關于生物傳感器的簡單介紹第1頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五第一節概述傳感器是一種信息獲取與處理的裝置，受啟發于生物體的感覺系統，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、細胞等）作為生物敏感元件，對被測物具有高度選擇性的檢測器。到目前為止，生物傳感器大致經歷三個發展階段：第一代生物傳感器是有固定了生物成分的非活性基質膜（透析膜或反應膜）和電化學電極所組成；第二代生物傳感器是將生物成分直接吸附或共價結合到轉換器的表面，無需非活性基質膜，測定時不必加入其他試劑；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的變化，從而把生物識別和信號的轉換處理結合在一起。第2頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五第二節生物敏感材料生物傳感器由生物敏感元件和信號轉換器兩個主要部分組成，其中，傳感器的選擇性主要取決于生物敏感材料，而靈敏度與信號轉換器、生物材料的固定化技術有很大關系。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、細胞（器）、生物組織、基因、光纖等由于時間限制，下面僅以生物酶為例做簡單介紹第3頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五第4頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五酶作為敏感元件固定化酶膜產物：O2H2O2NH3CO2H+熱、光Pt陰電極Pt陽電極H+敏感膜熱敏材料、光纖測定光熱信號測定物質電流、電位信號測定第5頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五第三節信號轉換器這里以電化學信號轉換器為例，進行簡單介紹原理：化學反應與電荷變化密切相關，將待測物質以適當形式置于點化學反應池，測量其電化學性質（如電位、電流、電容等）變化可實現物質含量的測定。幾個電化學概念（1）固體電極的相間電位：金屬電極與電解質溶液間形成的電位（2）液體接界電位：存在濃差梯度的兩種溶液，同時擴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溶液接觸，膜相中離子與溶液中的離子交換，在兩個界面形成兩個液體接界電位

第6頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五基本電化學信號測量電位信號測量方法對一個選擇性膜電極，外界條件確定時，膜電位與溶液中待測離子濃度呈線性關系。將待測電極與參比電極組成一個電池，測量其電位差常用的有標準氫電極、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常用來測量H+、NH3、CO2的濃度第7頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五電流信號測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生氧化還原反應，電路中通過電流時電極發生極化現象，轉化為電位測量。采用三電極測量體系函數發生器記錄儀恒電位儀測定溶液輔助電極參比電極工作電極電流法測量O2,H2O2等電活性物質濃度第8頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五電化學信號轉換器的特點與應用電化學測量技術是一種成熟的技術，具有性能穩定、適用范圍廣、易微型化特點，已在酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、DNA傳感器中得到應用。也廣泛應用于細胞膜功能與結構、腦神經系統等研究領域。其制作加工技術在此不做敘述第9頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五其它類型信號轉換器1)離子敏場效應晶體管型信號轉換器（FET）2)熱敏電阻型信號轉換器3)壓電晶體型信號轉換器4)光纖光學型信號轉換器5)表面等離子體共振型信號轉換器（SPR）

有興趣了解這些知識的同學可以自行查閱有關資料第10頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五第四節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）按照信號轉換器類型劃分很多時候兩種劃分的方法都是交叉使用，以下就以光學光纖-DNA傳感器為例做一個簡單介紹第11頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五4.1基因（DNA）DNA雙螺旋結構的發現，使人們從分子水平上了解生物奧秘成為現實。具有一定互補序列的核苷酸單鏈在液相或固相中按照堿基互補配對原則合成異質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基因的DNA（或RNA）探針，進行基因診斷第12頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五第13頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五4.2

光學光纖-DNA傳感器光纖DNA傳感器的構建與檢測過程：1）體膜與DNA探針的固定、活化2）光線表面功能化，即通過化學反應在其表面連接敏感膜材料3）雜交與檢測4）敏感膜再生，通過化學試劑或升溫使已雜交的DNA分子解旋，恢復單鏈，重新使用DNA探針標記物生化反應光纖探頭檢測特征光學信號由光檢測器進行光電轉換分析信號測定雜交分子的量第14頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五4.2.1消失波型光纖DNA傳感器消失波：當一束光線以適當角度進入光纖時，它會以全反射方式在光纖中傳播，產生一種橫貫光纖的波，，通過光纖與其他介質的交接處傳出光纖，這種波隨傳播距離快速衰減，稱之為消失波。利用這種性質，在光纖表面加上敏感膜（ssDNA探針），當消失波穿過膜時，會產生光信號，或者導致光線強度、相位、頻率的改變，測量其變化，即可獲得信息第15頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五消失波型光纖DNA傳感器示意圖待測熒光（激光）消失波消失波信號分析儀計算機處理敏感膜第16頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五4.2.2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，激發產生熒光進行分析。敏感膜（DNA探針）固定在光纖頭光纖第17頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五其他光學型DNA傳感器1）近紅外熒光型2）化學發光型3）拉曼光譜型（涉及化學分析的知識）4）共振鏡型

有興趣了解這些知識的同學可以自行查閱有關資料第18頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五兩種光學型DNA傳感器的比較以一個表格，進行粗略比較第19頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五4.3傳感器的應用&醫療、醫藥、生物工程、環境保護、食品、農業、畜牧等與生命科學關系密切的一些領域。例如：臨床上用免疫傳感器等生物傳感器來檢測體液中的各種化學成分，為醫生的診斷提供依據；生物工程產業中用生物傳感器監測生物反應器內各種物理、化學、生物的參數變化以便加以控制；環境監測中用生物傳感器監測大氣和水中各種污染物質含量，食品行業中用生物傳感器檢測食品中營養成分和有害成分的含量、食品的新鮮程度等。&隨著社會的進一步信息化，生物傳感器必將獲得越來越廣泛的應用。第20頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五第21頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五生物傳感器應用----

生物芯片（智能機器人）第22頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五關于傳感器的后續話題

——納米生物在血管中運動的納米機器人，它正在使用納米切割機和真空吸塵器來清除血管中的沉積物第23頁，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五該“醫生”長得像一顆膠囊，

把它吞進肚里，

消化道內的情景

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，共28頁，2022年，5月20日，8點49分，星期五納米組織工程材料制備納米晶羥基磷灰石或膠原復合的生物硬組織修復材料，復合材料具有納米級別的天然骨分級結構和天然骨的多孔結構第25頁，共28頁，2022年，5月