光纤生物传感器汇总
生物传感器的种类及原理
生物传感器的种类及原理生物传感器是一种能够感受生命体征或者身体所产生的变化的科技仪器。
它可以感知、记录、分析和传输观测到的生物信息，为人们提供可靠的数据支持。
如今，随着生命科学、电子技术、计算机技术等众多学科的融合，生物传感器的种类越来越多，应用场景也在不断拓展。
在本文中，我们将介绍几种主要的生物传感器及其原理。
一、光学生物传感器光学生物传感器是根据其感应进程或检测过程中涉及的光学反应将光学信号转换成电学信号的传感器。
其中最常见的类型是荧光生物传感器，这种传感器可以通过外界刺激（如光、温度、电场、生物分子等）产生荧光信号，从而实现对物质的检测和分析。
荧光生物传感器的测量原理是通过测量荧光强度来检测目标物质，在实际应用中具有广泛的应用价值，可以用于药物筛选、生物监测、环境污染等领域。
二、电化学生物传感器电化学生物传感器是一种将生物分子与电极表面相结合的传感器，其工作原理是利用电化学反应将生物事件转换成电信号。
在电化学生物传感器中，生物分子可以专门与电极表面或溶液相互作用，在酶催化、抗体识别等特定事件中产生信号，从而检测出目标物质的存在情况。
电化学生物传感器的应用已经覆盖了很多领域，例如医疗诊断、疾病监测、环境分析等。
三、生物传感芯片生物传感芯片是一种具有高度集成化、微型化、快速检测等优点的传感器。
它可以将生物识别元件、信号转换器和信号放大器等多个功能组件合并在单个芯片上，从而实现对小分子、大分子、蛋白质等生物体系的检测。
生物传感芯片能够快速识别分析复杂样品中的有机化合物和生物分子，是临床和生化领域中的重要技术手段。
生物传感芯片还可以与微流体技术相结合，实现微量样品的快速检测和分析。
总结生物传感器的种类多种多样，每一种传感器都有其独特的检测原理和应用领域。
随着纳米技术、微流体技术、生命科学等技术的不断发展，生物传感器的应用前景越来越广阔。
在生物医学、环境监测、农业生产等领域，生物传感技术必将发挥越来越重要的作用。
最先进的传感器原理及应用
最先进的传感器原理及应用1. 介绍传感器是一种能够将物理量或化学量转换成电信号的设备。
随着科技的发展，最先进的传感器采用了先进的技术和原理来提高传感器的性能和精度。
本文将介绍一些最先进的传感器原理及其应用。
2. 光纤传感器光纤传感器利用光纤中的光信号来测量物理量，具有高精度和高可靠性的特点。
它们广泛应用于环境监测、医疗诊断、结构监测等领域。
光纤传感器的原理是利用光的折射、反射和散射等现象来测量物理量。
常见的光纤传感器包括光纤光栅传感器、光纤干涉仪传感器和光纤拉曼传感器等。
应用： - 光纤光栅传感器可用于测量温度、压力、应变等物理量。
- 光纤干涉仪传感器可用于测量液位、液体浓度、气体浓度等。
- 光纤拉曼传感器可用于生物医学诊断、化学分析等。
3. 微机电系统(MEMS)传感器微机电系统(MEMS)传感器是一种利用微型加工技术制造的传感器，具有小尺寸、低功耗和高灵敏度等优点。
它们广泛应用于汽车、智能手机、医疗设备等领域。
MEMS传感器的原理是利用微型机械结构来感知物理量。
常见的MEMS传感器包括加速度传感器、陀螺仪传感器和压力传感器等。
应用： - 加速度传感器可用于汽车安全系统、智能手机中的屏幕旋转功能等。
- 陀螺仪传感器可用于导航系统、虚拟现实设备等。
- 压力传感器可用于医疗设备、气压监测等。
4. 生物传感器生物传感器是一种能够感知生物分子或生物信号的传感器，具有高灵敏度和高选择性的特点。
它们广泛应用于医学、食品安全等领域。
生物传感器的原理是利用生物分子与生物元件之间的相互作用来感知生物信号。
常见的生物传感器包括蛋白质传感器、DNA传感器和细胞传感器等。
应用： - 蛋白质传感器可用于癌症早期诊断、药物筛选等。
- DNA传感器可用于基因检测、疾病诊断等。
- 细胞传感器可用于细胞活性监测、细胞治疗等。
5. 纳米传感器纳米传感器是一种利用纳米材料制造的传感器，具有高灵敏度和高响应速度的特点。
它们广泛应用于环境监测、食品安全、生物医学等领域。
光纤倏逝波生物传感器
传感器 光纤倏逝波传感器 工作原理 荧光免疫光纤生物传感器系统 –原理，结构 应用及效果 存在的不足 展望 总结
定义：将各种非电量（包括物理量、化学量、 生物量等）按照一定规律转换成便于处理和传 输的另一种物理量（一般为电量）的装置。 组成框图
原理图
组成：生物功能物质的分子识别部分； 信号变换部分 定义：以抗原抗体、酶、核酸、细胞等生物材料作 为敏感元件
光纤传感原理与技术是以光纤的导波现象为基 础的。 光纤的结构图
以光纤传导和收集光信号进行生物检测的传感器 称为光纤生物传感器
光纤倏逝波生物传感器是基于光波在光纤内以全反射方式传 输时产生倏逝波，来激发光纤纤芯表面标记在分子上的荧光 染料，从而检测通过特异性反应附着于纤芯表面倏逝波场范 围内的生物物质的属性及含量。
1. 毒品和滥用药品检测 设计出用竞争抑制法分析人类尿液中可卡因及其 代谢产物（COC）的四通道光纤生物传感器 效果：一次实验仅需200s，而且一根光纤平均 可用于11次检测。对于BE检出的灵敏度达到
0.75 ng/mL
2. 临床疾病监测
研制出快速光纤生物传感器用于PC的检测
效果：
一根光纤可连续进行6次实验：用含钙离子pH为9.0的PBS 缓冲液清洗光纤，即实现光纤再生； 实现了对小分子物质的检测，如对败血症和血栓形成 的 特异性标志物二聚体的检测； 与传统的ELISA法相比，光纤生物传感器检测更快（约需 11min），对操作人员也无需特殊要求。
传统
无法现场快速检测 无法连续在线分析 操作复杂
改进
缩短检测时间 降低检测样品用量 样本同时分析 全面降低成本
分析速度慢
现场快速检测
光纤生物传感器-
应用
在生化战剂检测方面的应用: 生化战剂曾经作为一种大规模杀伤性武器造成了无数人
员的伤亡 , 在当前恐怖主义猖獗的环境下 , 生化对人类的 威胁已经渗透到人们的日常生活范围( 如邮件) , 因而对生 化战剂检测的快速和准确性的要求已经达到前所未有的高度。
美国海军实验室研制安装在飞机上用于检测枯草杆菌的 光纤生物传感器监测范围达到 1640cm2 , 并能适时传回数 据 , 真正达到遥测的目的。
为了在光纤传感器中使用荧光效应，就必须保证光源、 荧光染料和探测器系统的光谱特性相互匹配。光源和探测 器一般都为宽带器件，需要附加滤波器使其工作于窄带范 围，还可以构造若干谱重叠积分运算，以辅 助系统优化设计。
9
大家应该也有点累了, 稍作休息
大家有疑问的, 可以询问和交流
10
分类
磷光型传感: 由于分子的受激态能维持数纳秒，因此具有荧光
16
展望
光纤生物传感器技术作为目前生物检测技术的发展方向之 一已经取得很多重要的突破。不过也应该看到,光纤生物传 感器还存在一些不足,传感器长期稳定性、可靠性和一致性 还不是很理想, 在免疫分析中荧光试剂漂白现象还较严重, 同其他生物传感器相比线性范围较窄, 这些不足需要我们不 懈的努力去改进和完善。从最近的研究成果来看, 这些问题 正在被逐渐的解决,并向临床实用化方向迈进, 相信在不久 的将来将有成熟的产品推向市场。
图示生物传感器原理:
4
概述
光纤生物传感器:
以光纤传导和收集光信号进行生物检测的传感器称为 光纤生物传感器( fiberoptic biosensor, FO BS),这种传 感器通过检测生物反应所产生的光,通过检测光的强度、振 幅、相位等参数确定被检物质的量。
光纤倏逝波生物传感器及其应用
光纤倏逝波生物传感器及其应用光纤倏逝波生物传感器是一种先进的生物传感技术，通过利用光纤的优异特性和倏逝波的敏感性，能够高效、快速、精确地检测生物分子和生物反应。
该技术在医学、环保、食品安全等领域具有广泛的应用前景。
光纤是一种细长的光导纤维材料，它具有低损耗、高带宽、抗电磁干扰等优势。
利用光纤进行光传输，能够大大提高传感器的敏感度和灵敏度。
倏逝波是一种沿着光纤表面传播的电磁波，其电场分布在光纤附近的外部介质中，使得它对外部环境变化非常敏感。
将倏逝波与生物分子或反应物相结合，就形成了光纤倏逝波生物传感器。
光纤倏逝波生物传感器的应用非常广泛。
在医学领域，它可以用于检测和监测人体内的生物标志物，如血液中的葡萄糖、胆固醇等。
这些数据可以帮助医生进行早期诊断和治疗，提高患者的生活质量。
在环保领域，传感器可以用于监测水体和空气中的污染物，如重金属、有机物等，及时发现并采取措施，减少对环境的破坏。
在食品安全方面，传感器可以检测食品中的添加剂、农药残留等有害物质，保障人们的食品安全。
要开发出高性能的光纤倏逝波生物传感器，需要注意几个关键问题。
首先是传感器的灵敏度和选择性，即对目标分子的检测能力。
传感器需要具备足够的敏感度，能够检测到低浓度的目标物质，并且排除其他干扰物质的干扰。
其次是传感器的稳定性和可重复性，即传感器在长时间使用和多次使用后，能够保持良好的性能和准确度。
最后是传感器的实用性和便携性，传感器需要具备良好的携带性和易操作性，方便在各个领域进行应用。
总之，光纤倏逝波生物传感器是一种具有广泛应用前景的生物传感技术。
它的高灵敏度、高选择性以及丰富的应用场景，使其在医学、环保、食品安全等领域发挥着重要作用。
未来，随着技术的不断进步和应用需求的增加，相信光纤倏逝波生物传感器会在更多领域展现出巨大的潜力。
几种新型传感器简介
1．工作原理
（a）MOS光敏元结构 (b)光生电子 图5-26 CCD单元结构
2．CCD的电荷转移
图5-27 CCD原理示意图
图5-28 电荷转移过程
3．CCD的输入—输出结构 4．CCD的特性参数
（2）工作频率 由于CCD器件是工作在MOS的非平衡状态， 所以驱动脉冲频率的选择就显得十分重要。频率 太低，热激发的少数载流子过多地填入势阱，从 而降低了输出信号的信噪比；信号频率太高，又 会降低总转移率，减少了信号幅值，同样降低了 信噪比。
图3-19 酶传感器的结构
2．酶传感器的分类 酶传感器按照所测电极参数的不同，一般可 分为电位型和电流型两大类。 3．酶传感器的应用 （1）葡萄糖传感器 在葡萄糖氧化酶（GOD）膜的作用下， 葡萄糖发生氧化反应，消耗氧而生成葡萄 糖酸内脂和过氧化氢。被消耗的氧或生成 的过氧化氢可以用上述的电极检测到。
图2-11 光栅位移与光强关系
图2-12光电接收元件位置
图2-13 辨向信号波形图
2．细分技术 常采用的倍频细分方法有四倍频细分（也称 直接细分或位置细分）、电阻链细分、鉴相法细 分、锁相法细分等几种。 四倍频细分就是用四个光电元件依次相距 1/4莫尔条纹间距放置，获得依次相位差为90° 的四个正弦波信号。用电子线路中的鉴零器，分 别鉴取四个信号的零电平，即每个信号由负到过 零时发出一个计数脉冲，使得在莫尔条纹的一个 周期内产生四个等间隔的计数脉冲，实现了四倍 频细分。四倍频细分也可以用两个相距1/4莫尔 条纹间距的光电元件获得相位差依次为90°的四 个正弦信号。实际上用辨向原理中的两个相位差 为90°的辨别信号，加上将它们倒相后的两个信 号就可获得这四个信号。
2．生物传感器的基本结构
图9-16 生物传感器的基本结构
生物传感器详细介绍
生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。
生物传感器具有接受器与转换器的功能。
由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能,只对特定反应起催化活化作用,因此生物传感器具有非常高的选择性。
缺点是生物固化膜不稳定。
生物传感器涉及的是生物物质,主要用于临床诊断检查、治疗时实施监控、发酵工业、食品工业、环境和机器人等方面。
生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科,是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法,也是物质分子水平的快速、微量分析方法。
在未来21世纪知识经济发展中,生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点,在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。
各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器）,二者组合在一起,用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工,构成各种可以使用的生物传感器分。
智能化集成化未来的生物传感器必定与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙，形成检测的自动化系统。
同时，芯片技术将愈加进入传感器，实现检测系统的集成化、一体化。
低成本高灵敏度高稳定性高寿命生物传感器技术的不断进步，必然要求不断降低产品成本，提高灵敏度、稳定性和寿命。
这些特性的改善也会加速生物传感器市场化，商品化的进程。
在不久的将来，生物传感器会给人们的生活带来巨大的变化，它具有广阔的应用前景，必将在市场上大放异彩。
生物传感器实用性是生物体成分（酶、抗原、抗体、激素、DNA) 或生物体本身（细胞、细胞器、组织），它们能特异地识别各种被测物质并与之反应；后者主要有电化学电极、离子敏场效应晶体管（ISFET ) 、热敏电阻器、光电管、光纤、压电晶体（PZ) 等，其功能为将敏感元件感知的生物化学信号转变为可测量的电信号。
用于单细胞研究的纳米光纤生物传感器_姚蓓
一 起 ， 构 成 一 种“ 酶 电 极 ”， 用 于 分 析生物和化学样品， 并获得较理 想的结果。这样利用葡萄糖酶电 极制成了世界上最早的生物传感 器。生物传感器能实时监测生物 体内、组织细胞内各种成分和性 质， 是研究生命科学的重要工具。
随着信息通信技术的发展和 光纤技术的突破， 光纤作为传感 介质的优异特性逐渐被人们所认 知和接受。基于光纤的生物传感 器以其自身的优势脱颖而出， 逐 渐成为生物传感器研究的热点。
纳米光纤探针， 一般采用单模 或多模石英光纤经过熔拉法或化 学腐蚀法制成针尖形状， 针尖尖端 的尺寸约为 １０～１００ ｎｍ 左右［２］。为 了避免杂散光的影响， 提高探针的 传输效率， 需要在探针针尖表面镀 金属膜， 同时要在探针针尖端部产 生通光孔径， 保证探测过程中有一 定的光通过率。通光孔径的大小和 针尖尖端的尺寸直接影响探测时 的分辨率及波导性能。
图 ２ 纳米光纤探针分区示意图
ｗｗｗ ． ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ ． ｎｅｔ
综合
评述 Ｒｅ ｖｉｅ ｗ
传感器
Ｖｏｌ．４４， Ｎｏ．３ Ｍａｒ． ２００７
图 ３ 熔融拉锥法工作装置示意图
尺 寸 为 ２０～５０ ｎｍ 的 探 针 ， 但 是 探 针针尖锥角很小， 过渡区很长易 造成光外泄损耗， 通光效率不高
光学原理的具体应用： 激光经过 光纤 （探针尖端固定有敏感试剂） 送入调制区， 使被测物质与试剂 发 生 相 互 作 用 ， 引 起 光 的 强 度 、波 长 、频 率 、相 位 、偏 振 态 等 光 学 特 性发生变化， 被调制的信号光经 过光纤送入纳米传感器转化为电 信号再通过信号处理装置， 最终 获得待分析物的信息。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
以光纤传导和收集光信号进行生物检测的传感器 称为光纤生物传感器 。一般由探头，光纤，光 源和检测装置组成。
光纤生物传感器类 型（敏感元件的不同）
光纤免疫 传感器
酶生物传 感器
核酸传感 器
等等
光纤生物传感器类型
（光换能器不同）
渐逝波传感器
光吸收型 传感器
类型
荧光性传感器
等 等
倏逝波传感器的工作原理
应用及效果 —DNA检测和生物 战剂检测
DNA检测和生物战剂检测 –效果：低成本，操作 简便，可在现场进行快速检测
优点
光纤易于加工成小巧、轻便和空间适应性好的传 感器探头； 光纤本身有良好的绝缘屏蔽作用，其抗电磁干扰 能力强，对环境、温差的适应能力也很强； 操作方便，测量速度快，时间短； 灵敏度高，生物特异性强； 可以进行现场检测 可以对生物反应实施动态检测。
应用及效果 —食品卫生方面
微生物检测 沙门菌检测 2009年，VALADEZ等利用Analyte2000对食品中的肠道沙门菌 进行了检测，该方法对沙门菌具有较好特异性，缓冲液中目标菌 的最低检出限为103 cfu / ml。另外，他们还将102 cfu / ml的菌 液人工接种到鸡蛋和鸡胸样品中，经过 2～6h增菌后，最低检出 限达到104cfu/ml 大肠杆菌检测 光纤倏逝波生物传感器在国外已被广泛应用于水及食品中 大肠杆菌 O157∶H7的快速检测中具有较高特异性，实现了近实时 检测，可在 20分钟内得检测结果 ，较好的灵敏性和重复性
应用及效果 —环境检测
Brunmel 等研制了将多克隆抗体共价结合在石英光 纤表面用于检测环戊二烯类杀虫剂的光纤倏逝波荧 光免疫传感器。 应用效果：灵敏度高，对于氯丹及七氯这类杀虫剂 检测可达1n mol/L,对于氧桥氯甲桥萘的检测灵敏 度与常规的方法比较可提高10-1000倍。 不足：单一样本检测
总结
光纤生物传感器成为研究热点： 实用方便，灵敏度高，可进行远距离实时分析 发展的趋势：小型化、规格化、商品化 研究尚处于发展阶段，新技术的开发和研制具有 重大意义
Hale Waihona Puke 人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
光纤倏逝波生物传感器是基于光波在光纤内以全反射方式传 输时产生倏逝波，来激发光纤纤芯表面标记在分子上的荧光 染料，从而检测通过特异性反应附着于纤芯表面倏逝波场范 围内的生物物质的属性及含量。
倏逝波传感器的工作原理
场强指数衰减
透射深度
透射深度仅波长量级：只对倏逝波作用范围内的荧光染料进 行荧光激发和收集，不受待测样品溶液中其他荧光物质和生 物分子的干扰，系统具有较高的探测灵敏度。
应用及效果 —环境检测
传统
无法现场快速检测 无法连续在线分析 操作复杂
改进
缩短检测时间 降低检测样品用量 样本同时分析
分析速度慢
全面降低成本
现场快速检测 低浓度样本检测
应用及效果 —临床及药物检测
1. 毒品和滥用药品检测 设计出用竞争抑制法分析人类尿液中可卡因及其 代谢产物（COC）的四通道光纤生物传感器 效果：一次实验仅需200s，而且一根光纤平均 可用于11次检测。对于BE检出的灵敏度达到
存在的不足
传感器长期稳定性、可靠性和一致性还不是很理想
在免疫分析中荧光试剂漂白现象还较严重 同其他生物传感器相比线性范围较窄 产品尚无法完成商品化、市场化
展望
小型化、集成化 向体内监测、在线 监测的方向发展
智能化 自动采集数据、数 据库管理及用人工 智能进行数据处理
实用化、商品化
多样化 材料、器件、功能
光纤生物传感器
这是什 么呢？
Team:
定义：将各种非电量（包括物理量、化学量、 生物量等）按照一定规律转换成便于处理和传 输的另一种物理量（一般为电量）的装置。 组成框图
原理图
定义：以抗原抗体、酶、核酸、细胞等生物材料作 为敏感元件 组成：生物功能物质的分子识别部分； 信号变换部分
光纤传感原理与技术是以光纤的导波现象为基 础的。 光纤的结构图
0.75 ng/mL
应用及效果 —临床及药物检测
2. 临床疾病监测
研制出快速光纤生物传感器用于PC的检测
效果：
一根光纤可连续进行6次实验：用含钙离子pH为9.0的PBS 缓冲液清洗光纤，即实现光纤再生； 实现了对小分子物质的检测，如对败血症和血栓形成 的 特异性标志物二聚体的检测； 与传统的ELISA法相比，光纤生物传感器检测更快（约需 11min），对操作人员也无需特殊要求。