生物傳感器介紹

生物傳感器介紹生物傳感器的概念生物傳感器的背景生物傳感器的類型生物傳感器的優(yōu)點生物傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域生物傳感器的發(fā)展前景主要內(nèi)容

傳感器位于信息采集系統(tǒng)之首、檢測與控制之前，是儀器儀表與自動化系統(tǒng)最基礎(chǔ)的元器件之一。因此，傳感器的性能、質(zhì)量和水平直接決定了信息系統(tǒng)的功能和質(zhì)量。定義：

傳感器是一種裝置或器件，能夠?qū)⑽锢砹俊⒒瘜W(xué)量或生物量等按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的信號；構(gòu)成：研究傳感器的核心與關(guān)鍵生物傳感器的概念新功能、新應(yīng)用的擴(kuò)展敏感材料的基礎(chǔ)研究新材料的研發(fā)新原理的采用新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)新工藝的開發(fā)優(yōu)點敏感元件研究方向生物傳感器的概念生物傳感器—將生物體的成份（酶、抗原、抗體、DNA、激素）或生物體本身（細(xì)胞、細(xì)胞器、組織）固定化在一器件上作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器。

生物傳感器的概念

生物傳感器的基本組成分子識別元件+信號轉(zhuǎn)換器件+信號檢測生物傳感器的概念分子識別元件分子識別元件生物活性單元酶膜各種酶類全細(xì)胞膜細(xì)菌、真菌、動植物細(xì)胞組織膜動植物組織切片細(xì)胞器膜線粒體、葉綠體免疫功能膜抗體、抗原、酶標(biāo)抗原等酶(Enzyme)抗體(Antibody)DNA生物傳感器的概念轉(zhuǎn)換器：電化學(xué)電極、離子敏場效應(yīng)晶體管、熱敏電阻、光電轉(zhuǎn)換器等生物傳感器的概念1962年，Clark教授在紐約自然科學(xué)學(xué)會的論文集中首次提出了“在化學(xué)電極的敏感膜中加入酶以實現(xiàn)對目標(biāo)物進(jìn)行選擇性分析”的設(shè)想。生物傳感器的背景起源第一種生物傳感器——葡萄糖酶電極1967年Updike和Hicks葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜+氧電極組生物傳感器的背景第一代生物傳感器1975年，熱酶探針和酶熱敏電阻器研制1980年，測量乙醇的光學(xué)生物傳感器1983年，免疫傳感器的產(chǎn)生1984年，廉價酶電極制作方法生物傳感器的背景20世紀(jì)90年代初，進(jìn)入第二代生物傳感器階段，特點：使用抗體或受體蛋白作分子識別組件，換能器的選用則更為多樣化1991年上市的瑞典商家Pharmacia所推出的BIAcore與BIAlite兩項產(chǎn)品1996年，Turner等人研制的一種以DNA為敏感源的傳感器生物傳感器的背景21世紀(jì)發(fā)展的生物傳感器為第三代生物傳感器發(fā)展方向：微型化、集成化、便攜式測試儀成就：生物表達(dá)化學(xué)、表面定性、分子標(biāo)記以及納米科技，帶動了生物傳感器在各種環(huán)境下應(yīng)用的增長生物傳感器的背景納米材料在生物傳感器中的應(yīng)用，使其研究進(jìn)入嶄新的階段。納米顆粒能增強(qiáng)酶生物傳感器的敏感性納米顆粒表面積大、表面自由能高，吸附能力較強(qiáng)，能固定酶分子納米顆粒尺寸很小，有可能與酶內(nèi)部的親水基團(tuán)發(fā)生作用，從而引起酶構(gòu)型上的變化生物傳感器的背景手掌型血糖分析器生物傳感器的背景胰島素泵生物傳感器的背景固定化酶生物傳感分析儀生物傳感器的背景SPR生物傳感器國內(nèi)外差距的比較——產(chǎn)業(yè)正處在發(fā)展階段，有較大經(jīng)濟(jì)潛力的項目主要是手掌型血糖分析儀及胰島素泵二類產(chǎn)品；——生產(chǎn)單位不多，都屬于中小型企業(yè)。但是行業(yè)競爭激烈；——與外資公司同類產(chǎn)品相比較，技術(shù)上差距不大；生物傳感器的背景三種分類方式：生物分子識別元件輸出信號方式信號轉(zhuǎn)換器類型酶傳感器免疫傳感器微生物傳感器細(xì)胞傳感器光生物傳感器組織傳感器等代謝型或催化型生物傳感器生物親合型生物傳感器等電化學(xué)生物傳感器半導(dǎo)體生物傳感器測熱型生物傳感器測光型生物傳感器測聲型生物傳感器等生物傳感器的分類（1）根據(jù)生物分子識別元件方式分類微生物傳感器分子識別元件酶傳感器免疫傳感器細(xì)胞器傳感器組織傳感器微生物固定化細(xì)胞器生物組織切片固定化免疫物質(zhì)固定化酶生物傳感器的分類（2）根據(jù)輸出信號方式分類a．生物親合型傳感器

被測物質(zhì)與分子識別元件上的敏感物質(zhì)具有生物親合作用，即二者能特異地相結(jié)合，同時引起敏感材料的分子結(jié)構(gòu)和固定介質(zhì)發(fā)生變化。例如：電荷、溫度、光學(xué)性質(zhì)等的變化。反應(yīng)式可表示為：

S（底物）+R（受體）==SRb．代謝型或催化型傳感器

另一類是底物（被測物）與分子識別元件上的敏感物質(zhì)相作用并生成產(chǎn)物，信號轉(zhuǎn)換器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?，這類傳感器稱為代謝型或催化型傳感器，其反應(yīng)形式可表示為

S（底物）＋R（受體）==SR→P（生成物）

生物傳感器的分類

電化學(xué)電極光學(xué)換能器介體半導(dǎo)體傳遞系統(tǒng)換能器熱敏電阻壓電晶體介體生物傳感器轉(zhuǎn)換器半導(dǎo)體生物傳感器生物電極光生物傳感器熱生物傳感器壓電晶體生物傳感器（3）根據(jù)信號轉(zhuǎn)換器類型分類生物傳感器的分類(1)根據(jù)生物反應(yīng)的特異性和多樣性,理論上可以制成測定所有生物物質(zhì)的傳感器,因而測定范圍廣泛(2)一般不需進(jìn)行樣品的預(yù)處理,它利用本身具備的優(yōu)異選擇性把樣品中被測組分的分離和檢測統(tǒng)一為一體，測定時一般不需另加其他試劑,使測定過程簡便迅速,容易實現(xiàn)自動分析(3)體積小、響應(yīng)快、樣品用量少,可以實現(xiàn)連續(xù)在位檢測生物傳感器的優(yōu)點(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反復(fù)多次使用(5)準(zhǔn)確度高,一般相對誤差可達(dá)到1%以內(nèi)(6)可進(jìn)行活體分析(7)傳感器連同測定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀,因而便于推廣普及(8)有的微生物傳感器能可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生，能得到許多復(fù)雜的物理化學(xué)傳感器綜合作用才能獲得的信息生物傳感器的優(yōu)點1

食品工業(yè)⑴食品成分分析已開發(fā)的酶電極型生物傳感器可用來分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖。其它糖類，如果糖，啤酒、麥芽汁中的麥芽糖，也有成熟的測定傳感器。⑵食品添加劑的分析采用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料制成的電流型二氧化硫酶電極可用于測定食品中的亞硫酸鹽含量生物傳感器的應(yīng)用(3)

農(nóng)藥殘留量分析近年來，人們對食品中的農(nóng)藥殘留問題越來越重視，各國政府也不斷加強(qiáng)對食品中的農(nóng)藥殘留的檢測工作。Yamazaki等人發(fā)明了一種使用人造酶測定有機(jī)磷殺蟲劑的電流式生物傳感器，可用于檢測果蔬表面有機(jī)磷農(nóng)藥。(4)

微生物和毒素的檢驗一種快速靈敏的免疫生物傳感器可以用于測量牛奶中雙氫除蟲菌素的殘余物，它是基于細(xì)胞質(zhì)基因組的反應(yīng)，通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸信號。已達(dá)到的檢測極限為16.2ng/ml。一天可以檢測20個牛奶樣品。生物傳感器的應(yīng)用2環(huán)境監(jiān)測(1)水環(huán)境監(jiān)測生物需氧量(BOD)是一種廣泛采用的表示有機(jī)物污染程度的綜合性指標(biāo)。國外普遍采用的BOD生物傳感器一般是將微生物膜固定在溶解氧的探頭上，當(dāng)樣品溶液通過傳感器檢測系統(tǒng)時，滲透通過多孔膜的有機(jī)物被固定化的微生物吸收，消耗氧，引起膜周圍溶解氧減少，使氧電極電流隨時間急劇減小。(2)大氣環(huán)境監(jiān)測

二氧化硫(S02)是酸雨酸霧形成的主要原因，傳統(tǒng)的檢測方法很復(fù)雜。Martyr等人將亞細(xì)胞類脂類(含亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體)固定在醋酸纖維膜上，和氧電極制成安培型生物傳感器，對S02形成的酸雨酸霧樣品溶液進(jìn)行檢測，lOmin可以得到穩(wěn)定的測試結(jié)果。

生物傳感器的應(yīng)用(1)原材料及代謝產(chǎn)物的測定

微生物傳感器可用于測量發(fā)酵工業(yè)中的原材料和代謝產(chǎn)物。測量的裝置基本上都是由適合的微生物電極與氧電極組成，原理是利用微生物的同化作用耗氧，通過測量氧電極電流的變化量來測量氧氣的減少量，從而達(dá)到測量底物濃度的目的。(2)微生物細(xì)胞數(shù)目的測定人們發(fā)現(xiàn)在陽極表面上，菌體可以直接被氧化并產(chǎn)生電流。這種電化學(xué)系統(tǒng)可以應(yīng)用于細(xì)胞數(shù)目的側(cè)定。側(cè)定結(jié)果與常規(guī)的細(xì)胞計數(shù)法測定的數(shù)值相近。利用這種電化學(xué)微生物細(xì)胞數(shù)傳感器可以實現(xiàn)菌體濃度連續(xù)、在線的測定。

3發(fā)酵工業(yè)生物傳感器的應(yīng)用4醫(yī)學(xué)

(1)臨床醫(yī)學(xué)在臨床醫(yī)學(xué)中，酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器，目前，已成功地應(yīng)用于血糖、乳酸、維生素C、尿酸、尿素、谷氨酸等物質(zhì)的檢測。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器，在臨床中應(yīng)用的微生物傳感器有葡萄糖、乙醉、膽固醇等傳感器。

DNA傳感器是目前生物傳感器中報道最多的一種，用于臨床疾病診斷是DNA傳感器的最大優(yōu)勢，它可以幫助醫(yī)生從DNA、RNA、蛋白質(zhì)及其相互作用層次上了解疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，有助于對疾病的及時診斷和治療。生物傳感器的應(yīng)用(2)軍事醫(yī)學(xué)軍事醫(yī)學(xué)中，對生物毒素的及時快速檢測是防御生化武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測多種細(xì)菌、病毒及其毒素，如鼠疫耶爾森菌、肉毒桿菌類毒素等。此外，在法醫(yī)學(xué)中，生物傳感器可用作DNA鑒定和親子認(rèn)證等。生物傳感器的應(yīng)用生物傳感器在全國應(yīng)用數(shù)量和地理分布東北46華北93華東148臺灣2華南31華中58西部25

我國生物傳感器的產(chǎn)業(yè)正處在發(fā)展階段，有較大經(jīng)濟(jì)潛力的項目主要是手掌型血糖分析儀及胰島素泵兩類產(chǎn)品。生產(chǎn)單位不多，都屬于中小型企業(yè)。但是行業(yè)競爭激烈。與外資公司同類產(chǎn)品相比較，技術(shù)上差距不大。我國在固定化酶生物傳感器研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用方面居國際領(lǐng)先水平，經(jīng)過15年發(fā)展已有許多應(yīng)用單位，對國民經(jīng)濟(jì)影響大，產(chǎn)生了比較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。但是作為一類生物技