生物敏感材料与生物传感器
生物传感器技术的原理和应用
生物传感器技术的原理和应用生物传感器技术是一种利用生物材料作为感测元件的传感器技术，拥有灵敏度高、选择性好、反应速度快等优点。
这种技术已经在生物医学、环境监测、食品安全等领域得到了广泛应用。
一、生物传感器技术的原理生物传感器是通过生物体对特定分子的敏感性来实现物质检测的一种传感器。
它将生物识别和电信号转换结合在一起，通过生物反应来测量生物体系的化学变化，从而实现对分子的检测。
生物传感器由生物分子、电子元件和信号转换部分构成。
1.生物分子生物分子是生物传感器中最核心的部分，主要包括抗体、酶和核酸等。
这些生物分子能够在适当的条件下与特定的物质结合，并发生一系列可检测的化学反应。
例如，酶可以作为生物传感器的感测元素之一，它可以检测到特定的底物并产生相应的电信号变化。
因为生物体系对所要检测的物质具有高度的选择性和灵敏度，所以生物分子能够作为高效、高灵敏的感测元素。
2.电子元件电子元件是探测生物反应所产生的信号的部分，主要有电极、传感器等。
电极是被固定在导电体表面的电荷的传递路径，其主要作用是将生物体系中发生的电化学反应转换为电信号，并传输到电子采集和信号处理系统中。
传感器是一种将生物体系与电子元件相结合的设备，通过改变电荷状态来反映所要检测的物质浓度。
3.信号转换部分信号转换部分是将反应信号与输出信号相匹配的系统。
一般来说，输出信号是电信号。
信号转换系统包括所有可以将生物反应信号转换为电信号的部分：从信号放大到信号增强、滤波、数字化以及相关的处理。
目的是使输出信号具有更准确、更敏感和更高的分辨能力。
二、生物传感器技术的应用生物传感器技术已经在医疗诊断、环保和食品安全等领域得到广泛应用。
下面介绍一些生物传感器的应用实例。
1.医疗诊断生物传感器能够检测多种疾病所产生的生物标志物，如糖尿病的血糖检测、肝炎的抗体检测等。
针对这些疾病，生物传感器提供了更加便捷、精确、无痛的检测方法，有助于加快疾病的早期发现和治疗，提高治疗效果。
敏感材料与传感器
敏感材料与传感器敏感材料与传感器在现代科技领域中扮演着至关重要的角色。
敏感材料是一种能够对外界环境变化做出敏感反应的材料，而传感器则是通过对敏感材料的利用，将外界的信息转换为可感知的电信号或其他形式的信号输出，从而实现对外界环境的监测和控制。
本文将探讨敏感材料与传感器在各个领域中的应用，以及它们的发展趋势。
首先，敏感材料与传感器在医疗领域中发挥着重要作用。
例如，生物传感器利用生物敏感材料对生物分子的特异性识别，可以实现对体内生理指标的实时监测，为医生提供了重要的诊断依据。
另外，医用敏感材料的应用也在医疗器械制造和药物传递系统中发挥着重要作用，如可溶性缓释材料和生物可降解材料等，为医疗器械的研发和生产提供了新的可能性。
其次，在环境监测领域，敏感材料与传感器也扮演着不可或缺的角色。
例如，针对大气污染物的监测，利用敏感材料和传感器可以实现对空气中有害气体浓度的实时监测，为环境保护部门提供了重要的数据支持。
此外，水质传感器也可以利用敏感材料对水中各种有害物质进行监测，为水质治理提供了技术支持。
在工业生产领域，敏感材料与传感器也发挥着不可替代的作用。
例如，在智能制造领域，利用敏感材料和传感器可以实现对生产过程的实时监测和控制，提高生产效率和产品质量。
另外，在材料研发和测试领域，敏感材料和传感器也可以实现对材料性能的精确测试和数据采集，为新材料的研发提供了技术支持。
最后，敏感材料与传感器的发展趋势主要体现在以下几个方面。
一是多功能化和智能化，即敏感材料和传感器不仅能够实现单一参数的监测，还可以实现多参数的综合监测，并且具有自适应和自修复的功能。
二是微型化和集成化，即敏感材料和传感器的体积和功耗将进一步减小，可以实现对微小环境的监测和控制。
三是网络化和互联化，即敏感材料和传感器可以实现远程监测和控制，为智能城市和智能制造提供技术支持。
综上所述，敏感材料与传感器在各个领域中发挥着重要作用，并且具有广阔的发展前景。
生物传感器的原理及其应用
生物传感器的原理及其应用随着科技的不断发展，越来越多的新型技术得到了广泛的关注和应用。
其中，生物传感器就是一种备受瞩目的领域。
生物传感器是将生物分子、细胞、组织等生物材料作为信号转换器，通过转化生物特定的分子识别事件为电、光、声、热等可测量信号的一种装置。
生物传感器的原理非常简单，但是其应用领域却异常广泛。
下面我们来详细了解一下生物传感器的原理及其应用。
一、生物传感器的原理生物传感器是一种将生物分子、细胞、组织等生物材料作为信号转换器的研究装置。
利用生物分子与分析物的特异性反应，转换生物中指定的分子识别事件为可测量的信号（光、电、声、热等），从而实现对分析物的监测和分析。
通常情况下，生物传感器包括生物感受材料、转换装置和信号处理装置。
生物感受材料是生物传感器的关键部分，其主要功能是充当生物分子与分析物特异性反应的膜片或支架，进行特异性识别和结合。
转换装置则将特异性结合事件转换为电、光、声和热等信号进行检测，从而确定被检测分子的浓度。
信号处理装置则负责对检测到的信号进行放大、滤波、处理及数据分析，输出正确、准确、稳定的信息。
二、生物传感器的应用生物传感器具有高灵敏度、高选择性、实时检测、非破坏性、无污染等优点，可以广泛应用于医学、环境、食品、生命科学等领域。
1.医学应用生物传感器在医疗领域的应用非常广泛。
例如，可以用于肿瘤标志物的检测，通常采用单克隆抗体对肿瘤标志物进行检测，具有较高的灵敏性和准确性，并且可以实现快速和便捷的检测。
另外，生物传感器还可用于检测葡萄糖水平，这对糖尿病患者来说非常重要。
2.环境应用生物传感器在环境监测中也有广泛的应用。
例如，污染物的检测，通过监测大气中的有毒气体和微量元素来判断空气质量，这对保护人们的健康非常重要。
此外，生物传感器还可用于检测土壤和水体中的有害物质。
3.食品应用生物传感器可以广泛应用于食品质量检测中。
例如，可以用于检测食品中的致病微生物和其它有害物质。
这对保证食品的安全非常重要。
生物传感器概述及应用
膜或电极电荷状态的变化
膜电位法、电极电位法
质量变化
压电元件法
阻抗变化
电导率法
热变化（热效应）
热敏电阻法
光谱特性变化（光效应）
光纤和光电倍增管
将识别元件上进行的生化反应中消耗或生成的化学物质，或产生的光或热等转换为可用信号，并呈现一定的比例关系。
感受器是生物传感器的心脏。制备分两方面工作，一是选择最佳载体材料（需活化）；二是在载体表面固定化亲和配基（非共价和共价） 换能器感知固定化配基与待测物结合产生的微小变化，其质量好坏决定了传感器的灵敏度。
酶具有识别特定分子的能力
1962年，
酶与电极结合起来测定酶的底物
固定化葡萄糖氧化酶（GOD）＋氧电极
葡萄糖电极
196
1956, L.C. Clark : oxygen electrode 1962, L.C. Clark : biosensor concept (electrochemical sensor + enzyme transducers as membrane = enzyme electrode)
oxygen electrode enzyme electrode
酶 辅酶 维生素 抗原 抗体
生物功能膜（酶、微生物、细胞器、组织、细胞、抗原、抗体）
待测物质
扩散作用
固定化生物敏感膜层
分子识别
生物学反应
电信号
换能器
生物传感器的分子识别元件
分子识别元件
生物活性单元
酶膜
各种酶类
微生物传感器可用于测量发酵工业中的原材料和代谢产物。还用于微生物细胞数目的测定。利用这种电化学微生物细胞数传感器可以实现菌体浓度连续、在线的测定。
微型生物传感器设计
▪ 生物识别元件选择
1.生物分子选择：选择具有高特异性、高亲和力的生物分子作 为识别元件，提高传感器的选择性。 2.生物分子固定化：采用适当的固定化方法，保持生物分子的 活性和稳定性，延长传感器使用寿命。 3.生物兼容性：选择生物兼容性好的材料和制作工艺，减少生 物分子在传感器表面的非特异性吸附。
设计与优化考虑
▪ 传感器件表面的生物兼容性设计
1.选择生物兼容性良好的材料制造传感器件，降低非特异性吸 附和生物污染的影响。 2.通过表面改性和功能化设计，提高传感器件表面的生物活性 ，促进生物分子识别元素的固定化和与目标分析物的结合。
微型生物传感器原理
▪ 微型化与集成化技术的发展
1.采用微型化技术制造传感器件，减小传感器尺寸，提高空间 利用率和便携性。 2.通过集成化技术将多个功能单元整合在一起，构建微型生物 传感器系统，提高传感器的整体性能和可靠性。
▪ 信号放大技术
1.信号放大技术用于增强生物传感器中的微弱信号，提高信噪 比。 2.常见的信号放大技术包括酶催化放大、核酸扩增等。 3.在选择信号放大技术时，需要考虑其与信号转换技术的兼容 性以及放大效率。
信号转换与处理
▪ 信号处理算法
1.信号处理算法用于对生物传感器输出的信号进行数据处理和分析，提取有用信息 。 2.常用的信号处理算法包括滤波、拟合、回归分析等。 3.随着人工智能和机器学习技术的发展，智能信号处理算Байду номын сангаас在生物传感器数据处理 中的应用越来越广泛。
生物传感器概述
▪ 生物传感器的应用领域
1.生物传感器在医疗诊断、环境监测、食品安全等领域有广泛应用。 2.在医疗诊断领域，生物传感器可用于检测各种疾病标志物，实现快速、准确的诊断。 3.在环境监测领域，生物传感器可用于检测大气、水体中的污染物，评估环境质量。
生物传感器的原理和应用
知抗体的附量。
免疫传感器的结构
3室注入含 有抗体的 盐水
抗体与固 定化抗原 膜上的抗 原相结合
膜表面吸 附抗体
膜带电状 态变化 1、2室 内的电极 产生电位 差
微生物电极传感器
• 将微生物(常用的主要是细菌和酵母菌)作为敏感 材料固定在电极表面构成的电化学生物传感器称 为微生物电极传感器。 • 其工作原理大致可分为三种类型:
热生物传感器
酶传感器
酶传感器的类型
热 光 测 定 物 质 热敏电阻传感器 光纤传感器
H正离子 透气膜 氧气 过氧化氢 氨气 二氧化碳 酶膜
电位（电极） 电流（场效应管）
铂阴电极 铂阳电极
电流测量 电极 电位测量
氢正离子敏感膜
应用举例：葡萄糖传感器
工作原理
葡萄糖氧化酶（ＧＯＤ）
葡萄糖+H2O＋Ｏ２――――――→葡萄糖酸＋Ｈ２Ｏ２
杂交检测技术 • 电化学检测DNA 可以分为直接检测和间接检测。 • 直接检测的依据在于DNA 与某些电极表面的直接电子转移 是可能的,而且DNA 的一些组分包括碱基和核糖在一定电 势窗口下也是有电化学活性的。 • 间接检测则是通过一些氧化还原媒介来实现电子传递,借 助于这些与DNA 选择性结合的有电化学活性的指示剂来进 行杂交检测。
•
生物传感器的分类
• a.根据生物传感器中生物分子识别元件上 的敏感物质可 分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、基因传 感 器、免疫传感器等； • b. 根据生物传感器的信号转化器可分为电化学生物传感 器、半导体生物传感器、热生物传感器、光生物传感器、 压电型生物传感器等。 电化学生物传感器又可分为安培型和电位型两种。
生物传感器特点及应用领域
生物传感器特点及应用领域生物传感器是一种利用生物体系与生物分子之间相互作用的传感器。
它利用生物分子的识别能力和可选择性与传感器部件相结合，可以用于检测和分析生物体内或周围的化学和生物分子，具有高灵敏度、高选择性、实时监测等特点。
以下是生物传感器的特点及应用领域。
特点：1. 高灵敏度：生物传感器利用生物分子的识别和反应能力进行检测，可以实现非常低浓度的分析，具有高灵敏度。
2. 高选择性：生物传感器能够根据生物分子的特异性识别产生相应的信号，具有高选择性。
3. 实时监测：生物传感器能够在实时监测下进行分析，可以对瞬态信号和事件进行快速响应。
4. 高度集成化：生物传感器可以与传感器部件相结合，实现小型化、微型化和集成化。
应用领域：1. 生命科学研究：生物传感器可以用于生物分子的检测和分析，用于研究生物体内的化学过程、代谢物质等，推动生物科学的发展。
2. 医学诊断：生物传感器可以用于检测和分析生物体内的生物分子，如蛋白质、DNA等，用于疾病的早期诊断、疗效监测等。
3. 环境监测：生物传感器可以用于检测和分析环境中的污染物、有害物质等，用于环境保护和治理。
4. 食品安全：生物传感器可以用于检测和分析食品中的有害物质、添加剂等，用于保障食品安全。
5. 农业领域：生物传感器可以用于检测和分析农作物生长过程中的营养状态、病虫害等，用于农业生产的改进和优化。
6. 安全检测：生物传感器可以用于检测和分析爆炸物、毒剂等危险物质，用于安全检测和防护。
总结起来，生物传感器具有高灵敏度、高选择性、实时监测等特点，适用于生命科学研究、医学诊断、环境监测、食品安全、农业领域、安全检测等多个应用领域。
随着生物科学和纳米科技的发展，生物传感器的应用将会越来越广泛，为科学研究和社会发展做出更加重要的贡献。
生物传感器
⑵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。
⑶分析速度快，可以在一分钟得到结果。
⑷准确度高，一般相对误差可以达到1%
⑸操作系统比较简单，容易实现自动分析
⑹成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。
环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器，生物传感器 满足了人们的要求。已有相当部分的生物传感器应用于环境监测中。
⑴水环境监测
生化需氧量(BOD）是一种广泛采用的表征有机污染程度的综合性指标。在水体监测和污水处理厂的运行控制 中，生化需氧量也是最常用、最重要的指标之一。常规的BOD测定需要5d的培养期，而且操作复杂，重复性差， 耗时耗力，干扰性大，不适合现场监测。SiyaWakin等人利用一种毛孢子菌(Trichosporoncutaneum）和芽孢杆 菌(Bacilluslicheniformis）制作一种微生物BOD传感器。该BOD生物传感器能同时精确测量葡萄糖和谷氨酸的 浓度。测量范围为0.5～40mg/L，灵敏度为5.84nA/mgL。该生物传感器稳定性好，在58次实验中，标准偏差仅为 0.0362。所需反应时间为5～lOmin。
生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析。
生物传感器⑴食品成分分析在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已 开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖。其它糖类，如果糖，啤酒、麦芽 汁中的麦芽糖，也有成熟的测定传感器。
DNA传感器是生物传感器中报道最多的一种，用于临床疾病诊断是DNA传感器的最大优势，它可以帮助医生从 DNA,RNA、蛋白质及其相互作用层次上了解疾病的发生、发展过程，有助于对疾病的及时诊断和治疗。此外，进 行药物检测也是DNA传感器的一大亮点。Brabec等人利用DNA传感器研究了常用铂类抗癌药物的作用机理并测定了 血液中该类药物的浓度。
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8、生物芯片
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生物敏感材料与生物传感器
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o 压电晶体生物传感器、场效应管生物传感器等。
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3、生物传感器的特点
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4、电化学生物传感器
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n 压电陶瓷
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4、生物医用热敏材料
o 热敏电阻陶瓷：用于测量人体深部体温变化 o 温度响应性材料：形状记忆合金
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第三节 生物传感器
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第三节 生物传感器
o 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）。
o 传感器在小鼠体内能稳定存在较长时间（3月）后逐渐由体 内代谢。
o 通过血流量的超声测试，验证了传感器已达到了预期的效果。
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o 磁导向磁性药物
n 磁性药物载体的磁导向定位已成功地应用于胃 癌、膀胱癌的实验研究，以及胸部肿瘤和消化 道肿瘤的临床治疗。
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当代生物传感器发展的主流
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生物敏感材料与生物传感器
2、分类
o 感受器
n 所采用的生命物质
o 组织传感器、细胞传感器、酶传感器等等
n 所监测的物理量、化学量或生物量
o 热传感器、光传感器、胰岛素传感器等
改善组织的供血供氧状态，促进代谢。 n 脉冲强磁场能选择性地抑制肿瘤细胞的生长繁殖。 n 磁场有改善血液流变学的作用。 n 磁场有促进创口愈合作用，加速组织的愈合作用
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生物敏感材料与生物传感器
利用热磁效应进行医疗检测或控制释药、 治疗
o 磁性接骨板加快了骨折的愈合
o 氧敏感顺磁性生物医学传感器材料
n 其用途
o 免疫传感器、药物传感器等等。
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2、分类
o 信号转换器——与传统的转换器并没有本质 的区别。
n 例如，可以利用电化学电极、场效应管、热每 器件、压电器件、光电器件等器件作为生物传 感器中的信号转换器。
n 依照信号转换器的不同，也可将生物传感器进 行分类，
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2020/11/26
生物敏感材料与生物传感器
o 传统传感器：信号感受器完全由非生命物质组成 o 生物传感器：感受器中含有生命物质，例如
n 将一定的植物细胞或动物细胞作为感觉器，可以制 成各种细胞传感器
n 用生物组织作感受器可制成组织传感器（或称为组 织电极）
n 将一些特定的细胞器从细胞里分离出来作为感受器， 可制成细胞器传感器
n 将微生物作为感受器可制成微生物传感器 n 将生物分子如蛋白质、核酸等作为感受器，更成为
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5、场效应晶体管（FET）生物传感器
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场效应晶体管（FET）
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6、石英晶体微天平
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2、生物医用光敏材料
光纤生物传感器——测定血清中的自由胆固醇含量 卤化银光纤CO2激光手术刀
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3、生物医用压电材料
o 主要用于检测：
n 人体血压检测；心音、颈动脉和颈静脉静波检 测；血流量测定；呼吸系统计量等。
o 常用材料：
n 压电石英单晶——微重力免疫生物传感器、超 声波诊断仪
n EPR（Electronic Paramagnetic Resonance）氧生物 医学传感器属于在线检测生物医学传感器, 它是利用 EPR技术测试活体组织的氧分压, 形成类似核磁共振 的生物组织影像。
n 兼有对EPR敏感并对氧敏感的特性——碳黑材料、卟 啉类化合物和菁染料类化合物
o 材料的颗粒已经能进入小鼠体内各个组织，甚至是尾部、耳 部、眼睛的毛细管内。小鼠更无中毒表现。
n 例如，压力传感器能感受压力信号并将压力信号转换成 电信号，湿度传感器能感受湿度的大小并将湿度大小转 换成电信号等。
o 生物传感器是近几十年内发展起来的一种新的传感 器技术。
n 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。
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生物敏感材料与生物传感器
1、与传统传感器的区别
生物敏感材料与生物传 感器
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生物敏感材料与生物传感器
第一节 概述
一、分类
n 按用途： o 治疗用生物敏感材料： n 自身能感知外界环境的细微变化，并能产生相应 的物理结构和化学性质的改变甚至是突变。 n 以响应凝胶为主，以此为基础制成智能型药物体 系。 o 检测用敏感材料 n 主要用作传感器中的敏感材料，感知人体的物 理量。
n 随着社会的进一步信息化，生物传感器必将获得越来越 广泛的应用。
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卫生保健和生命科学领域
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3rew
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再见，see you again
n 按敏感特性： o 磁敏、电敏、光敏、热敏、压电材料
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第一节 概述
二、性能要求
n 良好的生物相容性 n 极高的敏感度 n 稳定、可靠、长寿命
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第二节 生物敏感材料
1、医用磁生物材料
磁场生物效应 n 磁场使红细胞体积增大，携氧能力增加，有利于
QCM－D传感器
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o 研究内容
n 脂类双层膜上的DNA杂交 n 酶降解 n 聚电解质多层膜 n 细胞粘附 n 生物相容性
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7、表面等离子共振（SPR）
•Surface plasmon resonance
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9、生物传感器应用
o 应用领域
n 医疗、医药、生物工程、环境保护、食品、农业、畜牧 等与生命科学关系密切的一些领域。例如： o 临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种 化学成分，为医生的诊断提供依据； o 生物工程产业中用生物传感器监测生物反应器内各种物 理、化学、生物的参数变化以便加以控制； o 环境监测中用生物传感器监测大气和水中各种污染物质 含量， o 食品行业中用生物传感器检测食品中营养成分和有害成 分的含量、食品的新鲜程度等。