生物传感器的原理及应用1

山东师范大学化学化工与材料科学学院现代化学传感技术学生姓名：班级：学号：完成时间：生物传感器 山东师范大学化学化工与材料科学学院生物传感器姓名：专业：学号：考号：班级摘要:生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术,是一种将生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置.由于其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂体系中进行在线连续监测的特点,已在生物、医学、环境监测、食品、医药、及军事医学等领域显示出广阔的应用前景,引起了世界各国的极大关注.综述了生物传感器的基本原理、分类、特点及在环境监测、食品分析、生物医学和军事上的应用,并对其发展前景进行了展望.关键词:生物传感器；原理；应用；发展-7- 山东师范大学化学化工与材料科学学院目录一.引言3二.生物传感器的基本原理3三.生物传感器的分类4四.生物传感器的应用44.1生物传感器在医学领域的应用44.1.1.基于中医针灸针的传感针44.1.2.生物芯片54.1,3.生物传感器的临床应用54.2生物传感器在非传统医学领域的应用64.2.1．在空间生命科学发展中的应用64.2.2．在环境监测中的应用64.2.3．在食品工程中的应用64.2.4．在军事领域的应用7五.生物传感器的未来7六.结束语8七.参考文献8-7- 山东师范大学化学化工与材料科学学院一．引言传感器作为现代科技的前沿技术，被认为是现代信息技术的三大支柱之一，也是国内外公认的最具有发展前途的高技术产业。在国内有自动化方面的专家指出塑料工业网，传感器技术直接关系到我国自动化产业的发展形势，认为“传感器技术强，则自动化产业强”。由此可见传感器技术对自动化产业乃至整个国家工业建设的重要性。生物传感器是生物技术群的一个领域，也是典型的多学科交叉生长点，涉及到生命科学、物理、化学、信息科学等众多学科和技术。由于生物传感器具有操作简便、快速、准确、易于联机及重复使用等特点，在生命科学研究、医学生物工程临床诊断与分析、生物工艺过程检测与监控、环境质量检测、食品科学、化学化工过程分析及分析化学研究等许多方面都有广泛的应用前景。二.生物传感器的基本原理生物传感器的传感原理如(图1)表示，其构。成包括两部分:生物敏感膜和换能器。被分析物扩散进入固定化生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的化学换能器或物理换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经检测放大器放大并输出，便可知道待测物浓度。-7- 山东师范大学化学化工与材料科学学院生物敏感膜又称分子识别元件，它们是生物传感器的关键元件(表1)，直接决定传感器的功能与质量。依生物敏感膜所选材料不同，其组成可以是酶、核酸、免疫物质、全细胞、组织、细胞器或它们的不同组合，近年来还引人了高分子聚合物模拟酶，使分子识别元件概念进一步延伸。换能器的作用是将各种生物的、化学的和物理的信息转换成电信号。生物学反应过程产生的信息是多元化的，微电子学和传感器技术的现代成果为检测这些信息提供了丰富的手段，使得研究者在设计生物传感器时换能器的选择有足够的回旋余地。三．生物传感器的分类生物传感器，具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低等特点，目前在国民经济的各个部门如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。生物传感器主要有下面三种分类命名方式：1、根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器，微生物传感器，细胞传感器，组织传感器和免疫传感器。显而易见，所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。2、根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有：生物电极传感器，半导体生物传感器，光生物传感器，热生物传感器，压电晶体生物传感器等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。3、以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲和型生物传感器、代谢型或催化型生物传感器。四.生物传感器的应用4.1．生物传感器在医学领域的应用4.1.1.基于中医针灸针的传感针基于中医针炙针的传感针是以中医针灸针为基体，应用多种现代技术加工制作后，赋予其传感人体微区中的温度、pH值、氧分压、多巴胺，Ca2+,K+,Na+等信息的新功能而得的一种特殊传感针。它具有传感与治疗两种功能，既能实时传感出人体微区中各种生理、生化参数，并进行人体微区的动态监测，又能按中医针刺的实施治病理疗法。与其它生物传感器相比，它具有能直接进入被测对象体内，不需取样，操作简单，测量快速，结果可靠，实时显示测量结果等优点。-7- 山东师范大学化学化工与材料科学学院传感针的基本设计:它是以普通针灸针(或根据应用学科的具体外形要求用外直径为0.3~0.4mm的空心不锈钢竹)作为基体加工而成的。一般制备过程为:对针灸表面进行清洁处理或用处理液浸泡；针尖上镀相应的合金和相应参数的敏感膜，然后再覆盖上有机高分子功能保护的材料;针体镀绝缘膜，使之有耐、提、插、捻、转的机械作用，这一点是由它的传感和治疗双重功能决定的;用戊二醛消毒液消毒;根据不同的参数特性配上相应的测量仪，进行直接读数;在实验室经过反复浸泡、冲洗实验并进行动物实验，使它们的主要性能指标(如线性范围、响应时间、分辨率、零点漂移、寿命等)达到要求标准。目前己制成的有温度传感针、氧分压传感针、pH传感针、Ca2+传感针和多巴胺传感针等。若还能进一步微型化，还可用于细胞内环境的监测。此外，还可研制离了生物传感针，如K+传感针、Na+传感针、中枢神经递质传感针、酶传感针、抗体传感针、受体传感针、激素传感针、DNA传感针、RNA传感针，并进而研制多参数、微型化与智能化的传感针。4.1.2.生物芯片是具有某些特种功能的分子器件。如细胞色素C的传导性，其氧化态与还原态之间的传感性相差一千倍。除了上述传感器，国外正在开发半导体生物传感器，它包括一个参考电极和一个PH值量子场效应品体管感应膜，膜上固定有酶和微生物，当固定酶和微生物分别与待测物反应时，PH值发生变化，那么输出的电流或电压就可测定，这就完成了对参加反应的化学物质的定量分析。如果把这些信号同计算机输人端联接，按一定的软件程序，那么，可开发生物模拟计算机。4.1.3.生物传感器的临床应用1、在预防医学中，应用生物传感器可将内外环境的监测统一起来。例如，乙酸胆碱传感器既可用于外环境中有机磷农药的监测，又可用于评价这种农药进入人体后可能对神经传递过程产生的影响。2、由于现代医学研究已进人细胞和生物分子水平，微型生物传感器的问世为了解细胞内的代谢过程和生物大分子的运动变化提供了信息。目前的微型传感器已能插入细胞内进行监测。日本研究的一种蚊子型生物传感器，其探头只有0.5微米粗，可直接刺入人体病变细胞，边检查边由计算机显示出病变信号。3、血液探针:日本和北美的几家公司研制出一种外形象电子笔一样的生物传感器。在这种传感器的“笔尖”上滴一滴血，3分钟后便可由液晶数字显示器读出血糖浓度。它的问世使糖尿病患者呆在家中即可自己测血糖变化。-7- 山东师范大学化学化工与材料科学学院4、神经传导性传感器:目前，科学家们正在研制能植入人体的生物传感器，并已取得了突破性进展。如植入机体内的生物传感器能帮助恢复神经系统损伤所留下的后遗症。建立起人工传感器和大脑之间的联系。放于静脉或动脉中的葡萄糖传感器能持续不断地监测血糖浓度，并将指令送人一个植人的胰岛素泵，帮助病人直接控制胰岛素释放量。这种传感器还能为癌症患者监测所用的抗癌药物的血液浓度。4.2生物传感器在非传统医学领域的应用生物传感器除了应用于传统的医学领域，如动态检测人体血压、体温、血液酸碱度、血氧含量，检测酶活性、蛋白质等生化指标方面，还在其它非传统医学领域获得了应用。4.2.1在空间生命科学发展中的应用空间飞行对生命系统产生重大影响的问题很多。如调查在微重力环境和空间飞行中对大鼠生命的影响，必须在一段长时间内允许它们相对自由行动中进行。这些研究用现在的仪器检测技术和数据收集系统是无法做到的，而可植入的生物传感器和微型生物遥测术的结合在这方面有着巨大的发展潜力。可以预计可植入生物体内传感器和生物遥测技术的结合将使得灵活方便地远距离测量连续在线的资料获得成为可能。关于它的研究将推动现代医学和空间生命科学的迅速发展。4.2.2在环境监测中的应用传统的环境监测通常采用离线分析方法，操作复杂，所需仪器昂贵，且不适宜进行现场快速监测和连续在线分析。随着环境污染问题日益严重，生物传感器在建立和发展连续、在线、快速的现场监测体系中发挥着重要作用。（1）水质监测生化需氧量(BOD)是衡量水体有机污染程度的重要指标，BOD的研究对于水质监测及处理都是非常重要的此研究也成为水质检测科技发展的方向。BOD的传统标准稀释法所需时间长，操作繁琐，准确度差，BOD传感器不仅能满足实际监测的要求，并具有快速、灵敏的特点。自1977年首次将丝孢酵母菌分别用聚丙酰胺和骨胶原固定在多孔纤维素膜上，利用BOD微生物传感器测定水中BOD以来，此项技术得到了迅速的发展。目前，已有可用于测定废水中BOD值的生物传感器和适于现场测定的便携式测定仪。随着BOD快速测定研究的不断深入，研究发现BODst(快速BOD测定值)还可作为在线监测生物处理过程的一个重要参数。（2）大气质量监测生物传感器可监测大气中的CO2，NO，NH3及CH,等。AntonelliM等人采用地衣组织研制了一种传感器，有望用于对大气、水和油等物质中苯的浓度的监测。用多孔渗透膜、固定化硝化细菌和氧电极组成的微生物传感器，可测定样品中亚硝酸盐含量，从而推知空气中NO的浓度，其检测极限为1xl0mol／L。4.2.3.在食品工程中的应用食用牛肉很容易被大肠杆菌0157.H7.所感染，因此需要快速、灵敏的方法检测和防御大肠杆菌0157.H7.一类的细菌。2002年，Kramer等人研究的光纤生物传感器可以在几分钟内检测出食物中的病原体，如大肠杆菌0157.H7.，而传统的方法则需要几天。生物传感器可以直接测量102CFU(菌落形成单位)的大肠杆菌0157.-7- 山东师范大学化学化工与材料科学学院H7.。检测病原体之后即可以将它分离到培养基上生长。从检测出病原体到从样品中重新获得病原体并使它在培养基上独立生长总共只需1天时间，而传统方法需要4天。还有一种快速灵敏的免疫生物传感器可以用于测量牛奶中双氢除虫菌素的残余物。它是基于细胞质基因组的反应，通过光学系统传输信号，己达到的检测极限为16.2nd/mL。一天可以检测20个牛奶样品。4.2.4在军事领域的应用生物传感器在化学、生物战剂的侦检方面具有独特的优势。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素(如炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶尔森菌、埃博拉出血热病毒、肉毒杆菌类毒素等)，2000年，美军报道已研制出可检测土拉弗菌、蓖麻素、肉毒毒素和葡萄球菌肠毒素B等4种生物战剂的免疫传感器。在化学战剂检测中研究和使用最多的是乙酰胆碱脂酶传感器。20世纪5O年代，就有人设计了沙林毒剂的酶检测方法，可检出0．1—0．5×10的沙林，这一方法至今仍被国际上普遍用于神经性毒剂侦毒包和报警器中。四.生物传感器的未来未来生物传感器在医学领域中将有很大的发展潜力,发展趋势将在以下几个方面：①应用领域不断拓宽由于生物传感器潜在的巨大优势,它必将向更广阔的应用范围发展。如向心理学方面发展。研制心理传感器,传感人们的心理活动,这对心理学、生理学以及社会科学的研究都将有推动作用。此外,传感器在仿生学方面将有更大发展。光导纤维可代替人的神经纤维,效应管生物传感器可起到细胞膜的作用。总之生物传感器将向医学所有领域伸展。②小型化、集成化未来的生物传感器将趋于小型化,向体内监测、在线监测的方向发展。已报道有植入体内的微小传感器实时监测血糖变化或通过病人脑电波的监测预知癫痫的发作。同时芯片技术将愈加进入传感器,实现检测系统的集成化、一体化。③智能化未来的生物传感器必定与计算机紧密结合,自动采集数据、处理数据,更科学、更准确地提供结果,采样、进样、结果一条龙,形成检测的自动化系统。④联用技术生物传感器将不断与其它分析技术联用,如流动注射技术、色谱等,互相取长补短。生物传感器必将在发展中不断完善,成为医学发展的巨大推动力。六．结束语-7- 山东师范大学化学化工与材料科学学院生物传感器可以取代常规的化学分析方法，因此，它的出现可以说是一场技术革命。人类基因组计划的实施大大加速了与生物学、医学、信息学等学科息息相关的各类新型生物传感器的发展，这给当前生物传感器的研究提供了前所未有的发展机遇。生物传感器作为多学科交叉的高科技领域，如何组织各方面的科技力量和财力、物力来推动这一高科技领域在我国的发展，不仅是对生物、信息、物理、化学、医学、微电子、材料等相关领域中科技人员的挑战，也是有关行政管理部门面临的一个课题。传感器行业在未来的几十年将无可置疑地处于一个快速发展的时期，这就对我国当前传感器行业的发展带来了新的机遇，也带来了新的挑战。参考文献：[1]许文娟，焦晨旭．生物传感器的发展应用及前景[J]．化工中间体.2010(11)[2]谢佳胤,李捍东,王平,李霁．微生物传感器的应用研究[J]．现代农业科技体.2010(6)[3]马莉萍,毛斌,刘斌,李工农,韩根亮,刘国汉．生物传感器的应用现状与发展趋势[J]．传感器与微系统.2009,28(4)[4]杨艳．生物传感器的发展及应用[J]．茂名学院学报.2006.8[5]孙幼娟,袁启明．生物传感器的发展趋势[J]．上海生物医学工程.1996.17(3)-7-