生物传感器的研究及应用分析

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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

I 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

II 目 录

1 生物传感器 ................................................................................................................................. 1

1.1 生物传感器简介 ................................................................................................................... 1

汾矛虫＊

生物传感器的应用

宋玲玲员△（综述），肖摇瑞圆，陈苏红圆※（审校）（员援军医进修学院，北京员园园愿缘猿；圆援军事医学科学院放射与辐射医学研究所，北京员园园愿缘园）中图分类号：砸猿怨圆援员摇摇摇摇摇文献标识码：粤摇摇摇摇摇文章编号：员园园远鄄圆园愿源（圆园员圆）员园鄄员源源员鄄园猿

基金项目：国家自然科学基金（

猿员员园园苑员圆）摇摇摘要：生物传感器是在生命科学、材料科学融合的基础上形成的一项新技术。因其具有快速、灵敏度高、特异性强、可实现实时检测、在线检测等优点，逐渐成为研究的热点并在更多的领域得到应用。在此主要从生物传感器的原理和分类，及其在食品安全、环境监测、医药、病原茵检测等领域的应用等方面进行介绍，并对其发展的前景进行展望。关键词：生物传感器；应用；纳米粒子粤责责造蚤糟葬贼蚤燥灶燥枣月蚤燥鄄泽藻灶泽燥则摇杂韵晕郧蕴蚤灶早鄄造蚤灶早员，载陨粤韵砸怎蚤圆，悦匀耘晕杂怎鄄澡燥灶早圆援（员援悦澡蚤灶藻泽藻孕蕴粤孕燥泽贼早则葬凿怎葬贼藻酝藻凿蚤糟葬造杂糟澡燥燥造，月藻蚤躁蚤灶早员园园愿缘猿，悦澡蚤灶葬；圆援月藻蚤躁蚤灶早陨灶泽贼蚤贼怎贼藻燥枣砸葬凿蚤葬贼蚤燥灶酝藻凿蚤糟蚤灶藻，粤糟葬凿藻皂赠燥枣酝蚤造蚤贼葬则赠酝藻凿蚤鄄糟葬造杂糟蚤藻灶糟藻泽，月藻蚤躁蚤灶早员园园愿缘园，悦澡蚤灶葬）粤遭泽贼则葬糟贼：月蚤燥泽藻灶泽燥则蚤泽葬灶藻憎贼藻糟澡灶燥造燥早赠，憎澡蚤糟澡蚤泽遭葬泽藻凿燥灶造蚤枣藻泽糟蚤藻灶糟藻泽，皂葬贼藻则蚤葬造泽泽糟蚤藻灶糟藻葬灶凿泽燥燥灶援月藻糟葬怎泽藻蚤贼澡葬泽皂葬灶赠葬凿增葬灶贼葬早藻泽，泽怎糟澡葬泽则葬责蚤凿，澡蚤早澡泽藻灶泽蚤贼蚤增蚤贼赠，泽贼则燥灶早泽责藻糟蚤枣蚤糟蚤贼赠，则藻葬造鄄贼蚤皂藻凿藻贼藻糟贼蚤燥灶，燥灶造蚤灶藻凿藻贼藻糟贼蚤燥灶藻贼糟援，蚤贼澡葬泽早则葬凿怎葬造造赠遭藻糟燥皂藻葬澡燥贼则藻泽藻葬则糟澡枣燥糟怎泽葬灶凿蚤泽蚤灶糟则藻葬泽蚤灶早造赠怎泽藻凿蚤灶增葬则蚤燥怎泽枣蚤藻造凿泽援匀藻则藻蚤泽贼燥皂葬噪藻葬则藻增蚤藻憎燥灶贼澡藻责则蚤灶糟蚤责造藻葬灶凿糟造葬泽泽蚤枣蚤糟葬贼蚤燥灶燥枣遭蚤燥泽藻灶泽燥则泽，蚤贼泽葬责责造蚤糟葬贼蚤燥灶蚤灶枣燥燥凿泽葬枣藻贼赠贼藻泽贼蚤灶早，藻灶增蚤鄄则燥灶皂藻灶贼皂燥灶蚤贼燥则蚤灶早，皂藻凿蚤糟蚤灶藻葬灶凿贼澡藻凿藻贼藻糟贼蚤燥灶燥枣责葬贼澡燥早藻灶，藻贼糟援，葬灶凿蚤贼泽枣怎贼怎则藻责则燥泽责藻糟贼援运藻赠憎燥则凿泽：月蚤燥泽藻灶泽燥则泽；粤责责造蚤糟葬贼蚤燥灶；晕葬灶燥责葬则贼蚤糟造藻泽摇摇员怨远圆年，悦造葬则噪和蕴赠燥灶泽发表了第一篇关于酶电极的论文［员］，提出将生物与传感器结合起来，从而制成了第一支酶电极，这标志着生物传感器时代的到来。生物传感器自诞生以来，就受到研究人员的极大关注，先后经历了安培葡萄糖生物传感器和以二茂铁及其衍生物为基质的生物传感器，直到现在引入了电极以及纳米粒子等的第三代生物传感器。现主要对生物传感器的原理及其在食品、环境、医疗卫生等领域的最新研究应用进行综述，旨在提供它的最新研究成果和未来的发展方向。员摇生物传感器的原理和分类生物传感器是将生物活性物质（酶、微生物、抗原或抗体、组织切片、受体、腺体、核酸、细胞等）作为识别元件与理化换能器有机结合而形成的一种检测装置，它根据待测物质的含量与所产生的信号具有一定的比例关系的原理达到检测的D的。生物传感器有很多分类方法：根据生物识别元件的不同，可分为酶生物传感器、微生物传感器、组织生物传感器、细胞生物传感器和阅晕粤生物传感器等；根据换能系统的不同，可分为电化学生物传感器和光学生物传感器，前者包括适配体传感器和电导辕电容生物传感器等，后者包括表面等离子体共振生物传感器和光纤生物传感器等；根据生物敏感物质相互作用的方式不同，可分为亲和型和代谢型两种。生物传感器与传统检测方法相比，具有以下优点：①一般不需要对被检测样品进行预处理，操作简单；②响应时间短，信号容易判读；③检测灵敏度高、特异性强、重复性好；④携带方便，操作简单，成本低；⑤可以实现实时和在线检测。圆摇生物传感器的应用经过不断发展，与传统方法相比，生物传感器在食品安全、环境监测、医疗卫生以及生物恐怖剂的检测等方面表现出越来越明显的优势。圆援员摇在食品安全方面的应用研究摇近年来，随着人们生活水平的提高和健康意识的增强，食品的安全日益被提上日程。但是，由于传统的检测方法时间长，成本高，操作繁琐，不能实现快速、特异、高灵敏的检测，因此不能满足当前需要，而生物传感器恰恰弥补了这些不足并日益成为研究的热点。莱克多巴胺是酚醛类β激动剂，最初被用来作为治疗卜力衰竭的强卜药和兽药，后来被广泛用于畜牧业，以提高动物的蛋白含量。然而，被喂食多巴胺的动物对消费者的健康存在潜在的威胁，急需一种对多巴胺残留量进行准确、快速、经济的检测方法。蕴怎等［圆］通过将莱克多巴胺的衍生物固定在杂孕砸鄄圆园园源生物传感器芯片上制成的表面等离子体生物传感器，可用于检测猪肉中残留的莱克多巴胺。猪肉样品先用高氯酸革取，再用醋酸乙酯进行清洗，最后在杂孕砸鄄圆园园源生物传感器上完成检测。莱克多巴胺检测限为园援远μ早辕噪早猪肉样本，并且其回收率跃愿园豫，相对标准偏差约员园豫。虽然超高效液相色谱鄄串联质谱法和生物传感器对检测的样品采取了相同的预处理，但是后者通过建立纯溶液和基质匹配校准曲线表现出较小的基体干扰。·员源源员·医学综述圆园员圆年缘月第员愿卷第员园期酝藻凿蚤糟葬造砸藻糟葬责蚤贼怎造葬贼藻，酝葬赠援圆园员圆，灾燥造援员愿，晕燥援员园

新型葡萄糖生物传感器的构筑、机理及应用研究

【摘要】：葡萄糖是动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临床化学、生物化学和食品分析中都占有很重要的地位,葡萄糖的分析与检测方法一直是研究的热点之一。随着人们生活水平的提高和老年人口的增加,糖尿病发病率呈上升趋势,已成为仅次于心血管病和癌症的第三大危险疾病,其诊断和治疗已成为了医学界面临的重大课题。因此,快速、准确、方便地检测血糖含量,从而有效地对糖尿病进行监测和治疗变得越来越重要。之前,人们已经为葡萄糖的检测做出了很多重要的研究。在已有检测方法中,生物传感器由于具有灵敏度高、重现性好、操作简便等优点,在各种检测方法中扮演着重要的角色。它的工作原理是基于对固定在特定载体上的葡萄糖氧化酶(GOx)催化氧化葡萄糖时产生的过氧化氢电流的检测。因此,葡萄糖氧化酶的固定化是传感器制备过程中最关键的步骤之一纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于1-100纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。纳米材料具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,并由此产生出许多特殊性质。由于纳米材料特有的光、电、磁、催化等性能,引起了凝聚态物理界、化学界及材料科学界的科学工作者的极大关注。因此,纳米材料在太阳能电池、催化、电子信息技术及传感器材料等方面有着深入的研究和广阔的应用前景,其中传感器是纳米材料可能利用的最有前途的领域之一。纳米材料奇异的特性,使得

生物传感器的灵敏度、检测限和响应范围等性能指标得到了很大的提升。纳米材料为生物传感器的发展带来了新的契机,创造了更为广阔的空间。本论文通过链接反应(ClickReaction)、聚酰胺胺(PAMAM)和聚多巴胺膜对葡萄糖氧化酶进行固定化,并利用水热法合成了树叶状CuO纳米材料、ZnO/Au复合纳米材料和纳米WO3,并将其应用于葡萄糖生物传感器的研究与应用。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线衍射光谱、电子衍射光谱和紫外可见分光光度法对合成的纳米材料形貌和组成进行表征,利用循环伏安法、交流阻抗、安培检测法等对葡萄糖的含量进行了检测和分析。在本论文中,葡萄糖生物传感器的稳定性,酶的活性都得到了很大提高,对葡萄糖的检测也实现了高灵敏度和低检测限。基于酶与电极间直接电子传递的电流型生物传感器能够简单直接地获取信号,本论文对GOx与纳米材料间的直接电子传递行为进行了考察,探讨了纳米材料对GOx直接电子传递行为的影响,并对葡萄糖氧化酶/纳米WO3修饰的玻碳电极(GCE/WO3/GOx/Nafion)检测葡萄糖的机理进行了讨论。在此研究的基础上研制和开发了无创血糖仪。本论文共分为八章：第一章绪论本章内容主要包括葡萄糖检测技术的现状、葡萄糖生物传感器的发展、酶固定化技术的研究、纳米材料的制备及其在葡萄糖生物传感器的应用与发展。文中简单介绍了葡萄糖检测方法的研究与进展；葡萄糖生物传感器的分类和发展；酶固定化技术的最新研究成果,重点描述酶固定化可以解决的一些问题；纳米材料的分类、性能和制备,着重阐述了纳米材料的水热合成及其应用。第二章基于链接反应固定的葡萄

ｌ２　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）　２００７年第２６卷第５期　

？＼　研究与探讨｛＝｝　◇　、　｝　

ＳＰＲ生物传感器在食品安全领域的应用研究　

王凯　．殷涌光　（１．哈尔滨工业大学海洋学院。山东威海２６４２０９；　２．吉林大学生物与农业工程学院，吉林长春１３００２５）　

摘要：使用集成化手持式Ｓｐｒｅｅｔａ　ＳＰＲ传感器快速检测大肠杆菌Ｅ．Ｃｏｌｉ　０１５７：Ｈ７，利用大肠杆菌抗体　的免疫吸附反应，采用亲和素一生物素系统放大检测的响应信号，并引入复合抗体作为第二抗体，整个检测　过程在ｉ　ｈ内完成，实现病原微生物的快速检测。　关键词：表面等离子体共振生物传感器；快速检测；亲和素一生物素系统；复合抗体　中图分类号：ＴＳ２０７．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—９７８７（２００７）０５－００１２—０３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＳＰＲ　ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ　ｉｎ　

ｆ００ｄ　ｓａｆｅｔｙ　ｒａｐｉｄ　ａｓｓａｙ　

ＷＡＮＧ　Ｋａｉ　，ＹＩＮ　Ｙｏｎｇ—ｇｕａｎｇ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｏｃｅａｎ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｅｉｈａｉ　２６４２０９，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ａｎｄ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＪｊＪｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００２５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｒａｐｉｄ　ａｓｓａｙ　ｆｏｒ　Ｅ．Ｃｏｌｉ　０１５７：Ｈ７　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｐｏｒｔａｂｌｅ　Ｓｐｒｅｅｔａ　ＳＰＲ　ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅ　ａｓｓａｙ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｍｍｕｎｅ　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅ．Ｃｏｌｉ　ａｎｔｉｂｏｄｙ．Ａｖｉｄｉｎ—ｂｉｏｔｉｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ａｎｔｉｂｏｄｙ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｒａｐｉｄ　ａｓｓａｙ　ｆｏｒ　ｐａｔｈｏｇｅｎ　ｉｎ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　１　ｈ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｌａｓｍｏｎ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ（ＳＰＲ）ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ；ｒａｐｉｄ　ａｓｓａｙ；ａｖｉｄｉｎ－ｂｉｏｔｉｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ａｎｔｉ‘　ｂｏｄｙ