生物傳感器的原理及應用1

1、現(xiàn)代化學傳感技術學生姓名：班 級：學 號：完成時間：生物傳感器生物傳感器姓名： 專業(yè)： 學號： 考號： 班級 摘要:生物傳感器是一門由生物、化學、物理、醫(yī)學、電子技術等多種學科互相滲透成長起來的高新技術,是一種將生物感應元件的專一性與一個能夠產(chǎn)生和待測物濃度成比例的信號傳導器結合起來的分析裝置.由于其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、能在復雜體系中進行在線連續(xù)監(jiān)測的特點,已在生物、醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測、食品、醫(yī)藥、及軍事醫(yī)學等領域顯示出廣闊的應用前景,引起了世界各國的極大關注.綜述了生物傳感器的基本原理、分類、特點及在環(huán)境監(jiān)測、食品分析、生物醫(yī)學和軍事上的應用,并對其發(fā)展前景進行了展望.關

2、鍵詞:生物傳感器；原理；應用；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. 生物傳感器的應用44.1生物傳感器在醫(yī)學領域的應用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用5 4.2生物傳感器在非傳統(tǒng)醫(yī)學領域的應用64.2.1 在空間生命科學發(fā)展中的應用64.2.2在環(huán)境監(jiān)測中的應用64.2.3在食品工程中的應用64.2.4在軍事領域的應用7五. 生物傳感器的未來7六. 結束語8七. 參考文獻8一引言傳感器作為現(xiàn)代科技的前沿技術，被認為是現(xiàn)代信息技術的三大支柱之一，也是國內(nèi)外公認的最具有發(fā)展前途的高技術產(chǎn)業(yè)。在國內(nèi)有自動化方面的專

3、家指出塑料工業(yè)網(wǎng)，傳感器技術直接關系到我國自動化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形勢，認為“傳感器技術強，則自動化產(chǎn)業(yè)強”。由此可見傳感器技術對自動化產(chǎn)業(yè)乃至整個國家工業(yè)建設的重要性。 生物傳感器是生物技術群的一個領域，也是典型的多學科交叉生長點，涉及到生命科學、物理、化學、信息科學等眾多學科和技術。由于生物傳感器具有操作簡便、快速、準確、易于聯(lián)機及重復使用等特點，在生命科學研究、醫(yī)學生物工程臨床診斷與分析、生物工藝過程檢測與監(jiān)控、環(huán)境質(zhì)量檢測、食品科學、化學化工過程分析及分析化學研究等許多方面都有廣泛的應用前景。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。成包括兩部分:生物敏感膜和換能器。

4、被分析物擴散進入固定化生物敏感膜層，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學反應，產(chǎn)生的信息繼而被相應的化學換能器或物理換能器轉變成可定量和可處理的電信號，再經(jīng)檢測放大器放大并輸出，便可知道待測物濃度。生物敏感膜又稱分子識別元件，它們是生物傳感器的關鍵元件(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)、全細胞、組織、細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，使分子識別元件概念進一步延伸。換能器的作用是將各種生物的、化學的和物理的信息轉換成電信號。生物學反應過程產(chǎn)生的信息是多元化的，微電子學和傳感器技術的現(xiàn)代成果為檢測這些信息提供了豐富的手段，使得研

5、究者在設計生物傳感器時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，目前在國民經(jīng)濟的各個部門如食品、制藥、化工、臨床檢驗、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測等方面有廣泛的應用前景。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別元件即敏感元件可分為五類：酶傳感器，微生物傳感器，細胞傳感器，組織傳感器和免疫傳感器。顯而易見，所應用的敏感材料依次為酶、微生物個體、細胞器、動植物組織、抗原和抗體。2、根據(jù)生物傳感器的換能器即信號轉換器分類有：生物電極傳感器，半導體生物傳感器，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、器依次為電化學電極、半導體、光電轉換器、熱敏電阻、壓電晶體等。3、以被測目標與分子識別元件的相互作用方式進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. 生物傳感器的應用4.1生物傳感器在醫(yī)學領域的應用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，應用多種現(xiàn)代技術加工制作后，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，既能實時傳感出人體微區(qū)中各種生理、生化參數(shù)，并進行人體微區(qū)的動態(tài)監(jiān)測，又能按中醫(yī)針刺的實施治病理療法。與其它生物傳感器相比，它具有能直接進入被

7、測對象體內(nèi)，不需取樣，操作簡單，測量快速，結果可靠，實時顯示測量結果等優(yōu)點。傳感針的基本設計:它是以普通針灸針(或根據(jù)應用學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:對針灸表面進行清潔處理或用處理液浸泡；針尖上鍍相應的合金和相應參數(shù)的敏感膜，然后再覆蓋上有機高分子功 能保護的材料;針體鍍絕緣膜，使之有耐、提、插、捻、轉的機械作用，這一點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)特性配上相應的測量儀，進行直接讀數(shù);在實驗室 經(jīng)過反復浸泡、沖洗實驗并進行動物實驗，使它們的主要性能指標(如線性范圍、響應時間、分辨率、零

8、點漂移、壽命等)達到要求標準。 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。若還能進一步微型化，還可用于細胞內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測。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、酶傳感針、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。如細胞色素C的傳導性，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，國外正在開發(fā)半導體生物傳感器，它包括一個參考電極和一個PH值量子場效應品體管感應膜，膜上固定有酶和微生物，當固定

9、酶和微生物分別與待測物反應時，PH值發(fā)生變化，那么輸出的電流或電壓就可測定，這就完成了對參加反應的化學物質(zhì)的定量分析。如果把這些信號同計算機輸人端聯(lián)接，按一定的軟件程序，那么，可開發(fā)生物模擬計算機。4.1.3. 生物傳感器的臨床應用1、在預防醫(yī)學中，應用生物傳感器可將內(nèi)外環(huán)境的監(jiān)測統(tǒng)一起來。例如，乙酸膽堿傳感器既可用于外環(huán)境中有機磷農(nóng)藥的監(jiān)測，又可用于評價這種農(nóng)藥進入人體后可能對神經(jīng)傳遞過程產(chǎn)生的影響。2、由于現(xiàn)代醫(yī)學研究已進人細胞和生物分子水平，微型生物傳感器的問世為了解細胞內(nèi)的代謝過程和生物大分子的運動變化提供了信息。目前的微型傳感器已能插入細胞內(nèi)進行監(jiān)測。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胞，邊檢查邊由計算機顯示出病變信號。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血糖變化。4、神經(jīng)傳導性傳感器:目前，科學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展。如植入機體內(nèi)的生物傳感器能幫助恢復神經(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。放于靜脈或動脈中的葡萄糖傳感器能持續(xù)不斷地監(jiān)測血糖濃度，并將指令送人一個植人的胰島素泵，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)學領域的應用生物傳感器除了應用于傳統(tǒng)的醫(yī)學領域，如動態(tài)檢測人體血壓、體溫、血液酸堿度、血氧含量，檢測酶活性、蛋白質(zhì)等生化指標方面，還在其它非傳統(tǒng)醫(yī)學領域獲得了應用。4.2.1 在空間生命科學發(fā)展中的應用 空間飛行對生命系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響的問題很多。如調(diào)查在微重力環(huán)境和空間飛行中對大鼠生命的影響，必須在一段長時間內(nèi)允許它們相對自由行動中進行。這些研究用現(xiàn)在的儀器檢測技術和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)是無法做到的，而可植入的生物傳感器和微型生物遙測術的結合在這方面有著巨大的發(fā)展?jié)摿??？梢灶A計可植入生物體內(nèi)傳感器和生物遙測技術的結合將使得靈活方便地遠距離測

12、量連續(xù)在線的資料獲得成為可能。關于它的研究將推動現(xiàn)代醫(yī)學和空間生命科學的迅速發(fā)展。4.2.2在環(huán)境監(jiān)測中的應用傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測通常采用離線分析方法，操作復雜，所需儀器昂貴，且不適宜進行現(xiàn)場快速監(jiān)測和連續(xù)在線分析。隨著環(huán)境污染問題日益嚴重，生物傳感器在建立和發(fā)展連續(xù)、在線、快速的現(xiàn)場監(jiān)測體系中發(fā)揮著重要作用。（1） 水質(zhì)監(jiān)測生化需氧量(BOD)是衡量水體有機污染程度的重要指標，BOD的研究對于水質(zhì)監(jiān)測及處理都是非常重要的此研究也成為水質(zhì)檢測科技發(fā)展的方向。BOD的傳統(tǒng)標準稀釋法所需時間長，操作繁瑣，準確度差，BOD傳感器不僅能滿足實際監(jiān)測的要求，并具有快速、靈敏的特點。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微生物傳感器測定水中BOD以來，此項技術得到了迅速的發(fā)展。目前，已有可用于測定廢水中BOD值的生物傳感器和適于現(xiàn)場測定的便攜式測定儀 。隨著BOD快速測定研究的不斷深入，研究發(fā)現(xiàn)BODst(快速BOD測定值)還可作為在線監(jiān)測生物處理過程的一個重要參數(shù) 。（2）大氣質(zhì)量監(jiān)測生物傳感器可監(jiān)測大氣中的CO2，NO ，NH3及CH,等。Antonelli M等人 采用地衣組織研制了一種傳感器，有望用于對大氣、水和油等物質(zhì)中苯的濃度的監(jiān)測。用多孔滲透膜、固定化硝化細菌和氧電極組成的微生物傳感器，可測定樣品中亞硝酸鹽含量，從而推知空氣中NO 的濃度，其

14、檢測極限為1 xl0 molL。4.2.3.在食品工程中的應用食用牛肉很容易被大腸桿菌0157. H7.所感染，因此需要快速、靈敏的方法檢測和防御大腸桿菌0157. H7.一類的細菌。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量102CFU(菌落形成單位)的大腸桿菌0157. H7.。檢測病原體之后即可以將它分離到培養(yǎng)基上生長。從檢測出病原體到從樣品中重新獲得病原體并使它在培養(yǎng)基上獨立生長總共只需1天時間，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量牛奶中雙氫

15、除蟲菌素的殘余物。它是基于細胞質(zhì)基因組的反應，通過光學系統(tǒng)傳輸信號，己達到的檢測極限為16. 2nd/ mL。一天可以檢測20個牛奶樣品。4.2.4在軍事領域的應用生物傳感器在化學、生物戰(zhàn)劑的偵檢方面具有獨特的優(yōu)勢。生物傳感器已應用于監(jiān)測多種細菌、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，美軍報道已研制出可檢測土拉弗菌、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。在化學戰(zhàn)劑檢測中研究和使用最多的是乙酰膽堿脂酶傳感器。20世紀5O年代，就有人設計了沙林毒劑的酶檢測方法，可檢出010510 的沙林，這一方法至今仍被國際上普遍用

16、于神經(jīng)性毒劑偵毒包和報警器中。5. 生物傳感器的未來未來生物傳感器在醫(yī)學領域中將有很大的發(fā)展?jié)摿? 發(fā)展趨勢將在以下幾個方面： 應用領域不斷拓寬 由于生物傳感器潛在的巨大優(yōu)勢, 它必將向更廣闊的應用范圍發(fā)展。如向心理學方面發(fā)展。研制心理傳感器, 傳感人們的心理活動, 這對心理學、生理學以及社會科學的研究都將有推動作用。此外, 傳感器在仿生學方面將有更大發(fā)展。光導纖維可代替人的神經(jīng)纖維, 效應管生物傳感器可起到細胞膜的作用?？傊飩鞲衅鲗⑾蜥t(yī)學所有領域伸展。 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、在線監(jiān)測的方向發(fā)展。已報道有植入體內(nèi)的微小傳感器實時監(jiān)測血糖變化或通過病人腦

17、電波的監(jiān)測預知癲癇的發(fā)作。同時芯片技術將愈加進入傳感器, 實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的集成化、一體化。 智能化 未來的生物傳感器必定與計算機緊密結合, 自動采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù), 更科學、更準確地提供結果, 采樣、進樣、結果一條龍, 形成檢測的自動化系統(tǒng)。 聯(lián)用技術 生物傳感器將不斷與其它分析技術聯(lián)用, 如流動注射技術、色譜等, 互相取長補短。生物傳感器必將在發(fā)展中不斷完善, 成為醫(yī)學發(fā)展的巨大推動力。六結束語 生物傳感器可以取代常規(guī)的化學分析方法，因此，它的出現(xiàn)可以說是一場技術革命。人類基因組計劃的實施大大加速了與生物學、醫(yī)學、信息學等學科息息相關的各類新型生物傳感器的發(fā)展，這給當前生物傳感器的研究提供了前所未有的發(fā)展機遇。生物傳感器作為多學科交叉的高科技領域，如何組織各方面的科技力量和財力、物力來推動這一高科技領域在我國的發(fā)展，不僅是對生物、信息、物理、化學、醫(yī)學、微電子、材料等相關領域中科技人員的挑戰(zhàn)，也是有關行政管理部門