生物信號檢測及傳感器第一章課件

生物信號檢測及傳感器微納米技術(shù)研究中心哈工大科學(xué)園B1棟505室【問題】1.電飯煲為什么能自動加熱和保溫而不會使飯燒焦？2.電冰箱、空調(diào)為什么可以自動控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)而保持恒溫？3.全自動洗衣機(jī)為什么可以自動完成洗衣過程？4.電梯門為什么不夾人？5.自動門為什么會自動開啟？6.怎樣實現(xiàn)自動通風(fēng)、自動噴水、自動報警？…………這一切，都要?dú)w功于現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。傳感器的概念：廣義上講——傳感器就是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號的裝置。簡單地說——傳感器是將外界信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動傳感器技術(shù)的進(jìn)步上世紀(jì)實現(xiàn)的工業(yè)生產(chǎn)的自動化，幾乎主要依靠傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程的各個參數(shù)，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運(yùn)行在最佳狀態(tài)，保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量?！皼]有傳感器技術(shù)就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)現(xiàn)在已為全世界所公認(rèn)?？茖W(xué)技術(shù)越發(fā)達(dá)、自動化程度越高，對各種傳感器的需求越大..現(xiàn)代傳感器既是高科技的結(jié)晶，又在高科技中起舉足重輕的作用。一輛現(xiàn)代化汽車所用傳感器達(dá)數(shù)十種……哥倫比亞號如美國‘阿波羅’登月飛行器每個安裝的各種傳感器達(dá)3200個。在現(xiàn)代的飛機(jī)、汽車、甚至家用電器也是如此….我國第一種實用化的生物傳感器—SBA-30型乳酸分析儀SBA-70型生物傳感在線分析系統(tǒng)生物傳感器——用以檢測和識別生物體內(nèi)化學(xué)成分或使用了生物組分的傳感器?！癇iosensor”oncereferredtoanydevicewhichrespondstochemicalspeciesinbiologicalsamplesorusingbiologicalcomponents.應(yīng)用領(lǐng)域：最典型的應(yīng)用是在醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)，醫(yī)院里各種進(jìn)行生化分析的儀器之中……圖示鼻子類似為傳感器

嗅覺膜－生物識別元件神經(jīng)細(xì)胞－轉(zhuǎn)換器神經(jīng)纖維－傳導(dǎo)器大腦－測量元件美國人理查德·阿克塞爾和琳達(dá)·巴克因為他們在嗅覺領(lǐng)域內(nèi)所做出的杰出貢獻(xiàn)而獲得了2004年度的諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展總趨勢

中心科學(xué)技術(shù)的轉(zhuǎn)移

1.信息科學(xué)技術(shù)目前是發(fā)展高峰期，預(yù)計其中心科學(xué)技術(shù)的地位還可持續(xù)四十年。2.生命科學(xué)技術(shù)現(xiàn)在已開始注重其發(fā)展與應(yīng)用，預(yù)計21世紀(jì)30年代開始將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹行目茖W(xué)技術(shù)。3.認(rèn)知科學(xué)技術(shù)智能化趨勢現(xiàn)已顯露，預(yù)計21世紀(jì)70年代開始將成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的中心課程內(nèi)容緒論傳感器生物材料電化學(xué)生物傳感器物理生物傳感器（光纖、壓電、半導(dǎo)體、表面等離子體共振、熱電等）生物芯片生物傳感器與生物反應(yīng)系統(tǒng)的控制生物傳感器與活體分析生物敏感元件的基因操縱參考書《生物傳感器》張先恩編著化學(xué)工業(yè)出版社2005《現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)》王平編著，浙江大學(xué)，2003彭承琳，生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用,高等教育出版社，2000。彭軍，傳感器與檢測技術(shù)，西安電子科技大學(xué)出版社，2003。主要參考文獻(xiàn):郁有文，常健，程繼紅，傳感器原理及工程應(yīng)用,西安電子科技大學(xué)出版社，2003。蔡建新，張唯真，‘生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)’，北京大學(xué)出版社，1997。黃賢鎢，‘傳感器原理與應(yīng)用’，電子科技大學(xué)出版社，1999。TurnerAPF，KarubeI，WilsonGS,Biosensors:FundamentalandApplications,Oxford:OxfordUniversityPress,1987.目的與要求生物傳感器的基本理論方法常用傳感器敏感材料各種生物傳感器的原理以及應(yīng)用掌握傳感器構(gòu)成的生物信號檢測系統(tǒng)的基本框架和應(yīng)用考試閉卷，占總成績60%平時成績：出勤+上課表現(xiàn)，20%口頭報告，占20%閉卷，80%平時成績：出勤+口頭報告20%任選其一獎學(xué)金評定時不再打分獎學(xué)金評定時根據(jù)上課表現(xiàn)再打分第一章緒論生物傳感器的發(fā)展歷程生物傳感器的基本概念與類型生物傳感器的商品開發(fā)發(fā)展趨勢生物傳感器的優(yōu)點(diǎn)featuresbenefits一、生物傳感器的發(fā)展歷程1930pHglasselectrodeMacInnes1950Amestestforurinaryglucose1956隔離式氧電極美國L.C.ClarkJnr1962BloodpO2sensor酶電極EnzymeelectrodeClark和Lyons1964QuartzcrystalsensorValinomycinforion-selectiveeffectInvivoFiberopticsOximeterKingMooreKarpany1966葡萄糖酶電極Updike和Hicks1968FluorescentoxygensensorBergman1969電位型酶電極(尿酶固定在氨電極上測定尿素)Guilbault,Montalvo1970ISFETBergveld1975第一個基于酶電極的葡萄糖測定儀美國YSI公司1975Firstmicroelectrodewith1umThomas1977測抗原的免疫傳感器美國Janata1977測BOD的微生物傳感器日本KarubeBiomolecular

Interaction

Analysis（BIA）3個核心部分：傳感器芯片，SPR光學(xué)檢測系統(tǒng)，微射流卡盤1984介體酶電極英國Cass,Hill1987印刷血糖酶電極美國MediSene公司1985Elsevier出版公司創(chuàng)刊《Biosensors》主編英國Turner教授1990更名為《Biosensors&Bioelectronics》1987召開了BIOTECH’87德國Dusseldorf1990FirstworldcongressonBiosensors,Singapore2004核酸傳感器與DNA芯片生物電子學(xué)/生物燃料電池/微分析系統(tǒng)酶傳感器器官與全細(xì)胞生物傳感器系統(tǒng)集成/蛋白質(zhì)組學(xué)/單細(xì)胞分析免疫傳感器天然與合成受體生物傳感器新的信號傳導(dǎo)技術(shù)商業(yè)化與市場560(包括100篇口頭報告和460篇墻報)西班牙格拉納達(dá)Biosensors2010-20thAnniversaryWorldCongressonBiosensors

Glasgow,UnitedKingdom

Theranostics;nanobiosensors,nanomaterials&nanoanalyticalsystems;lab-on-a-chip;DNAchips&nucleicacidsensors;immunosensors;enzyme-basedbiosensors;organism-andwholecell-basedbiosensors;biofuelandbiologicalfuelcells;bioelectronics&bionics;electronicnosetechnology;natural&syntheticreceptors;signaltransductiontechnology;microfluidics&systemsintegration;proteomicsandsingle-cellanalysis;commercialdevelopments,manufacturingandmarkets.BioelectronicsCommercialbiosensors,manufacturingandmarketsDNAchips&nucleicacidsensorsEnzyme-basedbiosensorsImmunosensorsLab-on-a-chipMicrofluidicsNanobiosensors,nanomaterials&nanoanalyticalsystemsNatural&syntheticreceptorsOrganism-andwholecell-basedbiosensorsPrintedbiosensorsandprintedelectronicsProteomics,single-cellanalysisandelectronicnosesSignaltransductiontechnologyandbiologicalfuelcellsTheranostics&nanotheranostics第一階段:20世紀(jì)60-70年代起步階段,以Clark傳統(tǒng)酶電極為代表第二階段:20世紀(jì)70年代末期到80年代,大量學(xué)科交叉出現(xiàn)了各種不同原理和技術(shù)的生物傳感器,代表是介體酶電極第三階段:20世紀(jì)90年代后,以表面等離子體和生物芯片為代表歸納二、生物傳感器的基本概念與類型2.1.定義《Biosensors》對生物傳感器的定義：生物傳感器是一類分析器件，它將一種生物材料（如組織、微生物細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞受體、酶、抗體、核酸等）、或生物衍生材料、或生物模擬材料，與物理化學(xué)傳感器或傳感微系統(tǒng)密切結(jié)合或聯(lián)系起來，行其分析功能，這種換能器或微系統(tǒng)可以是光學(xué)的、電化學(xué)的、熱學(xué)的、壓電的或磁學(xué)的。Turner教授將其簡化為：生物傳感器是一種精致的分析器件，它結(jié)合一種生物的或生物衍生的敏感元件與一只理化換能器，能夠產(chǎn)生間斷或連續(xù)的數(shù)字電信號，信號強(qiáng)度與被分析物成比例。CurrentDefinitionforBiosensors:Asensorthatintegratesabiologicalelementwithaphysiochemicaltransducertoproduceanelectronicsignalproportionaltoasingleanalytewhichisthenconveyedtoadetector.

Biosensor“Achemicalsensorisadevicethattransformschemcialinformation,rangingfromtheconcentrationofaspecificsamplecomponenttototalcompositionanalysis,intoananalyticallyusefulsignal”–IUPAC?“Biosensor-asubgroupofchemicalsensorswherebiologicalhostmolecules,suchasnaturalorartificialantibodies,enzymesorreceptorsortheirhybrids,areequivalenttosyntheticligandsandareintegratedintothechemicalrecognitionprocess.–HighSpecificityandselectivity–Restrictedstabilitiesandlifetime2.2生物傳感器的基本原理

生物傳感器由敏感元件（或生物元件）和理化換能器組成ComponentsofaBiosensorDetector2.2.1、生物敏感膜(biosensitivemembrane)或分子識別元件(molecularrecognition)是生物傳感器的關(guān)鍵元件,直接決定傳感器的功能與質(zhì)量。

分子識別元件生物活性材料酶膜各種酶類全細(xì)胞膜細(xì)菌、真菌、動植物細(xì)胞組織膜動植物組織切片細(xì)胞器膜線粒體、葉綠體免疫功能膜抗體、抗原、酶標(biāo)抗原等具有生物親和能力的物質(zhì)配體,受體核酸寡聚核苷酸模擬酶高分子聚合物Mustbehighlyspecific,stableunderstorageconditions,andimmobilized.2.2.2.換能器（Transducer）

將各種生物的、化學(xué)的和物理的信息轉(zhuǎn)變成電信號生物學(xué)反應(yīng)信息換能器選擇生物學(xué)反應(yīng)信息換能器選擇離子變化離子選擇性電極光學(xué)變化光纖,光敏管,熒光計電阻變化、電導(dǎo)變化阻抗計,電導(dǎo)儀顏色變化光纖,光敏管質(zhì)子變化場效應(yīng)晶體管質(zhì)量變化壓電晶體等氣體分壓變化氣敏電極力變化微懸臂梁熱焓變化熱敏電阻,熱電偶震動頻率變化表面等離子體共振PrinciplesofDetectionmeasureschangein massmeasureschangein electricdistribution

measureschangein lightintensitymeasureschangein heatPiezo-ElectricElectrochemicalOpticalCalorimetricPrinciplesofDetectionPiezo-ElectricBiosensors壓電生物傳感器Thechangeinfrequencyisproportionaltothemassofabsorbedmaterial.Somepiezo-electricdevicesutilizecrystals,suchasquartz,whichvibrateundertheinfluenceofanelectricfield.Thefrequencyofthisoscillationdependsontheirthicknessandcut.

Othersusegoldtodetectthespecificangleatwhichelectronwaves(surfaceplasmons)areemittedwhenthesubstanceisexposedtolaserlight.PrinciplesofDetectionElectrochemicalBiosensors電化學(xué)生物傳感器Amperometricforappliedcurrent:Movementofe-inredoxreactionsdetectedwhenapotentialisappliedbetweentwoelectrodes.Potentiometricforvoltage:Changeindistributionofchargeisdetectedusingion-selectiveelectrodes,suchaspH-meters.ConductimetricforimpedancePrinciplesofDetectionOpticalBiosensors光學(xué)生物傳感器Colorimetricforcolor:Measurechangeinlightadsorptionasreactantsareconvertedtoproducts.Photometricforlightintensity:Photonoutputforaluminescentorfluorescentprocesscanbedetectedwithphotomultipliertubesorphotodiodesystems.

PrinciplesofDetectionCalorimetricBiosensors熱生物傳感器Iftheenzymecatalyzedreactionisexothermic,twothermistorsmaybeusedtomeasurethedifferenceinresistancebetweenreactantandproductand,hence,theanalyteconcentration.

GiantMagnetoresistanceBiosensors巨磁阻生物傳感器巨磁阻(GMR)效應(yīng)：材料的電阻率隨著材料磁化狀態(tài)的變化而呈現(xiàn)顯著改變的現(xiàn)象（1988年法國巴黎大學(xué)物理系Fert教授，M．N．Baibich

）2007年諾貝爾物理學(xué)獎

PrinciplesofDetection2.2.3.檢測器Signalsfromthetransducerarepassedtoamicroprocessorwheretheyareamplifiedandanalyzed.Thedataisthenconvertedtoconcentrationunitsandtransferredtoadisplayor/anddatastoragedevice.2.2.4.生物放大生物放大作用:指模擬和利用生物體內(nèi)的某些生化反應(yīng)，通過對反應(yīng)過程中產(chǎn)量大、變化大或易檢測物質(zhì)的分析來間接確定反應(yīng)中產(chǎn)量小、變化小、不易檢測物質(zhì)的(變化)量的方法。通過生物放大原理可以大幅度提高分析測試的靈敏度。生物傳感器常用的生物放大作用:酶催化放大酶溶出放大酶級聯(lián)放大脂質(zhì)體技術(shù)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和離子通道放大等。2.3、生物傳感器的特點(diǎn)

(1)測定范圍廣泛。(2)專一性強(qiáng)，只對特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響。(3)生物傳感器使用時一般不需要樣品的預(yù)處理，樣品中的被測組分的分離和檢測同時完成，且測定時一般不需加入其它試劑。(4)采用固定化生物活性物質(zhì)作敏感基元（催化劑），價值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用。(5)測定過程簡單迅速。(6)準(zhǔn)確度和靈敏度高。一般相對誤差不超過1％。(7)由于它的體積小，可以實現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測，容易實現(xiàn)自動分析。(8)可進(jìn)入生物體內(nèi)。(9)傳感器連同測定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀器，便于推廣普及。2.4生物傳感器的分類

分類方式分類依據(jù)傳感器名稱傳感器輸出信號1、被測物與分子識別元件上敏感物質(zhì)具有生物親和作用。2、底物（被測物）與分子識別元件上的敏感物質(zhì)相作用并產(chǎn)生產(chǎn)物，信號換能器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘枴?、生物親和性傳感器2、代謝型或催化型傳感器分子識別元件上的敏感物質(zhì)1、酶與底物作用2、微生物代謝3、組織代謝4、細(xì)胞代謝5、抗原抗體反應(yīng)6、核酸雜交1、酶傳感器2、微生物傳感器3、組織傳感器4、細(xì)胞器傳感器5、免疫傳感器6、DNA生物傳感器7、核酸傳感器信號換能器1、電化學(xué)電極2、離子敏場效應(yīng)晶體管3、熱敏電阻4、壓電晶體5、光電器件6、聲學(xué)裝置1、電化學(xué)傳感器2、離子敏場效應(yīng)傳感器3、熱敏電阻傳感器4、壓電晶體傳感器5、光電傳感器6、聲學(xué)傳感器幾種主要的生物傳感器

1、酶傳感器(EnzymeSensor)

測定項目酶固定化方法使用電極穩(wěn)定性／天測定范圍（mg/ml）葡萄糖葡萄糖氧化酶共價氧電極1001～5×102膽固醇膽固醇酯酶共價鉑電極3010～5×103青霉素青霉素酶包埋PH電極7～1410～1×103尿素尿素酶交聯(lián)銨離子電極6010～1×103磷脂磷脂酶共價鉑電極30102～5×103乙醇乙醇氧化酶交聯(lián)氧電極12010～5×103尿酸尿酸酶交聯(lián)氧電極12010～1×103L一谷氨酸谷氨酸脫氨酶吸附銨離子電極210～1×104L一谷酰胺谷酰胺酶吸附銨離子電極210～1×104L一酪氨酸L一酪氨酸脫羧酶吸附二氧化碳電極2010～1×104優(yōu)點(diǎn)：酶易被分離，貯存較穩(wěn)定，所以目前被廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)：1.酶的特異性不高，如它不能區(qū)分結(jié)構(gòu)上稍有差異的梭曼與沙林。2.酶在測試的過程中因被消耗而需要不斷的更換。酶傳感器的特點(diǎn)：

2、組織傳感器(TissueSensor)

測定項目組織膜基礎(chǔ)電極穩(wěn)定性／天線性范圍谷氨酸木瓜CO272×10-4～1.3×10-2mol/L尿素夾克豆CO2943.4×10-5～1.5×10-3mol/LL一谷氨酰胺腎NH3301×10-4～1.1×10-2mol/L多巴胺香蕉O214

丙酮酸玉米芯CO278×10-5～3×10-3mol/L過氧化氫肝O2145×10-3～2.5×10-1U/mL3、微生物傳感器(MicroorganismSensor)測定項目微生物測定電極檢測范圍（mg/L）葡萄糖熒光假單胞菌O25～200乙醇蕓苔絲孢酵母O25～300亞硝酸鹽硝化菌O251～200維生素B12大腸桿菌O2

谷氨酸大腸桿菌CO28～800賴氨酸大腸桿菌CO210～100維生素B1發(fā)酵乳桿菌燃料電池0.01～10甲酸梭狀芽胞桿菌燃料電池1～300頭孢菌素費(fèi)式檸檬酸細(xì)菌pH

煙酸阿拉伯糖乳桿菌pH

4.生物芯片(Bio-chip)“生物芯片”，又稱生物集成膜片，其概念來自計算機(jī)芯片，它是分子生物學(xué)技術(shù)(如核酸序列測定技術(shù)、核酸探針技術(shù)等)與計算機(jī)技術(shù)等相結(jié)合而發(fā)展起來的一項分子生物學(xué)技術(shù)。狹義的生物芯片是將生物分子(寡聚核苷酸、cDNA、基因組DNA、多肽、抗原、抗體等)固定于硅片、玻璃片、塑料片、凝膠、尼龍膜等固相介質(zhì)上形成的生物分子點(diǎn)陣，待分析樣品中的生物分子與生物芯片的探針分子發(fā)生雜交或相互作用后，利用激光共聚焦顯微掃描儀對雜交信號進(jìn)行檢測和分析。廣義的生物芯片是指能對生物成分或生物分子進(jìn)行快速并行處理和分析的厘米見方的固體薄型器件，其主要種類有微陣列芯片、過濾分離芯片、介電電泳分離芯片、生化反應(yīng)芯片和毛細(xì)管電泳芯片等。生物活性物質(zhì)相當(dāng)微小，有的要以納米計，以點(diǎn)陣的方式排列在硅基上，很像計算機(jī)的芯片，所以科學(xué)家形象地將它取名為“生物芯片”。基因芯片(Genechip)又稱DNA芯片(DNAChip)

蛋白質(zhì)芯片（ProteinChip)

細(xì)胞芯片和組織芯片芯片實驗室(Lab-on-aChip)生物芯片種類生物芯片的優(yōu)點(diǎn)實現(xiàn)分析過程的高度自動化，大大提高分析速度。減少了樣品及化學(xué)藥品的用量。有極高的多樣品處理能力。防止污染，有效的排除了外界因素的干擾。

三、生物傳感器的商品開發(fā)生物傳感器商品化要具備的條件：足夠的敏感性和準(zhǔn)確性易操作價格便宜易于批量生產(chǎn)、生產(chǎn)過程中進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測。據(jù)2004年Fuji-Keizai公司報告，2003年全球生物傳感器的市場總值為73億美元，應(yīng)用領(lǐng)域包括在生命科學(xué)研究、疾病診斷、生物反應(yīng)過程監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、食品安全控制、檢疫、國防、航天等方面2007年：108億美元，增長率為10.4％2016年：144億2000萬美元2001年，全世界生物芯片市場已達(dá)170億美元，用生物芯片進(jìn)行藥理遺傳學(xué)和藥理基因組學(xué)研究所涉及的世界藥物市場每年約1800億美元；

2000-2004年的五年內(nèi)，在應(yīng)用生物芯片的市場銷售達(dá)到200億美元左右。2005年，僅美國用于基因組研究的芯片銷售額即達(dá)50億美元，2010年有可能上升為400億美元2004年3月，英國著名咨詢公司Frost＆Sulivan公司出版了關(guān)于全球芯片市場的分析報告《世界DNA芯片市場的戰(zhàn)略分析》。報告認(rèn)為，全球DNA生物芯片市場每年平均增長6.7%，2003年的市場總值是5.96億美元，2010年將達(dá)到937億美元。NanoMarkets調(diào)研公司預(yù)測，以納米器械作為解決方案的醫(yī)療技術(shù)將在2009年達(dá)到13億美元，并在2012年增加到250億美元，而其中以芯片實驗室最具發(fā)展?jié)摿Γ袌鲈鲩L率最快。Genesystems的GeneDiscCycler3.1.生物傳感器的應(yīng)用

3.2.我國生物傳感器產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀表1-1中國已產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用的主要生物傳感器種類生物傳感器種類研究、生產(chǎn)或研制單位開始完成時間年產(chǎn)值或市場規(guī)模分析手掌型血糖分析器上海工業(yè)微生物研究所(新立)，中國科學(xué)院武漢病毒所，長沙三諾公司，北京世安公司1996年至今估測，2003年銷售量為1億元人民幣(含進(jìn)口產(chǎn)品)胰島素泵北京鼎濤醫(yī)療器械公司珠海福尼亞醫(yī)療設(shè)備有限公司2002年2003年銷售量已達(dá)到1億元人民幣。(含國外廠商進(jìn)口產(chǎn)品)固定化酶生物傳感分析儀和系統(tǒng)山東省科學(xué)院生物研究所，山東省生物傳感器重點(diǎn)實驗室1989年至今共供應(yīng)各類固定化酶分析儀423臺套，年完成分析200萬次，產(chǎn)值120萬元人民幣BOD微生物傳感器中國科學(xué)院武漢病毒所、中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)所、清華大學(xué)環(huán)境系、河北科技大學(xué)、江蘇分析儀器廠等1990年至今小規(guī)模應(yīng)用SPR生物傳感器清華大學(xué)生物技術(shù)學(xué)院，中國科學(xué)院電子研究所1998年至今實驗室規(guī)模應(yīng)用與推廣3.3.商品化的生物傳感器第一大市場：糖尿病檢測，80億美元第二大市場：DNA芯片領(lǐng)域第三大市場：表面等離子體共振SPR生物傳感器85%的應(yīng)用是血糖測定儀，10%的應(yīng)用是DNA芯片，剩下5%的份額則是在其它各種領(lǐng)域3.3.1家用醫(yī)療保健類生物傳感器典型代表產(chǎn)品是手掌型血糖分析儀以及相關(guān)的胰島素泵，它們在改善糖尿病人的健康方面起到了非常重要的作用。20世紀(jì)七十年代，當(dāng)葡萄糖傳感器開始用于血糖的分析后，研究者目光已集中到糖尿病相關(guān)的血糖檢測技術(shù)上，并和胰島素給藥方式相聯(lián)系，提出研制閉環(huán)式人工胰島的設(shè)想。2007年全球所有糖尿病患者的總數(shù)量是2.446億,支出2320億$1987年,英國MediSense公司結(jié)合介體酶電極原理和絲網(wǎng)印刷技術(shù)開發(fā)出第一個手掌型和筆型血糖測定儀ExacTech1998年美國Johnson&Johnson公司所屬的公司開發(fā)出OneTouch手持式血糖測定儀(光學(xué)酶傳感法)目前,大約有30種手持式血糖測定儀,年銷售額近80億＄手掌型血糖分析器手掌型血糖分析器表1-4我國市場的血糖儀系列產(chǎn)品產(chǎn)品名生產(chǎn)或經(jīng)銷商羅氏血糖儀羅氏公司是以研究為導(dǎo)向的健康事業(yè)公司之一，2003年，羅氏成功購并世界第二大胰島素泵生產(chǎn)商，瑞士Disetronic公司，使在糖尿病監(jiān)控領(lǐng)域擁有世界領(lǐng)先技術(shù)的羅氏診斷部成為糖尿病綜合控制系統(tǒng)設(shè)備的最主要供應(yīng)商。美國雅培血糖儀1996年，雅培公司收購了MediSense后進(jìn)入了血糖儀監(jiān)護(hù)市場，而MediSensE公司是第一家將采用傳感器技術(shù)進(jìn)行血糖檢測并有產(chǎn)品進(jìn)入市場的公司。據(jù)雅培稱，目前全球每天有250萬人使用MediSense的血糖儀，同時雅培還推出了血酮測定儀日本京都血糖儀由北京麥邦生物工程技術(shù)公司經(jīng)銷的日本京都血糖儀和美國PALCO公司MB胰島素注射筆。公司成立于1996年，是專業(yè)經(jīng)營糖尿病產(chǎn)品和致力于糖尿病教育的股份合作制公司。公司經(jīng)過近7年的奮斗，現(xiàn)已發(fā)展成為擁有重慶、南京、成都等20多個辦事處和遍及全國的經(jīng)銷代理機(jī)構(gòu)的完整銷售網(wǎng)絡(luò)，年銷售額過千萬的糖尿病產(chǎn)品專營公司。理康血糖儀理康血糖儀由Johnson&Johnsoncompany生產(chǎn)，已有20年歷史。怡成血糖儀由北京世安醫(yī)療器械有限責(zé)任公司生產(chǎn)和經(jīng)營的怡成血糖儀是我國最早出現(xiàn)的國產(chǎn)血糖儀。產(chǎn)品榮獲國家技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的新產(chǎn)品證書。三諾血糖儀長沙三諾生物傳感技術(shù)有限公司獲得2003年科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金，位于湖南長沙留學(xué)人員創(chuàng)業(yè)園德國賽斯馬克血糖儀北京康聯(lián)醫(yī)用設(shè)備有限公司德國賽斯馬克血糖儀,血糖試紙。新立血糖儀上海新立工業(yè)微生物科技有限公司，由海外留學(xué)歸國人員組織生產(chǎn)“家用手持式血糖測試儀及測試條”，屬上海市高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化認(rèn)定項目。2001年4月試生產(chǎn)并投放市場銷售，2002年已實現(xiàn)銷售額數(shù)百萬元人民幣。血糖儀中科院武漢病毒所的血糖儀快速葡萄糖(glucose)分析儀生物傳感器應(yīng)用舉例胰島素泵胰島素泵又稱為持續(xù)胰島素輸注泵，是為模擬自身胰島素的生理性分泌，使血糖獲得理想的控制而設(shè)計的智能式輸注裝置有皮下型和植入型。目前這類廣泛應(yīng)用的胰島素泵還是開環(huán)式的，從嚴(yán)格的意義來說，它只是一種智能式的注射裝置，不是一種生物傳感器，但是它離不開血糖的分析.1993年6月國際衛(wèi)生協(xié)會發(fā)布了為期10年的糖尿病控制與并發(fā)癥試驗結(jié)果，該結(jié)果證明，在糖尿病的治療中，使用胰島素泵的治療效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的胰島素分次注射，其血糖更平穩(wěn)，并發(fā)癥減少60%~76%。2003年我國新增使用胰島素泵的患者達(dá)到1500人。加上2002年1000人，兩年來的總和，是2002年以前的銷量總和的兩倍。據(jù)此估測，在中國胰島素泵的銷售量已達(dá)到1億元人民幣。在我國已經(jīng)注冊登記的胰島素泵價格分別為16800~19800元公司品牌美敦力貝克迪鼎濤金丹納唐友醫(yī)學(xué)福尼亞科聯(lián)升華生產(chǎn)產(chǎn)地美國瑞士中國韓國韓國中國韓國市場價格39800520002870041200398601680022800重量(克)10010011060克89克6062防水功能防濺防濺防濺是是－防濺菜單顯示英文圖形中文中文中文/英文中文圖形高端保健類血糖分析儀高端不破皮血糖分析儀包括手表式血糖分析儀和用紅外傳感器原理的食指按壓式血糖分析儀美國Cygnus公司正在開發(fā)的手表式血糖監(jiān)測儀:用低電流無痛地將血糖抽取到自耗式經(jīng)皮透滲貼片(自動傳感器)。該自動傳感器內(nèi)置一個生物傳感器，安放在手表式血糖監(jiān)測儀的背面，緊貼在皮膚上。收集到的血糖在自動傳感器內(nèi)引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)， 產(chǎn)生電子。生物傳感器測量電子數(shù) 目，而ASLC芯片使電子發(fā)射值與血 液中的葡萄糖濃度值相等。手表式 血糖監(jiān)測儀可頻繁地間隔內(nèi)測量 血糖值日立公司—不破皮采血測定血糖的儀器。它的原理是利用長波１０５０－２４５０ｎｍ的ＮＩＲ照射穿透身體時，葡萄糖會吸收一部分光波，光譜分析儀再根據(jù)光波被吸收的程度計算出葡萄糖值。高精度血糖分析儀是采用固定化酶的生物傳感分析儀。其分析精度可以達(dá)到0.5-2%，比家用保健類生物傳感器幾乎高一個數(shù)量級，比目前醫(yī)用生化分析儀的精度也高2-3個百分點(diǎn)多種酶傳感器研究開發(fā)比較成熟，已形成商品，如美國YSI公司、德國BST公司的酶電極類儀器產(chǎn)品。國內(nèi)較廣泛應(yīng)用的山東省生物研究所的兩種半自動的生物傳感分析儀也有十多年的歷史，2003年還增加了一種新型的自動血糖-乳酸分析儀。3.3.2用于環(huán)境檢測的生物傳感器BOD傳感器和毒物傳感器1977年Karube等報道了能夠測定水質(zhì)的BOD微生物傳感器的研究成果，人類第一臺BOD微生物傳感器宣告問世德國研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀存在的問題：1.用于水質(zhì)分析的微生物菌膜難于按照商品化儀器習(xí)慣的配套的試劑盒來開發(fā)，而且一種菌膜不能同時測量多種類型污水；2.受溶解氧分析的傳感器的限制，作為水質(zhì)分析的BOD分析儀測量的最低限是10毫克/升，高于國際標(biāo)準(zhǔn)五類水質(zhì)的上限，因此它只能測定高濃度的有機(jī)廢水，而不能對江河、海洋的水質(zhì)的污染程度的進(jìn)行測定；3，含有活性微生物的BOD傳感器不能對同時含有重金屬類毒物的高濃度有機(jī)污水進(jìn)行測定，重金屬類毒物會造成微生物材料不可逆中毒,使測定結(jié)果降低甚至不能延續(xù)。3.3.3SPR生物傳感器藥物分析用生物傳感器其典型代表產(chǎn)品是SPR生物傳感器，這是一種表面膜共振分析，是實時測定生物分子結(jié)合的技術(shù)1990年瑞典Pharmacia公司開發(fā)基于SPR生物傳感原理的生物分子相互作用分析儀BIACore英國windsor公司-IBIS生物傳感儀中國科學(xué)院電子學(xué)研究所,清華大學(xué)生物技術(shù)學(xué)院原理:以抗原抗體結(jié)合分析為例,將抗原(或抗體)通過表面化學(xué)方法固定在芯片的金箔表面,然后讓抗體(或抗原)流過,抗原抗體的結(jié)合將改變膜表面液體性狀,從而影響金箔共振性質(zhì),這一改變可被實時檢測并記錄下來(這被稱之結(jié)合相)。如改讓緩沖液流過，結(jié)合的抗體(或抗原)將解離并被帶走,這同樣改變膜表面液體性狀,檢測并記錄下來的金箔共振性質(zhì)改變就是解離相。3.3.4固定化酶生物傳感分析儀特點(diǎn)：穩(wěn)定性好，分析精度高。分析成本最低。品種多，應(yīng)用范圍廣，適用于許多生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)過程監(jiān)控和科學(xué)研究。分析速度快，不到20秒可以獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，這在臨床急癥室、某些重癥病人的監(jiān)護(hù)等許多場合都很重要。固定化酶生物傳感器的年分析次數(shù)與酶膜的年使用量年份已供應(yīng)的酶膜數(shù)量(每個膜可使用1000次以上)每年實現(xiàn)的分析次數(shù)×1000次谷氨酸膜乳酸膜葡萄糖膜200159326311512932002592512195136120037294312891924生物傳感在線分析系統(tǒng)，為發(fā)酵自動控制提供了新的基礎(chǔ)平臺發(fā)酵罐主機(jī)計算機(jī)固定化酶生物傳感器最重要服務(wù)對象包括：臨床、食品分析、發(fā)酵工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、防衛(wèi)安全檢測等領(lǐng)域。例如在發(fā)酵工業(yè)的氨基酸工業(yè)(味精、天冬氨酸、丙氨酸、賴氨酸等)、抗生素工業(yè)(葡萄糖等的在線監(jiān)測和控制系統(tǒng))、酒類工業(yè)(酒精生物傳感器1min可得到結(jié)果)、酶制劑工業(yè)(糖化酶快速分析)、淀粉糖工業(yè)(葡萄糖、淀粉、糖化酶的分析)、生物細(xì)胞培養(yǎng)(葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺分析)、石化工業(yè)中微生物脫硫細(xì)胞培養(yǎng)監(jiān)控、維生素C的生產(chǎn)、發(fā)酵甘油的生產(chǎn)等工廠發(fā)酵車間化驗員正在分析樣品發(fā)酵工廠谷氨酸-葡萄糖分析一種血糖乳酸自動分析儀固定化酶生物傳感器在全國推廣應(yīng)用情況地區(qū)數(shù)量省市合計單位數(shù)地區(qū)數(shù)量省市合計單位數(shù)東北48黑龍江省108華中59河南省4413吉林省97湖北省126遼寧省2925湖南省32華北113北京市3427華南21廣東省1710天津市2311廣西44河北省2517西部26陜西省65山西省1411寧夏11八一隊1412新疆44內(nèi)蒙古32甘肅省54華東154山東省8243重慶市33上海市1514四川省33江蘇省1914貴州省42浙江省1210臺灣2臺灣21福建省55

安徽省93

江西省125

總計全國應(yīng)用數(shù)量423臺套應(yīng)用單位271個四、發(fā)展趨勢功能多樣化微型化智能化與集成化低成本、高靈敏度、高穩(wěn)定性和高壽命生物傳感器的最新進(jìn)展納米生物傳感器NanobiosensorWhatisnanobiosensor?ananobiosensorisabiosensorthatonthenano-scalesizeDr.MichaelStranoattheUniversityofIllinois,"Wehavedevelopedmolecularsheathsaroundthenanotubethatrespondtoaparticularchemicalandmodulatethenanotube'sopticalproperties.“Bestbiosensorwillbemade fromnanostructureThescaleofBioisaboutsmall (Nanoand/ormicro)Nano+Bio+SensorNano-scale(Nanoscience& nanotechnology)Bio(bio/medical/chemical)applicationsSensors生物世界的納米級構(gòu)造單元Thecompaniesandresearchersinnanotechnologytargetbreakingfundamentallimitsoftoday′sproventechnologies.NanotechnologyImpactinAdvancedTechnologiesNanotechnologyImpactonMarketsNanotechnologyandApplicationTimelineNanotechnologyandApplicationTimelineNanomechanicalbiosensorsMicrocantileverstranslatemolecularrecognitionofbiomoleculesintonanomechanicalmotionthatiscommonlycoupledtoanopticalorpiezoresistiveread-outdetectorsyst