。最后，实用写作课的实践性