生物傳感器畢業(yè)論文

1、目錄一概述1二生物傳感器的基本原理、分類及特點11.生物傳感器的基本原理12.生物傳感器的分類13.生物傳感器的特點1三幾種典型的生物傳感器21.酶傳感器22.微生物傳感器2（1）呼吸機能型微生物傳感器3（2）代謝機能型微生物傳感器33.免疫傳感器34.生物組織傳感器45.半導(dǎo)體生物傳感器4（1）酶光敏二極管5（2）酶fet5四生物傳感器應(yīng)用5五生物傳感器發(fā)展前景6參考文獻(xiàn)8一概述20世紀(jì)70年代以來，生物醫(yī)學(xué)工程迅猛發(fā)展，作為檢測生物體內(nèi)化學(xué)成分的各種生物傳感器的不斷出現(xiàn)。60年代中期起，首先利用酶的催化作用和它的催化專一性開發(fā)了酶傳感器，并達(dá)到實用階段。70年代又研制出微生物傳感器、免疫傳

2、感器等。80年代以來，生物傳感器的概念得到公認(rèn)，作為傳感器的一個分支它從化學(xué)傳感器中獨立出來，并且得到了發(fā)展，使生物工程與半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)入了生物電子學(xué)傳感器時代。生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境檢測、食品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等方面得到了深度重視和廣泛應(yīng)用。隨著社會的進(jìn)一步信息化，生物傳感器必將獲得越來越廣泛的應(yīng)用。二生物傳感器的基本原理、分類及特點1.生物傳感器的基本原理生物傳感器的基本原理是待測物質(zhì)與分子識別原件特異性結(jié)合，發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的生物學(xué)信息通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可以定量轉(zhuǎn)化的電、光等信號， 再經(jīng)儀表放大和輸出，從而達(dá)到分析檢測的目的。生物傳感器由固定化的生物敏感材料

3、作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等物質(zhì)）。2.生物傳感器的分類1.根據(jù)生物傳感器中分子識別即敏感元件可分為五類：酶傳感器，微生物傳感器，細(xì)胞傳感器，組織傳感器和免疫傳感器。顯而易見，所應(yīng)用的敏感材料依次為酶、微生物個體、細(xì)胞器、動植物組織、抗原和抗體。 2.根據(jù)生物傳感器的換能器即信號轉(zhuǎn)換器分類有：生物電極傳感器，半導(dǎo)體生物傳感器，光生物傳感器，熱生物傳感器，壓電晶體生物傳感器等，換能器依次為電化學(xué)電極、半導(dǎo)體、光電轉(zhuǎn)換器、熱敏電阻、壓電晶體等。 3.以被測目標(biāo)與分子識別元件的相互作用方式進(jìn)行分類有生物親合型生物傳感器。3.生物傳感器的特點1.采用固定化生物活性物質(zhì)作催

4、化劑，價值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過去酶法分析試劑費用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點；2.專一性強，只對特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響；3.分析速度快，可以在一分鐘得到結(jié)果；4.準(zhǔn)確度，一般相對誤差可以達(dá)到 1%；5.操作系統(tǒng)比較簡單，容易實現(xiàn)自動分析；6.成本低，在連續(xù)使用時，每例測定僅需要幾分錢人民幣；7.有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生。三幾種典型的生物傳感器1.酶傳感器酶傳感器是由酶敏感膜和電化學(xué)器件構(gòu)成的，由于酶是蛋白質(zhì)組成的生物催化劑，能催化出許多生物化學(xué)反應(yīng)，生物細(xì)胞的復(fù)雜代謝就是由成千上萬個不同的酶控制的。酶的催化效率極高，

5、而且具有高度的專一性，即只能對待待測生物量（底物）進(jìn)行選擇性催化，并且具有化學(xué)放大的作用。因此利用酶的特性可以制造出高靈敏度、選擇性好的傳感器。根據(jù)輸出信號方式的不同，酶傳感器可以分為電流型和電位型兩種。（1）電流型酶傳感器 電流型是由與酶催化反應(yīng)有關(guān)物質(zhì)電極反應(yīng)所得到的電流來確定反應(yīng)物的濃度。一般采用氧電極、過氧化氫電極等。（2）電位型酶傳感器電位型酶傳感器是通過電化學(xué)傳感器器件測量敏感膜電位來確定與催化反應(yīng)有關(guān)的各種物質(zhì)濃度，一般采用nh3電極、co2電極、h2電極等。2.微生物傳感器用微生物作為分子識別元件制成的傳感器稱之為微生物傳感器，與酶相比，微生物更經(jīng)濟，耐久性也好。微生物本身就是

6、具有生命活性的細(xì)胞。有各種生理機能，其主要機能是呼吸機能（氧氣的消耗）和新陳代謝機能（物質(zhì)的合成與分解），在不損壞微生物機能情況下，可將微生物用固定化技術(shù)固定在載體上就可制作出微生物敏感膜，而采用的載體一般是多孔醋酸纖維膜和膠原膜。微生物傳感器從工作原理上分為呼吸機能型和代謝機能型。（1）呼吸機能型微生物傳感器微生物的呼吸機能存在著好氣性和厭氣性，其中好氣性微生物的生長需要氧氣，因此可通過可通過測量氧氣來控制呼吸機能，并了解其生理狀態(tài)；而厭氣性微生物相反，它不需要氧氣，氧氣的存在會妨礙微生物生長，而可以通過測量碳酸氣消耗及其他生成物來探知生理狀態(tài)。由固定化需氧性細(xì)菌膜和氧電極組合而成。它是以細(xì)

7、菌呼吸活性物質(zhì)為基礎(chǔ)測定被測物的。當(dāng)將該傳感器插入含有飽和溶解氧的試液中時，試液中的有機物受到細(xì)菌細(xì)胞的同化作用，細(xì)菌細(xì)胞呼吸加強，擴散到電極表面上氧的量減少，電流減小。當(dāng)有機物由試液向細(xì)菌膜擴散速度達(dá)到恒定時，細(xì)菌的耗氧量也達(dá)到恒定，此時擴散到電極表面上的氧量也變?yōu)楹愣?，因此產(chǎn)生一個恒定電流。此電流與試液中的有機物濃度存在定量關(guān)系，據(jù)此可測定有關(guān)有機物。（2）代謝機能型微生物傳感器代謝機能型微生物傳感器的基本原理是微生物使有機物資化而產(chǎn)生各種代謝生成物，這些代謝生成物中，含有遇電極產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)（即電極活性物質(zhì)）。因此微生物傳感器的微生物敏感膜與離子選擇性電極（或燃料電池型電極）相結(jié)合

8、就構(gòu)成了代謝機能型微生物傳感器。由固定化的厭氧菌膜和相應(yīng)的電化學(xué)傳感元件組合而成。它是以細(xì)菌代謝活性物質(zhì)為基礎(chǔ)測定被測物的。此類細(xì)菌攝取有機物產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物，若代謝產(chǎn)物是氫、甲酸或各種還原型輔酶等，則可用電流法測定；若代謝產(chǎn)物是二氧化碳、有機酸（氫離子）等，則可用電位法測定。根據(jù)測定的電流或電位便可得到有機物濃度的信息。3.免疫傳感器免疫傳感器的基本原理是免疫反應(yīng)。它與酶反應(yīng)一樣是生物體中的一個重要反應(yīng)。一旦有病原體或者其他異種蛋白(抗原)侵入某種動物體內(nèi)，體內(nèi)即可產(chǎn)生能識別這些異物并把它們從體內(nèi)排除的抗體?？乖涂贵w結(jié)合即發(fā)生免疫反應(yīng)，其特異性很高，即是具有極高的選擇性和靈敏度。免疫傳感器

9、就是利用抗原(抗體)對抗體(抗原)的識別功能而研制成的生物傳感器，它利用固定化抗體（或抗原）膜與相應(yīng)的抗原（或抗體）的特異反應(yīng)，反應(yīng)的結(jié)果使生物敏感膜的電位發(fā)生變化。例如：用心肌磷質(zhì)膽固醇及磷脂質(zhì)抗原固定在醋酸纖維膜上，就可以對梅毒患者血清中的梅毒抗體長生有選擇性的反應(yīng)，其結(jié)果使膜電位發(fā)生變化。4.生物組織傳感器生物組織傳感器是以活的動植物組織細(xì)胞切片作為分子識別元件，并于相應(yīng)的變換元件構(gòu)成生物組織傳感器、生物組織傳感器有很多特點：(1)生物組織含有豐富的酶類，這些酶在適宜的環(huán)境中，可以得到相當(dāng)穩(wěn)定的酶活性，許多組織傳感器工作壽命比相應(yīng)的酶傳感器壽命長得多；(2)在所需要的模塊難以提純時，直接

10、利用生物組織可以得到足夠高的酶活性；(3)組織識別元件制作簡單，一般不需要采用固定技術(shù)。組織傳感器制作的關(guān)鍵是選擇需要酶活性較高的動、植物的器官組織。、組織傳感器又分為植物組織傳感器和動物組織傳感器。利用相應(yīng)的生物組織制成的各種傳感器可以測定壞血酸、測定谷氨酰胺、測定腺苷等。組織傳感器雖然在若干情況可取代酶傳感器。但其實用化中還有一些問題，如選擇性差、動植物材料不易保存等。5.半導(dǎo)體生物傳感器目前，生物傳感器的開發(fā)與運用已進(jìn)入一個新的階段，越來越引起人們的注意。生物傳感的多能化、集成化是很重要的研究和發(fā)展方向。將半導(dǎo)體技術(shù)引入生物傳感器，不僅給多功能的生物傳感器開發(fā)提供了重要途徑，而且可以使傳

11、感器小型化、微型化，這在實際應(yīng)用上是具有重有意義的，特別是在人體醫(yī)療診斷上具有更為重要的實用價值。半導(dǎo)體生物傳感器是生物分子識別器件（生物敏感酶）與半導(dǎo)體器件結(jié)合構(gòu)成的傳感器。目前常用的半導(dǎo)體傳感器是半導(dǎo)體光電二極管、場效應(yīng)管（fet）等。半導(dǎo)體生物傳感器具有如下特點：結(jié)構(gòu)簡單、便與批量生產(chǎn)、成本低；它屬于固態(tài)傳感器、機械性能好、抗震性能好、抗震性能好、壽命長；輸出阻抗低，便于后續(xù)電路匹配；可在同一芯片上集成多種傳感器，可實現(xiàn)多功能、多參數(shù)測量，是研制生物芯片與生物計算機的基礎(chǔ)。（1）酶光敏二極管酶光敏二極管是一種新型的光生物傳感器。它由催化反應(yīng)的酶和光敏二極管（或晶體管）半導(dǎo)體器件構(gòu)成，如圖

12、41所示，在硅敏二極管的表面透鏡上涂上一層過氧化氫時，由于過氧化氫的催化作用，加速發(fā)光反應(yīng)，產(chǎn)生的光子照射至硅光敏二極管的pn結(jié)點，改變了二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，即將發(fā)光效應(yīng)轉(zhuǎn)換成光敏二極管的光電流，從而檢測出過氧化氫及其濃度大小。 圖41酶光敏二極管 圖42 phfet的結(jié)構(gòu)（2）酶fet這類fet（場效應(yīng)管）大多數(shù)由以有機物所制作的敏感膜與hfet（氫離子場效應(yīng)管）組成。圖42是phfet結(jié)構(gòu)圖。制法是去掉fet的柵極金屬，在此處固定生物敏感膜，生物敏感膜絕緣，這里為氮化硅膜，它易于被離子和水分滲透，而且表面一旦與若干水分溶化在一起時（稱為水和作用），下式中的電位與氫離子濃度倒數(shù)的對數(shù)（即ph）

13、成比例，電位發(fā)生在待測溶液的界面上。e=e02.303rt/f*ph （41）式中，r為氣體常數(shù)，t為絕對溫度，f為法拉第常數(shù)，e0為常數(shù)。四生物傳感器應(yīng)用生物傳感器在當(dāng)前的主要應(yīng)用領(lǐng)域生物傳感器在當(dāng)前的主要應(yīng)用領(lǐng)域，生物傳感器研究的全面展開是在20世紀(jì)80年代,20多年來發(fā)展迅速,在食品、工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、發(fā)酵工業(yè)、醫(yī)學(xué)等方面得到了高度重視和廣泛應(yīng)用，各種微型化、集成化、智能化、實用化的生物傳感器與系統(tǒng)越來越多。 (1)食品工業(yè) 生物傳感器在食品分析中的應(yīng)用包括食品成分、食品添加劑、有害毒物及食品鮮度等的測定分析。此外，也有用生物傳感器測定色素和乳化劑的報道；(2)發(fā)醉工業(yè) 由于發(fā)酵工業(yè)是大規(guī)

14、模的生產(chǎn)，微生物傳感器其成本低、設(shè)備簡單的特點使其具有極大的優(yōu)勢。所以具有成本低、設(shè)備簡單、不受發(fā)酵液混濁程度的限制、能消除發(fā)酵過程中干擾物質(zhì)的干擾的微生物傳感器發(fā)酵工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用； (3)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 生物傳感技術(shù)不僅為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究及臨床診斷提供了一種快速簡便的新型方法，而且因為其專一、靈敏、響應(yīng)快等特點，在軍事醫(yī)學(xué)方面，也具有廣闊的應(yīng)用前景。在軍事醫(yī)學(xué)中，對生物毒素的及時快速檢測是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測多種細(xì)菌、病毒及其毒素； (4)環(huán)境監(jiān)側(cè) 環(huán)保問題已經(jīng)引起了全球性的廣泛關(guān)注，用于環(huán)境監(jiān)測的專業(yè)儀器市場也越來越大，目前已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的生物傳感器投入到大氣和水中

15、各 種污染物質(zhì)含量的監(jiān)測中去。五生物傳感器發(fā)展前景生物傳感器是一個多學(xué)科交叉的高技術(shù)領(lǐng)域，近年來，著生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展的推動，生物傳感器技術(shù)飛速發(fā)展?？梢灶A(yù)見，生物傳感器的發(fā)展將會有以下新特點：1.功能多樣化和微型化 未來的生物傳感器將進(jìn)一步涉及醫(yī)療保健、食品檢測、環(huán)境監(jiān)測、發(fā)酵工業(yè)的各個領(lǐng)域。當(dāng)前生物傳感器研究中的重要內(nèi)容之一就是研究能代替生物視覺、聽覺和觸覺等感覺器官的生物傳感器,即仿生傳感器。而且隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)步，生物傳感器將不斷地微型化，各種便攜式生物傳感器的出現(xiàn)使人們在家中進(jìn)行疾病診斷，在市場上直接檢測食品成為可能。 2.智能化和成化程度更高 未來的生物傳感器將會和計算機完美緊密的結(jié)合，能夠自動采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，可以更科學(xué)、更準(zhǔn)確地提供結(jié)果，實現(xiàn)采樣、進(jìn)樣、最終形成檢測的自動化系統(tǒng)。同時,芯片技術(shù)將越來越多地進(jìn)入傳感器領(lǐng)域,實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的集成化、一體化。但是，要使生物傳感器盡快被市場接受，還要具備以下條件：足夠的敏感性和準(zhǔn)確性；操作簡單；價格便宜，容易進(jìn)行批量生產(chǎn)；生產(chǎn)過程中進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)