讲义生物传感器

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讲义

电化学生物传感器的工作原理如图1所示：被测物通过扩散进入生物敏感膜层，经分子识别，发生生化反应后，所产生的信息被相应的换能器转换成与被测物浓度相关的电信号。

电化学生物传感器的制备就是将分子识别元件和信号转换器两个部分通过适当的方式紧密结合起来，也就是将分子识别原件(生物分子)固定在电极上。

将生物活性分子固定到电极上，并确保最大的接触和响应是最关键的步骤，它影响着生物传感器的稳定性和寿命、分析灵敏度和选择性，也决定着生物传感器的研究及应用价值。

生物分子的固定方法大致分为以下七大类：交联法，吸附法，电化学聚合法，层层组装法，共价键合法，包埋法和溶胶凝胶法。

生物传感器发展至今，在医学、环境监测、食品工业、军事等方面得到了广泛的应用。

应用：医用，生物传感技术因其专一、灵敏、响应快等特点为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型检测方法具有广泛的应用前景。

在现代医学检验中，在体内进行实时监控的生物传感器可以对于手术进行中和重症监护的病人都有很大的帮助。

酶、免疫传感器等生物传感器在对于检测体液中各种化学成分的变化情况等方面，为医生的诊断提供依据。

Charpentierl报道一种可更新的过氧化物酶电极用于检测血清中的胆固醇含量。

彭等用TPD修饰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。

血糖传感器和尿酸传感器可使糖尿病和痛风患者能在家中对病情进行自我监测。

Pastorino等通过层层自组装技术将抗体固定在金电极表面，研制出抗肿瘤药物(紫杉醇药物)的压电免疫传感器，具有较好的稳定性和检测特性。

Antje等发展了一种快速测定登革热病毒的血清型RNA生物传感器，仅需数十分钟就可测定出血样中的病毒RNA。

环境中，生物传感器能对污染物进行连续、快速、实时监测。

目前，国内外已研制出许多不同的微生物BOD传感器以及用于其它水污染监测的微生物传感器。

用于酚类污染物监测的生物传感器是酶电极安培传感器，该传感器结构简单，检测限低，干扰少。

生物传感检测原理、类型讲解材料

年份 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 论文数量 48 64 36 47 51 56 67 66 118 90
近十年来在中国期刊发表的生物传感器论文
2020/4/18
本章思考题
• 生物传感器的结构组成 • 生物传感器的优点
2020/4/18
第3章生物传感检测的生物学理论 ——分子识别及生物反应基础
本章主要内容
• 酶及酶反应 • 微生物反应 • 免疫反应 • 核酸及核酸反应 • 生物学反应中的物理量变化
2020/4/18
概述
生物传感器的分子识别元件又叫敏感元件，主要指来源于生物体的生物活性物质，包括酶、抗原、抗体和各种功能蛋白质、核酸、微生物细胞、细胞器、动植物组织等。
可以在几分钟得到结果。 (4) 准确度高
一般相对误差可以达到1％ (5) 操作系统比较简单，容易实现自动分析 (6) 成本低
在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。
2020/4/18
阅读材料
中国生物传感器技术发展的过程、现状
中国生物传感器研究始于20世纪八十年代初，从事生物传感器研究的科研机构有中国科学院微生物所、中国科学院上海生化所、清华大学、中国科学院武汉病毒所、中国科学院长春应化所和湖南大学等单位。
当它们用做生物传感器的敏感元件时，都无一例外地具有对靶分子(待检测对象)特异的识别功能。分子识别常常是生物体进行各种简单反应或复杂反应的前奏。生物反应包括了生理生化、遗传变异和新陈代谢等一切形式的生命活动，生物传感器研究者的任务就是将生物反应与传感器技术有机结合起来。
中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实氢离子敏场效应管，仿生生物传感器，小型台

《生物传感器》PPT课件

生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜可用的测量量：O2的减少量，葡萄糖酸或H2O2的
产生量
信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极
一种葡萄糖传感器-Glucowatch
•Glucose pulled through the skin by charged molecules •The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) •Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxide •The reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor
灵敏。
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3
敏感元件：
酶、抗体、核酸、细胞等。
转换器：
电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振。
酶 (Enzyme)
抗体(Antibody)
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DNA
4
2. 分类
根据输出信号产生的方式生物亲和型、代谢型、催化型
根据生物分子识别元件上的敏感物质酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基因传感器等
根据信号转化器电化学生物传感器、半导体生物传感器等
其他分类被测对象、大小、功能
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6
3. 生物传感器的特点
➢ 高选择性。生物传感器是由选择性好的主体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其它试剂。
➢ 体积小、可以实现连续在位监测。
➢ 响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。

《生物传感器》课件

2
研究热点和挑战
纳米技术、生物信息学和人工智能等领域的发展，将会推动生物传感器的研究和创新。
3
广阔前景
生物传感器在医疗保健、环境保护、食品安全等方面的应用前景广阔，将为人类健康和生活质量带来积极影响。
总结和展望
优势与比较
生物传感器相较于其他类型传感器的优势，为其在各个领域的广泛应用提供了巨大潜力。
生物传感器的工作原理和分类决定了其在不同领域中的应用方式和效果。
构成和组成元素
了解生物传感器的构成和组成元素对于实现更高的灵敏度和选择性至关重要。
主要技术
生物传感器中的主要技术，如纳米材料和生物分子探测技术，环境监测
生物传感器在水质、空气污染等环境监测中的应用，有助于实时监测和保护我们的生态环境。
《生物传感器》PPT课件
生物传感器是一种用于检测、测量和监测生物过程的先进技术。了解生物传感器的概念、原理和应用将对我们的日常生活和科学研究产生重要影响。
引言
生物传感器的概念和应用以及生物传感器的种类和分类。了解生物传感器的基础知识是深入研究其原理和应用的关键。
生物传感器的原理和构成
工作原理
2
医学检测
通过生物传感器，可以实现早期疾病诊断、药物监测等医学检测的快速和准确。
3
食品安全
生物传感器在食品安全领域的应用，能够检测有害物质和食品质量，保障消费者的健康。
生物传感器的发展趋势
1
未来发展方向
生物传感器将越来越普遍应用于生命科学研究、医疗诊断、环境监测等领域，为人类带来更多的机会和挑战。
发展现状和前途
了解生物传感器的发展现状，并为未来的研究和应用提供展望。
研究与发展
进一步深入研究和开发生物传感器，将推动其在科学研究和工程应用中的创新和突破。

《电化学生物传感器》课件

在医疗诊断中的应用
血糖监测
糖尿病患者可使用电化学生物传感器方便地监测血糖水平，调整治疗方案。
疾病诊断
通过检测生物标志物，电化学生物传感器有助于早期诊断癌症、传染病等疾病。
药物浓度监测
在药物治疗过程中，实时监测药物浓度有助于确保治疗效果并防止药物过量。
在食品检测中的应用
农药残留检测
生物科学研究
在药物筛选、基因表达分析等领域发挥重要作用，促进生物科学研究的发展。
电化学生物传感器的实验操
05
作与演示
实验操作流程
实验准备
确保实验室环境干净整洁，避免干扰实验结果。
准备实验器材和试剂，包括电化学工作站、电极、电解质溶液等。
实验操作流程
实验操作步骤
1
2
按照实验指导书搭建实验装置，连接电化学工作站与电极。
生物传感器具有高灵敏度、高选择性、快速响应等特点，广泛应用于环境监测、食品安全、医疗诊断等领域。
生物传感器的重要性
01 生物传感器在环境监测中能够快速、准确地检测出污染物，为环境保护提供有力支持。
02 在食品安全领域，生物传感器能够检测出食品中的有害物质，保障消费者的健康。
02 在医疗诊断中，生物传感器能够实现无创、快速、准确的检测，提高医疗质量和效率。
3
加入电解质溶液，记录电化学信号的变化。
实验操作流程
根据实验需要，调整实验参数，如扫描速度、扫描范围等。在实验过程中，保持恒温，避免外界干扰。
数据采集与分析
实验操作流程
01 使用电化学工作站采集数据，记录电化学信号随
时间的变化。
02
对采集的数据进行整理、分析和处理，提取有用的信息。

生物传感器-讲义(学生完整版)

医用传感器应具有以下特性：
（1）（2）（3）（4）（5）（6）足够高的灵敏度。能够检测出微弱的生物信号。尽可能高的信噪比。以便在干扰和噪声背景中提取有用的信息。良好的精确性。以保证检测出的信息准确、可靠。足够快的响应速度。能够跟随生物体信息量的变化。良好的稳定性。保持长时间检测漂移很小，输出稳定。较好的互换性，调试、维修方便。
第三节
一、医用传感器的用途
医用传感器的用途和分类
医学领域有很多反映生命体征的量，常见的各种量如表 1-1 所示。
反映生命的信息绝大多数属于非电量，其放大和处理是很困难的。医用传感器是把非电量转换成电量的器件。表 1-1 中所列的生物电本身就是电量，但在生物体内处于离子导电的状态，需要采用医用电极将离子导电转换成导体内的电子导电，然后才能进行放大和处理，所以医用电极也可以被看做是一种特殊的医用传感器。
2
第二章传感器的基本特性
传感器的特性主要指其转换信息的能力和性质。这种能力和性质常用传感器输人和输出的对应关系来描述。传感器的输人量可分为静态量和动态量，静态量是指常量或变化缓慢的量，动态量是指周期变化、瞬态变化或随机变化的量。
第一节一、静态特性
传感器的静态特性
传感器的输入量在较长时间维持不变或发生极其缓慢的变化，则传感器的输出量与输人量间的关系即为静态特性。这种关系一般是由传感器的物理、化学或生物的特性来决定。输出与输人的关系可分为线性特性和非线性特性。通常人们都希望传感器的输出和输人之间具有确定的对应关系，并且具有线性关系，即满足理想的输出输人关系，以便如实反映待测的信息。但实际遇到的传感器大多为非线性特性，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：（2-1） y=a0＋a1x＋a2 x2＋...＋anxn 式中，y 是输出信号；x 是输人信号；a0 是无输入时的输出，零位输出；a1 是传感器的线性灵敏度；a2 ,a3,...,an 是非线性项的待定常数。此方程又称为传感器静态特性的数学模型。若 a0 = 0，则静态特性过原点，此时静态特性由线性项和非线性项叠加而成。一般有以下几种典型情况：（一）、理想线性特性当 a2=a3=...=an=0 时，输人与输出之间具有理想的线性关系，特性曲线如图 2-1 （a）所示。此时传感器的静态特性为（2-2） y = a1x 静态特性曲线为一条直线。具有这种特性的传感器称为线性传感器。若 a0≠0，a1≠0， a2 =a3 =a4 =…=0，仍表示线性，只是这时的直线不通过原点，有零偏 a0；若输人分别为 x，x＋△x，则对应于两者的输出差△y 为（2-3） △y =a1△x 。这时的 a1 称为传感器的灵敏度（sensitivity）（二）、非线性项次数为偶数当 a3 =a5 =a7 =...=0 时，特性曲线如图 2-1 （b）所示。此时传感器的静态特性为（2-4） y=a1x+a2 x+a4 x4 +... 不具有对称性，且线性范围较窄，所以传感器设计时一般很少采用这种特性。（三）、非线性项次数为奇数当 a2 =a4＝…=时，传感器的静态特性为（2-5） y=a1x+a3 x3 + a5 x5+... 特性曲线如图 2-1 （c）所示。特性曲线关于原点对称 y（x）＝-y（-x），在原点有较宽的线性区，不少差动式传感器具有这种特性。在实际应用中，差动式传感器就是将电器元件对称排列以消除电器元件的偶次分量，使线性得到改善，同时也使灵敏度提高一倍。

13生物传感器ppt学习资料

位，通常可采用三用于电流测量的三电极测量体系
电极测量体系如图所示。
电解回路由工作电极和对电极构成，电位的测量和控制由参比电极与工作电极回路实现。测量时采用线性扫描法、恒电位法等方式，测量的电流信号与发生电极氧化（或还原）的物质浓度相关。
生物传感器中常涉及用电流法测量O2、H2O2等其他活性物质浓度。
生物传感器是一类特殊的化学传感器，它是以生物活性单元(如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜、微生物、细胞等)作为识别元件，将生化反应转变成可定量的物理、化学信号，从而能够进行生命物质和化学物质检测和监控的装置。
生物传感器的发展史(1)
• 最先问世的生物传感器是酶电极， Clark和Lyons最先提出组成酶电极的设想。
固体电极的相间电位
（2）液体接界电位（浓差电位）
其产生的条件是相互接触的两液存在浓差梯度，同时扩散的离子其淌度不同。界面两侧HCl 浓度不同，左侧的 H+和Cl-不断向右侧扩散，同时由于 H+的淌度比Cl-淌度大，最终界面右侧将分布过剩正电荷，左侧有相应的负电荷，形成了液体接界电位。
④可在同一硅片上集成多种传感器，对样品中不同成分同时进行测量分析。
FET的应用：
离子敏场效应晶体管可作为酶（水解酶）、微生物传感器中的信号转换器。
3.热敏电阻型信号转换器
热敏电阻是由铁、镍、钴、钛等金属氧化物构成的半导体。从外形上分类有珠型、片型、棒型、厚膜型、薄膜型与触点型等。凡有生物体反应的地方，大都可观察到放热或吸热反应的热量变化（焓变化）。
将生物活性物质如酶固定在栅极氢离子敏感膜（SiO2水化层）表面，样品溶液中的待测底物扩散进入酶膜。假设是检测酶催化后的产物（反应速率取决于底物浓度），产物向离子选择性膜扩散的分子浓度不断积累增加，并在酶膜和离子选择性膜界面达到衡定。

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电流 C6H12O6+O2
C6H10O6+H2O2
O2+2H2O+4e
4OH-
3、微生物传感器
原理：有机化合物溶液（被测物）微生物膜摄取
（敏感膜）吸入氧气放出二氧化碳剩余氧气到达氧
电极
阴极电流
4、半导体符合模式传感器
生物场效应晶体管
离子感应膜或生物功能膜代替栅极金属膜
检测对象被吸附在功能膜受体上只是磨点位发生变化，漏电流发生变化。
2）代谢型或催化型生物传感器
被测物与分子识别元件上的敏感物质相作用并产生产物，信号换能器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型生物传感器。
二、生物传感器的工作原理
1、生物识别功能
生物体内具有各种选择性地识别特定化学物质的化学受体化学受体：分子识别部位或信号转换部位识别功能物质：酶高选择性、起催化作用氧化还原酶水解酶（葡萄糖氧化酶）（尿素酶）抗体与免疫有关激素受体、结合蛋白质微生物特殊酶活性的小器官
定一些能被厌氧微生物所同化的有机物。
(3) 电化学免疫电极
将抗体或抗原直接固定在电极表面上。
传感器与相应的抗体或抗原发生结合的同时产生电势改变直接转变成电信号。
诊断早期妊娠的hCG免疫;诊断原发性肝癌的甲胎蛋白(AFP或αFP); 测定人血清蛋白(HSA、胰岛素等等。
(4) 电化学DNA电极
利用单链DNA(ssDNA)或基因探针作为敏感元件固定在固体电极表面
ห้องสมุดไป่ตู้
电压法
生化反应的粒子在识别功能膜上产生的膜电位 CO2电极、NH3电极、NH4+电极
3）静态测量法：生物传感器插入试液，边搅拌边测
量
动态测量法：生物传感器插入试液池，让缓冲液
连续流过测量池，在一定时间内将试液注入测量。
4）例：
(1)酶电极
葡萄糖氧化酶(GOD)电极，GOD的催化,葡萄糖(C6H12O6)被氧化生成葡萄糖酸(C6H12O7)和过氧化氢。通过氧电极(测氧的消耗)、过氧化氢电极(测H2O2的产生)和pH电极(测酸度变化)来间接测定葡萄糖的含量。因此只要将GOD固定在上述电极表面即可构成测葡萄糖的 GOD传感器。
固定在电极表面的某一特定序列的ssDNA与溶液中的同源序列的特异识别作用(分子杂交)形成双链DNA(dsDNA)( 电极表面性质改变),同时借助一能识别ssDNA和dsDNA 的杂交指示剂改变电流响应
检测基因及一些能与DNA发生特殊相互作用的物质
6、生物传感器的工作原理
被测溶液中待测物质—扩散进入生物功能膜--功能膜中敏感物质进行分子识别或生物学反应---基于化学、物理原理转变成相应比例电信号---输出
生物传感器的分类2：
• 根据被测物与分子识别元件相互作用产生传感器输出信号的方式分类：
1）生物亲和型生物传感器
被测物与分子识别元件上敏感物质具有生物亲和作用。即二者间能特异地相结合，同时引起敏感材料上生物分子的结构和固定介质发生物理变化，例如电荷、厚度、温度、光学性质(颜色或荧光)等变化。这类传感器称为生物亲和型生物传感器。
2、生物信号转换方式 1）化学变化转换为电信号方式
酶与被识别分子发生特异反应，产生特定物质的增减，并将特定物质的增减量转换为电信号
2）热转换为电信号方式
进行分子识别时产生热变化，并将热变化转换为电信号
3）光转换为电信号方式
很多酶进行分子识别时产生化学发光，并将光变化转换为电信号
4）直接诱导式电信号
酶FET:
免疫FET
5、酶光电二极管
催化发光反应酶检测过氧化氢
6、压电晶体复合模式传感器
复着物的变化影响石英晶体的振动谐振频率
四、生物传感器的发展未来生物传感器特点：
功能多样化：未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。目前, 生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器,即仿生传感器。
三、常用生物传感器
1、酶传感器
原理：被测物质固定化酶膜催化化学反应生成消耗电极活性物质（O2、H2O2、CO2、NH3 等) 电化测量装置（电极）电信号
2、葡萄糖传感器
原理：葡萄糖（被测物）葡萄糖氧化酶（GOD敏
感膜）氧化氧减少氧电极（隔膜型Pt阴电极浸
入NaOH溶液) 氧穿过隔膜到达Pt被还原形成阴极
进行分子识别时产生电信号变化
3、换能器
感知分子识别时的变化，转变成可以记录的信号
4、固定化技术
酶、抗体、微生物通常是水溶性的，与适当的载体结合变成不溶于水的并制成传感器用的识别功能膜，这种技术成为固定化技术。
5、电极与测量方式 1）电极：氧电极O2、 H2O2电极、PH电极 CO2电极、NH3电极、NH4+电极 2）测量方式（被测物浓度变化转换成电信号方式）：电流法生化反应消耗或生成的电极活性物质的电极板反应产生电流氧电极O2、 H2O2电极
特点：
选择性好、噪声低、重复性好、
能以电信号直接输出
测量范围：
低分子—高分子：酶、微生物、免疫体、复杂蛋白质等
现有传感器：
酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、半导体生物传感器、热生物传感器、光生物传感器、压电生物传感器
生物传感器的分类1：
按识别功能膜分类
按识别对象
按材料
按信号转换分类
(2) 微生物电极
将微生物(常用的主要是细菌和酵母菌)作为敏感材料固定在电极表面。工作原理：其一,利用微生物体内含有的酶(单一酶或复合酶)系来识别分子,这种类型与酶电极类似;其二,利用微生物对有机物的同化作用, 通过检测其呼吸活性(摄氧量)的提高,即通过氧电极测量体系中氧的减少间接测定有机物的浓度;其三,通过测定电极敏感的代谢产物间接测
生物传感器简介
一、概论
生物传感器(化学、生物学、物理学、电子学…..) 生物传感器是利用生物关联物质选择分子的功能的化
学传感器（敏感元件：生物材料，转换元件：电极）
（生物感应元件的专一性/ 能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器 /与其它传感器不同的是生物传
感器是以生物学组件作为主要功能性元件，能够感受规定的被测量 /是基于它的生物敏感材料来自生物体。生物传感器的工作原理主要决定于生物敏感元件与待测物质之间的相互作用，主要有化学变化转化为电信号、将热变化转化为电信号、将光效应转化为电信号、直接产生电信号方式等方式