测控技术前沿--高新技术讲座

测控技术前沿姓名：祁艳栋学号：11192114学院：生命信息与仪器工程学院专业：电子信息技术及仪器目录引言 (2)1、生物传感器的定义及用途 (3)2、生物传感器的检测原理及分类 (3)2.1检测原理 (3)2.2 生物传感器的分类 (4)3、生物传感器在医学领域的应用现状 (4)3.1生物传感器在医学中的基础应用 (4)3.1.1 基础研究 (4)3.1.2 临床应用 (5)3.2 生物传感器在军事医学中的应用 (5)3.2.1 在化学战剂检测中的应用 (5)3.2.2 在生物战剂检测中的应用 (5)4、生物传感器的应用前景 (6)5、生物传感器的发展动向 (6)6、结束语 (7)参考文献 (7)生物传感器在医学上的应用祁艳栋杭州电子科技大学生命信息与仪器工程（310018）[摘要] :生物传感器具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂体系中进行在线连续监测等特点。

本文综述了生物传感器的基本概念、基本原理、特点、分类及在学领域中的应用,并对它的发展前景进行了展望。

[关键词]：生物传感器医学领域应用发展前景引言生物的基本特征之一, 是能够对外界的各种刺激做出反应。

其所以能够如此, 首先是由于生物能感受外界的各类刺激信号, 并将这些信号转换成体内信息处理系统所能接收并处理的信号。

例如, 人能通过眼、耳、鼻、舌、身等感觉器官将外界的光、声、温度及其它各种化学和物理信号转换成人体内神经系统等信息处理系统能够接收和处理的信号。

现代和未来的信息社会中, 信息处理系统要对自然和社会的各种变化做出反应,首先需要通过传感器将外界的各种信息提取出来并转换成信息系统中的信息处理单元( 即计算机) 能够接收和处理的信号。

生物传感器是由生物、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，主要用于生物医学信息的检测。

1962年英国学者Clark和Lyons最先提出，可以将酶反应的高度特异性和电极响应的高度灵敏结合起来，由此提出酶电极概。

1967年，updike和Hicks成功的研制出第一个以铂电极为基本的葡萄糖氧化酶传感器。

70年代，相继出现了电流型和电位型微生物电极、组织电极、线粒体电极。

80年代，利用生物反应的光效应、热效应、场效应和质量变化而开发的生物传感器蓬勃发展，开始了生物电子学传感器的新时代。

我国的生物传感器就始于这一时期：1983年梁逸曾将其全面系统地介绍给了国内化学界。

90年代，虽然我国生物传感器的某些研究项目处于国际领先地位，但目前国内尚无真正商品化的传感器面市，总体研究水平与国际上还有一段差距。

到目前为止，生物传感器大致经历了个发展阶段：第一代生物传感器是由固定了生物成分的非活性基质膜和电化学电极组成；第二代生物传感器是将生物成分直接吸附或共价结合到换能器表面，而无需非活性的基质膜，测定时不必向样品中加入其它试剂；第三代生物传感器是把生物活性成分直接固定在电子元件上，它们可以直接感知和放大界面物质变化,从而把生物识别和信号转换处理结合在一起。

1、生物传感器的定义及用途生物传感器是用固定化的生物活性材料( 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。

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。

生物医学传感器的主要用途: (1)提供生物医学检测的信息；(2)提供连续监护的信息；(3)提供人体疾病治疗和控制的信息；(4)提供临床检验的信息。

2、生物传感器的检测原理及分类2.1检测原理生物传感器由两部分构成, 即生物敏感膜和换能器。

生物传感器的检测原理：待测物质进入生物活性材料(如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电、声、光等信号。

再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。

传感器的结构一般由两部分组成，其一是生物分子识别元件(感受器)，是指将一种或数咱相关生物活性材料固定在其表面(也称生物敏感膜)；其二是能把生物活性表达的信号转换为电、声、光等信号的物理或化学换能器，二者结合在一起，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。

2.2 生物传感器的分类根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感物质可分为: 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。

根据生物传感器的信号转换器可分为:电化学生物传感器、半导体生物传感器、热学生物传感器、光学生物传感器、声学生物传感器等。

根据生物传感器中生物敏感物质相互作用的类型可分为: 催化型生物传感器、亲和型生物传感器、代谢型生物传感器。

3、生物传感器在医学领域的应用现状3.1生物传感器在医学中的基础应用生物传感器在医学领域发挥着越来越大的作用: 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。

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。

在军事医学中, 对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。

生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。

生物传感器还可以用来测量乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸,以及各种致癌和致变物质。

3.1.1 基础研究生物传感器可实时监测生物大分子之间的相互作用。

借助于这一技术动态观察抗原、抗体之间结合与解离的平衡关系, 可较为准确地测定抗体的亲和力及识别抗原表位, 帮助人们了解单克隆抗体特性, 有目的地筛选各种具有最佳应用潜力的单克隆抗体, 而且较常规方法省时、省力, 结果也更为客观可信, 在生物医学研究方面已有较广泛的应用。

如刘雪松等用生物传感器测定重组人肿瘤坏死因子- A单克隆抗体的亲和力及抗原识别表位。

随着DNA电化学研究的深入, 以及电子技术的迅速发展, 结合了生物杂交特异性和电化学技术灵敏、简单特点的电化学DNA生物传感器已用于快电化学生物传感器测定了艾滋病和乙肝病毒的DNA片段序列。

3.1.2 临床应用用酶、免疫、基因传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分, 为医生的诊断提出依据。

如刘芳等在石英晶体金表面固定单链DNA, 构成压电晶体HBV、DNA生物传感器, 与待测样品进行杂交反应, 能准确诊断血清中的HBV 病毒基因。

3.2 生物传感器在军事医学中的应用目前, 生物传感器在军事医学上主要用于化学、生物战剂的侦检。

美国、瑞典在化学传感器和生物传感器方面的研究处于世界领先地位。

自1980年以来, 美军一直将生物传感器列入国防关键技术研究计划。

在瑞典召开的近几届国际防化学术讨论会上, 许多国家的学者将生物传感器视为新一代毒剂检测器的主要研究方向。

3.2.1 在化学战剂检测中的应用目前, 研究和使用最多的是乙酰胆碱脂酶传感器。

20世纪50年代,就有人设计了沙林毒剂的酶检测方法, 可检出011-015ppm的沙林。

这一方法至今仍被各国普遍用于神经性毒剂侦毒包和报警器中。

瑞典国防研究院研究的侦毒纸能够检测每立方米空气中011-013mg 的神经性毒剂；美军利用酶生物传感器制作对所有化学战剂都能进行快速、准确检测的自侦报警器; 荷兰的A-CAL报警系统、英国的NAIAD报警探测器和我国的酶报警器都是利用神经性毒剂抑制胆碱酯酶的原理设计的。

3.2.2 在生物战剂检测中的应用美军发展的M93A1FOX核化生预警系统( NBCRS) 和XM31生物综合监测系统( BIDS) 可自动预警和检测生物战剂。

它通过生物发光检测ATP；采用流式细胞仪和不同抗原抗体反应检测病原菌, 如炭疽芽孢杆菌、鼠疫杆菌、肉毒毒素和葡萄球菌肠毒素B。

目前, 正在开发检测布氏杆菌、土拉弗菌、蓖麻素及其他战剂的方法。

4、生物传感器的应用前景酶法分析和酶传感器是现有神经性毒剂侦检和报警的主要手段，由于其检测原理是基于神经性剂对胆碱脂酶的不可逆抑制，不能区分在结构上稍有差异的沙林、梭曼和VX，因此需要研究新的毒剂生化检测。

免疫分析法选择性好，抗体对毒剂的识别有特异性，特别是单克隆抗体只能识别特定结构的抗原，可以区别性质相似的同系物、同分异构体，甚至立体异构体，即抗体比酶具有更好的特异性, 而且抗体-抗原的复合体相对稳定，不易解离，且可通过改变溶液的pH使抗体复原, 不像酶-毒剂的复合体仅作为过渡态存在，酶不能复活。

基于这些原因，各国正在普遍开展毒剂免疫分析法的研究，但由于化学战剂均为小分子化合物，没有免疫原性，因此，制备有效的人工抗原是建立化学战剂免疫测定方法的关键。

核酸探针技术可能成为惟一可用的快速、准确地鉴定病毒、细菌等生物战剂的手段，该技术的应用难度在于要鉴定生物战剂的核苷酸序列和合成相应的DNA 或RNA特效探针。

受体传感器用于侦检生物战剂和毒素是有效的，用于检测神经性毒剂在原理上是可行的，但在受体的制备、固定化、贮存稳定性等方面却存在一定困难。

作为毒剂传感器的主要发展方向，受体传感器的研究很有前景。

5、生物传感器的发展动向生物传感器目前正朝着以下几个方面发展:（1）向高性能、微型化、一体化方向发展；（2）将生物传感器与计算机结合，构成生化检测的智能化系统，这种系统具有自动采集数据、数据库管理及用人工智进行数据处理等能力；（3）仿生生物学的发展，使得开发出模仿蝙蝠遥测定位和青蛙遥测温度之类的高灵敏生物传感器。

6、结束语生物传感器历经20多年来的研制开发,发展迅速，时至今日，已在环境监测、医学领域、食品工业和发酵工业等诸多方面得到广泛应用。

但学无止境，对于生物传感器的研究，这还只是个开端，相信在未来的努力中，它的研究会日益发展。

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