生物傳感器的簡單介紹

關(guān)于生物傳感器的簡單介紹第一節(jié)概述傳感器是一種信息獲取與處理的裝置，受啟發(fā)于生物體的感覺系統(tǒng)，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(xì)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(jīng)歷三個發(fā)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(zhì)膜（透析膜或反應(yīng)膜）和電化學(xué)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(jié)合到轉(zhuǎn)換器的表面，無需非活性基質(zhì)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(zhì)的變化，從而把生物識別和信號的轉(zhuǎn)換處理結(jié)合在一起。第2頁,共28頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)生物敏感材料生物傳感器由生物敏感元件和信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器、生物材料的固定化技術(shù)有很大關(guān)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(xì)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，2024年2月25日，星期天第4頁,共28頁，2024年2月25日，星期天酶作為敏感元件固定化酶膜產(chǎn)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(zhì)電流、電位信號測定第5頁,共28頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)信號轉(zhuǎn)換器這里以電化學(xué)信號轉(zhuǎn)換器為例，進(jìn)行簡單介紹原理：化學(xué)反應(yīng)與電荷變化密切相關(guān)，將待測物質(zhì)以適當(dāng)形式置于點化學(xué)反應(yīng)池，測量其電化學(xué)性質(zhì)（如電位、電流、電容等）變化可實現(xiàn)物質(zhì)含量的測定。幾個電化學(xué)概念（1）固體電極的相間電位：金屬電極與電解質(zhì)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(kuò)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(cè)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，2024年2月25日，星期天基本電化學(xué)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(jīng)常用來測量H+、NH3、CO2的濃度第7頁,共28頁，2024年2月25日，星期天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(fā)生氧化還原反應(yīng)，電路中通過電流時電極發(fā)生極化現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化為電位測量。采用三電極測量體系函數(shù)發(fā)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(zhì)濃度第8頁,共28頁，2024年2月25日，星期天電化學(xué)信號轉(zhuǎn)換器的特點與應(yīng)用電化學(xué)測量技術(shù)是一種成熟的技術(shù)，具有性能穩(wěn)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(yīng)用。也廣泛應(yīng)用于細(xì)胞膜功能與結(jié)構(gòu)、腦神經(jīng)系統(tǒng)等研究領(lǐng)域。其制作加工技術(shù)在此不做敘述第9頁,共28頁，2024年2月25日，星期天其它類型信號轉(zhuǎn)換器1)離子敏場效應(yīng)晶體管型信號轉(zhuǎn)換器（FET）2)熱敏電阻型信號轉(zhuǎn)換器3)壓電晶體型信號轉(zhuǎn)換器4)光纖光學(xué)型信號轉(zhuǎn)換器5)表面等離子體共振型信號轉(zhuǎn)換器（SPR）

有興趣了解這些知識的同學(xué)可以自行查閱有關(guān)資料第10頁,共28頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)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(zhuǎn)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(xué)光纖-DNA傳感器為例做一個簡單介紹第11頁,共28頁，2024年2月25日，星期天4.1基因（DNA）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，使人們從分子水平上了解生物奧秘成為現(xiàn)實。具有一定互補(bǔ)序列的核苷酸單鏈在液相或固相中按照堿基互補(bǔ)配對原則合成異質(zhì)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(jìn)行基因診斷第12頁,共28頁，2024年2月25日，星期天第13頁,共28頁，2024年2月25日，星期天4.2

光學(xué)光纖-DNA傳感器光纖DNA傳感器的構(gòu)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(xué)反應(yīng)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(xué)試劑或升溫使已雜交的DNA分子解旋，恢復(fù)單鏈，重新使用DNA探針標(biāo)記物生化反應(yīng)光纖探頭檢測特征光學(xué)信號由光檢測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換分析信號測定雜交分子的量第14頁,共28頁，2024年2月25日，星期天4.2.1消失波型光纖DNA傳感器消失波：當(dāng)一束光線以適當(dāng)角度進(jìn)入光纖時，它會以全反射方式在光纖中傳播，產(chǎn)生一種橫貫光纖的波，，通過光纖與其他介質(zhì)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(zhì)，在光纖表面加上敏感膜（ssDNA探針），當(dāng)消失波穿過膜時，會產(chǎn)生光信號，或者導(dǎo)致光線強(qiáng)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，2024年2月25日，星期天消失波型光纖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(jī)處理敏感膜第16頁,共28頁，2024年2月25日，星期天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(jìn)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(fā)產(chǎn)生熒光進(jìn)行分析。敏感膜（DNA探針）固定在光纖頭光纖第17頁,共28頁，2024年2月25日，星期天其他光學(xué)型DNA傳感器1）近紅外熒光型2）化學(xué)發(fā)光型3）拉曼光譜型（涉及化學(xué)分析的知識）4）共振鏡型

有興趣了解這些知識的同學(xué)可以自行查閱有關(guān)資料第18頁,共28頁，2024年2月25日，星期天兩種光學(xué)型DNA傳感器的比較以一個表格，進(jìn)行粗略比較第19頁,共28頁，2024年2月25日，星期天4.3傳感器的應(yīng)用&醫(yī)療、醫(yī)藥、生物工程、環(huán)境保護(hù)、食品、農(nóng)業(yè)、畜牧等與生命科學(xué)關(guān)系密切的一些領(lǐng)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(xué)成分，為醫(yī)生的診斷提供依據(jù)；生物工程產(chǎn)業(yè)中用生物傳感器監(jiān)測生物反應(yīng)器內(nèi)各種物理、化學(xué)、生物的參數(shù)變化以便加以控制；環(huán)境監(jiān)測中用生物傳感器監(jiān)測大氣和水中各種污染物質(zhì)含量，食品行業(yè)中用生物傳感器檢測食品中營養(yǎng)成分和有害成分的含量、食品的新鮮程度等。&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。第20頁,共28頁，2024年2月25日，星期天第21頁,共28頁，2024年2月25日，星期天生物傳感器應(yīng)用----

生物芯片（智能機(jī)器人）第22頁,共28頁，2024年2月25日，星期天關(guān)于傳感器的后續(xù)話題

——納米生物在血管中運(yùn)動的納米機(jī)器人，它正在使用納米切割機(jī)和真空吸塵器來清除血管中的沉積物第23頁,共28頁，2024年2月25日，星期天該“醫(yī)生”長得像一顆膠囊，

把它吞進(jìn)肚里，

消化道內(nèi)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，2024年2月25日，星期天納米組織工程材料制備納米晶羥基磷灰石或膠原復(fù)合的生物硬組織修復(fù)材料，復(fù)合材料具有納米級別的天然骨分級結(jié)構(gòu)和天然骨的多孔結(jié)構(gòu)第25頁,共28頁，2024年2月25日，