生物傳感器的原理及應(yīng)用1

1、現(xiàn)代化學(xué)傳感技術(shù)學(xué)生姓名：班 級(jí)：學(xué) 號(hào)：完成時(shí)間：生物傳感器生物傳感器姓名： 專業(yè)： 學(xué)號(hào)： 考號(hào)： 班級(jí) 摘要:生物傳感器是一門由生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透成長(zhǎng)起來的高新技術(shù),是一種將生物感應(yīng)元件的專一性與一個(gè)能夠產(chǎn)生和待測(cè)物濃度成比例的信號(hào)傳導(dǎo)器結(jié)合起來的分析裝置.由于其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、能在復(fù)雜體系中進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn),已在生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品、醫(yī)藥、及軍事醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景,引起了世界各國(guó)的極大關(guān)注.綜述了生物傳感器的基本原理、分類、特點(diǎn)及在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品分析、生物醫(yī)學(xué)和軍事上的應(yīng)用,并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望.關(guān)

2、鍵詞:生物傳感器；原理；應(yīng)用；發(fā)展目錄一. 引言3二. 生物傳感器的基本原理3三. 生物傳感器的分類4四. 生物傳感器的應(yīng)用44.1生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用4. 基于中醫(yī)針灸針的傳感針4. 生物芯片54.1,3. 生物傳感器的臨床應(yīng)用5 4.2生物傳感器在非傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用64.2.1 在空間生命科學(xué)發(fā)展中的應(yīng)用64.2.2在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用64.2.3在食品工程中的應(yīng)用64.2.4在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用7五. 生物傳感器的未來7六. 結(jié)束語(yǔ)8七. 參考文獻(xiàn)8一引言傳感器作為現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，被認(rèn)為是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，也是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。在國(guó)內(nèi)有自動(dòng)化方面的專

3、家指出塑料工業(yè)網(wǎng)，傳感器技術(shù)直接關(guān)系到我國(guó)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形勢(shì)，認(rèn)為“傳感器技術(shù)強(qiáng)，則自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)強(qiáng)”。由此可見傳感器技術(shù)對(duì)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)乃至整個(gè)國(guó)家工業(yè)建設(shè)的重要性。 生物傳感器是生物技術(shù)群的一個(gè)領(lǐng)域，也是典型的多學(xué)科交叉生長(zhǎng)點(diǎn)，涉及到生命科學(xué)、物理、化學(xué)、信息科學(xué)等眾多學(xué)科和技術(shù)。由于生物傳感器具有操作簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確、易于聯(lián)機(jī)及重復(fù)使用等特點(diǎn)，在生命科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)生物工程臨床診斷與分析、生物工藝過程檢測(cè)與監(jiān)控、環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)、食品科學(xué)、化學(xué)化工過程分析及分析化學(xué)研究等許多方面都有廣泛的應(yīng)用前景。二.生物傳感器的基本原理 生物傳感器的傳感原理如(圖1)表示，其構(gòu)。成包括兩部分:生物敏感膜和換能器。

4、被分析物擴(kuò)散進(jìn)入固定化生物敏感膜層，經(jīng)分子識(shí)別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的化學(xué)換能器或物理?yè)Q能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號(hào)，再經(jīng)檢測(cè)放大器放大并輸出，便可知道待測(cè)物濃度。生物敏感膜又稱分子識(shí)別元件，它們是生物傳感器的關(guān)鍵元件(表1)，直接決定傳感器的功能與質(zhì)量。依生物敏感膜所選材料不同，其組成可以是酶、核酸、免疫物質(zhì)、全細(xì)胞、組織、細(xì)胞器或它們的不同組合，近年來還引人了高分子聚合物模擬酶，使分子識(shí)別元件概念進(jìn)一步延伸。換能器的作用是將各種生物的、化學(xué)的和物理的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。生物學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生的信息是多元化的，微電子學(xué)和傳感器技術(shù)的現(xiàn)代成果為檢測(cè)這些信息提供了豐富的手段，使得研

5、究者在設(shè)計(jì)生物傳感器時(shí)換能器的選擇有足夠的回旋余地。3 生物傳感器的分類 生物傳感器，具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低等特點(diǎn)，目前在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門如食品、制藥、化工、臨床檢驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面有廣泛的應(yīng)用前景。生物傳感器主要有下面三種分類命名方式：1、 根據(jù)生物傳感器中分子識(shí)別元件即敏感元件可分為五類：酶?jìng)鞲衅?，微生物傳感器，?xì)胞傳感器，組織傳感器和免疫傳感器。顯而易見，所應(yīng)用的敏感材料依次為酶、微生物個(gè)體、細(xì)胞器、動(dòng)植物組織、抗原和抗體。2、根據(jù)生物傳感器的換能器即信號(hào)轉(zhuǎn)換器分類有：生物電極傳感器，半導(dǎo)體生物傳感器，光生物傳感器，熱生物傳感器，壓電晶體生物傳感器等，換能

6、器依次為電化學(xué)電極、半導(dǎo)體、光電轉(zhuǎn)換器、熱敏電阻、壓電晶體等。3、以被測(cè)目標(biāo)與分子識(shí)別元件的相互作用方式進(jìn)行分類有生物親和型生物傳感器、代謝型或催化型生物傳感器。4. 生物傳感器的應(yīng)用4.1生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用4.1.1.基于中醫(yī)針灸針的傳感針基于中醫(yī)針炙針的傳感針是以中醫(yī)針灸針為基體，應(yīng)用多種現(xiàn)代技術(shù)加工制作后，賦予其傳感人體微區(qū)中的溫度、pH值、氧分壓、多巴胺，Ca2+,K+,Na+等信息的新功能而得的一種特殊傳感針。它具有傳感與治療兩種功能，既能實(shí)時(shí)傳感出人體微區(qū)中各種生理、生化參數(shù)，并進(jìn)行人體微區(qū)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，又能按中醫(yī)針刺的實(shí)施治病理療法。與其它生物傳感器相比，它具有能直接進(jìn)入被

7、測(cè)對(duì)象體內(nèi)，不需取樣，操作簡(jiǎn)單，測(cè)量快速，結(jié)果可靠，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果等優(yōu)點(diǎn)。傳感針的基本設(shè)計(jì):它是以普通針灸針(或根據(jù)應(yīng)用學(xué)科的具體外形要求用外直徑為0.3 0.4mm的空心不銹鋼竹)作為基體加工而成 的。一般制備過程為:對(duì)針灸表面進(jìn)行清潔處理或用處理液浸泡；針尖上鍍相應(yīng)的合金和相應(yīng)參數(shù)的敏感膜，然后再覆蓋上有機(jī)高分子功 能保護(hù)的材料;針體鍍絕緣膜，使之有耐、提、插、捻、轉(zhuǎn)的機(jī)械作用，這一點(diǎn)是由它的傳感和治療雙重功能決定的;用戊二醛消毒液消毒;根據(jù)不同的參數(shù)特性配上相應(yīng)的測(cè)量?jī)x，進(jìn)行直接讀數(shù);在實(shí)驗(yàn)室 經(jīng)過反復(fù)浸泡、沖洗實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，使它們的主要性能指標(biāo)(如線性范圍、響應(yīng)時(shí)間、分辨率、零

8、點(diǎn)漂移、壽命等)達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)。 目前己制成的有溫度傳感針、氧分壓傳感針、pH傳感針、Ca2+傳感針和多巴胺傳感針等。若還能進(jìn)一步微型化，還可用于細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。此外，還可研制離了生物傳感針，如K+傳感針、N a+傳感針、中樞神經(jīng)遞質(zhì)傳感針、酶?jìng)鞲嗅?、抗體傳感針、受體傳感針、激素傳感針、DNA傳感針、RNA傳感針，并進(jìn)而研制多參數(shù)、微型化與智能化的傳感針。4.1.2. 生物芯片是具有某些特種功能的分子器件。如細(xì)胞色素C的傳導(dǎo)性，其氧化態(tài)與還原態(tài)之間的傳感性相差一千倍。除了上述傳感器，國(guó)外正在開發(fā)半導(dǎo)體生物傳感器，它包括一個(gè)參考電極和一個(gè)PH值量子場(chǎng)效應(yīng)品體管感應(yīng)膜，膜上固定有酶和微生物，當(dāng)固定

9、酶和微生物分別與待測(cè)物反應(yīng)時(shí)，PH值發(fā)生變化，那么輸出的電流或電壓就可測(cè)定，這就完成了對(duì)參加反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)的定量分析。如果把這些信號(hào)同計(jì)算機(jī)輸人端聯(lián)接，按一定的軟件程序，那么，可開發(fā)生物模擬計(jì)算機(jī)。4.1.3. 生物傳感器的臨床應(yīng)用1、在預(yù)防醫(yī)學(xué)中，應(yīng)用生物傳感器可將內(nèi)外環(huán)境的監(jiān)測(cè)統(tǒng)一起來。例如，乙酸膽堿傳感器既可用于外環(huán)境中有機(jī)磷農(nóng)藥的監(jiān)測(cè)，又可用于評(píng)價(jià)這種農(nóng)藥進(jìn)入人體后可能對(duì)神經(jīng)傳遞過程產(chǎn)生的影響。2、由于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究已進(jìn)人細(xì)胞和生物分子水平，微型生物傳感器的問世為了解細(xì)胞內(nèi)的代謝過程和生物大分子的運(yùn)動(dòng)變化提供了信息。目前的微型傳感器已能插入細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。日本研究的一種蚊子型生物傳感器，

10、其探頭只有0.5微米粗，可直接刺入人體病變細(xì)胞，邊檢查邊由計(jì)算機(jī)顯示出病變信號(hào)。3、血液探針:日本和北美的幾家公司研制出一種外形象電子筆一樣的生物傳感器。在這種傳感器的“筆尖”上滴一滴血，3分鐘后便可由液晶數(shù)字顯示器讀出血糖濃度。它的問世使糖尿病患者呆在家中即可自己測(cè)血糖變化。4、神經(jīng)傳導(dǎo)性傳感器:目前，科學(xué)家們正在研制能植入人體的生物傳感器，并已取得了突破性進(jìn)展。如植入機(jī)體內(nèi)的生物傳感器能幫助恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)損傷所留下的后遺癥。建立起人工傳感器和大腦之間的聯(lián)系。放于靜脈或動(dòng)脈中的葡萄糖傳感器能持續(xù)不斷地監(jiān)測(cè)血糖濃度，并將指令送人一個(gè)植人的胰島素泵，幫助病人直接控制胰島素釋放量。這種傳感器還能為癌

11、癥患者監(jiān)測(cè)所用的抗癌藥物的血液濃度。4.2生物傳感器在非傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用生物傳感器除了應(yīng)用于傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如動(dòng)態(tài)檢測(cè)人體血壓、體溫、血液酸堿度、血氧含量，檢測(cè)酶活性、蛋白質(zhì)等生化指標(biāo)方面，還在其它非傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。4.2.1 在空間生命科學(xué)發(fā)展中的應(yīng)用 空間飛行對(duì)生命系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響的問題很多。如調(diào)查在微重力環(huán)境和空間飛行中對(duì)大鼠生命的影響，必須在一段長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)允許它們相對(duì)自由行動(dòng)中進(jìn)行。這些研究用現(xiàn)在的儀器檢測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)是無(wú)法做到的，而可植入的生物傳感器和微型生物遙測(cè)術(shù)的結(jié)合在這方面有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。可以預(yù)計(jì)可植入生物體內(nèi)傳感器和生物遙測(cè)技術(shù)的結(jié)合將使得靈活方便地遠(yuǎn)距離測(cè)

12、量連續(xù)在線的資料獲得成為可能。關(guān)于它的研究將推動(dòng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和空間生命科學(xué)的迅速發(fā)展。4.2.2在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)通常采用離線分析方法，操作復(fù)雜，所需儀器昂貴，且不適宜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速監(jiān)測(cè)和連續(xù)在線分析。隨著環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，生物傳感器在建立和發(fā)展連續(xù)、在線、快速的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)體系中發(fā)揮著重要作用。（1） 水質(zhì)監(jiān)測(cè)生化需氧量(BOD)是衡量水體有機(jī)污染程度的重要指標(biāo)，BOD的研究對(duì)于水質(zhì)監(jiān)測(cè)及處理都是非常重要的此研究也成為水質(zhì)檢測(cè)科技發(fā)展的方向。BOD的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)稀釋法所需時(shí)間長(zhǎng)，操作繁瑣，準(zhǔn)確度差，BOD傳感器不僅能滿足實(shí)際監(jiān)測(cè)的要求，并具有快速、靈敏的特點(diǎn)。自1977年首次將絲孢酵母菌

13、分別用聚丙酰胺和骨膠原固定在多孔纖維素膜上，利用BOD微生物傳感器測(cè)定水中BOD以來，此項(xiàng)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。目前，已有可用于測(cè)定廢水中BOD值的生物傳感器和適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的便攜式測(cè)定儀 。隨著BOD快速測(cè)定研究的不斷深入，研究發(fā)現(xiàn)BODst(快速BOD測(cè)定值)還可作為在線監(jiān)測(cè)生物處理過程的一個(gè)重要參數(shù) 。（2）大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)生物傳感器可監(jiān)測(cè)大氣中的CO2，NO ，NH3及CH,等。Antonelli M等人 采用地衣組織研制了一種傳感器，有望用于對(duì)大氣、水和油等物質(zhì)中苯的濃度的監(jiān)測(cè)。用多孔滲透膜、固定化硝化細(xì)菌和氧電極組成的微生物傳感器，可測(cè)定樣品中亞硝酸鹽含量，從而推知空氣中NO 的濃度，其

14、檢測(cè)極限為1 xl0 molL。4.2.3.在食品工程中的應(yīng)用食用牛肉很容易被大腸桿菌0157. H7.所感染，因此需要快速、靈敏的方法檢測(cè)和防御大腸桿菌0157. H7.一類的細(xì)菌。2002年，Kramer等人研究的光纖生物傳感器可以在幾分鐘內(nèi)檢測(cè)出食物中的病原體，如大腸桿菌0157. H7.，而傳統(tǒng)的方法則需要幾天。生物傳感器可以直接測(cè)量102CFU(菌落形成單位)的大腸桿菌0157. H7.。檢測(cè)病原體之后即可以將它分離到培養(yǎng)基上生長(zhǎng)。從檢測(cè)出病原體到從樣品中重新獲得病原體并使它在培養(yǎng)基上獨(dú)立生長(zhǎng)總共只需1天時(shí)間，而傳統(tǒng)方法需要4天。還有一種快速靈敏的免疫生物傳感器可以用于測(cè)量牛奶中雙氫

15、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(hào)，己達(dá)到的檢測(cè)極限為16. 2nd/ mL。一天可以檢測(cè)20個(gè)牛奶樣品。4.2.4在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用生物傳感器在化學(xué)、生物戰(zhàn)劑的偵檢方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測(cè)多種細(xì)菌、病毒及其毒素(如炭疽芽胞桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等) ，2000年，美軍報(bào)道已研制出可檢測(cè)土拉弗菌、蓖麻素、肉毒毒素和葡萄球菌腸毒素B等4種生物戰(zhàn)劑的免疫傳感器。在化學(xué)戰(zhàn)劑檢測(cè)中研究和使用最多的是乙酰膽堿脂酶?jìng)鞲衅鳌?0世紀(jì)5O年代，就有人設(shè)計(jì)了沙林毒劑的酶檢測(cè)方法，可檢出010510 的沙林，這一方法至今仍被國(guó)際上普遍用

16、于神經(jīng)性毒劑偵毒包和報(bào)警器中。5. 生物傳感器的未來未來生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中將有很大的發(fā)展?jié)摿? 發(fā)展趨勢(shì)將在以下幾個(gè)方面： 應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬 由于生物傳感器潛在的巨大優(yōu)勢(shì), 它必將向更廣闊的應(yīng)用范圍發(fā)展。如向心理學(xué)方面發(fā)展。研制心理傳感器, 傳感人們的心理活動(dòng), 這對(duì)心理學(xué)、生理學(xué)以及社會(huì)科學(xué)的研究都將有推動(dòng)作用。此外, 傳感器在仿生學(xué)方面將有更大發(fā)展。光導(dǎo)纖維可代替人的神經(jīng)纖維, 效應(yīng)管生物傳感器可起到細(xì)胞膜的作用?？傊飩鞲衅鲗⑾蜥t(yī)學(xué)所有領(lǐng)域伸展。 小型化、集成化 未來的生物傳感器將趨于小型化, 向體內(nèi)監(jiān)測(cè)、在線監(jiān)測(cè)的方向發(fā)展。已報(bào)道有植入體內(nèi)的微小傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血糖變化或通過病人腦

17、電波的監(jiān)測(cè)預(yù)知癲癇的發(fā)作。同時(shí)芯片技術(shù)將愈加進(jìn)入傳感器, 實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的集成化、一體化。 智能化 未來的生物傳感器必定與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合, 自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù), 更科學(xué)、更準(zhǔn)確地提供結(jié)果, 采樣、進(jìn)樣、結(jié)果一條龍, 形成檢測(cè)的自動(dòng)化系統(tǒng)。 聯(lián)用技術(shù) 生物傳感器將不斷與其它分析技術(shù)聯(lián)用, 如流動(dòng)注射技術(shù)、色譜等, 互相取長(zhǎng)補(bǔ)短。生物傳感器必將在發(fā)展中不斷完善, 成為醫(yī)學(xué)發(fā)展的巨大推動(dòng)力。六結(jié)束語(yǔ) 生物傳感器可以取代常規(guī)的化學(xué)分析方法，因此，它的出現(xiàn)可以說是一場(chǎng)技術(shù)革命。人類基因組計(jì)劃的實(shí)施大大加速了與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、信息學(xué)等學(xué)科息息相關(guān)的各類新型生物傳感器的發(fā)展，這給當(dāng)前生物傳感器的研究提供了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。生物傳感器作為多學(xué)科交叉的高科技領(lǐng)域，如何組織各方面的科技力量和財(cái)力、物力來推動(dòng)這一高科技領(lǐng)域在我國(guó)的發(fā)展，不僅是對(duì)生物、信息、物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、微電子、材料等相關(guān)領(lǐng)域中科技人員的挑戰(zhàn)，也是有關(guān)行政管理部門