關(guān)于生物傳感器的簡(jiǎn)單介紹第一節(jié)概述傳感器是一種信息獲取與處理的裝置，受啟發(fā)于生物體的感覺系統(tǒng)，是人類感官功能的延伸。生物傳感器是一種特殊的傳感器，它是以生物活性單元（如酶、抗體、核酸、細(xì)胞等）作為生物敏感元件，對(duì)被測(cè)物具有高度選擇性的檢測(cè)器。到目前為止，生物傳感器大致經(jīng)歷三個(gè)發(fā)展階段：第一代生物傳感器是有固定了生物成分的非活性基質(zhì)膜（透析膜或反應(yīng)膜）和電化學(xué)電極所組成；第二代生物傳感器是將生物成分直接吸附或共價(jià)結(jié)合到轉(zhuǎn)換器的表面，無需非活性基質(zhì)膜，測(cè)定時(shí)不必加入其他試劑；第三代生物傳感器是把生物成分直接固定在電子元件上，他們可以直接感知和放大界面物質(zhì)的變化，從而把生物識(shí)別和信號(hào)的轉(zhuǎn)換處理結(jié)合在一起。第2頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二節(jié)生物敏感材料生物傳感器由生物敏感元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換器兩個(gè)主要部分組成，其中，傳感器的選擇性主要取決于生物敏感材料，而靈敏度與信號(hào)轉(zhuǎn)換器、生物材料的固定化技術(shù)有很大關(guān)系。按特性分類，可分為磁敏、電敏、熱敏、光敏和壓電材料具體說來，有生物酶、細(xì)胞（器）、生物組織、基因、光纖等由于時(shí)間限制，下面僅以生物酶為例做簡(jiǎn)單介紹第3頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天第4頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天酶作為敏感元件固定化酶膜產(chǎn)物：O2H2O2NH3CO2H+熱、光Pt陰電極Pt陽(yáng)電極H+敏感膜熱敏材料、光纖測(cè)定光熱信號(hào)測(cè)定物質(zhì)電流、電位信號(hào)測(cè)定第5頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天第三節(jié)信號(hào)轉(zhuǎn)換器這里以電化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換器為例，進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹原理：化學(xué)反應(yīng)與電荷變化密切相關(guān)，將待測(cè)物質(zhì)以適當(dāng)形式置于點(diǎn)化學(xué)反應(yīng)池，測(cè)量其電化學(xué)性質(zhì)（如電位、電流、電容等）變化可實(shí)現(xiàn)物質(zhì)含量的測(cè)定。幾個(gè)電化學(xué)概念（1）固體電極的相間電位：金屬電極與電解質(zhì)溶液間形成的電位（2）液體接界電位：存在濃差梯度的兩種溶液，同時(shí)擴(kuò)散的離子其淌度不同在其界面形成的電位（3）膜電極電位：離子選擇性膜與兩側(cè)溶液接觸，膜相中離子與溶液中的離子交換，在兩個(gè)界面形成兩個(gè)液體接界電位

第6頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天基本電化學(xué)信號(hào)測(cè)量電位信號(hào)測(cè)量方法對(duì)一個(gè)選擇性膜電極，外界條件確定時(shí)，膜電位與溶液中待測(cè)離子濃度呈線性關(guān)系。將待測(cè)電極與參比電極組成一個(gè)電池，測(cè)量其電位差常用的有標(biāo)準(zhǔn)氫電極、甘汞電極、銀-氯化銀電極（如圖）飽和KCl溶液Ag-AgCl絲電極引線電位法經(jīng)常用來測(cè)量H+、NH3、CO2的濃度第7頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天電流信號(hào)測(cè)量方法控制電極的電位從而有選擇性的使溶液中某些成分發(fā)生氧化還原反應(yīng)，電路中通過電流時(shí)電極發(fā)生極化現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化為電位測(cè)量。采用三電極測(cè)量體系函數(shù)發(fā)生器記錄儀恒電位儀測(cè)定溶液輔助電極參比電極工作電極電流法測(cè)量O2,H2O2等電活性物質(zhì)濃度第8頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天電化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)與應(yīng)用電化學(xué)測(cè)量技術(shù)是一種成熟的技術(shù)，具有性能穩(wěn)定、適用范圍廣、易微型化特點(diǎn)，已在酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、免疫傳感器、DNA傳感器中得到應(yīng)用。也廣泛應(yīng)用于細(xì)胞膜功能與結(jié)構(gòu)、腦神經(jīng)系統(tǒng)等研究領(lǐng)域。其制作加工技術(shù)在此不做敘述第9頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天其它類型信號(hào)轉(zhuǎn)換器1)離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管型信號(hào)轉(zhuǎn)換器（FET）2)熱敏電阻型信號(hào)轉(zhuǎn)換器3)壓電晶體型信號(hào)轉(zhuǎn)換器4)光纖光學(xué)型信號(hào)轉(zhuǎn)換器5)表面等離子體共振型信號(hào)轉(zhuǎn)換器（SPR）

有興趣了解這些知識(shí)的同學(xué)可以自行查閱有關(guān)資料第10頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天第四節(jié)生物傳感器生物傳感器的分類：（1）按照生物敏感元件劃分（2）按照信號(hào)轉(zhuǎn)換器類型劃分很多時(shí)候兩種劃分的方法都是交叉使用，以下就以光學(xué)光纖-DNA傳感器為例做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹第11頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.1基因（DNA）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，使人們從分子水平上了解生物奧秘成為現(xiàn)實(shí)。具有一定互補(bǔ)序列的核苷酸單鏈在液相或固相中按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則合成異質(zhì)雙鏈的過程叫做核酸分子雜交。利用這一原理，人們制作了可用于檢測(cè)基因的DNA（或RNA）探針，進(jìn)行基因診斷第12頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天第13頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.2

光學(xué)光纖-DNA傳感器光纖DNA傳感器的構(gòu)建與檢測(cè)過程：1）體膜與DNA探針的固定、活化2）光線表面功能化，即通過化學(xué)反應(yīng)在其表面連接敏感膜材料3）雜交與檢測(cè)4）敏感膜再生，通過化學(xué)試劑或升溫使已雜交的DNA分子解旋，恢復(fù)單鏈，重新使用DNA探針標(biāo)記物生化反應(yīng)光纖探頭檢測(cè)特征光學(xué)信號(hào)由光檢測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換分析信號(hào)測(cè)定雜交分子的量第14頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.2.1消失波型光纖DNA傳感器消失波：當(dāng)一束光線以適當(dāng)角度進(jìn)入光纖時(shí)，它會(huì)以全反射方式在光纖中傳播，產(chǎn)生一種橫貫光纖的波，，通過光纖與其他介質(zhì)的交接處傳出光纖，這種波隨傳播距離快速衰減，稱之為消失波。利用這種性質(zhì)，在光纖表面加上敏感膜（ssDNA探針），當(dāng)消失波穿過膜時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光信號(hào)，或者導(dǎo)致光線強(qiáng)度、相位、頻率的改變，測(cè)量其變化，即可獲得信息第15頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天消失波型光纖DNA傳感器示意圖待測(cè)熒光（激光）消失波消失波信號(hào)分析儀計(jì)算機(jī)處理敏感膜第16頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.2.2光反射型光纖DNA傳感器與消失波型不同，光反射型傳感器是將DNA探針直接固定于光纖頭，隨后將其置于雜交液中進(jìn)行雜交，完畢后注入溴化乙錠（EB）染色，再用Ar+激光器照射，激發(fā)產(chǎn)生熒光進(jìn)行分析。敏感膜（DNA探針）固定在光纖頭光纖第17頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天其他光學(xué)型DNA傳感器1）近紅外熒光型2）化學(xué)發(fā)光型3）拉曼光譜型（涉及化學(xué)分析的知識(shí)）4）共振鏡型

有興趣了解這些知識(shí)的同學(xué)可以自行查閱有關(guān)資料第18頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天兩種光學(xué)型DNA傳感器的比較以一個(gè)表格，進(jìn)行粗略比較第19頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.3傳感器的應(yīng)用&醫(yī)療、醫(yī)藥、生物工程、環(huán)境保護(hù)、食品、農(nóng)業(yè)、畜牧等與生命科學(xué)關(guān)系密切的一些領(lǐng)域。例如：臨床上用免疫傳感器等生物傳感器來檢測(cè)體液中的各種化學(xué)成分，為醫(yī)生的診斷提供依據(jù)；生物工程產(chǎn)業(yè)中用生物傳感器監(jiān)測(cè)生物反應(yīng)器內(nèi)各種物理、化學(xué)、生物的參數(shù)變化以便加以控制；環(huán)境監(jiān)測(cè)中用生物傳感器監(jiān)測(cè)大氣和水中各種污染物質(zhì)含量，食品行業(yè)中用生物傳感器檢測(cè)食品中營(yíng)養(yǎng)成分和有害成分的含量、食品的新鮮程度等。&隨著社會(huì)的進(jìn)一步信息化，生物傳感器必將獲得越來越廣泛的應(yīng)用。第20頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天第21頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天生物傳感器應(yīng)用----

生物芯片（智能機(jī)器人）第22頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天關(guān)于傳感器的后續(xù)話題

——納米生物在血管中運(yùn)動(dòng)的納米機(jī)器人，它正在使用納米切割機(jī)和真空吸塵器來清除血管中的沉積物第23頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天該“醫(yī)生”長(zhǎng)得像一顆膠囊，

把它吞進(jìn)肚里，

消化道內(nèi)的情景

就可以像放電影

一樣在電腦屏幕

上一目了然

納米生物傳感器第24頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，星期天納米組織工程材料制備納米晶羥基磷灰石或膠原復(fù)合的生物硬組織修復(fù)材料，復(fù)合材料具有納米級(jí)別的天然骨分級(jí)結(jié)構(gòu)和天然骨的多孔結(jié)構(gòu)第25頁(yè),共28頁(yè)，2024年2月25日，