生物傳感器講解

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上傳感器論文 姓名： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 專(zhuān)業(yè)： 學(xué)院： 2015年12月專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)生物傳感器一、生物傳感器的介紹： 生物傳感器(biosensor)，是一種對(duì)生物敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為進(jìn)行檢測(cè)的儀器。是由的生物敏感材料作識(shí)別元件（包括、等生物活性物質(zhì)）、適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器（如、等等）及裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。新型生物傳感器有微生物傳感器、免疫傳感器及細(xì)胞器傳感器、酶?jìng)鞲衅鳌NA傳感器等。二、生物傳感器的原理： 待測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物活性材料，經(jīng)分子識(shí)別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的物理或化學(xué)換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理

2、的電信號(hào)，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測(cè)物濃度。 三、生物傳感器的特點(diǎn)： （1）采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，價(jià)值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過(guò)去酶法分析試劑費(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。（2）專(zhuān)一性強(qiáng)，只對(duì)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)確度高，一般相對(duì)誤差可以達(dá)到1。（5）操作系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析。（6）成本低，在連續(xù)使用時(shí)，每例測(cè)定僅需要幾分錢(qián)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。在產(chǎn)控制中能得到許多復(fù)雜的物理化學(xué)傳感器綜合作用才能獲得的信息。同時(shí)它們還指明

3、了增加產(chǎn)物得率的方向。 四、生物傳感器的種類(lèi)：按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分類(lèi)，可分為：微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器、酶?jìng)鞲衅?、DNA傳感器等。（2）按照傳感器器件檢測(cè)的原理分類(lèi)，可分為：熱敏生物傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學(xué)生物傳感器、聲波道生物傳感器、酶電極生物傳感器、介體生物傳感器等。（3）按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類(lèi)型分類(lèi)，可分為親和型和代謝型兩種。廣義地，納米生物傳感器包括四種類(lèi)型：1）用納米材料作為普通生物傳感器的標(biāo)記、輔助信號(hào)增強(qiáng)，或生物敏感元件的載體，如納米膠體金、量子點(diǎn)、納米磁性顆粒、納米電子傳導(dǎo)材料，納米薄膜等； 2）在宏觀基質(zhì)上制備

4、成納米結(jié)構(gòu)的換能器，如錐型光導(dǎo)纖維傳感器、納米懸臂等； 3）單分子傳感器，如分子信標(biāo)。4）生物體內(nèi)的各種天然傳感器和分子機(jī)器，它們?cè)S多事納米級(jí)結(jié)構(gòu)，如生物分子馬達(dá)、DNA錯(cuò)配修正分子機(jī)器等。 納米生物傳感器的一般特性包括：測(cè)定所需的樣品量極少，適合于珍貴樣品測(cè)定；一般采用分子自組裝的辦法制備單分子生物敏感層，分子擴(kuò)散阻力小，傳感器的響應(yīng)速度快，適合于檢測(cè)生物分子動(dòng)力學(xué)測(cè)定；響應(yīng)靈敏度很高，結(jié)合其他技術(shù)方法，可以實(shí)現(xiàn)單分子測(cè)定；在細(xì)胞內(nèi)測(cè)定方面，現(xiàn)有的微電機(jī)仍然體積過(guò)大，進(jìn)入細(xì)胞會(huì)大大破壞細(xì)胞內(nèi)部的正常結(jié)構(gòu)，因此只適合于細(xì)胞淺部、表面和生物組織細(xì)胞間隙的物質(zhì)測(cè)定，納米級(jí)的傳感器僅僅占據(jù)哺乳動(dòng)物細(xì)

5、胞的十億分之一的體積，甚至可以植入到細(xì)胞核中，而不會(huì)對(duì)細(xì)胞實(shí)施大的傷害。五、敏感材料： 生物敏感材料是生物傳感器的核心，有人將敏感元件中的敏感物質(zhì)稱(chēng)為。常用的生物 敏感元件有各種酶、微生物(病毒、細(xì)菌）、動(dòng)植物組織、化學(xué)和物法、抗體和受體、DNA等生 物敏感組分。敏感膜一般由膜基體、膜材料和生物敏感材料構(gòu)成。膜基體是敏感膜的載體，它關(guān)系著有效地 發(fā)揮敏感材料的作用和膜的壽命，即生物傳感器的使用壽命。常見(jiàn)的膜基體材料有:鉬、金、鈀等金 屬;二氧化硅(石英、玻璃）、氮化硅、桂、鍺、金屬氧化物等無(wú)機(jī)或半導(dǎo)體;聚氯乙烯、硅橡膠、纖維素等 有機(jī)物。各種生物傳感器有以下共同的結(jié)構(gòu)：包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活

6、性材料（生物膜）及能把生物活性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的物理或化學(xué)換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動(dòng)化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號(hào)的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。 圖0 識(shí)別原件分支圖五、仿真部分 圖1 內(nèi)部電路圖2 電流-電壓轉(zhuǎn)換電路 六、目前血糖監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展 無(wú)創(chuàng)、有創(chuàng)、連續(xù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)血糖三大檢測(cè)技術(shù)并行發(fā)展： 目前，我國(guó)糖尿病患者人數(shù)多達(dá)4000萬(wàn)，居世界第一位。血糖的動(dòng)態(tài)監(jiān)控對(duì)糖尿病診治來(lái)說(shuō)具有重要的意義。近年來(lái)，血糖檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，市場(chǎng)上的血糖檢測(cè)儀產(chǎn)品種類(lèi)繁多，性能和價(jià)格相差很大，這給選購(gòu)帶來(lái)了一定困難。本文作者全面介紹了血糖檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，同

7、時(shí)強(qiáng)調(diào)，血糖檢測(cè)的有創(chuàng)、無(wú)創(chuàng)和連續(xù)檢測(cè)技術(shù)各有優(yōu)劣，有創(chuàng)技術(shù)成熟，無(wú)創(chuàng)和連續(xù)檢測(cè)技術(shù)雖然簡(jiǎn)便、快捷，但必須定期校正。在購(gòu)買(mǎi)血糖檢測(cè)設(shè)備時(shí)，一定要向醫(yī)療機(jī)構(gòu)及儀器專(zhuān)家咨詢(xún)，選購(gòu)那些已獲得有關(guān)部門(mén)批準(zhǔn)的合格血糖檢測(cè)儀產(chǎn)品。 血糖檢測(cè)儀自1968年由國(guó)外研究人員TomClemens發(fā)明至今，已經(jīng)歷了有創(chuàng)、無(wú)創(chuàng)、連續(xù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的階段，并向檢測(cè)治療一體化的方向發(fā)展。隨著血糖檢測(cè)儀性能的不斷改進(jìn)，其準(zhǔn)確性大大提高，其中連續(xù)動(dòng)態(tài)血糖檢測(cè)儀可以更好地指導(dǎo)臨床用藥，必將大幅提高糖尿病的治療效果。 目前，常見(jiàn)的有創(chuàng)，微創(chuàng)血糖檢測(cè)儀都是采集末梢血來(lái)測(cè)血糖，其主要基于電化學(xué)傳感器技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。這一設(shè)計(jì)始于1962年，其

8、基本原理是依靠氧電極附著的葡萄糖氧化酶(GOx)薄層來(lái)檢測(cè)酶催化的反應(yīng)中的耗氧量，以此計(jì)算出血糖值。后來(lái)，該技術(shù)發(fā)展成為使用一種或多種酶將沒(méi)有電活性的物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛须娀钚缘漠a(chǎn)物，使用兩個(gè)電極來(lái)消除干擾，利用安培計(jì)檢測(cè)釋放的過(guò)氧化氫量，以獲得血糖值的技術(shù)。20世紀(jì)80年代，大量的研究集中于發(fā)展基于催化劑的第二代葡萄糖傳感器和使用可以更換的電極上，以提高傳感器的性能；90年代，研發(fā)的中心集中于建立葡萄糖氧化酶反應(yīng)中心、電極表面的電聯(lián)系和發(fā)展微創(chuàng)的可移植設(shè)備上。最早期上市的以血糖為主要分析物的傳感器于1975年由美國(guó)YSI公司推出。該檢測(cè)儀將葡萄糖氧化酶經(jīng)由共價(jià)鍵結(jié)合固定于醋酸纖維素薄膜上，具有能夠檢

9、測(cè)過(guò)氧化氫的白金電極。其可用來(lái)快速檢測(cè)樣品中的葡萄糖濃度。但是，該儀器體積大、無(wú)法隨身攜帶。1988年，MedSense公司推出了家用電化學(xué)式血糖分析儀。該儀器將碳漿以網(wǎng)印的方式印在聚氯乙烯基版上以構(gòu)成平板電極，再將酵素液與其他成分混合后將其直接固定在電極表面，從而構(gòu)成酵素電極。這種檢測(cè)儀體積小，且只需一小滴取自指尖的末梢血液即可檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間在一分鐘以?xún)?nèi)，操作非常方便。值得關(guān)注的是，此后，國(guó)外又研發(fā)出微量血、多部位（上臂、前臂、大腿、小腿、手掌等）采血的檢測(cè)儀。其中，采用TheraSense公司的專(zhuān)利庫(kù)侖電量法開(kāi)發(fā)的 FreeStyle血糖檢測(cè)儀使檢測(cè)質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍。采用該儀器采血，患者幾

10、乎無(wú)疼感，采血量極低（0.3微升）。該儀器具有100多項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)。 目前，絕大多數(shù)家用血糖檢測(cè)儀也屬于電化學(xué)酶?jìng)鞲衅鞣ㄎ⒘垦焖傺菧y(cè)試儀，且多數(shù)家用血糖儀是有創(chuàng)的，從采血方式上有兩種：滴血式和吸血式。滴血式血糖儀一般采血量較大，多為光電型的；吸血式血糖儀操作方便，用試紙點(diǎn)一下血滴就可以了，都是電極型的。目前，家用血糖檢測(cè)儀的產(chǎn)品和品牌眾多，有強(qiáng)生、羅氏、京都、雅培、怡成、三諾、會(huì)好、瑞特、唐博士、貝朗、拜耳、脈道、施家樂(lè)、臺(tái)欣、安蜜、金鵲、五鼎、聿新、艾康、厚美德、康培、泰德、威望和BD等。檢測(cè)片市場(chǎng)主要由雅培、羅氏、拜耳等大廠(chǎng)家占據(jù)。需要注意的是，采購(gòu)血糖檢測(cè)儀時(shí)，不可過(guò)分迷信進(jìn)口產(chǎn)品。國(guó)

11、內(nèi)研究表明，基于氧化酶法的國(guó)產(chǎn)、進(jìn)口血測(cè)試儀各檢測(cè)同一來(lái)源的47個(gè)標(biāo)本，檢測(cè)結(jié)果無(wú)明顯差異。醫(yī)院可根據(jù)實(shí)際需要選購(gòu)。有創(chuàng)/微創(chuàng)血糖檢測(cè)儀檢測(cè)血糖受許多因素的影響，只適合日常檢測(cè)，而不能作為準(zhǔn)確診斷糖尿病的工具。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確，應(yīng)進(jìn)行及時(shí)校準(zhǔn)和常規(guī)質(zhì)控。 無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀：研發(fā)熱度高成熟產(chǎn)品少。無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)方法是在不損傷人體皮膚的條件下測(cè)量血糖濃度，具有方便、可連續(xù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。但是，這類(lèi)經(jīng)皮檢測(cè)儀因受許多因素的影響，其數(shù)據(jù)重現(xiàn)性、靈敏度、選擇性、對(duì)個(gè)體的適應(yīng)性等不如微創(chuàng)檢測(cè)儀器。 無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)分為體外采集組織液檢測(cè)和在體組織直接檢測(cè)。在體組織檢測(cè)是無(wú)創(chuàng)傷檢測(cè)研究的主流。檢測(cè)部位包括指尖、指肚、前

12、額、手臂、耳垂、眼球等。檢測(cè)介質(zhì)包括血液、組織液、眼房水、汗水等。雖然該技術(shù)分析人體體液（如唾液、尿、汗、眼淚）的方法成熟，然而，體液中葡萄糖含量與血液中葡萄糖含量缺乏嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，致使檢測(cè)結(jié)果有時(shí)不能準(zhǔn)確地體現(xiàn)出病理變化。從檢測(cè)原理上劃分，無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)主要分為兩類(lèi)：光譜分析、非光譜分析。其中，光譜分析包括：紅外法，即通過(guò)近紅外線(xiàn)、中紅外線(xiàn)或遠(yuǎn)紅外線(xiàn)的頻譜分析來(lái)獲得血糖值。但由于紅外法測(cè)量血糖需要時(shí)常校正，且各種身體因素（如水分、脂肪、皮膚、肌肉、骨骼、藥物、血色素濃度、體溫及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)等）影響光波的吸收，因此，處理人體不同組分帶來(lái)的誤差干擾成為限制這種血糖檢測(cè)儀精度的主要因素；偏振式，其利用

13、葡萄糖的旋光特性進(jìn)行血糖檢測(cè)，基于這種原理的儀器一般是通過(guò)測(cè)量眼球房水的葡萄糖濃度來(lái)反推出血糖濃度，但由于偏振式儀器檢測(cè)位置為敏感的眼球，而且存在血糖濃度與眼球房水的葡萄糖濃度之間的時(shí)間滯后等問(wèn)題，目前尚未有成熟的產(chǎn)品上市；射頻阻抗式，該類(lèi)儀器的原理是波長(zhǎng)較紅外線(xiàn)更長(zhǎng)的電磁波對(duì)人體輻射時(shí)，像血糖這種非離子可溶性物質(zhì)會(huì)吸收一定的電磁波，因此，提取其吸收特征值,理論上就可以得到血糖值，但是,體液中還有其他非離子可溶性物質(zhì)也可吸收電磁波，因此，如何將血糖的吸收特征值分離是這種檢測(cè)儀器的關(guān)鍵問(wèn)題。而非光譜分析技術(shù)包括：皮下間質(zhì)液檢測(cè)法，該方法存在的最大問(wèn)題是延時(shí)性；唾液檢測(cè)法,該方法可避免患者因消毒不

14、嚴(yán)而引起的細(xì)菌感染。無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù) 無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)是一種不需要收集血液樣本進(jìn)行血糖濃度測(cè)量的新技術(shù)，它不會(huì)造成人體任何創(chuàng)傷，不會(huì)造成體液傳染病傳播，使用方便。近年來(lái)這方面的研究已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)，出現(xiàn)了近紅外光譜、遠(yuǎn)紅外光譜、偏振光旋光技術(shù)、經(jīng)皮反向離子抽吸技術(shù)、電阻抗測(cè)量等各種原理的測(cè)量方案。由美國(guó)加利福尼亞州Cygnus公司生產(chǎn)的Gluco Watch Biographer腕表式血糖檢測(cè)裝置，利用反向離子抽吸技術(shù)，通過(guò)對(duì)滲出體液的分析，每10 min讀出一個(gè)數(shù)據(jù)，并可連續(xù)記錄13 h，即78個(gè)血糖值。第二代腕表式血糖檢測(cè)裝置Gluco Watch G2 Biographer（GWG2B

15、）也于2002年獲得美國(guó)FDA批準(zhǔn)可憑處方對(duì)成人及717歲青少年銷(xiāo)售，歐洲也批準(zhǔn)進(jìn)入市場(chǎng)。近年國(guó)內(nèi)沈滔、沈耀春等也對(duì)血糖濃度的無(wú)創(chuàng)性檢測(cè)進(jìn)行深入的研究，并取得新的進(jìn)展。近紅外光譜技術(shù)在對(duì)物質(zhì)的分析測(cè)試中有以下優(yōu)點(diǎn)： 近紅外光區(qū)域的吸收系數(shù)?。?適用于漫反射技術(shù)；近紅外光可以在玻璃和石英中穿透； 投資及操作費(fèi)用低； 可以用于樣品的定性，也可以得到精度很高的定量結(jié)果； 不用試劑，故不污染環(huán)境； 測(cè)定速度極快。在很短時(shí)間內(nèi)已成為無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)研究的主要方法。但李剛等則認(rèn)為，生物內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)及其成分復(fù)雜多樣，近紅外區(qū)域光譜吸收不顯著，其光譜測(cè)量存在多種干擾因素，導(dǎo)致信噪比和測(cè)量精度較低，尤其個(gè)體差

16、異和檢測(cè)條件對(duì)光體測(cè)量的精度有較大的影響，浮動(dòng)基準(zhǔn)法檢測(cè)技術(shù)能有效地減小測(cè)量環(huán)境變化及背景樣品的變化，是解決人體生理背景變化干擾問(wèn)題最有希望的方案之一。新近唐飛等介紹了一種代謝熱整合法無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)，采用溫度傳感器、紅外傳感器、濕度傳感器和光學(xué)測(cè)量裝置，通過(guò)測(cè)量人體代謝產(chǎn)生的熱量、血液流速、血氧飽和度，利用人體代謝產(chǎn)生的熱量是血糖濃度、供氧量的函數(shù)，可以推算出血糖濃度。他們對(duì)代謝熱整合法無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究并研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。針對(duì)體檢人群、門(mén)診病患和臨床實(shí)驗(yàn)病患進(jìn)行了臨床實(shí)驗(yàn)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，其血糖的檢測(cè)結(jié)果與大型生化分析儀測(cè)得的結(jié)果的相對(duì)系數(shù)達(dá)到0.856。實(shí)驗(yàn)證明，代謝

17、熱整合法無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)是可行的。盡管無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)儀的研究和開(kāi)發(fā)進(jìn)展很快，但是，這類(lèi)經(jīng)皮檢測(cè)的儀器，受許多因素的影響，結(jié)果的準(zhǔn)確性有待提高4.動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)技術(shù)由于生化分析法和快速血糖儀這種有創(chuàng)或微創(chuàng)技術(shù)不能連續(xù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)患者的血糖而得不到更接近真實(shí)情況。因此，動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CGMS)應(yīng)運(yùn)而生。動(dòng)態(tài)光譜法可消除個(gè)體差異和測(cè)量條件對(duì)光譜檢測(cè)的影響。有研究認(rèn)為，由于動(dòng)脈的脈動(dòng)現(xiàn)象，血管中血流量呈周期性變化，血液是不透明液體，光在血液中的穿透性要比在組織穿透小幾十倍，因此脈搏的變化可以引起近紅外光譜吸光度的變化，所以通過(guò)動(dòng)態(tài)光譜記錄動(dòng)脈充盈至最大與動(dòng)脈收縮至最小時(shí)的吸光度值，可以消除個(gè)體差異和測(cè)量條

18、件對(duì)光譜測(cè)量的影響，校正模型預(yù)測(cè)能力，提高光譜檢測(cè)的精度。美國(guó)MiniMed公司生產(chǎn)的CGMS已于1999年6月獲得美國(guó)FDA批準(zhǔn)上市。CGMS是一個(gè)微創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)皮下組織間液的葡萄糖濃度而反映血糖水平，它可不間斷地監(jiān)測(cè)病人1天中的每時(shí)每刻的血糖值，該儀器僅有手機(jī)大小，內(nèi)有微電腦芯片，有一細(xì)微軟管連接儀器與探測(cè)頭，探測(cè)頭插入腹部皮下組織。儀器每10秒鐘從探測(cè)器接受一次反映血糖變化的電信號(hào)，將每5分鐘的電信號(hào)平均值轉(zhuǎn)換成血糖值存儲(chǔ)起來(lái)。每天可記錄、存儲(chǔ)288個(gè)血糖值。該儀器同時(shí)還可記錄和貯存進(jìn)餐、運(yùn)動(dòng)、用藥等事件。CGMS可連續(xù)監(jiān)測(cè)3天(72小時(shí))血糖的動(dòng)態(tài)變化，而后可把數(shù)據(jù)下載到普通電腦中，給醫(yī)生提供診斷依據(jù)。然而，CGMS與無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)的GWG2B裝置一樣，準(zhǔn)確性還存在一定問(wèn)題，主