生物传感器综述
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生物传感器课程论文
论文题目：生物传感器技术在环境分析
与检测方面的应用研究进展专业: 分析化学
姓名:雷杰
学号：120１5１305２9 指导教师：晋晓勇
时间：２０1５年1０月23日
生物传感器技术在环境分析与检测方面的应用研究进展
摘要：生物传感器作为一类新兴传感器,它是以生物分子敏感元件,将化学信号、热信号、光信号转换成电信号或者直接产生电信号予以放大输出,从而得到检测结果。文章综述了生物传感器在环境监测,包括水环境、大气环境等领域的应用和最新进展,并展望了环境监测生物传感器的发展前景及发展方向。
关键词:生物传感器技术；环境分析检测;
０.前言
生物传感器这门课属于分析化学和生物化学的一门交叉学科，它涉及到生物化学、电化学等多个基础学科。就目前生物传感器研究的历史阶段，它仍然处于十分活跃的研究阶段,生物传感器的研究逐渐变得专业化、微型化、集成化、也有一些生物相容的生物传感器,生物可控和智能化的传感器制成[1]。基于生物传感器的基本结构和性能，从它的选择性,稳定性，灵敏度和传感器系统的集成化发展的特点和趋势,科研人员主要研究生物传感器在医疗、食品工业和环境监测等方面,它的发展对生产生活都有极大影响，尤其是生物传感器专一性好、易操作、设备简单、可现场检测、便携式、测量快速准确、适用范围广,从而深受研究者的青睐。本文主要概述了近三年来生物传感器在环境分析与检测方面的应用研究，从而对以后生物传感器技术的研究有所帮助与借鉴。
1.生物传感器技术
1.1生物传感器的组成及工作原理
生物传感器主要是由生物识别和信号分析两部分组成。生物识别部分是由具有分子识别能力的生物敏感识别元件构成,包括细胞、生物素、酶、抗体及核酸。信号分析部分通常叫换能器。它们的工作原理一般是根据物质电化学、光学、质量、热量、磁性等,物理化学性质将被分析物与生物识别元件之间反应的信号转变成易检测、量化的另一种信号,比如电信号、焚光信号等,再经过信号读取设备的转换过程，最终得到可以对分析物进行定性或定量检测的数据[2]。
生物传感器识别和检测待测物的工作原理:首先,待测物分子与识别元素接触；然后,识别元素把待测物分子从样品中分离出来；接着,转换器将识别反应相应的信号转换成可分析的化学或物理信号;最后，使用现代分析仪器对输出的信号进行相应的转换，将输出信号转化为可识别的信号。生物传感器的各个部分包括分析装置、仪器和系统也由此构成。生物传感器中的识别元素决定了传感器的特异性,是生物定性识别的决定因素；识别元素与待测分子的亲合力，以及换能器和检测仪表的精密度，在很大程度上决定了传感器的灵敏度和响应速度。
1．2生物传感器的分类
生物传感器的分类方法有很多种,按照其感受器中所采用的生命物质分为: 微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、ＤNＡ传感器等；按照传感器器件检测的原理分为:热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器声、波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等;按照生物敏感物质相互作用类型分为：亲和型和代谢型两种。目前，国内外在环境监测中常用的传感器主要有酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、DNA传感器这4种生物传感器[3]。
2.生物传感器技术在环境检测中的应用
近年来，工、农业的快速发展使环境中有害物质的含量大大增加，这些有害物质大致可分为有毒气体、工业废水、重金属污染等。而这些毒物会大大影响人类的生存环境。还有很大一部分环境毒物的产生是由于环境污染间接造成的。比如人类大量污水的排放使海水中氮、磷等营养物质的含量突然增加,造成海水“富营养化”,浮游藻类就会在短时间内迅速繁殖，有些浮游藻类是产毒藻，被海洋中的贝类食用后在贝类的消化腺中累积,最后被人类食用。这些毒素会对人类的健康造成严重的威胁。因此对环境毒物的快速、便携、高灵敏度检测是我们所要关注环境监测的重点之一。国家标准中环境毒物的分析检测方法一般有液相质谱联用法、气相色谱法、液相质谱联用法、分光分度计法,但这些方法操作复杂,设备庞大,不适用于现场检测［４］。而生物传感器结合了生物分子的特异性、选择性以及电化学分析的高灵敏度、仪器便携和成本低等优点,被广泛应用于环境监测领域，本文主要综述生物传感器技术在不同环境检测研究对象中所应用的技术方法及原理，为以后从事改善环境污染的研究人员提供相关参考资料。
2.1生物传感器技术针对大气污染方面的研究进展
根据查阅相关文献，目前研究者主要采用的是从大量的废气、烟尘排入大气中,利用生物传感技术来测定大气中的CO2、NＯx、SＯ2等的含量及浓度等。Sｕｚuki等研究出一种CO2生物传感器主要是利用半导体技术,使用更加方便
[5]。鲁中明等研究开发了一种CO2光纤化学传感器，具有体积小能耗低的特点，适宜现场长期自动监测,在0 ~194 ppｍ的ＣO2浓度范围内，其最佳精度为+ 1．２１ｐｐｍ,响应时间( 99% ) 约为2miｎ［６]。氮氧化物是空气污染物的重要成份，主要有NO 和NO2。NO2反应最强，是光化学烟雾的主要造成因素。Charlesｐ等用固定化硝化细菌、多孔渗透膜、氧电极组成微生物传感器,能够间接测定空气中NOx 的浓度，其检出限为 1 × 10- 8mol/ Ｌ[７］。ＳO2是酸雨、酸雾形成的主要因素,传统的检测方法较为复杂。Carballｏr 等制备的传感器,使用了制作方法简单、制备成本低的聚卟啉合镍配合物修饰玻碳电极，与流动注射分析技术结合使用,对SO2含量的检测快速而有效，可使检出限达０．１5ｍg /Ｌ[8]。甲醛也是一种大气污染物，特别是装饰材料的使用,直接影响到我们的居住环境，对健康的危害更为隐性。祝艳涛等综合分析了国内外甲醛气体传感器的研究现状的基础,综述了测定甲醛的金属氧化物传感器、声表面波传感器、电化学传感器、基于化学发光的传感器的特性,并指出了甲醛气体传感器存在的问题,对其发展趋势进行了预测［9]。
2.２生物传感器技术针对工业废水监测方面的研究进展
生化需氧量( BOD）是监测水体中有机物污染程度的最常用测定指标。传统的测定方法要在实验室进行,5d 的培养期,费时费力、重复性差。而 BOD 生物传感器可在 1０~１5min 检测出 BＯD 值,可对水质状况在线监测[３］。S Jouanneau 等综述了测定 BOD 多种方法，认为生物传感器测定是耗时最少的方式，但市场化使用少[10]。生物传感器国外已有商品化的生物传感器快速 BOD 测定仪，产品较为昂贵,并且性能不够稳定,需要进一步提高仪器的准确性和稳定性。
Ju等使用生物传感器分析检测水体中的微囊藻毒素，该研究小组将微囊藻毒素固定于碳纳米突簇制备成的电极表面,抗体与微囊藻毒素之间发生免疫反应导致抗体结合到电极表面引起电化学信号发生改变，以此实现微囊藻毒素的检测。生物传感器还用来测定水体中酚类和表面活性剂的浓度。有研究人员将探针和可潜水的生物传感器上的灵敏电流计相连，并将镉氨酸酶和漆酶固定在碳纤维传导器上,通过对电流计输出读数的分析,而对酶产物进行分析。这种生物传感器可用于测定大规模的酚类化合物浓度［11]。白志辉等用硫化物杆菌制成的硫化物传感器,
可用于对工业废水、生活污水等基体复杂样品中的硫化物进行测定。Heｉtｚe ｒ等人研制成了一种光学全细胞生物传感器，以对废水中含有的萘和水杨酸盐的生物利用率以及微生物分解活力进行连续的在线监控。主要利用了一种经基因工程改造的荧光假单胞菌指示菌，它在一定条件下暴露于萘和水杨酸盐中将导致生物发光剧增,于萘和水杨酸盐的浓度决定了指示菌的响应强度和时间。此外,生物传感器还可以用于水处理设备的一部分,提高监测效率。研究人员研制的一种新型 pＨ生物传感器，已发展起来用于监测生活污水的卫生状况。主要是基于细菌对葡萄糖的新陈代谢作用，在37℃的温度下,利用肠细菌的生长状况来监测ｐH 值。该传感器可以作为水处理装置的终端，适用于在线检测。完整的预警系统,对于水污染的监测具有重要意义。这样的系统可以对水中的污染物进行检测、分析、信号传输、报警,生物传感器结合报警系统可以实现实时、连续、快速的预警。Shi H 等人研制的全自动在线光生物传感器系统 ( AOBＳ）可实现对微囊藻毒素 LR ( ＭC - ＬＲ）的持续、实时监测,并具有高度敏感和特异性，并应用于太湖MＣ- ＬＲ含量的长期、持续测定和预警[12］。生物传感细胞 ADｐ1－ｐwhlux
在水环境急性毒性检测中的应用针对天然发光菌和以模式微生物为宿主构建的生物传感细胞在急性毒性检测应用中对测试条件要求苛刻等适用性问题ＡDｐ1-pwｈlｕx株基因工程构建的生物传感细胞不动杆菌ＡDｐ1-pwhlｕx应用于急性毒性检测,结果表明AＤp1-pwhlux发光受急性毒物的抑制袁毒物剂量与发光抑制存在剂量效应关系[1３]。
2.3生物传感器技术针对重金属污染方面的研究进展
重金属离子作为一个总体 ,从原则上讲，可以被任何具有-SH 催化基团的酶加以检测。重金属离子和硫醇基的结合会使酶的催化活性降低。Gayeｔ等筛选出了许多适合对金属离子进行检测的氧化酶。这些酶用戊二醛固定在膜的表面,然后将膜放置在溶解氧传感器上面做成探头,可以用来测定重金属离子的浓度。研究发现用这种探头可以测定Hg＋和 Ag+。以用丙酮酸氧化酶制成的生物传感器
为例，当溶液中HgＣl
2的浓度为 1.0μm 或者 Ag
2
ＮO
3
的浓度为0.1μm 时，
响应基线会降低５0％（酶活性降低 5０%)。当这种酶生物传感器的酶失活时，
可以用 10mｍ的 EDＴA 进行清洗再生，从而实现这种传感器的重复使用[１4]。并且重金属污染能通过生物富集作用对动植物及人类产生危害。发光微生物传感器是近年来生物毒性测试中研究最多，最受关注的微生物传感器之一。Ｗang等［15]采用嗜冷杆菌（Ｐsｙchrobaｃteｒ sp．)微生物传感器毒性分析系统，对环境中Hg２+、Cu2＋、Zｎ２+、Cr６+、Cd２+、Pb２+、Co２+等重金属和邻氯苯酚(2-CP）、2，4-二氯酚(２，4-DCP)、邻硝基酚(2-NP）、对硝基酚(4-ＮP)、四环素、十二烷基苯磺酸钠（LAS)等有机物的生物急性毒性进行分析。试验结果表明,基于对数生长后期和稳定期的嗜冷杆菌微生物传感器具有良好的毒性分析性能。有关文献报到重金属离子与DNA之间都会发生相互作用,从而对DNA造成损伤,影响DNＡ的正常复制和表达。基于重金属离子与DNＡ相互作用,研究者开发了很多用于重金属检测的电化学DＮＡ传感器。Ｗong将一段寡核昔酸链固定在金电极上，溶液中的Ｃd２+富集在ＤNＡ链上,最后通过欠电位沉积法检测Ｃd２＋的含量［17]Oliveir ａ利用铅离子导致DＮＡ交联的特性设计了电化学ＤＮA传感器实现了环境中铅离子含量的检测[１8～19]。铅离子介导的DNA交联影响了电化学信号的传导，使信号下降，变化的程度与铅离子浓度成比例。
3．生物传感器在环境中的检测展望
未来一段时期,生物传感器的研究工作将主要围绕: 生物传感器要由单一功能向多功能转变,一个传感器集合多种污染物的检测功能; 利用基因工程技术构建高效的目标菌株，以提高效率和稳定性；解决生物响应的稳定性和生物传感器的微型化、便携式等问题；提高信号检测器的使用寿命，选择活性强、选择性高的生物传感元件; 微型化生物传感器与其它分析仪器、信号终端的集成化,建立高效的生物传感系统，提高预警效率。此外，应用生物传感器得到的检测结果必须得到权威的认可,才可能大规模的应用实际中[20]。通过这些努力，最终逐步市场化和商品化。随着环境保护和其他相关学科技术的发展,生物传感器技术也将发展的更加成熟。不用多久，新一代高灵敏度、低成本、高稳定性等众多优势的生物传感器将在环境监测领域,将发挥更大的作用。
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生物传感器的研究现状及应用 生物传感器？这个熟悉但又概念模糊的名词最近不断出现在媒体报道上，生物传感器相关的研究项目陆续获得巨额的研究资助，显示出越来越受重视的前景。要掌握生命科学研究的前研信息，争取好的研究课题和资金，你怎能不了解生物传感器？ 让我们来看看生物通最近的一些报道： 英国纽卡斯尔大学科学家研发了可用于检测肿瘤蛋白以及耐药性MASA细菌的微型生物传感器。该系统利用一个回旋装置来检测，类似导航系统和气袋的原理。振荡晶片的大小类似于一颗尘埃尺寸，有望可使医生诊断和监测常见类型的肿瘤，获得最佳治疗方案。该装置可以鉴定肿瘤标志物－蛋白以及其它肿瘤细胞产生的丰度不同的生物分子。该小组下一步目标是把检测系统做成一个手持式系统，更加快速方便地检测组织样品。欧共体已经拨款1200万欧元资金给该小组，以使该技术进一步完善。 苏格兰IntermediaryTechnologyInstitutes计划投资1亿2千万英镑发展“生物传感器平台（BiosensorPlatform）”——一种治疗诊断技术。作为将诊断和治疗疾病结合在一起的新兴疗法，能够在诊断的同时，提出适合不同病人的治疗方案，可以降低疾病诊断和医学临床的费用与复杂性，同时具备提供疾病发展和药品疗效成果的能力。目前该技术已被使用在某些乳癌的治疗上，只需在事前做些特殊的测试，即可根据结果决定适合的疗程。这个技术更被医学界视为未来疾病疗程的主流。 来自加州大学洛杉矶分校的研究者使用GeneFluidics开发的新型生物传感器来鉴定引起感染的特定革兰氏阴性菌，该结果表明利用微型电化学传感器芯片已经可以用于人临床样本的细菌检查。GeneFluidics'16-sensor上的芯片包被了UCLA设计的特异的遗传探针。临床样本直接加到芯片上，然后其电化学信号被多通道阅读器获取。根据传感器上信号的变化来判断尿路感染的细菌种类。从样品收集到结果仅需45分钟。比传统方法（需要2天时间）
第12卷第6期重庆科技学院学报(自然科学版2010年12月 收稿日期:2010-07-20 基金项目:重庆市教委科学技术研究资助项目(KJ101315 作者简介:刘艳(1968-,女,四川乐山人,副教授,研究方向为电化学传感器。 在生命科学研究和医学临床检验中,需对各种各样的生物大分子进行选择性测定。据统计,全世界每年要进行数亿次免疫学和遗传学病理检验。常用的检验小型化分析装置和检测方法,成为目前现代分析化学研究领域的前沿课题。 1962年,Clark 提出将生物和传感器联用的设 想,并制得一种新型分析装置“酶电极”。这为生命科学打开一扇新的大门,酶电极也成为发展最早的一类生物传感器。生物传感器结合具有分子识别作用的生物体成分(酶、微生物、动植物组织切片、抗原和抗体、核酸或生物体本身(细胞、细胞器、组织作为敏感元件与理化换能器,能产生间断的或连续的信号,信号强度与被分析物浓度成比例。 电化学生物传感器是将生物活性材料(敏感元件与电化学换能器(即电化学电极结合起来组成的生物传感器。当前,电化学生物传感器技术已在环境监测、临床检验、食品和药物分析、生化分析[2-4]等研究中有着广泛的应用。本文在此综述电化学生物传感器的工作原理、分类及几个当今研究的热点。 1 电化学生物传感器概述 1.1 电化学生物传感器的原理 电化学生物传感器是将生物活性材料(敏感元
件与电化学换能器(即电化学电极结合起来组成的生物传感器。当电化学池中溶液的化学成分变化时,电极上流过的电流或电极表面与溶液的电势差会随之发生变化,这样通过测定电流或电势的 变化就可以获取溶液成分或相应的化学反应的变化信息。 电化学生物传感器是在上述电化学传感器原理的基础上,以具有生物活性的物质作为识别元件,通过特定反应使被测成分消耗或产生相应化学计量数的电活性物质,从而将被测成分的浓度或活度变化转换成与其相关的电活性物质的浓度变化,并通过电极获取电流或电位信息,最后实现特定物质的检测。如图1所示,这类传感器中使用的生物活性材料包括酶、微生物、细胞、组织、抗体、抗原等等。 图1电化学生物传感器的工作原理 1.2电化学生物传感器的类别 生物传感器主要包括生物敏感膜和换能器两部 分。按照敏感元件所用生物材料的不同,电化学生物传感器分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA 传感器等,其中酶电极由于其高效、专一、反应条件温和且具有化学放大作用而成为电化学生物传感器的研究主流。 按照检测信号的不同,电化学生物传感器可分 我国电化学生物传感器的研究进展 刘 艳 (长江师范学院,重庆408100 摘
生物传感器 信研1402 摘要：生物传感器是一种以生物活性单元为敏感元件，结合化学、物理转换元件，对被分析物具有高度选择性的装置,它具有灵敏度高、检测速度快、操作简便、成本低、可进行连续动态监测等优点。本文在介绍生物传感器发展现状、组成及工作原理以及输入输出信号的基础上，对生物传感器的应用进行了综述。 引言 生物传感器技术是一个非常活跃的工程技术研究领域,它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起处在生命科学和信息科学的交叉区域,是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控装置。 一、生物传感器组成 生物传感器(biosensor)，是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。 生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定实现测量，主要由两大部分组成（如图1所示）：一为功能识别物质（分子识别元件又称生物敏感膜），由其去识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础；其二是电、光信号转换装置（换能器），由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。 图1.生物传感器组成结构图
生物传感器识别和检测待测物的一般反应过程为：首先，待测物分子与识别元素接触；然后，识别元素把待测物分子从样品中分离出来；接着，转换器将识别反应相应的信号转换成可分析的化学或物理信号；最后，使用现代分析仪器对输出的信号进行相应的转换，将输出信号转化为可识别的信号。 二、工作原理 生物传感器工作方式分为两种：直接转换为电信号和间接转换为电信号型，间接型是将化学信号、光信号或者热信号等其他信号转换为电信号。 图2.生物传感器工作原理图 三、生物传感器的分类 根据识别元素的不同，生物传感器可分为酶免疫传感器、细胞传感器、微生物传感器、传感器等，，根据输出信号产生的方式生物传感器可分为生物亲和型传感器或催化型生物传感器等。也可依据分子的类型进行分类生物传感器的命名与其分类一一对应，为清晰描述一个传感器的性质，也可将同一传感器在不同领域的分类叠加，如以蛋白质为分子，酶为识别元素，电化学为表征手段的生物传感器可称为蛋白质酶电化学传感器或是酶电化学蛋白质传感器。根据所用换能器和监测物理量、化学量和生物量可分为电化学生物传感器光学生物传感器。 光化学生物传感器是基于待测物能够引起传感器表面某种特定指示剂光吸
阅读报告 生物传感器 教学单位：机电工程学院 专业名称：机械设计制造及其自动化 学号： 学生姓名： 指导教师： 指导单位：机电工程学院 完成时间： 电子科技大学中山学院教务处制发
生物传感器 摘要 传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。 生物传感器(biosensor)，是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）、适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。 关键词:传感器生物传感器
目录 1 生物传感器 (1) 1.1生物传感器简介 (1) 2 生物传感器的介绍 (2) 2.1组成结构及工作原理 (2) 2.2技术特点 (2) 2.3国内外应用发展情况及应用案例 (3) 2.3.1国内应用发展 (3) 2.3.2国外应用发展 (3) 2.3.3应用案例 (4) 参考文献 (6)
SPR生物传感器研究综述 刘小林 (宜春学院,江西宜春336000) 摘 要:SPR生物传感器已广泛应用于易变反应物与传感器表面固定结合配体之间特定定性与定量分析1 文章综述了这种新技术的研究和应用进展情况,传感器的组成和工作原理,传感器表面和固定,应用于实验 的步骤,实验结果与未来发展趋势1 关键词:SPR生物传感器;固定技术;生物大分子 中图分类号:Q6 文献标识码:A 文章编号:1671-380X(2006)04-0120-04 Rev i ews on the Study of Surface Pl a s m on Resonance B i osen sors L I U Xiao-lin (Yichun College1J iangxi Y ichun336000China) Abstract:Surface p las mon res onance bi osens ors have become increasingly popular for the qualitative and quantitative characterizati on of the s pecific binding of a mobile reactant t o a binding partner i m mobilized on the sens or surface1This A rticle revie ws the study devel2 opments of this ne w technique,including sens or surface and i m mobilizati on,an app lied experi m ental p r ocedure,experi m ental results and future pers pectives1 Key words:Surface Plas mon Res onance B i osens or;I m mobilizati on Technique;B i ol ogicalMacr omolecule 1990年,随着SPR生物传感器(Surface p las mon res o2 nance bi osens ors)的传播,可视的光波生物传感器随即被广泛应用并逐渐成为生物大分子间相互作用的定性和定量的检测工具1对照于其他方法,这种生物传感器能察觉到在流动时期结合到被固定在生物传感器表面的特殊反应1SPR 生物传感器部分地引起关注是因为被测的物理量是折射率变化,因此,没有chr omophoric组或被标记的生物大分子是必须要的1另外,SPR生物传感器在结合的过程中提供即时的消息,也适用于μM到sub---n M宽物质间的相互作用1 目前,很多大分子间的相互作用在SPR生物传感器上的应用被公开地应用于多个领域1包括细胞粘附因子,T 细胞抗原受体和MHC-编码分子,受体—配体的相互作用,抗体抗原的相互作用,病毒研究,蛋白质—DNA和DNA--DNA间的相互作用,脂类泡状体或平面双层间的相互作用及与膜结合的单程转录复合物的合成等1除了由B iacore、Upp sala、s weden(B I A core)、I ntersents I nstru ments BV、Amersfoort、Netherlands(I B I S)制造的工业上应用的SPR生物传感器和几种用于装备实验室的SPR生物传感器外,目前只有两种渐消失的光波导耦合方式生物传感器在工业上被应用,这两种生物传感器(Kretsch mann结构为基础的棱镜型和衍射光栅型生物传感器)是以反射原理和光栅配体原理为基础,它们在描述可视物质的相互作用的性能上与SPR生物传感器类似1 用渐消失的光波生物传感器得到的可靠的数据描述化学结合动力学和平衡点,比较于简单的结合定性分析,这是一种费时费力的工作1即便是反应都遵守简单的准一级动力学规律,需要克服的困难却有:(1)固定技术必须按本来的结构结合自由反应物,必须反应均匀,必须达到方位1表面不允许有较多的非特异性结合1(2)相对地小折射率的指标增加的大多数生物大分子必须有限制的集中于传感器表面的结合位点上1(3)自由反应物能有效地运输到反应的传感器表面等问题比混合反应物的问题难解决得多1结果,测量的结合过程曲线受到限制自由反应物的质量转移,和到达传感器表面和在传感器表面上毗邻结合位点的障碍,这些测量的结合过程曲线也同样受到固定反应物不同亚群结合过程重叠和非特异性结合的影响1最近几年,最重大的进展是实验技术的发展使这些问题可以得到解决或降低其影响,在计划上控制实验,在分析程序和诊断上的发展,在结果的描述上都有改进1 SPR生物传感器的基本构造是一个由很薄的金属薄膜(通常是金的或银的)组成的棱镜,这个结构最早由Kretsch mann和Raether提出,光在棱镜内部的全部反射往往激发金属薄膜上的非放射性表面胞质团1这种胞质团是使金属薄膜表面产生等离子膜共振1 1 生物传感器的组成和工作原理 第28卷 第4期2006年8月 宜春学院学报(自然科学) Journal of Yichun University(s ocial science) Aug128,No14 Aug12006 收稿日期:2006-04-17 作者简介:刘小林(1966-),男,江西高安市人,副教授,在读博士研究生,研究方向:农学与生物技术1
生物传感器的应用现状和发展趋势 【摘要】改革开放以来，国民生活的各个方面都取得了明显的进步。随着科学的发展生产力的不断提高，生物传感器的应用越来越广泛。为我们的生产生活带来了很大的方便，研究生物传感器的应用现状和发展趋势，有利于我们对生物传感器进行全面深入的了解，有利于生物传感器的自身发展，同时有利于生物传感器的应用广泛推广。因此有必要详细说明生物传感器的应用现状和发展趋势。 【关键词】生物传感器；应用现状；发展趋势 1.前言 生物传感器作为一种高科技手段，在医学、军事、食品、农业等各个领域均得到了广泛的应用。它具有传感器不可替代的地位，利用生物中独特的物质，通过一系列的化学反应，检测出相关物质。生物传感器相对与传统的传感器相比，具有高灵敏度、高选择度、成本低廉、运用普及度高、污染程度小的特点。因此，研究生物传感器的应用现状和发展趋势具有重要意义。 2.简要介绍生物传感器 Gronow将生物传感器定义为一种含有固定化生物物质（如酶、抗体、全细胞、细胞器或其联合体）并与一种合适的换能器紧密结合的分析工具或系统，它可以将生化信号转化为数量化的电信号。生物传感器一般由两个主要部分组成：一是生物分子识别元件（感受器），是具有分子识别能力的生物活性物质（如酶、抗体、组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、核酸、有机物分子等）；二是信号转换器（换能器），主要有电化学电极、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等。当待测物与分子识别元件特异性结合后，所产生的复合物通过信号转换器转变为可以输出的电信号、光信号等，从而达到分析检测的目的。 3.生物传感器的具体应用 3.1 制药方面 生物传感器在生产药物时具体作用表现为对具体进行生化反应进行检测，生物传感器可以及时的测量有关生化反应的各项数据，并将它及时反馈给系统。在抗癌药物及癌症治疗方面，生物传感器发挥了极其重要的作用。在实验室中对癌细胞进行培养，并把用相应药物与之发生反应，通过生物传感器对实验数据进行测量，来具体观察药物对癌细胞的作用。在不同药物间的对比中，选出最具有抗癌性的药物。 3.2 食品方面
生物传感器综述
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生物传感器课程论文 论文题目：生物传感器技术在环境分析 与检测方面的应用研究进展专业: 分析化学 姓名:雷杰 学号：120１5１305２9 指导教师：晋晓勇 时间：２０1５年1０月23日
生物传感器技术在环境分析与检测方面的应用研究进展 摘要：生物传感器作为一类新兴传感器,它是以生物分子敏感元件,将化学信号、热信号、光信号转换成电信号或者直接产生电信号予以放大输出,从而得到检测结果。文章综述了生物传感器在环境监测,包括水环境、大气环境等领域的应用和最新进展,并展望了环境监测生物传感器的发展前景及发展方向。 关键词:生物传感器技术；环境分析检测;
０.前言 生物传感器这门课属于分析化学和生物化学的一门交叉学科，它涉及到生物化学、电化学等多个基础学科。就目前生物传感器研究的历史阶段，它仍然处于十分活跃的研究阶段,生物传感器的研究逐渐变得专业化、微型化、集成化、也有一些生物相容的生物传感器,生物可控和智能化的传感器制成[1]。基于生物传感器的基本结构和性能，从它的选择性,稳定性，灵敏度和传感器系统的集成化发展的特点和趋势,科研人员主要研究生物传感器在医疗、食品工业和环境监测等方面,它的发展对生产生活都有极大影响，尤其是生物传感器专一性好、易操作、设备简单、可现场检测、便携式、测量快速准确、适用范围广,从而深受研究者的青睐。本文主要概述了近三年来生物传感器在环境分析与检测方面的应用研究，从而对以后生物传感器技术的研究有所帮助与借鉴。 1.生物传感器技术 1.1生物传感器的组成及工作原理 生物传感器主要是由生物识别和信号分析两部分组成。生物识别部分是由具有分子识别能力的生物敏感识别元件构成,包括细胞、生物素、酶、抗体及核酸。信号分析部分通常叫换能器。它们的工作原理一般是根据物质电化学、光学、质量、热量、磁性等,物理化学性质将被分析物与生物识别元件之间反应的信号转变成易检测、量化的另一种信号,比如电信号、焚光信号等,再经过信号读取设备的转换过程，最终得到可以对分析物进行定性或定量检测的数据[2]。 生物传感器识别和检测待测物的工作原理:首先,待测物分子与识别元素接触；然后,识别元素把待测物分子从样品中分离出来；接着,转换器将识别反应相应的信号转换成可分析的化学或物理信号;最后，使用现代分析仪器对输出的信号进行相应的转换，将输出信号转化为可识别的信号。生物传感器的各个部分包括分析装置、仪器和系统也由此构成。生物传感器中的识别元素决定了传感器的特异性,是生物定性识别的决定因素；识别元素与待测分子的亲合力，以及换能器和检测仪表的精密度，在很大程度上决定了传感器的灵敏度和响应速度。
文献综述 葡萄糖生物传感器的进展过程及研究成果 摘要：总结了葡萄糖生物传感器研究的发展过程；阐述了第一代经典葡萄糖酶电极、第二代传递介体传感器及第三代直接传感器的原理和特性，并介绍了其它类型的葡萄糖传感器技术及产品，部分产品在医学上的应用。最后，总结和展望了葡萄糖生物传感器研究及应用的发展趋势。 关键词：葡萄糖；生物传感器；医学领域；进展 引言：葡萄糖传感器是生物传感器领域研究最多、商品化最早的生物传感器。葡萄糖生物传感器的发展基于两个方面的技术基础：第一，葡萄糖是动物和植物体内碳水化合物的主要组成部分，葡萄糖的定量测定在生物化学、临床化学和食品分析中都占有很重要的位置，其分析方法的研究一直引起人们的关注。特别是临床检验中对血糖分析技术的需求，促进了葡萄糖酶分析方法建立；第二，1954年，Clark建立了氧电极分析方法。1956年又对极谱式氧电极进行了重大改进，使使活体组织氧分压的无损测量成为可能，并首次提出了氧电极与酶的电化学反应理论。根据Clark电极理论，自20世纪60年代开始，各国科学家纷纷开始葡萄糖传感器的研究。经过近半个世纪的努力，葡萄糖传感器的研究和应用已有了很大的发展，在食品分析、发酵控制、临床检验等方面发挥着重要的作用[1]。 1 经典葡萄糖酶电极 1962年，Clark和Lyon发表了第一篇关于酶电极的论文[2]。1967年Updik和Hicks首次研制出以铂电极为基体的葡萄糖氧化酶（GOD）电极。用于定量检测血清中的葡萄糖含量[3]。这标志着第一代生物传感器的诞生。 该方法中葡萄糖氧化酶固定在透析膜和氧穿透膜中间，形成一个“三明治”的结构，
再将此结构附着在铂电极的表面。在施加一定电位的条件下，通过检测氧气的减少量来确定葡萄糖的含量。由于大气中氧气分压的变化，会导致溶液中溶解氧浓度的变化，从而影响测定的准确性[4]。 为了避免氧干扰，1970年，Clark对其设计的装置进行改进后，可以较准确地测定 H 2O 2 的产生量，从而间接测定葡萄糖的含量[5]。此后，许多研究者采用过氧化氢电极作 为基础电极，其优点是，葡萄糖浓度与产生的H 2O 2 有当量关系，不受血液中氧浓度变化 的影响。 早期的H 2O 2 电极属于开放型，即铂电极直接与样品溶液接触，干扰比较大。现在的 商品化都是隔膜型（Clark）型，即通过一层选择性气透膜（聚乙烯膜获tefion膜）将电极与外溶液隔开。这样在用于生物样品测定时，可以阻止抗坏血酸、谷胱甘肽、尿素等许多还原性物质的干扰。同时，葡萄糖氧化酶的固定化技术也逐步发展和完善，这些研究包括聚乙烯碳酸酯膜和多孔膜包埋法、重氮化法、牛血清蛋白（BSA）-多聚甲醛膜法、牛血清白蛋白-戊二醛交联法等。1972年，Guilbault在铂电极上覆盖一层掺有葡萄糖氧化酶的选择性膜，保存10个月后相应电极上响应的稳定电流只减少了0.1%，从而制得具有较高稳定性和测量准确性的葡萄糖生物传感器[6]。这一技术被美国Yellow Spring Instrument(YSI)公司采用，于1975年首次研制出全球第一个商业用途的葡萄糖传感器。 目前，葡萄糖酶电极测定仪已经有各种型号商品，并在许多国家普遍应用。我国第一台葡萄糖生物传感器于1986年研制成功，商品化产品主要有SBA葡萄糖生物传感器[7]。该传感器选用固定化葡萄糖氧化酶与过氧化氢电极构成酶电极葡萄糖生物传感分析仪，每次进样两25uL，进样后20s可测出样品中葡萄糖含量，在10～1000mg/L范围内具良好的线性关系，连续测定20次的变异系数小于2%。 2 介体葡萄糖酶电极 在葡萄糖氧化酶电极中引入化学介体（chemical mediator）取代O 2/H 2 O 2 ，作用是把 葡萄糖氧化酶氧化，使之再生后循环使用，而电子传递介体本身被还原，又在电极上被 氧化。利用电子传递介体后，既不涉及O 2，也不涉及H 2 O 2 ，而是利用具有较低氧化电位的 传递介体在电极上产生的氧化电流，在测定葡萄糖时，可以避免其他电活性物质的干扰，提高了测定的灵敏度和准确性。 Cass等[8]将ＧＯＤ固定在石墨电极（graphite electrode）上，以水不溶性二茂铁
DOI ：10．3724/SP．J．1096．2013．20747基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展 高原 1李艳2苏星光*2（电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室1，吉林大学化学学院2，长春130012）摘要近年来，随着石墨烯研究热潮的兴起，将石墨烯用于生物及化学检测的工作也日益增多。本文着重介绍了基于石墨烯及氧化石墨烯（GO ）的光学生物传感器，特别是基于石墨烯的荧光共振能量转移（FRET ） 传感器以及比色法传感器的设计思想和传感特性。 关键词石墨烯；氧化石墨烯；生物传感器；荧光共振能量转移；评述 2012-07-17收稿；2012-09-30接受 本文系国家自然科学基金（Nos．2127506， 21075050）资助项目*E-mail ：suxg@jlu．edu．cn 1引言 石墨烯是一种由纯碳原子的六元环平面结构构成的二维材料 ［1］，是零维的富勒烯、一维的碳纳米管（CNTs ）以及三维石墨结构的构筑基元［2］。它具有非常大的理论比表面积、很高的杨氏模量［3］、超高的光学透过率、优良的导热性［4］和导电性，并能够通过电子转移实现荧光猝灭。目前，人们已将基于石 墨烯的材料广泛应用于诸多领域，如吸附剂 ［5］、催化剂［6］、药物载体［7］等。石墨烯具有的奇特性质，使 得其能够满足高灵敏性传感器设计的需求，并已用于构建光学［8］、电化学［9］及场效应传感器［10，11］、细胞标记［12］及实时监测［13］等。本文介绍了基于石墨烯材料的光学生物传感器的研究进展，重点评述了基于石墨烯基的荧光共振能量转移（FRET ）以及比色法传感器。 2基于石墨烯的荧光共振能量转移传感器 荧光共振能量转移（FRET ）是能量由供体荧光团经无辐射途径转移给受体荧光团，并引起供体荧 光猝灭和受体荧光增强的光学现象， 是测量活体及体外纳米尺度距离及变化的有效手段。近年来，人们致力于开发基于石墨烯材料的FRET 传感器， 将其用于生物及化学检测。FRET 传感器主要由3部分构成：供体、受体（猝灭剂）及供受体之间的桥联媒介。在基于石墨烯的FRET 传感器中，石墨烯及其衍生物既可以作为供体，又可作为受体。一方面，石墨烯由于其结构特点，能够同时猝灭发射波长或结构不同的多种荧光团的荧光，是一种通用的猝灭剂；另一方面，石墨烯及其衍生物经过一定的化学处理，可以产生荧光信号，可作为荧光供体。基于石墨烯的FRET 生物传感器依托于一些生物分子构建的桥联基， 用于调节供体荧光团和受体之间的距离，从而引起荧光的变化。其中，DNA 、蛋白质、多肽等生物分子均 可以作为桥联基。 2．1以石墨烯作为猝灭剂 在报道的基于石墨烯材料的FRET 传感器中，以石墨烯材料作为猝灭剂的居多。氧化石墨烯（GO ）是石墨烯的一种重要衍生物，是化学还原法制备石墨烯的前驱体，在石墨烯片层结构的边缘和表面带有 多种含氧基团， 如羧基、羟基、环氧基等。正是由于这些含氧基团的存在，使其较石墨烯具有更好的水溶性，可以应用于生物体系中。石墨烯及GO 由于其大面积的共轭结构，可以作为能量受体猝灭多种有机染料及量子点的荧光，是一种广适性的荧光猝灭剂。与传统的猝灭剂相比，石墨烯材料具有更高的猝灭 效率，使FRET 传感器具有背景低、信噪比高、可多重检测的显著特点 ［14 16］。2．1．1基于DNA 联接研究表明，石墨烯能区分多种DNA 分子结构，包括ssDNA ，dsDNA 以及茎环 结构等［17，18］。石墨烯及GO 由于其结构特点，对带有裸露的环状结构的化合物具有强烈的吸附能力。第41卷 2013年2月分析化学（FENXI HUAXUE ）特约来稿Chinese Journal of Analytical Chemistry 第2期174 180
生物传感器产业现状和发展前景 冯德荣 1.1 生物传感器概述 生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。它们的共同特征是：探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律,探讨应用于人类经济活动的基本方法。生物传感器技术的研究重点是：广泛地应用各种生物活性材料与传感器结合，研究和开发具有识别功能的换能器，并成为制造新型的分析仪器和分析方法的原创技术，研究和开发它们的应用。生物传感器中应用的生物活性材料对象范围包括生物大分子、细胞、细胞器、组织、器官等，以及人工合成的分子印迹聚合物(molecularly imprinied polymer，MIP)。由于研究DNA分子或蛋白质分子的识别技术已形成生物芯片（DNA芯片、蛋白质芯片）独立学科领域，本文对这些领域将不进行讨论。 生物传感器研究起源于20世纪的60年代，1967年Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧电极组装在一起，首先制成了第一种生物传感器，即葡萄糖酶电极。到80年代生物传感器研究领域已基本形成。其标志性事件是：1985年“生物传感器”国际刊物在英国创刊；1987年生物传感器经典著作在牛津出版社出版；1990年首届世界生物传感器学术大会在新加坡召开，并且确定以后每隔二年召开一次。 此后包括酶传感器的生物传感器研究逐渐兴旺起来，从用一种或多种酶作为分子识别元件的传感器，逐渐发展设计出用其他的生物分子作识别元件的传感器，例如酶—底物、酶—辅酶、抗原—抗体、激素—受体、DNA双螺旋拆分的分子等，把它们的一方固定化后都可能作为分子识别元件来选择地测量另一方。除了生物大分子以外，还可以用细胞器、细胞、组织、微生物等具有对环境中某些成分识别功能的元件来作识别元件。甚至可以用人工合成的受体分子与传感器结合来测定微生物、细胞和相关的生物分子。 与生物活性材料组合的传感器可以是多种类型的物理或化学传感器，如电化学（电位测定、电导测定、阻抗测定）、光学（光致发光、共振表面等离子体）、机械（杠杆、压电反应）、热（热敏电阻）或者电（离子或者酶场效应晶体管）等等。所有这些具有生物识别功能的组合体通称为生物传感器。 按期召开的世界生物传感器学术大会记录了生物传感器技术发展的历程，总汇了这一领域的发展新动向。例如1992年在德国慕尼黑“国际生物传感器流动注射分析与生物工艺控制”学术会议上对生物工艺控制和在线系统进行研讨，至今仍作为研究者攻关的课题。2004年在西班牙格拉纳达会展中心召开的第八届世界生物传感器大会可以说是世界生物分析系统领域的一次大的盛会［1］，参会代表人数和发表论文数量都创造了历史新高。共有700余名来自世界各地的学者参加了本届大会，第八届世界生物传感器大会涉及领域内容空前广泛，对9个专题进行了分组讨论。包括核酸传感器和DNA芯片、免疫传感器、酶传感器、组织和全细胞传感器、用于生物传感器的天然与合成受体、新的信号转导技术、系统整合/蛋白质组学/单细胞分析、生物电化学/生物燃料/微分析系统、商业发展和市场。其中，单分子/细胞分析和生物印迹生物传感器由于它们良好的发展态势及在生命科学研究中的重要位置成为与会学者讨论的热点问题。
生物传感器的应用现状及发展前景 摘要：到来后，获取准确可靠的信息对现代化生产有着重大作用，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。其中生物传感器早已渗透到国民经济的各个部门如食品、制药、、、环境监测等方面。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点。相信不久的将来，生物传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 关键词：生物传感器、应用、前景 一、传感器概述 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由和转换元件组成”。 随着的到来，世界开始进入。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 传感器早已渗透到工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等各个领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 由此可见，在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 传感器的特点主要有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。 常见传感器有、、、、、、、以及等。 二、生物传感器概述 生物传感器是用生物活性材料（酶、、、抗体、抗原等）与换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。 1967年.乌普迪克等制出了第一个生物传感器--葡萄糖传感器。将包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了这种葡萄糖传感器。 生物传感器的分类： ⑴按照感受器生命物质分类，可分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、、DNA传感器等等。
生物传感器的研究现状及应用 摘要：简述了生物传感器尤其是微生物传感器近年来在发酵工业及环境监测领 域中的研究与应用，对其发展前景及市场化作了预测及展望。生物电极是以固定化生物体组成作为分子识别元件的敏感材料，与氧电极、膜电极和燃料电极等构成生物传感器，在发酵工业、环境监测、食品监测、临床医学等方面得到广泛的应用。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。 一、引言 从1962年，clark和lyons最先提出生物传感器的设想距今已有40 年。生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。在最初15年里，生物传感器主要是以研制酶电极制作的生物传感器为主，但是由于酶的价格昂贵并不够稳定，因此以酶作为敏感材料的传感器，其应用受到一定的限制。 近些年来，微生物固定化技术的不断发展，产生了微生物电极。微生物电极以微生物活体作为分子识别元件，与酶电极相比有其独到之处。它可以克服价格昂贵、提取困难及不稳定等弱点。此外，还可以同时利用微生物体内的辅酶处理复杂反应。而目前，光纤生物传感器的应用也越来越广泛。而且随着聚合酶链式反应技术（pcr）的发展，应用pcr的dna生物传感器也越来越多。 二、研究现状及主要应用领域 1、发酵工业 各种生物传感器中，微生物传感器最适合发酵工业的测定。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，微生物传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。 (1).原材料及代谢产物的测定 微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测定，代谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等的测定。测量的原理基本上都是用适合的微生物电极与氧电极组成，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。 在各种原材料中葡萄糖的测定对过程控制尤其重要，用荧光假单胞菌（psoudomonas fluorescens）代谢消耗葡萄糖的作用，通过氧电极进行检测，可以估计葡萄糖的浓度。这种微生物电极和葡萄糖酶电极型相比，测定结果是类似的，而微生物电极灵敏度高，重复实用性好，而且不必使用昂贵的葡萄糖酶。 当乙酸用作碳源进行微生物培养时，乙酸含量高于某一浓度会抑制微生物的生长，因此需要在线测定。用固定化酵母（trichosporon brassicae），透气膜和氧电极组成的微生物传感器可以测定乙酸的浓度。 此外，还有用大肠杆菌（e.coli）组合二氧化碳气敏电极，可以构成测定谷氨酸的微生物传感器，将柠檬酸杆菌完整细胞固定化在胶原蛋白膜内，由细菌―
电化学生物传感器 生物分子的分析检测对获取生命过程中的化学与生物信息、了解生物分子及其结构与功能的关系、阐述生命活动的机理以及对疾病的有效诊断与治疗都具有十分重要的意义。如何高效、快速、灵敏地检测这些生物分子，是当前生命科学领域中面临的一个十分重要的问题。解决这些问题的关键就在于发展各种新型的分析检测技术。生物传感器的出现为有效地解决这些问题提供了新的工具，为生命科学及其相关领域的研究提供了许多新的方法 1电化学生物传感器的基本结构及工作原理 1.1 基本结构 通常情况下，生物传感器由两个主要部分组成即生物识别元件和信号转换器。生物识别元件是指具有分子识别能力，能与待测物质发生特异性反应的生物活性物质，如酶、抗原、抗体、核酸、细胞、组织等。信号转换器主要功能是将生物识别作用转换为可以检测的信号，目前常用的有电化学、光学、热和质量分析几种方法[1]。其中，电化学方法就是一种最为理想的检测方法。 图1 电化学生物传感器的基本结构 1.2 工作原理 电化学生物传感器采用固体电极作基础电极，将生物敏感分子固定在电极表面，然后通过生物分子间的特异性识别作用，生物敏感分子能选择性地识别目标分子并将目标分子捕获到电极表面，基础电极作为信号传导器将电极表面发生的识别反应信号导出，变成可以测量的电信号，从面实现对分析目标物进行定量或定性分析的目的。 2电化学生物传感器的分类
由各种生物分子(抗体、DNA、酶、微生物或全细胞)与电化学转换器(电流型、电位型、电容型和电导型)组合可构成多种类型的电化学生物传感器，根据固定在电极表面的生物敏感分子的不同，电化学生物传感器可分为电化学免疫传感器、电化学DNA传感器、电化学酶传感器、电化学微生物传感器和电化学组织细胞传感器等。 2.1 电化学免疫传感器 电化学免疫传感器是一种将免疫技术与电化学检测相结合的标记免疫分析方法。它是以抗原．抗体特异性反应为基础，将抗原/抗体反应达到平衡状态后的生物反应信号转换成可测量的电信号并通过基础电极将其导出。当采用电化学检测方法测量时，其信号大小与目标分析物在一定浓度范围内成线性关系，从而实现对目标检测物的分析测定。 根据抗原-抗体间的免疫反应的类型，电化学免疫传感器可分为两种：竞争法和夹心法。竞争法的分析原理是基于标记抗原和非标记抗原共同竞争与抗体的反应[2]。而夹心法则是将捕获抗体、抗原和检测抗体结合在一起，形成一种捕获抗体/抗原/检测抗体的夹心式复合物，也称“三明治”式结合物[3]。 图2 竞争法 图3 夹心法 2.2 DNA生物传感器 DNA生物传感器主要检测的是核酸的杂交反应。电化学DNA传感器的工作原理如图所示，即将单链DNA(ssDNA)探针，固定在电极上，在适当的温度、pH、离子
生物传感器的应用与发展趋势 摘要：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，具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续检测的特点。生物传感器的高度自动化、微型化与集成化，减少了对使用者环境和技术的要求，适合野外现场分析的需求，在生物、医学、环境监测，视频，医药及军事医学等领域有着重要的应用价值。 关键词：生物传感器;应用;发展趋势 1生物传感器 从几百年以前,人类就已经在使用生物传感器,而生物传感器的研究始于1962年,Clark和Lyons首先提出使用含酶的修饰膜来催化葡萄糖,用pH计和氧电极来检测相应的信号转变。1967年,Updike和Hick 正式提出了生物传感器这一概念,并成功制备了第一支葡萄糖生物传感器,这一工作对生物学来说具有里程碑意义。生物传感器研究的全面展开是从20世纪80年代开始的,1977年,Kambe等用微生物作识别元素制备了生物传感器,为拓宽检测物的范围,所用到的识别元素不断得到扩展,如细胞、DNA、RNA、抗体等识别元素先后被应用于生物传感器的构筑中。换能器的种类和质量也不断得到提高和发展,随后细胞、DNA、RNA、抗体等识别元素也被应用于生物传感器中。逐渐从电化学向光谱学、热力学、磁力、质量及声波等方向拓展,这也使得生物传感器在种类和应用领域上得到发展。 1.1 生物传感器简介 生物传感器指对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质与适当的理化换能器如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。 将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得检测其对应物的其他传感器。固定感受膜的方法有直接化学结合法；高分子载体法；高分子膜结合法。现已发展了第二代生物传感器:微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器，研制和开发第三代生物传感器，将系统生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器，90年代开启了微流控技术，生物传感器的微流控芯片集成为药物筛选与基因诊断等提供了新的技术前景。由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能，只对特定反应起催化活化作用，因此生物传感器具有非常高的选择性。缺点是生物固化膜不稳定。 在21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。 1.2 生物传感器的分类 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。相应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
生物传感器课程论文 论文题目：生物传感器技术在环境分析 与检测方面的应用研究进展专业：分析化学 姓名：雷杰 学号： 12015130529 指导教师：晋晓勇 时间：2015年10月23日
生物传感器技术在环境分析与检测方面的应用研究进展 摘要：生物传感器作为一类新兴传感器,它是以生物分子敏感元件,将化学信号、热信号、光信号转换成电信号或者直接产生电信号予以放大输出,从而得到检测结果。文章综述了生物传感器在环境监测,包括水环境、大气环境等领域的应用和最新进展,并展望了环境监测生物传感器的发展前景及发展方向。 关键词：生物传感器技术；环境分析检测；
0．前言 生物传感器这门课属于分析化学和生物化学的一门交叉学科，它涉及到生物化学、电化学等多个基础学科。就目前生物传感器研究的历史阶段，它仍然处于十分活跃的研究阶段，生物传感器的研究逐渐变得专业化、微型化、集成化、也有一些生物相容的生物传感器，生物可控和智能化的传感器制成[1]。基于生物传感器的基本结构和性能，从它的选择性，稳定性，灵敏度和传感器系统的集成化发展的特点和趋势,科研人员主要研究生物传感器在医疗、食品工业和环境监测等方面，它的发展对生产生活都有极大影响，尤其是生物传感器专一性好、易操作、设备简单、可现场检测、便携式、测量快速准确、适用范围广，从而深受研究者的青睐。本文主要概述了近三年来生物传感器在环境分析与检测方面的应用研究，从而对以后生物传感器技术的研究有所帮助与借鉴。 1.生物传感器技术 1.1生物传感器的组成及工作原理 生物传感器主要是由生物识别和信号分析两部分组成。生物识别部分是由具有分子识别能力的生物敏感识别元件构成，包括细胞、生物素、酶、抗体及核酸。信号分析部分通常叫换能器。它们的工作原理一般是根据物质电化学、光学、质量、热量、磁性等，物理化学性质将被分析物与生物识别元件之间反应的信号转变成易检测、量化的另一种信号，比如电信号、焚光信号等，再经过信号读取设备的转换过程，最终得到可以对分析物进行定性或定量检测的数据[2]。 生物传感器识别和检测待测物的工作原理：首先，待测物分子与识别元素接触；然后，识别元素把待测物分子从样品中分离出来；接着，转换器将识别反应相应的信号转换成可分析的化学或物理信号；最后，使用现代分析仪器对输出的信号进行相应的转换，将输出信号转化为可识别的信号。生物传感器的各个部分包括分析装置、仪器和系统也由此构成。生物传感器中的识别元素决定了传感器的特异性，是生物定性识别的决定因素；识别元素与待测分子的亲合力，以及换能器和检测仪表的精密度，在很大程度上决定了传感器的灵敏度和响应速度。