生物传感器的基本概念
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）。
生物传感器在污染检测中的应用
生物传感器在污染检测中的应用随着人类工业、城市化程度的不断提高，环境污染日趋严重。
环境污染不仅会影响自然生态平衡，也会对人类的健康造成威胁。
因此，环境监测和污染检测变得越来越重要。
在目前，许多方法用于污染检测，其中生物传感器是一种非常有前途的方法。
一、生物传感器的概念和原理生物传感器是根据生物分子与其他分子的化学反应来检测目标物的一种技术。
生物传感器主要由生物分子和传感器构成。
生物分子是传感器的检测元件，它们是可以与目标分子识别匹配并引发反应的生物分子，例如，抗体、酶等。
传感器则是检测元件和信号转换元件的组合体，从传感器引导到信号转换的元件可以转换为电信号或光信号等不同形式。
生物传感器的原理是，当目标分子与生物分子发生反应时，会引发一系列设计好的信号转换，这些信号转换将生物分子的反应转换为可检测的信号。
由于生物分子只与目标分子发生反应而不与其它分子发生反应，因此生物传感器具有很高的选择性和特异性。
由于传感器的响应受到生物分子和污染物反应滞后时间以及传感器本身的特性等因素的影响，生物传感器在实际检测上也存在一些局限性。
二、生物传感器具有快速、准确、便捷、无损检测、长期动态观测、低成本和环境友好等优点，因此，在污染检测和环境监测中有着广泛的应用前景。
以下介绍生物传感器在污染检测中的应用情况。
1. 空气污染检测空气污染表面上看不像水污染那样严重，但是对人的伤害也是非常大的。
空气污染可能会导致咳嗽、哮喘、甚至失明等身体损伤。
生物传感器可以用来检测空气中的重金属、有机化合物、CO、NOx等污染物，利用生物传感器的优越性能进行空气质量监管。
2. 地下水、地表水污染检测地下水、地表水是生物传感器检测的主要对象之一。
生物传感器可以针对不同污染物，设计不同的检测方法。
目前已有研究表明利用生物传感器可以对水中的重金属、氨氮、硝酸盐、磷酸盐等进行准确检测。
生物传感器可以很好地解决传统水质监测技术存在的问题，例如传统的水质监测可能导致次生污染、检测周期长和检测方法复杂。
生物传感器
3．微生物反应
微生物反应：
是指利用微生物作为天然的生物催化剂 进行的反应。 （1）微生物反应定量原理：微生物在利用 物质进行呼吸或代谢的过程中,将消耗溶液中 的溶解氧或产生一些电活性物质。在微生物 的数量和活性保持不变的情况下,其所消耗的 溶解氧量或所产生的电活性物质的量可反映 被检测物质的量。
（6）聚合酶链式反应
聚合酶链式反应(PCR扩增),是利用DNA聚 合酶依赖于DNA模板的特性,模仿体内的复制 过程,在附加的一对引物之间诱发聚合酶反应, 包括模板变性、引物退火及用DNA聚合酶延 伸退火引物在内的重复驯化,使末端被引物5’ 端限定的特异性片段成指数形式累积。由于 每一循环中合成的引物延伸产物可作为下一 循环的模板,因而每次循环靶DNA的拷贝数几 乎呈几何级数增长,20次PCR循环将产生约一 百万倍的扩增。
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 器分析装置、仪器和系统。 2．分子识别元件 是由一种敏感物质即分子识别材料,经固 定化后构成的生物传感器敏感元件。 是生 物传感器的核心元件。
(2)
FMNH(OOH)·E+RCHO→FMN+R·CO2H+E 十H2O+hv
颜色反应 生物反应中的颜色变化包括两个方面 生物体内产生色素 酶与底物作用后产生颜色物质, (4) 阻抗变化 生物反应可使培养中的电惰性物质,如碳水化 合物、类脂和蛋白质等代谢为电活性产物,如乳酸盐、 乙酸盐、碳酸盐和氨等代谢物。当微生物生长和代 谢旺盛时,培养基中生成的电活性分子和离子增多, 从而导致培养液的导电性增大,阻抗则随之降低,反 之,则阻抗升高。这类反应是设计微生物传感器的基 础。
博士生生物工程生物传感器知识点归纳总结
博士生生物工程生物传感器知识点归纳总结生物工程领域的发展为生命科学研究提供了更多工具和技术。
生物传感器作为其中的一种重要工具，被广泛应用于生物医学、环境监测、食品安全和农业生产等领域。
本文将对博士生需要了解的生物工程生物传感器知识点进行归纳总结。
一、生物传感器概述生物传感器是一种能够将生物分子与传感器相结合的装置，通过检测生物分子的特异性反应来实现对目标物质的定性和定量分析。
它的基本组成部分包括生物识别分子、转换元件和信号读取器。
生物传感器的核心原理是生物分子的识别与信号转换。
二、生物识别分子生物识别分子是生物传感器中用于与目标物质特异性相互作用的分子。
常用的生物识别分子包括抗体、酶、受体和核酸等。
抗体是一种可以识别特定抗原的蛋白质分子，通过与抗原结合形成免疫复合物进行检测。
酶是一种具有催化作用的蛋白质，通过催化底物的反应产生可测量的信号。
受体可以结合特定的配体，实现对目标物质的识别和检测。
核酸分子可以通过互补配对与目标DNA或RNA序列特异性结合。
三、转换元件转换元件是将生物识别分子与目标物质的相互作用转化为可测量信号的部分。
常用的转换元件包括电化学传感器、光学传感器和压电传感器。
电化学传感器通过测量电流或电压的变化来检测目标物质的存在。
光学传感器利用光的特性来测量物质浓度或反应速率。
压电传感器则通过物质的压电效应来转换信号。
四、信号读取器信号读取器是生物传感器中的关键部分，用于接收、放大和解码传感器产生的信号。
常见的信号读取器包括电子测量仪器、光谱仪和计算机等。
电子测量仪器可以实时地测量电化学传感器产生的电流或电压信号。
光谱仪则可以测量光学传感器产生的光强度与波长等信号。
计算机则可以对传感器产生的信号进行数据处理和分析。
五、生物传感器的应用生物传感器在生物医学、环境监测、食品安全和农业生产等领域有着广泛的应用。
在生物医学领域，生物传感器可以用于药物检测、疾病诊断和基因分析等方面。
在环境监测领域，生物传感器可以实时监测水质、大气污染和土壤污染等指标。
生物传感器
多聚物探针
单分子探针
最早由瑞典生物化学家Prof. 最早由瑞典生物化学家 Klaus Mosbach 提出
NH2
5' end
O
N
adenine
N N
5'
O P O O CH2 O H
N39;
NH2 N N H
3'
O P O O
2' H
H
cytosine
O
5'
O CH2 H H O O P O O O
生物传感器种类
都有 啥?
1)按照其感受器中所采用的生命物质分类, 按照其感受器中所采用的生命物质分类, 可分为:微生物传感器,免疫传感器, 可分为:微生物传感器,免疫传感器,组 织传感器,细胞传感器,酶传感器,DNA传 织传感器,细胞传感器,酶传感器,DNA传 感器等. 感器等.
(2)按照传感器器件检测的原理分类 , 可分为:热敏生物传感器, 可分为:热敏生物传感器,场效应管生物 传感器,压电生物传感器, 传感器,压电生物传感器,光学生物传感 声波道生物传感器, 器,声波道生物传感器,酶电极生物传感 器等. 器等. (3)按照生物敏感物质相互作用的类型分 可分为亲和型和代谢型两种. 类, 可分为亲和型和代谢型两种.
探针与芯片
DNA探测试剂能用于检查遗传疾病,癌症和病毒传 染病.DNA鉴定通常包括有加入体系标记的DNA,此 标记可以是放射活性的,可光测的,酶或电活性等.
基于高温连接酶检测反应的基因芯片 原理:当检测到DNA与互补的两条寡聚核昔酸接 原理:当检测到 与互补的两条寡聚核昔酸接 头对应处存在着碱基错配, 头对应处存在着碱基错配,则连接反应就不能进 如图,在同时存在着Cy5标记与 标记与Cy3标记的探 行.如图,在同时存在着 标记与 标记的探 针时,由于前者与模板DNA互补,故它与下游探 互补, 针时,由于前者与模板 互补 针的连接反应得以进行, 针的连接反应得以进行,而后者则无法与下游探 针连接.在连接反应结束后进行芯片杂交, 针连接.在连接反应结束后进行芯片杂交,检测 到的结果即为Cy5,从而可认定该 位点为A. 到的结果即为 ,从而可认定该SNP位点为 . 位点为
生物传感器
（一）电位型电极
1 离子选择电极 离子选择性电极是一类对特定的离子呈选择 性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、价廉等 优点，因此应用范围很广．离子选择性电极作为 生物传感器的信号转换器只是它的一种应用，在 生物医学领域也常直接用它测定体液中的一些成 分（如H+，K+，Na+，Ca2+等）。 2 氧化还原电极 氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一 类电位型电极。
上面介绍的各种名称都是类别的名称，每一类 又都包含许多种具体的生物传感器。 例如，仅酶电极一类，根据所用酶的不同就有 几十种，如葡萄糖电极、尿素电极、尿酸电极、 胆固醇电极、乳酸电极、丙酮酸电极等等。 就是葡萄糖电极也并非只有一种，有用pH电极 或碘离子电极作为转换器的电位型葡萄糖电极， 有用氧电极或过氧化氢电极作为转换器的电流 型葡萄糖电极等。实际上还可再细分。
2 酶的固定化技术
固定化酶(Immobilized Enzyme）是20世纪60年代发展起来的— 项新技术。以往使用的酶绝大多数是水溶性的酶。这些水溶性酶 催化结束后，极难回收，因而阻碍了酶工业的进一步发展。60年 代后，在酶学研究领域内涌现出固定化酶。它是通过物理的或化 学的手段，将酶束缚于水不溶的载体上，或将酶柬缚在一定的空 间内，限制酶分子的自由流动，但能使酶充分发挥催化作用；过 去曾称其为水不溶酶或固相酶。1971年第一届国际酶工程会上正 式建议采用固定化酶的名称。 从60年代起，固定化酶的研究发展很快，起初人们把注意力 集中在酶的固定化方法研究上，近年来，不但固定化方法和载体 开发有了长足发展，并且已转向它在工业、医药、化学分析、亲 和层析、环境保护、能源开发以及理论研究等方面的应用研究。
（二）电流型电极
电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转 换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电 位型电极相比有以下优点： （1）电极的输出直接和被测物的浓度呈线性关系， 不像电位型电极那样和被测物浓度的对数呈线 性关系。 （2）电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度 的相对误差比电位型电极的小。 （3）电极的灵敏度比电位型电极的高。
生物传感器
生物传感器导言生物传感器是一种具有生物识别功能的器件，可以通过生物体的特定信号或变化来检测和测量外部环境、生理活动或生物分子等信息。
生物传感器的应用领域广泛，涵盖了生物医学、环境监测、食品安全等多个领域，具有重要的研究和应用价值。
生物传感器的类型生物传感器按照传感元件的特性和信号来源可以分为多种类型，其中常见的包括电化学传感器、免疫传感器、DNA传感器、细胞传感器等。
这些传感器通过不同机制与生物体相关的物质相互作用，转化成可输出的信号。
•电化学传感器：利用生物体内或生物体产生的电活性物质引起电流变化的原理进行检测，如葡萄糖传感器等。
•免疫传感器：通过生物体内抗原和抗体的结合反应来检测特定物质，常用于检测病原体、荷尔蒙等。
•DNA传感器：基于DNA分子结构的特异性识别原理，用于检测DNA序列、病毒等。
•细胞传感器：利用细胞与外部环境的相互作用来监测环境中的毒素、微生物等。
生物传感器的应用生物传感器在医学、环境监测、食品安全等领域有着广泛的应用，主要表现在以下方面：•医学领域：生物传感器可用于检测药物浓度、疾病标志物、生理参数等，有望提高医学诊断和治疗的准确性和效率。
•环境监测：生物传感器可以检测环境中的污染物、重金属等有害物质，为环境保护和监测提供技术支持。
•食品安全：生物传感器可用于检测食品中的有害物质、微生物等，保障食品安全，减少食品中毒事件发生。
生物传感器的发展趋势随着生物技术和纳米技术的不断发展，生物传感器的灵敏度、稳定性和便携性不断提升，未来生物传感器的发展趋势主要包括以下几个方面：•多功能一体化：未来生物传感器将趋向于多功能一体化，同时具备多种检测功能，提高传感器的综合性能。
•微型化和便携化：生物传感器将逐渐向微型化、便携化发展，方便快速实时检测需要。
•智能化：结合人工智能和大数据分析，生物传感器将具备智能化的特性，提高信号处理和数据分析的效率和准确性。
结语生物传感器作为一种具有生物体识别功能的重要器件，对医学、环境监测、食品安全等方面具有重要的应用意义。
电化学生物传感器概念
电化学生物传感器概念
电化学生物传感器是一种将生物分子、细胞或生物体与电化学传感器相结合的装置，用于检测和分析生物体内或生物体系中的化学物质或生物分子。
电化学生物传感器的基本原理是基于生物分子与目标分析物之间的特异性相互作用，这种相互作用可以引起电信号的变化，例如电流、电位或电阻等。
这些电信号的变化可以被电化学传感器检测到，并转化为可读的输出信号。
电化学生物传感器通常由两个主要部分组成：生物识别元件和电化学传感器。
生物识别元件可以是生物分子、细胞、组织或生物体，它们与目标分析物具有特异性相互作用。
常见的生物识别元件包括酶、抗体、核酸、细胞表面受体等。
电化学传感器则包括电极、电解质和测量电路，用于检测和转换生物识别元件与目标分析物相互作用引起的电信号。
电化学生物传感器具有高灵敏度、快速响应、选择性好、操作简便等优点，广泛应用于生物医学、环境监测、食品安全、药物研发等领域。
它们可以用于检测生物体内的生物标志物、药物、毒素、污染物等，以及在生物过程中的实时监测和控制。
随着生物技术和电化学技术的不断发展，电化学生物传感器的应用前景将越来越广阔，为生物医学、环境保护、食品安全等领域提供更灵敏、快速和准确的检测手段。
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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析装置、仪器和系统。
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