环境分析化学 生物传感器 Biosensor

生物传感器原理(biosensor)
生物传感器(biosensor)
 生物传感器是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。

生物传感器具有接受器与转换器的功能。

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。

 生物传感器涉及的是生物物质，主要用于临床诊断检查、治疗时实施监控、发酵工业、食品工业、环境和机器人等方面。

 生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学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。

在未来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。

各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

Biosensors for EnvironmentalMonitoring近年来，随着人们对环境污染的日益关注，环境监测成为国家、企事业单位以及个人不可或缺的工作。

为了更加快速、准确地监测环境中的有害物质，人类研发出了一种叫做“生物传感器”（Biosensors）的技术。

本文就来探讨一下这个话题，为大家介绍一下生物传感器在环境监测中的应用。

一、生物传感器的定义什么是生物传感器？其实，生物传感器可以称作是一种整合型的分析技术，能够利用生物分子对目标分子（如重金属、农药、有机物等）的高度选择性识别，通过将这种识别转化成可量化的信号输出，实现对目标分子的快速、准确检测，并同时将检测结果在屏幕上展示出来。

二、生物传感器的分类按照生物传感器对于目标分子检测的方式，可以将生物传感器分为三种类型：1. 酶传感器利用酶对目标分子的催化作用，输出能量信号，实现目标分子的快速、准确检测。

例如：葡萄酒中酚类物质和硫酸盐的定量分析。

2. 抗体传感器利用特异性高的抗体来识别抗原，并实现抗原的定量测定。

例如：检测生物体内的肿瘤标志物。

3. 核酸传感器利用DNA或RNA分子上的特定序列在目标分子的存在下产生变化，输出相关信号，实现目标分子的快速、准确检测。

例如：检测口罩、鲜花等物品中的导致变质的细菌。

三、生物传感器在环境监测中的应用对于环境监测而言，常见的目标分子有：重金属离子、氨氮、挥发性有机物、农药、镉、汞等。

这些有害物质的监测对于人们的健康和安全至关重要。

因此，生物传感器在环境监测中的应用也日益受到重视。

1. 氨氮监测氨氮是常见的污染物之一，对于水体、空气和土壤污染都有着重要的影响。

利用生物传感器技术，可以快速、准确地检测出氨氮浓度，从而减少环境中氨氮造成的危害。

例如，可以制作一种根据电解水的PH值快速检测出氨氮浓度的氨氮生物传感器。

2. 水污染监测水污染是一种常见的环境问题。

生物传感器技术已经应用于污水治理中，可以便捷、高效地检测出水中各种有害物质，如重金属、有机物和氮及磷化合物。

生物传感器的设计与制备生物传感器（biosensor）已成为生物学、生化学、医学等领域的重要技术。

生物传感器的原理是利用化学、物理、生物学等方法将生物大分子（如酶、抗体、DNA）与传感器材料相结合，使其具有高度的选择性和灵敏度，从而实现对生物环境中特定物质的检测和定量。

生物传感器具有应用广泛、检测灵敏、实时性好等优点，被广泛应用于医药、环境、卫生等领域。

本文将简要介绍生物传感器的设计与制备方法。

一、生物大分子的选择生物传感器的核心部分是生物大分子，包括酶、抗体、DNA等。

这些生物大分子具有高度的选择性和特异性，可以实现对特定物质的检测和定量。

生物大分子的选择应根据检测目标的特性来确定。

例如，对葡萄糖的检测可以选择葡萄糖氧化酶或葡萄糖酸脱氢酶作为生物大分子；对肿瘤标记物的检测可以选择相应的抗体。

生物大分子的选择关系到生物传感器的检测范围和检测灵敏度。

二、传感器材料的选择传感器材料是建立生物传感器的物质基础，应具有高度的灵敏度和选择性。

常用的传感器材料有电化学材料、光学材料、催化剂、纳米材料等。

例如，利用电化学材料制备的生物传感器可以实现快速、灵敏的电信号检测；光学材料可以实现对光信号的检测；利用催化剂可以加速反应速度，提高检测的灵敏度。

传感器材料的选择应考虑生物大分子的特性和反应机理。

三、生物大分子的修饰生物大分子与传感器材料的结合通常需要通过化学修饰的方法进行。

生物大分子的修饰可通过交联、化学修饰、共价键合等方式实现。

例如，将葡萄糖氧化酶修饰到电极表面，可采用交联法和共价键合法。

交联法通常利用聚乙二醇、凝胶等进行修饰，其优点是具有较强的稳定性和免疫原性；共价键合法则利用特定的交联剂，可实现较紧密的结合。

生物大分子的修饰应考虑到修饰方法对其活性的影响以及与传感器材料间的相容性。

四、传感器的制备传感器的制备是生物传感器的关键步骤，应考虑到传感器材料的特性和生物大分子的修饰情况。

传感器的制备通常涉及物理、化学、电化学等多个领域。

电化学生物传感器原理、发展趋势及应用一、电化学生物传感器的检测原理电化学生物传感器（electrochemical biosensor）是指由生物材料作为敏感元件，电极（固体电极、离子选择性电极、气敏电极等）作为转换元件，以电势或电流的变化为特征检测信号的传感器，简称生物电极。

这类传感器发展最早，研究内容十分丰富，并已经得到广泛应用。

电流型传感器主要基于探测生物识别膜或化学反应中的电活性物质，通过固定工作电极的电位提供电活性的电子转移反应驱动力，探测电流随时间的变化。

该电流直接反映了生物分子识别和电子转移反应的速度，即该电流与待测物质的浓度成正比。

电位型传感器将生物识别反应转换为电位信号，该信号与生物识别反应过程中产生或消耗的活性物质浓度对数成正比，从而与待测物质浓度的对数成正比。

电位型离子选择电极的选择性渗透离子导电膜可设计成与待测离子相关的产生电位信号的敏感膜，测试在电流为零的条件下进行。

根据作为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。

电化学生物传感器具有以下特点：1.适合于对生物体液中的物质活度测定的需要，响应直观，通过计算机联用，可直接读出待测生物物质的浓度或活度。

2.由于其具有分子识别的功能和高选择性，在许多测定中，样品无需复杂处理，操作简便，易于自动化监测，可连续监测患者的血液物质浓度。

3.测定速度快电讯号的输出和测定响应快速，通过与计算机的接口还可进行多成分同时测定。

4.试样用量少可以将敏感探头微型化，只需微升级样品即可完成分析。

如有的K+、Ca2+、Cl-、Na+及CO2分析仪仅需50μl样品，每小时可测100个样品，这为临床检验缩短检测周期提供了条件。

5.可对体内物质直接和动态测量。

将微小探头埋在体内或留置于血管中，可以指示体内物质的变化，有利于床旁或现场检测。

6.灵敏度高例如AFP免疫电极可测定10-8～10-10 g/ml的浓度。

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。

、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。

生物传感器被浏物g S 样品生物传感器识别和检测待测物的一般反应过程为：图1■生物传感器组成结构图首先，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。

m AK :: Aoalyl白、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。

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1. 网络技术1.1 网络安全技术网络安全是网络世界中的关键问题之一，以下是一些与网络安全相关的英语词汇：1.1.1 防火墙（Firewall）- 用于保护网络免受未经授权的访问或攻击。

1.1.2 恶意软件（Malware）- 指由黑客或攻击者开发的有害软件，包括病毒、间谍软件和僵尸网络。

1.1.3 加密（Encryption）- 将信息转换为编码形式，以保护其机密性。

1.1.4 虚拟专用网络（VPN）- 一种通过公用网络创建私密网络连接的技术。

1.2 云计算技术云计算是近年来兴起的一项颠覆性技术，以下是云计算相关的英语词汇：1.2.1 云存储（Cloud storage）- 通过互联网将数据存储在远程服务器上。

1.2.2 软件即服务（Software as a Service，SaaS）- 一种提供软件应用程序的服务模式，用户通过云平台访问和使用软件。

1.2.3 弹性计算（Elastic computing）- 可根据需求自动调整计算资源的能力。

1.2.4 虚拟化（Virtualization）- 通过将物理资源（如服务器、存储设备）虚拟化，提高资源利用率和灵活性。

2. 人工智能人工智能是近年来科技界的热门话题，以下是与人工智能相关的英语词汇：2.1 机器学习（Machine Learning）- 让计算机通过学习数据和模式来提高性能，而不是通过明确的编程。

2.2 深度学习（Deep Learning）- 一种基于人工神经网络的机器学习方法，模仿人类大脑的工作方式。

2.3 自然语言处理（Natural Language Processing，NLP）- 让计算机能够理解、处理和生成自然语言。

生物传感器技术在环境监测中的应用与挑战随着环境污染和气候变化问题的日益严峻，环境监测也愈发重要。

传统的环境监测方法需要耗费大量时间、金钱和人力，而且精度有限。

因此，在当今科技快速发展的时代，生物传感器技术作为一种高效、精确、敏感和能够实时监测的新型技术引起人们的广泛关注。

本文将介绍生物传感器技术在环境监测中的应用及挑战。

一、生物传感器技术概述生物传感器技术是一种利用生物元件和传感器天然互作的原理，非常适用于生物监测、生物检测领域。

它主要包括三个重要组件：生物元件（biosensor element）、信号变换器（signal transducer）和信号处理器（signal processor）。

生物元件一般是通过特定的生化反应或生物相互作用转换检测目标物（如细菌、病毒、细胞等）的技术，它可以是检测目标物的抗体、酶、受体、核酸等。

信号变换器可以将生物反应能够转化成测量用的电磁或荧光信号，如通过光学、电化学或生化荧光。

信号处理器则主要是将采集到的信号进行转换、放大、滤波、数字化等操作，实现信号的准确探测和分析。

生物传感器技术相对传统检测技术高速度、高精度、高灵敏度，被广泛应用于生命科学、医疗健康、环境污染检测、食品安全检测等领域。

二、生物传感器技术在环境监测中的应用2.1 水质监测水资源作为人类赖以生存的重要资源之一，其质量对人类的健康和环境保护至关重要。

传统的水质监测方法需要大量的人力物力，在时间和成本上都非常昂贵。

而生物传感器技术可以实现水质实时监测，不仅可以有效降低成本，还可以更加精确地反映水质变化，及时发现和处理水质问题。

例如，利用细胞进行舒展和收缩来测量水中的毒素浓度，也可以通过检测特定的细胞酶的活性来快速检测水中的有毒污染物。

2.2 空气质量监测空气污染已成为近年来全球所关注的热点问题之一。

空气中的各种污染物，如PM2.5、VOC等，严重影响了人类的健康和生活质量。

生物传感器技术在空气污染监测领域具有很大的发展潜力。

[文章编号]1002-0179(2008)06-1517-02生物传感器研究进展高志勇(渭南师范学院环境与生命科学系,陕西渭南　714000) [中图分类号]Q4-33;R31816 [文献标志码]D　基金项目:渭南师范学院研究生专项科研项目(08YK Z 005) 生物传感器(biosens or )是一类特殊形式的传感器[1],是一种对生物物质敏感并将其待测物质转换为声、光、电等信号进行检测的仪器。

它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)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。

1　生物传感器的历史发展1962年Clark 等提出了把酶与电极结合来测定酶底物的设想,1967年Updike 和Hicks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,研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶电极,用于定量检测血清中葡萄糖含量,标志着生物传感器的诞生。

随后改用其它的酶或微生物等固化膜,便可制得检测其对应物的其它传感器。

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,将生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器。

生物传感器是用生物活性材料(酶、蛋白质、DNA 、抗体、抗原、生物膜等)与物理化学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。

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,在医学临床诊断[2,3]、工业控制、食品和药物分析(包括生物药物研究开发)[4,5]、环境保护以及生物技术[6～8]、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。

生物工程专业英语常用词汇1. 细胞（cell）细胞是生物的基本结构和功能单位。

2. 基因（gene）基因是遗传信息的基本单位，决定了生物的遗传特征。

3. DNA分子（DNA molecule）DNA分子是携带遗传信息的分子，由核苷酸组成。

4. 蛋白质（protein）蛋白质是生物体内重要的分子，执行多种生物功能。

5. 生物反应器（bioreactor）生物反应器是用于培养和生产生物制品的设备。

6. 发酵（fermentation）发酵是生物工程中常用的生物转化过程，用于产生有用化合物。

7. 遗传工程（genetic engineering）遗传工程是改变生物体遗传特征的技术，如基因插入、基因删除等。

8. 转基因（transgenic）转基因指导入外源基因到生物体，改变其遗传特征。

9. 组织工程（tissue engineering）组织工程是利用细胞和支架材料重建和修复组织和器官的技术。

10. 生物传感器（biosensor）生物传感器是一种能够检测和测量生物分子或生物活性的装置。

11. 微生物（microorganism）微生物是肉眼看不见的微小生物体，如细菌、真菌等。

12. 生物药物（biopharmaceutical）生物药物是利用生物工程技术生产的药物，如蛋白质药物等。

13. 基因组（genome）基因组是一个生物体所有基因的集合。

14. 克隆（cloning）克隆是复制生物体的过程，产生与原生物体基因相同的个体。

15. 基因表达（gene expression）基因表达是基因转录和翻译的过程，产生蛋白质。

以上是生物工程专业常用的英语词汇，可以帮助你更好地理解和交流相关的知识和概念。