發布日期：2022-10-09 點擊率：129
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生物傳感器 biosensor Outline： 一、what is biosensor? 對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器 是由固定化的生物敏感材料作識別元件與適當的理化換能器及信號放大裝置構成的分析工具或系統 三、生物傳感器結構和原理 生物傳感器的選擇性取決于它的生物敏感元件，而生物傳感器的其他性能則和它的整體組成有關。 2、生物傳感器與傳統的分析方法相比，具有如下的優點： 1）.生物傳感器是由選擇性好的生物材料構成的分子識別元件，因此一般不需要樣品的預處理，樣品中的檢測組分的分離和檢測同時完成，且測定時一般不需加入其它試劑； 2）.由于它的體積小，可以實現連續在線監測； 3）.響應快，樣品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反復多次使用； 4）.傳感器連同測定儀的成本遠低于大型的分析儀器，便于推廣普及。 生物傳感器分類示意圖 四、生物傳感器中的信 號轉換器 1.電化學型信號轉換器 電化學電極（固體電極、離子選擇性電極、氣敏電極等）作為信號轉換器已廣泛用于酶傳感器、微生物傳感器及其他類型的生物傳感器中?；瘜W反應與電荷變化密切相關，將待測物質以適當形式置于電化學反應池，測量其電化學性質（如電位、電流和電容等）變化可實現物質含量的測定。 3.熱敏電阻型信號轉換器 熱敏電阻是由鐵、鎳、鈷、鈦等金屬氧化物構成的半導體。從外形上分類有珠型、片型、棒型、厚膜型、薄膜型與觸點型等。凡有生物體反應的地方，大都可觀察到放熱或吸熱反應的熱量變化（焓變化）。 6.表面等離子體共振型信號轉換器 surface plasmon resonance,SPR 6.1結構與原理 在SPR中，光入射在金屬薄膜上，產生衰減場。如果在金屬薄膜一側加上一層待測物質，試樣與金屬薄膜的偶聯影響了結構的折射率，從而影響了反射光、衰減波以及等離子體共振。電磁場沿著金屬表面傳播，其衰減場按指數規律衰減。 SPR傳感器的敏感機制有兩種：一是SPR的電磁場效應；二是生物大分子相互作用對介電性質的影響。傳感器原理示意如下 6.2特點與應用 SPR傳感系統使用面非常廣。在微生物檢測、藥物篩選、血液分析、DNA分析、抗原/抗體分析、有毒氣體檢測等方面都有不俗的表現，對于環境污染的控制、醫學診斷、食品及藥物檢測、工業遙感等方面將是有力的工具。 SPR型傳感器的發展趨勢：微型化，即在敏感元件上集成更多的器件；多組分同時測定，同一敏感器件可以測量不同的生化成分，一方面提高儀器的使用效率，另一方面也完善了SPR測量機理，這一要求也是對于通用生化分析儀器的共同要求； SPR型傳感器呈現多元化發展，不同的場合對于SPR儀器性能要求也不同，在微電子技術、光纖技術、生物膜技術的支持下，各種SPR型傳感器將被開發出來。 生物傳感器的發展趨勢 發展生物傳感器最初的目的是為了利用生化反應的專一性，高選擇性的分析目標物。但是，由于生物單元的引入，生物結構固有的不穩定性、易變性，生物傳感器實用化還存在著不少問題。因此，人們作出了一些努力與設想來提高生物傳感器的性能。 （1）選擇性 主要可從兩方面提高生物傳感器的選擇性：改善生物單元與信號轉換器之間的聯系以減少干擾；選擇、設計新的活性單元以增加其對目標分子的親和力。如在酶電極中加入介體或對酶進行化學修飾可以提高這類電極的選擇性，其中介體或用于修飾的物質大都具有一定的電子運載能力。 在此啟發下，一些研究者設想將酶活性中心與換能器之間用一些分子導線通過自組裝技術連接起來以消除電化學干擾。 目前，雜環芳烴的低聚物是研究的熱點，它們極有可能成為這一設想的突破口。另外，隨著計算化學的發展，更精確地模擬、計算生物分子之間的結合作用已經成為可能。在此基礎上就可根據目標分子的結構特點設計、篩選出選擇性和活性更高的敏感基元。 （2）穩定性 為了克服生物單元結構的易變性，增加其穩定性，最常用的手段是采用對生物單元具有穩定作用的介質、固定劑。研究表明用合適的溶膠-凝膠作為生物單元的固定劑應用于酶光極，可以大大提高生物單元的穩定性。但就目前的技術水平而言，很多生物單元的穩定性遠遠不能滿足實際應用的需要。這種情況下尋求生物酶模擬技術的幫助是一種值得嘗試的途徑。 （3）靈敏度 對于一些特定的分析對象已發展了一些能大幅度降低檢測限的技術。如Turner等人研制的一種以DNA為敏感源的傳感器，利用液晶分散技術將DNA聚陽離子配合物固定在換能器上，所有能影響DNA分子間交聯度的化學和物理因素均能被靈敏地捕獲，并反映為一個強的、具有“指紋”結構的園二色譜吸收峰。在用DNA-魚精蛋白配合物測量胰蛋白時檢測限低至10-14mol/L
生物傳感器技術及其應用;一 生物傳感器技術簡介
二 生物傳感器基本分類及原理
三 生物傳感器技術的應用
四 前景
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隨著生物技術的發展，生物檢測技術廣泛的應用到食品，環境，醫學各個領域，如生物酶技術，PCR技術，生物傳感器技術，生物芯片技術等，本文重點介紹生物傳感器技術及其在各領域的應用。; 生物感應器技術簡介;生物傳感器的分類及原理; 生物識別元件或稱生物敏感膜(biosensitive membrane)或生物功能膜(biofunction membrane)，是生物傳感器的核心器件，其分子識別能力決定生物傳感器的選擇性和靈敏度，直接影響傳感器的性能和質量。生物膜中固定的生物活性材料可以是酶、核酸、抗原和抗體、細胞及生物組織或它們的組合，隨著相關技術的發展還引入了高分子聚合物模擬酶及人工合成的受體等，使生物識別元件的概念進一步延伸。
換能器的作用則是將生物或化學反應過程中產生的各種信息轉變成可方便測量的信號，反應的信息是多元化的，包括各種生物、化學和物理信息，現代電子學、微電子學及傳感技術的成果為檢測這些信息提供了豐富的手段。
;;生物傳感在線分析系統;在食品安全上的應用;在醫學領域中的應用;在環境檢測中的應用;在軍事領域中的應用; 前景;謝謝！
PPT內容
這是電化學生物傳感器ppt下載，主要介紹了概述；電化學生物傳感器的信號轉換器；電化學生物傳感器的分類；生物傳感器的展望，歡迎點擊下載。
Contents 一.概述定義：由生物材料作為敏感元件，電極作為轉換元件，以電勢或電流為特征檢測信號的傳感器。種類：原理：在利用生物傳感器進行物質檢測時, 待測物質經擴散作用進入生物活性材料, 經分子識別, 發生生物學反應, 產生的信息繼而被相應的物理或化學換能器轉變成可定量和可處理的聲、光、電等信號, 再經2次儀表放大并輸出, 便可知道待測物濃度。二.電化學生物傳感器的信號轉換器 1、電位型電極離子選擇電極 離子選擇電極是一類對特定的陽離子或陰離子呈選擇性響應的電極，具有快速、靈敏、可靠、價廉等優點。在生物醫學領域常直接用它測定體液中的一些成分（例如H+，K+，Na+，Ca2+等）。氧化還原電極 氧化還原電極是不同于離子選擇電極的另一類電位型電極。這里指的主要是零類電極 2、電流型電極氧電極 有不少酶特別是各種氧化酶和加氧酶在催化底物反應時要用溶解氧為輔助試劑，反應中所消耗的氧量就用氧電極來測定。此外，在微生物電極、免疫電極等生物傳感器中也常用氧電極作為信號轉換器，因此氧電極在生物傳感器中用得很廣。目前用得最多的氧電極是電解式的Clark氧電極，Clark氧電極是由鉑陰極、Ag/AgCl陽極、KCl電解質和透氣膜所構成。三、電化學生物傳感器的分類 （一）酶傳感器酶電極電化學電極頂端緊貼一層酶膜酶的固定化技術酶傳感器應用（二）免疫傳感器 基本原理：采用抗原與抗體的特異反應將待測物與酶連接，然后通過酶與底物產生顏色反應，用于定量測定。酶聯免疫吸附測定法（ELISA） 測量時，抗原（抗體）先結合在固相載體上，但仍保留其免疫活性，然后加一種抗體（抗原）與酶結合成的偶聯物（標記物），此偶聯物仍保留其原免疫活性與酶活性，當偶聯物與固相載體上的抗原（抗體）反應結合后，再加上酶的相應底物，即起催化水解或氧化還原反應而呈顏色。其所生成的顏色深淺與欲測的抗原（抗體）含量成正比。方法臨床應用酶電極在40nL的微池中檢測D-Dimer濃度應用于臨床試驗。檢測到D-Dimer濃度范圍為0.1 -100 nM ，撫育時間從幾小時減少到5分鐘。利用抗原抗體反應前后電位的變化檢測B型肝炎抗原。檢測濃度范圍為4-800 ng/ml，檢測限達1.3 ng/ml。此方法比常規檢測更加直接，快速，簡單。（三）細胞傳感器 定義：以動植物細胞作為生物敏感膜的電化學傳感器，此系酶電極的衍生型電極。動植物細胞中的酶是反應的催化劑。 優點：與酶電極相比應用 細胞傳感器可用于診斷早期癌癥，用人類臍靜脈內皮細胞通過三乙酸纖維素膜固定在離子選擇性電極上作為傳感器，腫瘤細胞中VEGF刺激細胞使電極電位發生變化從而測得VEGF濃度來診斷癌癥。四.生物傳感器的展望 目前生物傳感器主要還處在實驗室研究階段，仍需要較長的一段時間才能實現產業化。比如，大多數電化學酶傳感器只是對單一組分中的污染物具有響應，而傳感器應用于監測實際樣品中污染物仍有許多亟待解決的實際問題。 生物傳感器是一項嶄新的技術手段，它在發展中難免會遇到各種問題，但是它的應用前景和自身優勢毋庸置疑。可以預見，未來的電化學生物傳感器將實現功能多樣化、微型化、智能化、集成化等特點。相信隨著大量資金的涌入和多學科的融入，這些問題都將迎刃而解。
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生 物 傳 感 器（biosensor）
目錄
11.1 簡要介紹
11.2 酶傳感器
11.3 微生物傳感器
11.4 免疫傳感器
11.5 半導體生物傳感器
11.6 生物傳感器應用與未來
本章小結
11.1 簡要介紹
生物傳感器的發展史
定義及說明
生物傳感器的基本組成和工作原理
生物傳感器的分類
生物傳感器的固定方法
生物傳感器的特點
生物傳感器的發展史(1)
最先問世的生物傳感器是酶電極，Clark和Lyons最先提出組成酶電極的設想。
70年代中期，人們注意到酶電極的壽命一般都比較短，提純的酶價格也較貴，而各種酶多數都來自微生物或動植物組織，因此自然地就啟發人們研究酶電極的衍生型：微生物電極、細胞器電極、動植物組織電極以及免疫電極等新型生物傳感器，使生物傳感器的類別增多；
進入本世紀80年代之后，隨著離子敏場效應晶體管的不斷完善，于1980年Caras和Janafa率先研制成功可測定青霉素的酶FET。
生物傳感器發展的整體劃分:
第一代生物傳感器以將生物成分截留在膜上或結合在膜上為基礎，這類器件由透析器(膜)、應器(膜)和電化學轉換器所組成，其實驗設備相當簡單。
第二代生物傳感器是指將生物成分直接吸附或共價結合在轉換器的表面上，從而可略去非活性的基質膜。
第三代生物傳感器是把生物成分直接固定在電子元件上，例如FET的柵極上，它可直接感知和放界面物質的變化，從而將生物識別和電信號處理集合在一起。這種放器可采用差分方式以消除干擾。
生物傳感器定義及說明
生物傳感器利用生物活性物質選擇性的識別和測定實現測量，主要由兩部分組成：一為功能識別物質（分子識別元件），由其對被測物質進行特定識別；其二是電、光信號轉換裝置（換能器），由其把被測物所產生的化學應轉換成便于傳輸的電信號或光信號。
生物傳感器的基本組成和工作原理
生物傳感器的基本組成
生物傳感器的工作原理分類
生物傳感器基本構成示意圖
生物傳感器的分子識別元件
生物傳感器的工作原理
生物傳感器的工作原理
將化學變化轉變成電信號（間接型）
將熱變化轉換為電信號（間接型）
將光效應轉變為電信號（間接型）
直按產生電信號方式（直接型）
化學物質
物理 熱
被測 化學 （產生 光 ） 電信號
物質 變化 聲
將化學變化轉變成電信號的生物傳感器
將熱變化轉換為電信號的生物傳感器
將光效應轉變為電信號的生物傳感器
被測物—— ——h —— ——電信號
生物傳感器的特點
根據生物應的奇異和多樣性，從理論上講可以制造出測定所有生物物質的多種多樣的生物傳感器；
這類生物傳感器是在無試劑條件下工作的(緩沖液除外)，比各種傳統的生物學和化學分析法操作簡便、快速、準確；
可連續測量、聯機操作、直接顯示與讀出測試結果。
生物傳感器的分類
按分子識別元件分類
按換能器分類
固定化酶
固定化
微生物 固定化免疫物質
固定化細胞器 生物組織切片
按器件分類
電化學電極 光學換能器
介體 半導體
傳遞系統 換能器
熱敏電阻 壓電晶體
生物傳感器的固定方法
夾心法
將生物活性材料封閉在雙層濾膜之間，形象地稱為夾心法。
這種方法的特點是操作簡單，不需要任何化學處理，固定生物量，響應速度快，重復性好。
吸附法
用非水溶性固相載體物理吸附或離子結合，使蛋白質分子固定化的方法。
載體種類較多，如活性炭、高嶺土、硅膠、玻璃、纖維素、離子交換體等。
包埋法
把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三維空間網狀結構基質中。
此方法的特點是一般不產生化學修飾，對生物分子活性影響較小；缺點是分子量的底物在凝膠網格內擴散較固難。
共價連接法
使生物活性分子通過共價鍵與固相載體結合固定的方法。
此方法的特點是結合牢固，生物活性分子不易脫落，載體不易被生物降解，使用壽命長；
缺點是實現固定化麻煩，酶活性可能因發生化學修飾而降低。
交聯法
依靠雙功能團試劑使蛋白質結合到惰性載體或蛋白質分子彼此交聯成網狀結構。
這種方法廣泛用于酶膜和免疫分子膜制備，操作簡單。
11.2 酶傳感器
酶傳感器信號變換方式
葡萄糖傳感器
信號變換方式
(1)電位法
電位法是通過不同離子生成在不同感受體，從測得膜電位去計算與酶應有關的各種離子的濃度。一般采用銨離子電極（氨氣電極）、氫離子電極、氧化碳電極等；
(2)電流法
電流法是從與酶應有關的物質的電極應得到的電流值來計算被測物質的方法。電化學裝置采用的是氧電極。燃料電池型電極和過氧化氫電極等；
葡萄糖傳感器
工作原理
測量氧消耗量的葡萄糖傳感器
測Ｈ2Ｏ2生成量的葡萄糖傳感器
工作原理
測量氧消耗量的葡萄糖傳感器
測量氧消耗量的葡萄糖傳感器
氧電極構成：①由Ｐb陽極和Ｐt陰極浸入堿溶液，②陰極表面用氧穿透葡萄糖（基質）膜覆蓋[特氟隆，厚約１０μm]
氧電極測O2原理：利用氧在陰極上首先被還原的特性。溶液中的O2穿過特氟隆膜到達Pt陰極上，當外加一個直流電壓為氧的極化電壓(如0.7V)時，則氧分子在Pt陰極上得電子，被還原:其電流值與含O2濃度成比例。
Ｏ2+２Ｈ2Ｏ+４e=======４ＯＨ－
聚四氟乙烯膜（作用）
它避免了電極與被測液直接相接觸，防止了電極毒化；如電極Pt為開放式，它浸入含蛋白質的介質中，蛋白質會沉淀在電極表面上從而減小電極有效面積，使電流下降，使傳感器受到毒化。
測Ｈ2Ｏ2生成量的葡萄糖傳感器
Pt陽極
聚四氟乙烯膜（作用）
固相酶膜
半透膜多孔層
半透膜致密層
葡萄糖氧化酶（ＧＯＤ） 葡萄糖+H2O＋Ｏ２―――――――→葡萄糖酸＋Ｈ２Ｏ２
葡萄糖氧化產生Ｈ２Ｏ２，而Ｈ２Ｏ２通過選擇性透氣膜，在Pt電極上氧化，產生陽極電流。葡萄糖含量與電流成正比，由此可測出葡萄糖溶液濃度。
在Ｐt電極上加0.6V電壓時，則產生的陽極電流為：
11.3 微生物傳感器
分類
好氣性微生物傳感器
厭氣性微生物傳感器
注： 氣→Ｏ２
微生物固定方式及工作原理
好氣性微生物傳感器
微生物的呼吸可用氧電極或二氧化碳
電極來測定結構
被測 氧消耗變化 電信號
物質 （呼吸技能）
O2電極好氣性微生物傳感器
電解液
O型環
Pb陰極
聚四氟乙烯
固化微生物膜
尼龍網
Pt陽極
O2電極好氣性 微生物傳感器響應曲線
厭氣性微生物傳感器
可測定微生物代謝產物，可用離子選擇電極來測定
甲酸傳感器 (H2電極厭氣性微生物傳感器)
圓環
液體連接面
電解液(100mol/m3磷酸緩沖液)
Ag2O2電極(陰極)
Pt電極(陽極)
聚四氟乙烯膜
甲酸傳感器原理
將產生氫的酪酸梭狀芽菌固定在低溫膠凍膜上，并把它固定在燃料電池Pt電極上；
當傳感器浸入含有甲酸的溶液時，甲酸通過聚四氟乙烯膜向酪酸梭狀芽菌擴散，被資化后產生H2,而H2又穿過Pt電極表面上的聚四氟乙烯膜與Pt電極產生氧化還原應而產生電流，此電流與微生物所產生的H2含量成正比，而H2量又與待測甲酸濃度有關，因此傳感器能測定發酵溶液中的甲酸濃度。
11.4 免疫傳感器
免疫傳感器的工作原理
免疫傳感器的結構
免疫傳感器的工作原理
基本原理是免疫應。利用固定化抗體（或抗原）膜與相應的抗原（或抗體）的特異應，使得生物敏感膜的電位發生變化。
抗原或抗體一經固定于膜上，就形成具有識別免疫應強烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纖維素膜上進行固定化，由于蛋白質為雙極性電解質，（正負電極極性隨ＰＨ值而變）所以抗原固定化膜具有表面電荷。其膜電位隨膜電荷要變化。故根據抗體膜電位的變化，可測知抗體的附量。
免疫傳感器的結構
11.5 半導體生物傳感器
酶光敏二極管
酶FET
酶光敏二極管
酶光敏二極管由催化發光應的酶和光敏二極管(或晶體管)半導體器件構成；
在硅光敏二極管的表面透鏡上涂上一層過氧化氫酶膜，即構成了檢測過氧化氫的酶光敏二極管；
當二極管表面接觸到過氧化氫時，由于過氧化氫酶的催化作用，加速發光應，產生的光子照射到硅光敏二極管pn結點，從而改變了二極管的導通狀態。即將發光效應轉換成光敏二極管的光電流，從而檢測出過氧化氫及其濃度小。
酶光敏二極管的結構
酶FET
結構與工作原理
結構：多數由以有機物所制作的敏感膜與HFET(氫離子場效應管)組成。
制法：去掉FET的柵極金屬，在此處固定生物敏感膜，如氮化硅膜，它易于被離子和水分滲透，而且表面一旦與若干水分溶化在一起時（稱為水合作用），下式中的電位與氫離子濃度倒數的對數(即PH值)成比例。
11.6 生物傳感器應用與未來
應用：發酵工業、醫療機構、事
發展方向：
集成化微型生物傳感器的研究
生物芯片(仿人腦)
仿生傳感器(蝙蝠的超聲波定位、海豚的聲納導航測距、信鴿的方向識別、狗的嗅覺)
本章小結
概念:生物傳感器
問題1:請問生物傳感器有哪些組成部分?
問題2:簡要說明一下生物傳感器的固定方法，并分別進行比較。
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