第4章 光化学与生物传感器-2
生物传感器
第三节生物传感器一、生物传感器的基本概念生物体的基本特征之一，是能够对外界的各种刺激做出反应。
其所以能够如此，首先是由于生物体能感受外界的各类刺激信号，并将这些信号转换成体内信息处理系统所能接收并处理的信号。
例如，鹰的眼睛具有犀利的视觉，它能在半英里外搜捕猎物，从上千英尺的高空扎向反光的水面抓鱼；苔藓植物的叶大都只有一层细胞，二氧化硫等有毒气体可以从背、腹两面侵入叶细胞，所以，苔藓植物对二氧化硫等有毒气体十分敏感，在污染严重的城市和工厂附近很难生存。
人们利用这个特点，把苔藓植物当作监测空气污染程度的指示植物。
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。
待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。
有人把21世纪称为生命科学的世纪，也有人把21世纪称为信息科学的世纪。
生物传感器正是在生命科学和信息科学之间发展起来的一个交叉学科。
必将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。
二、生物传感器的基本构成及工作原理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），以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析装置、仪器和系统。
生物传感器的基本构成及工作原理如图所示：三、生物传感器与传统的各种物理传感器和化学传感器的区别传感器主要由信号感受器和信号转换器组成，它能够感受一定的信号并将这种信号转换成信息处理系统便于接收和处理的信号（如电信号和光信号）。
生物传感器-2
3.2.4共价键合法
使生物活性分子通过共价键与不溶性载体结合而固定的方法。
载体包括无机载体和有机载体。 酶与载体共价键合方式：
与载体直接反应连接
通过同源双功能试剂与载体连接 通过异源双功能试剂与载体连接后再与载体反应连接
选择那种方法,要了解酶的氨基酸残基的反应性(reactivity)、 出现频率(frequency of occurrence)和可接近性(accessibility)。
三维空间结构的作用。
在酶的共价固定中，尤其是要保护活性中心.有两种方法：1)
共价反应前用酶的底物或是底物的类似物等将活性中心保护起来。 2)利用共价反应的化学选择性和生物特异性异源双功能试剂。 酶与载体之间的共价结合方式，主要有重氮法、肽键法、烷 化法等。如图所示：
O OH
CH3
N+ N
+酶
O OH
间，然后用透析法或凝胶过滤除去未结合的戊二醛即可得到酶结
合物。
在正常情况下，蛋白质只与一个戊二醛分子的一个醛基反应， 而第二个醛基不能与同一个或其他酶反应，即不发生聚合，故可 将戊二醛先与蛋白质反应，透析除去未反应的戊二醛，再加入抗
体，这样就不会产生聚合现象，此为二部交联法。
(2-aminoethy1)ferrocene
of 0.05M KH2PO4–NaOH buffer
solution (pH 7.5) with stirring. Then, 0.15 g of modified MPS was added to 30 ml of the stock solution with stirring at 4C for 3 h. The MPS-cytc solids were collected by filtration and dried under vacuum.
生物传感器
在食品分析的应用
• 食品成分分析
• 食品添加剂的分析 • 农药和抗生素残留量分析 • 微生物和生物毒素的检验 • 食品鲜度的检测
在环境监测中的应用
•水质分析：一个典型应用是测定生化需氧量 （BOD），传统方法测BOD需5天，且操作复杂。 1977年Karube等首次报道了BOD微生物传感器， 只需15分钟即能测出结果,连续使用寿命达17天；
优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛 的应用。
缺点：1.酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差异的
梭曼与沙林。
2.酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。
2、组织传感器(Tissue Sensor)
测定项目 谷氨酸 组织膜 木瓜 基础电极 CO2 稳定性／ 天 7 线性范围 2×10-4～1.3×102mol/L 3.4×10-5～1.5×103mol/L 1×10-4～1.1×102mol/L
生物传感器的特点
(1) 测定范围广泛。
(2)生物传感器使用时一般不需要样品的预处理，样品中的被测组分的分离和 检测同时完成，且测定时一般不需加入其它试剂。 (3) 采用固定化生物活性物质作敏感基元（催化剂），价值昂贵的试剂可以 重复多次使用。 (4)测定过程简单迅速。 (5) 准确度和灵敏度高。一般相对误差不超过1％。 (6)由于它的体积小，可以实现连续在线监测，容易实现自动分析。 (7) 专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。 (8)可进入生物体内。 (9)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，便于推广普及。
• (2)一般不需进行样品的预处理,它利用本身具备 的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测 统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂,使 测定过程简便迅速,容易实现自动分析
化学与生物传感器了解生物传感器的化学检测原理和应用
化学与生物传感器了解生物传感器的化学检测原理和应用化学与生物传感器：了解生物传感器的化学检测原理和应用一、引言生物传感器是一种可以将生物信号转换为可观测和可测量的信号的装置，它在医疗、环境监测、食品安全等领域具有广泛的应用。
生物传感器的核心是化学检测原理，本文将介绍生物传感器的化学检测原理和应用。
二、生物传感器的分类生物传感器按照检测原理和传感器结构可以分为多种类型，例如生物电传感器、光学传感器、电化学传感器等。
在这些类型中，化学检测原理在电化学传感器中被广泛应用。
三、化学检测原理化学检测原理是生物传感器中实现信号转换的关键。
电化学传感器利用电化学反应过程将生物信号转换为电信号，常用的电化学检测原理有溶液电池、电解质传感器和生物燃料电池。
1. 溶液电池溶液电池是利用溶液中的离子交换过程产生电势差的原理进行检测的。
它通过在传感器中加入特定的离子溶液，当待检测的生物信号与溶液中的离子发生反应时，就会产生离子交换，进而形成电势差。
通过测量电势差的变化，可以定量分析生物信号的含量。
2. 电解质传感器电解质传感器是利用溶液中电解质浓度与电导率成正比的原理进行检测的。
生物传感器中的电解质传感器常常使用离子选择性电极来测量溶液中特定离子的浓度变化，从而间接地反映生物信号的变化。
3. 生物燃料电池生物燃料电池是利用生物体内产生的化学能转换为电能的原理进行检测的。
它利用生物催化剂来催化生物燃料的氧化还原反应，从而产生电流。
生物燃料电池在检测生物信号时，可利用生物体内的代谢产物作为燃料，例如葡萄糖、乳酸等。
四、生物传感器的应用生物传感器具有高灵敏度、高选择性、可重复使用等优点，因此在许多领域得到了广泛的应用。
1. 医疗领域生物传感器在医疗领域中可以用于血液分析、疾病诊断和治疗监测等。
例如，血糖传感器可用于连续监测糖尿病患者的血糖水平，生物蛋白传感器可用于检测肿瘤标志物。
2. 环境监测生物传感器在环境监测中可以用于检测水质、空气质量和土壤污染等。
《传感器与检测技术胡向东-第版)》习题解答
传感器与检测技术（胡向东，第2版）习题解答王涛第1章概述1.1 什么是传感器？答：传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
1.2 传感器的共性是什么？答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。
1.3 传感器一般由哪几部分组成？答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。
为普遍。
①按传感器的输入量（即被测参数）进行分类按输入量分类的传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
②按传感器的工作原理进行分类根据传感器的工作原理（物理定律、物理效应、半导体理论、化学原理等），可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
③按传感器的基本效应进行分类根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
1.6 改善传感器性能的技术途径有哪些？答：①差动技术；②平均技术；③补偿与修正技术；④屏蔽、隔离与干扰抑制；⑤稳定性处理。
第2章传感器的基本特性2.1 什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。
静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。
衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。
2.3 利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。
设压力为0MPa时输出为0mV，压力为0.12MPa时输出最大且为16.50mV。
解：①求非线性误差，首先要求实际特性曲线与拟合直线之间的最大误差，拟合直线在输入量变化不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段（多数情况下是用最小二乘法来求出拟合直线）。
生物传感器
生物传感器1. 概述生物传感器基本特征之一，是能够对外界的各种刺激做出反应。
其所以能够如此，首先是由于生物能感受外界的各类刺激信号，并将这些信号转换成体内信息处理系统所能接受并处理的信号。
例如，人能通过眼、耳、鼻、舌、神等感觉器官将外界的光、声、温度及其他各种化学和-物理信号转换成人体内神经系统等信息处理系统能够接受和处理的信号。
现代和未来的信息社会中，信息处理系统要对自然和社会的各种变化作出反应，首先需要通过传感器将外界的各种信息接收下来，并转换为信息系统中的信息处理单元（即计算机）能够接受和处理的信号。
随着生产力的高度发展和物质文明的不断提高，在工农业生产、环境保护、医疗诊断和生物工程等领域，每时每刻都有大量的样品余姚分心和检验。
这些样品要求在很短的时间内完成检测，有时甚至要求在线或在或体内直接测定。
这就需要开发一种能够测定各种无机或有机化合物的新型有效的传感器。
生物传感器便是其中的一个重要方面。
在现代信息科学技术领域中，有人把计算机比作大脑，而把传感器比作感觉器官。
在生物信号的分析检测领域，目前的状况是“头脑发达，感觉迟缓”。
因此，生物传感器的研究和应用更加被提到日益重要的地位。
2. 生物传感器的定义根据中华人民共和国国家标准(GB 7665-1987)的规定，传感器定义为：能感受规定的被测量信号并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转化、转换元件组成。
其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量信号的部分；转换元件是指将敏感元件感受或响应的被测量信号转换成使用于传输或测量的电信号部分。
生物传感器由生物识别元件和信号转换器组成，能够选择性地对样品中的待测物发出相应，通过生物识别系统和电化学或其他传感器把待测物质的浓度转为电信号，根据电信号的大小定量测出待测物质的浓度。
生物传感器是应用生物活性材料（如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理或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，也是物质在分子水平的快速、微量分析方法。
电化学纳米生物传感器的研发与应用
电化学纳米生物传感器的研发与应用第一章：绪论随着生物技术的不断发展以及生物分子的快速检测需求的增加，电化学纳米生物传感器成为了一种很有前途的分析技术。
电化学纳米生物传感器利用了电化学技术中的一些基本原理，通过组合电化学方法和生物分子检测的特殊能力，能够提供高灵敏度、高选择性、便携式、实时和非侵入性等优点。
本文主要介绍电化学纳米生物传感器的研发与应用，包括测量生物分子和细胞的电化学特性，纳米制备技术和传感器构建方法等方面。
第二章：电化学纳米生物传感器的原理电化学纳米生物传感器是基于电化学原理和生物分子识别的技术。
与传统的化学传感器相比，纳米生物传感器具有更好的灵敏性和选择性。
它的工作机理主要包括三个部分：信号转换、生物分子识别和放大。
首先，传感器的信号转换部分包括了表面电化学反应、电流测量和Rhodamine B或者其他探针的发光测量等技术。
其次，生物分子识别部分是将具有高选择性的生物分子连接传感器表面，通过生物识别元件与靶分子发生特殊反应来实现特定分子的检测。
最后，放大部分可以通过扩散过程、电极制备和电极表面修饰等方式将生物分子与电化学信号联系在一起，从而实现信号放大和传感器的灵敏度提升。
第三章：电化学纳米生物传感器的制备方法电化学纳米生物传感器的制备方法是传感器性能的重要因素。
它的制备方法可以分为纳米制备和传感器构建两个方面。
在纳米制备方面，常用的方法有溶剂热法、水热法、超声波辅助溶剂热法、辛醇震荡还原法等。
在传感器构建方面，最常用的方法包括吸附法、共价辅助法和电极反应上提法等。
其中，共价辅助法是通过共价键结合将生物分子与电极表面相连，以达到高灵敏度和高选择性的检测。
第四章：电化学纳米生物传感器的应用电化学纳米生物传感器的应用范围非常广泛，可以用于环境检测、医疗诊断、药物研究等方面。
例如，在水中污染检测方面，电化学纳米生物传感器可以依据目标污染物的电化学特性，如电位、电子转移率、轨道能量等，实现对目标污染物的高灵敏度、高精度、快速准确检测。
生物传感器
1.3 主要应用
1．在食品加工中的应用 生物传感器在食品分析中的应用包括对食品成分、食品添加剂、 有害毒物及食品鲜度等的测定分析。
在食品中 分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中葡萄糖的含量
例 如
在工业中 可用于测定食品中的亚硫酸盐含量
2．在医学中
在临床医学中，酶生物传感器是最早研制且应用最多的一种传感器，目前已成 功应用于血糖、乳酸、维生素C、尿酸、尿素、谷氨酸、转氨酶等物质的检测中。
在军事医学中，生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及毒素。
在法医学中，生物传感器可用作DNA鉴定和亲子认证等。
传感器原理与应用
酶生物传感器又分为电位型酶生物传感器和电流型酶 生物传感器两类。
电位型酶生物传感器可检测出参与反应的物质的浓度； 电流型酶生物传感器可得到被测物质的浓度。
葡萄糖传感器（见图6-19）是第一支酶生物传感器，它是由葡萄糖氧化酶膜和克拉克 型氧电极或过氧化氢电极组成的。葡萄糖传感器也可采用光化学法进行检测。
传感器原理与应用
1.1 结构及工作原理
生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换 部分（换能器）构成。
转换部分把分子识别部分表达的信号转换为电信 号，它主要包括电化学器件、光学器件、热敏器件、 声波器件、压敏器件等。
图6-18 生物传感器结构
ห้องสมุดไป่ตู้
1.2 常用生物传感器
1．酶生物传感器
酶生物传感器就是将酶作为生物敏感基元，通过各种 物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应 所产生的与目标物浓度成比例关系的可测信号，实现对目 标物定量测定的分析仪器。
图6-19 葡萄糖传感器
图6-20 葡萄糖传感器工作原理
图6-21 葡萄糖传感器工作过程
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Langmuir 2006, 22(13): 5654-5659
4 基于简单免疫体系的光化学传感器
4 基于免疫竞争体系的光化学传感器
光纤 无葡萄糖 有葡萄糖
光纤
葡萄糖
荧光素标记的葡聚糖
固定化抗体
4-4 发展方向
4-4-1 微型化
7.5
a b a b a b
7.0 6.5
c d c 2 d c d
pH
0min IF/IR=0.4823
5min IF/IR=0.7553
3 原理
底物 + 酶 酶-底物配合物 产物 + 酶
+
+
锁
钥匙
钥匙在锁中
打开的锁
钥匙
信 号 输 出
电信号 光信号 质 量 信 号 热信号
待测样品
酶催化反应
基础化学传感器
2 基于普通光学波导传感器的酶催化传感器
3 基于化学 修饰传感器的酶 催化传感器
约1.34-1.66um处的 近红外特征吸收
约1.18-1.67um处的 近红外特征吸收 波长于496nm处的可 见吸收 拉曼光谱
胆红素 血气分析
458nm处可见吸收
血液中CO、CO2和O2分 N2/CO2 别在红外区5.13um、 4.3um和9.0um有特征吸 收 特征荧光
地下水中酚 有机溶剂中乙醇
UF6，F2，C1F3 254nm和365nm处的 紫外特征吸收 绿色特征荧光和磷光
1100和1600nm处的近红 铀酰离子 外特征吸收
电镀液中Cu2+离子 820nm处的特征吸收
4-3-2 化学修饰传感器
1 简单配合物体系
1.0
0.8
蓝色 紫红色 pH增加
0.6
吸 光 度
0.4
0.2
0.0 400 500 600 700 800
NO2
O NH O O O
O HN
O2N
NH NO2
O O
O O O
OH
基于单体-激发态二聚体的超分子识别体系
N=N O2N
O N O
O O
a. K+
b. Na+
生色冠醚 a. 与K+配合后吸收光谱红移; b. 酚氧负离子可参与识别
+
荧光弱
荧光强
芘与环糊精形成包络物后荧光强度的变化
14.6 A 5.3 A
光源
检测器
光导纤维
样品流通池
2 基于分析对象光谱性质的传感器
分折对象 血液中的D2O 测定原理 分折对象 测定原理 约4um的红外特征吸收， 乙醇、葡萄糖、 拉曼光谱 H2O不干扰测定 果糖
有机溶剂中的H2O
血卟啉衍生物
1900nm处近红外特征吸 甲烷及管道煤 收 气
特征荧光(体内检测) NH3 NO2
波长 （nm）
N
N N OH
N O
N O O N
O O O
O O O
O
O O N
18-crown-6(K+)
O
ETH1810(Li+)
O NH O O O
ETH2120(Na+)
O NH O 3
O O
O O
15-crown-5(Na+)
VALINOMYCIN(K+)
N O
O CF3 O O
O O
Calix[6]arene (伯胺)
O O
O O O
O
O
K
N
+
O
O
e-
N
O
e-
+
K
+
hv
hv'
hv
hv'
典型的分子内光诱导电子转移体系
O O (HO)2B N Me N O O O
NEt2
(HO)2B N Me
a H+
b D-葡萄糖
c D-葡糖胺
CF3
O
O
O
O
O
O
O
NH
O
O
带荧光予体-受体的开链冠醚—分子内荧光能量转移体系
目 录
4-1 基本概念 4-2 敏感试剂固定化方法 4-3 信号转换方式
4-3-1 普通光学波导传感器 4-3-2 化学修饰传感器 4-3-3 生物修饰传感器
4-4 发展方向
4-4-1 微型化 4-4-2 阵列化 4-4-3 高灵敏
4-3 信号转换方式
4-3-1 普通光学波导传感器
1 基于样品折射率变化的传感器
基于新的化合物——分子导线
4-4-3 高灵敏
+ _ 荧光分子 ( 分子导线 )n
+ _
(
)n
O R'
OR
OR'
n OR
O R'
OR'
基于新的光学构型——消失波
ICCD
Solution
Microscopy objective
Optical Fiber
Evanescent field Laser beam
15min IF/IR=0.7865
6.0 5.5
a
b
a
b
a
b
5.0 4.5
c
d
c
d
c
d
0
20
40
60
20min IF/IR=0.7943
25min IF/IR=0.8145
40min IF/IR=0.8083
Time(min)
纳米传感器用于药物刺激后肿瘤细胞内 重要参数的实时无创检测
4-4-2 阵列化
O
O
ETH6010(CO3
2-)
N
O
O O
H3C O O H3C O O
CH3 O CH3 O O
O O CH3 O CH3 CH3 O O R
ETH1001(Ca2+)
R1 R1=H CH2 OR2 6 R2=
O OCH2 CH3
R=CH3：NONACTIN(NH4+) R=C2H5：MONACTIN(NH4+)
通道体积：几十纳升
储液池体积：约2L
在芯片内固定多个颗粒，形成可单独寻址的修饰微珠阵列用于 蛋白质表达分析、SNP检测、基因分型 One-dimensional microfluidic bead arrays From Analytical Chemistry 78, 6246-6251 (2006)
15.4 A 6.5 A
17.5 A
8.3 A
7.8 A
环糊精
环糊精
环糊精
光导纤维
光导纤维
北 固定化的 环糊精 （无荧光） 北
北 北 北 北
北
北
强烈荧光
（极稀溶液无荧光）
基于 环糊精的荧光传感器
2 离子交换体系
基于离子交换体系的光化学传感器的原理
(a) 使用中性pH指示剂 (b) 使用荷负电pH指示剂 (参见附件)
基于新的物理光学原理——表面等离子体共振传感器
conductive layer
glass
conductive layer
conductive layer
+ + + +
glass
- - - glass
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
Au
Au B
+ + Au + + C
A
固定化DNA单层的电致开关行为