《生物信息與仿生材料測試技術》 課件 -第5章 第三節(jié) 生物識別及其測試方法

第五章生物信息采集與生物識別測試方法生物信息測試技術第三節(jié)生物識別及其測試方法所謂生物識別有的時候也叫生物特征識別，有的時候也叫生物認證，這幾個詞都是一個含義。是指通過獲取和分析生物體或行為特征來實現(xiàn)生物特征自動鑒別。生物特征分為物理特征和行為特點兩類。物理特征包括：指紋、掌形、眼睛（視網(wǎng)膜和虹膜）、人體氣味、臉型、皮膚毛孔、手腕/手的血管紋理和DNA等；行為特點包括：簽名、語音、行走的步態(tài)、擊打鍵盤的力度等。三、生物識別及其測試方法（一）概述生物識別技術原理三、生物識別及其測試方法（一）概述1.生物識別技術的歷史追溯到古代埃及人通過測量人的尺寸來鑒別他們指紋識別可以追溯到古代的中國，而基于指紋的識別技術在美國和西歐也一直使用了一百多年。在指紋識別上的改進發(fā)生于20世紀60年代與70年代之間，一些公司開發(fā)出一種能自動識別指紋的儀器以用于法律的實施。20世紀40年代開始，以酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原、細胞、生物組織等生物活性材料作為敏感基元構成的分子識別系統(tǒng)，可實現(xiàn)對被測物選擇性識別，用于測量被測物的種類和含量等。生物特征分為物理特征和行為特點兩類。物理特征包括：指紋、掌形、眼睛（視網(wǎng)膜和虹膜）、人體氣味、臉型、皮膚毛孔、手腕/手的血管紋理和DNA等；行為特點包括：簽名、語音、行走的步態(tài)、擊打鍵盤的力度等。三、生物識別及其測試方法（一）概述2.物理特征識別（1）虹膜識別技術虹膜識別將可見特征轉化為512B的虹膜編碼在直徑為11mm左右的虹膜上，根據(jù)Dr.Daugman的算法，用3~4個字節(jié)的數(shù)據(jù)來代表每平方毫米的虹膜信息一個虹膜約有266個量化特征點虹膜識別原理虹膜考勤系統(tǒng)機場和港口海關生物特征清關系統(tǒng)虹膜識別技術的優(yōu)點：便于用戶使用，是最可靠的生物識別技術之一，無需物理的接觸；虹膜識別技術的缺點：沒有進行過任何的測試，很難將圖像獲取設備的尺寸小型化，需要昂貴的攝像頭聚焦，鏡頭可能產(chǎn)生圖像畸變而使可靠性降低，黑眼睛極難讀懂，需要較好光源。三、生物識別及其測試方法（一）概述2.物理特征識別（2）視網(wǎng)膜識別技術

視網(wǎng)膜識別技術要求激光照射眼球的背面以獲得視網(wǎng)膜特征。與虹膜識別技術相比的，視網(wǎng)膜掃描也許是最精確可靠的生物識別技術。視網(wǎng)膜識別技術的優(yōu)點是視網(wǎng)膜是一種極其固定的生物特征，使用者無需和設備直接接觸，是一個最難欺騙的系統(tǒng)；缺點是沒有進行過任何測試，激光照射眼球的背面可能會影響使用者健康，很難降低成本，視網(wǎng)膜對消費者沒有吸引力。視網(wǎng)膜識別技術原理視網(wǎng)膜掃描產(chǎn)品三、生物識別及其測試方法（一）概述2.物理特征識別（3）指紋識別技術

依靠唯一性和穩(wěn)定性，就可以把一個人同其指紋對應起來，通過將指紋和預先保存的指紋信息進行比較，就可以驗證其真實身份，這就是指紋識別技術?？傮w特征和局部特征：總體特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征?；炯y路圖案：包括環(huán)型(Loop)，弓型(Arch)和螺旋型(Whorl)。模式區(qū)（PatternArea)、核心點（CorePoint）局部特征是指指紋上節(jié)點的特征，兩枚指紋經(jīng)常會具有相同的總體特征，但它們的細節(jié)特征，卻不可能完全相同。節(jié)點（MinutiaPoints）指紋紋路并不是連續(xù)的、平滑筆直的，而是經(jīng)常出現(xiàn)中斷、分叉或轉折。這些斷點、分叉點和轉折點就稱為特征點。三角點(Delta)、紋數(shù)（RidgeCount）指紋特征圖三、生物識別及其測試方法（一）概述2.物理特征識別指紋局部特征類型端點（Ending）：紋線的最末端或者最始端分叉點（Bifurction）：紋路在此分開成為兩條或更多的紋路分歧點（RidgeDiergence）：兩條指紋紋線由平行轉向漸遠的轉折點孤立點（DotorIsland）：十分短的指紋紋線環(huán)點（Enclosure）：兩條指紋紋線在此處合并形成一個環(huán)短紋（ShortRidge）：比孤立點稍微長一點點的指紋紋線（3）指紋識別技術

三、生物識別及其測試方法（一）概述2.物理特征識別（3）指紋識別技術

優(yōu)點：指紋是人體獨一無二的特征，掃描指紋的速度很快，讀取指紋時，用戶必須將手指與指紋采集頭接觸，與指紋采集頭直接接觸是讀取人體生物特征最可靠的方法，指紋采集頭可以小型化，價格更低廉；缺點：某些人或某些群體的指紋特征少，難成像現(xiàn)在的指紋鑒別技術不存儲含有指紋圖像的數(shù)據(jù)，只存儲從指紋中得到的加密的指紋特征數(shù)據(jù)，使用指紋時會在指紋采集頭上留下用戶的指紋印痕，這些指紋印痕存在被用來復制指紋的可能性。指紋考勤系統(tǒng)電腦解鎖指紋門鎖三、生物識別及其測試方法（一）概述2.物理特征識別（4）面部識別技術面部識別技術通過對面部特征和它們之間的關系（眼睛、鼻子和嘴的位置以及它們之間的相對位置）來進行識別，用于撲捉面部圖像的兩項技術為標準視頻和熱成像技術：標準視頻技術通過視頻攝像頭攝取面部的圖像，熱成像技術通過分析由面部的毛細血管的血液產(chǎn)生的熱線來產(chǎn)生面部圖像，與視頻攝像頭不同，熱成像技術并不需要較好的光源，即使在黑暗情況下也可以使用。優(yōu)點：非接觸性。缺點：要比較高級的攝像頭才可有效高速地撲捉面部圖像；使用者面部的位置與周圍的光環(huán)境都可能影響系統(tǒng)的精確性，而且面部識別也是最容易被欺騙的；另外，對于因人體面部的如頭發(fā)、飾物、變老以及其他的變化可能需要通過人工智能技術來得到補償；對于采集圖像的設備會比其他技術昂貴得多。這些因素限制了面部識別技術的廣泛運用。面像識別原理三、生物識別及其測試方法（一）概述2.物理特征識別（5）掌紋識別技術

掌紋與指紋一樣也具有穩(wěn)定性和唯一性，利用掌紋的線特征、點特征、紋理特征、幾何特征等完全可以確定一個人的身份，因此掌紋識別是基于生物特征身份認證技術的重要內(nèi)容。目前采用的掌紋圖像主要分脫機掌紋和在線掌紋兩大類。脫機掌紋圖像，是指在手掌上涂上油墨，然后在一張白紙上按印，然后通過掃描儀進行掃描而得到數(shù)字化的圖像。在線掌紋則是用專用的掌紋采樣設備直接獲取，圖像質量相對比較穩(wěn)定。隨著網(wǎng)絡、通信技術的發(fā)展，在線身份認證將變得更加重要。掌紋識別一般用作整體分離后的同一認定。有將其用做批量商品的防偽，以防止成箱的商品內(nèi)有部分被“調(diào)包”，以部分贗品充真。也有將其用于通道口安全防范系統(tǒng)。三、生物識別及其測試方法（一）概述2.物理特征識別（6）手形識別技術

手形指的是手的外部輪廓所構成的幾何圖形。手形識別技術中，可利用的手形幾何信息包括手指不同部位的寬度、手掌寬度和厚度、手指的長度等。經(jīng)過生物學家大量實驗證明，人的手形在一段時期具有穩(wěn)定性，且兩個不同人手形是不同的，即手形作為人的生物特征具有唯一性，手形作為生物特征也具有穩(wěn)定性，且手形也比較容易采集，故可以利用手形對人的身份進行識別和認證。手勢動作特點：時間可變性，完成同一個手勢所用時間不一致；空間可變性，完成同一個手勢的空間差異性；完整可變性，缺少信息或出現(xiàn)重復信息。手形識別是速度最快的一種生物特征識別技術，它對設備的要求較低，圖像處理簡單，且可接受程度較高。由于手形特征不像指紋和掌紋特征那樣具有高度的唯一性，因此，手形特征只用于滿足中/低級安全要求的認證。靜態(tài)手勢識別（手形）動態(tài)手勢識別（手勢）三、生物識別及其測試方法（一）概述2.物理特征識別（6）手形識別技術

基于傳感器基于機器視覺基于WiFi路由器手形識別技術的應用三、生物識別及其測試方法（一）概述2.物理特征識別（7）紅外溫譜圖

人的身體各個部位都在向外散發(fā)熱量，而這種散發(fā)熱量的模式就是一種每人都不同的生物特征。通過紅外設備可以獲得反映身體各個部位的發(fā)熱強度的圖像，這種圖像稱為溫譜圖。拍攝溫譜圖的方法和拍攝普通照片的方法類似，因此，可以用人體的各個部位來進行鑒別，比如可對面部或手背靜脈結構進行鑒別來區(qū)分不同的身份。溫譜圖的數(shù)據(jù)采集方式?jīng)Q定了利用溫譜圖的方法可以用于隱蔽的身份鑒定。除了用來進行身份鑒別外，溫譜圖的另一個應用是吸毒檢測，因為人體服用某種毒品后，其溫譜圖會顯示特定的結構。

溫譜圖的方法具有可接受性，因為數(shù)據(jù)的獲取是非接觸式的，具有非侵犯性。但是，人體的溫譜值受外界環(huán)境影響很大，對于每個人來說不是完全固定的。目前，已經(jīng)有溫譜圖身份鑒別的產(chǎn)品，但是由于紅外測溫設備的昂貴價格，使得該技術不能得到廣泛的應用。三、生物識別及其測試方法（一）概述2.物理特征識別（8）人耳識別

人耳識別技術是20世紀90年代末開始興起的一種生物特征識別技術。人耳具有獨特的生理特征和觀測角度的優(yōu)勢，使人耳識別技術具有相當?shù)睦碚撗芯績r值和實際應用前景。從生理解剖學上，人的外耳分耳廓和外耳道。人耳識別的對象實際上是外耳裸露在外的耳廓，也就是人們習慣上所說的“耳朵”。一套完整的人耳自動識別一般包括以下幾個過程：人耳圖像采集、圖像的預處理、人耳圖像的邊緣檢測與分割、特征提取、人耳圖像的識別。目前的人耳識別技術是在特定的人耳圖像庫上實現(xiàn)的，一般通過攝像機或數(shù)碼相機采集一定數(shù)量的人耳圖像，建立人耳圖像庫，動態(tài)的人耳圖像檢測與獲取尚未實現(xiàn)。特點：①與人臉識別方法比較，人耳識別方法不受面部表情、化妝品和胡須變化的影響，同時保留了面部識別圖像采集方便的優(yōu)點，與人臉相比，整個人耳的顏色更加一致，圖像尺寸更小，數(shù)據(jù)處理量也更小。②與指紋識別方法比較，耳圖像的獲取是非接觸的，其信息獲取方式容易被人接受。③與虹膜識別方法比較，耳圖像采集更為方便。并且，虹膜采集裝置的成本要高于耳采集裝置。三、生物識別及其測試方法（一）概述2.物理特征識別（9）味紋識別

人的身體是一種味源，人類的氣味，雖然會受到飲食、情緒、環(huán)境、時間等因素的影響和干擾，其成分和含量會發(fā)生一定的變化，但作為由基因決定的那一部分氣味——味紋卻始終存在，而且終生不變，可以作為識別任何一個人的標記。由于氣味的性質相當穩(wěn)定，如果將其密封在試管里制成氣味檔案，足足可以保存3年，即使是在露天空氣中也能保存18小時?？茖W家告訴我們，人的味紋從手掌中可以輕易獲得。首先將手掌握過的物品，用一塊經(jīng)過特殊處理的棉布包裹住，放進一個密封的容器，然后通入氮氣，讓氣流慢慢地把氣味分子轉移到棉布上，這塊棉布就成了保持人類味紋的檔案?？梢岳糜柧氂兴氐木螂娮颖莵碜R別不同的氣味。三、生物識別及其測試方法（一）概述2.物理特征識別（10）基因（DNA）識別

DNA（脫氧核糖核酸）存在于一切有核的動（植）物中，生物的全部遺傳信息都貯存在DNA分子里。DNA識別是利用不同的人體細胞中具有不同的DNA分子結構。人體內(nèi)的DNA在整個人類范圍內(nèi)具有唯一性和永久性。因此，

除了對雙胞胎個體的鑒別可能失去它應有的功能外，

這種方法具有絕對的權威性和準確性。不象指紋必須從手指上提取，DNA模式在身體的每一個細胞和組織都一樣。這種方法的準確性優(yōu)于其他任何生物特征識別方法，

它廣泛應用于識別罪犯。它的主要問題是使用者的倫理問題和實際的可接受性，DNA模式識別必須在實驗室中進行，

不能達到實時以及抗干擾，

耗時長是另一個問題，這就限制了DNA識別技術的使用；另外，

某些特殊疾病可能改變?nèi)梭wDNA的結構，

系統(tǒng)無法對這類人群進行識別。三、生物識別及其測試方法（一）概述3.行為特征識別（1）步態(tài)識別

步態(tài)是指人們行走時的方式，這是一種復雜的行為特征。步態(tài)識別主要提取的特征是人體每個關節(jié)的運動。盡管步態(tài)不是每個人都不相同的，但是它也提供了充足的信息來識別人的身份。步態(tài)識別的輸入是一段行走的視頻圖像序列，因此其數(shù)據(jù)采集與臉相識別類似，具有非侵犯性和可接受性。但是，由于序列圖像的數(shù)據(jù)量較大，因此步態(tài)識別的計算復雜性比較高，處理起來也比較困難。盡管生物力學中對于步態(tài)進行了大量的研究工作，基于步態(tài)的身份鑒別的研究工作卻是剛剛開始。到目前為止，還沒有商業(yè)化的基于步態(tài)的身份鑒別系統(tǒng)。步態(tài)識別基本原理三、生物識別及其測試方法（一）概述3.行為特征識別（2）擊鍵識別技術

這是基于人擊鍵時的特性，如擊鍵的持續(xù)時間、擊不同鍵之間的時間、出錯的頻率以及力度大小等而達到進行身份識別的目的。20世紀80年代初期，美國國家科學基金和國家標準局研究證實，擊鍵方式是一種可以被識別的動態(tài)特征。三、生物識別及其測試方法（一）概述3.行為特征識別（3）簽名識別技術

簽名作為身份認證的手段已經(jīng)用了幾百年了，而且我們都很熟悉在銀行的格式表單中簽名作為我們身份的標志。將簽名數(shù)字化是這樣一個過程：測量圖像本身以及整個簽名的動作在每個字母以及字母之間的不同的速度、順序和壓力。簽名識別易被大眾接受，是一種公認的身份識別技術。但事實表明人們的簽名在不同的時期和不同的精神狀態(tài)下是不一樣的，這就降低了簽名識別系統(tǒng)的可靠性。簽名識別技術原理三、生物識別及其測試方法（一）概述4.兼具生理特征和行為特征的聲紋識別聲音識別本質上是一個模式識別問題。識別時需要被識別人講一句或幾句試驗短句，對它們進行某些測量，然后計算量度矢量與存儲的參考矢量之間的一個(或多個)距離函數(shù)。語音信號獲取方便，并且可以通過電話進行鑒別。語音識別系統(tǒng)對人們在感冒時變得嘶啞的聲音比較敏感；另外，同一個人的磁帶錄音也能欺騙語音識別系統(tǒng)。聲音識別技術原理三、生物識別及其測試方法（二）生物分子傳感器1.概述生物分子傳感器（biosensor）是指由生物活性材料（酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原、細胞、生物組織等）作為敏感基元構成分子識別系統(tǒng)，對被測物進行選擇性識別，通過各種化學或物理轉換器捕捉目標物與敏感基元之間的作用，并將作用程度用離散或連續(xù)喜好表達出來，從而得出被測物的種類和含量的裝置。簡言之，生物分子傳感器是一種利用生物活性物質選擇性地識別和測定各種生物化學物質的傳感器。三、生物識別及其測試方法（二）生物分子傳感器2.基本結構與工作原理（1）基本結構

生物傳感器通常將生物物質固定在高分子膜等固體載體上，被識別的生物分子作用于生物功能性人工膜（生物傳感器）時，將會產(chǎn)生變化的信號（電位、熱、光等）輸出。然后，采用電化學反應測量、熱測量、光測量等方法測量輸出信號。生物傳感器的基本結構三、生物識別及其測試方法（二）生物分子傳感器2.基本結構與工作原理（2）工作原理及類型

1）將化學變化轉變成電信號：以酶傳感器為例，酶能催化特定物質發(fā)生反應，從而使特定物質的量有所增減。用能把這類物質的量的改變轉換為電信號的裝置和固定化的酶相結合，即組成酶傳感器。常用的這類信號轉換裝置有酶nrk型氧電極、過氧化氫電極、氫離子電極、其他離子電極、氨氣酶電極、CO氣敏電極、離子敏場效應晶體管等。除酶以外，用固定化細胞，特別是微生物細胞、固定化細胞器，同樣可以組成相應的傳感器，其工作原理于酶相似。2）將熱變化轉換為電信號：當固定化的生物材料與相應的被測物作用時，常伴有熱的變化，即產(chǎn)生熱效應。然后，利用熱敏元件，如熱敏電阻，轉換為電阻等物理量的變化。將化學變化轉換成電信號的生物傳感器熱效應生物傳感器三、生物識別及其測試方法（二）生物分子傳感器2.基本結構與工作原理3）將光效應轉換為電信號：有些生物質，如過氧化氫酶，能催化過氧化氫/魯米諾體系發(fā)光，因此，如能將過氧化氫酶膜附著在光纖或光鍍二極管等光敏元件的前端，再用光電流檢測裝置，即可測定過氧化氫的含量。許多酶的反應都伴有過氧化氫的產(chǎn)生，如葡萄糖氧化酶（GOD）在催化葡萄糖氧化時也產(chǎn)生過氧化氫。因此，把GOD和過氧化氫酶儀器做成復合膜，則可利用上述方法測定葡萄糖。4）直接產(chǎn)生電信號：上述三種原理的生物傳感器，都是將分子識別元件中的生物敏感物質與待測物發(fā)生化學反應，所產(chǎn)生的化學或物理變化量通過信號轉換器變?yōu)殡娦盘栠M行測量的。這些方式成為間接測量方式。另有一種方式可使酶反應伴隨有電子轉移、微生細胞的氧化直接或通過電子傳送體作用在電極表面上直接產(chǎn)生電信號，因此成為直接測量方式。（2）工作原理及類型

三、生物識別及其測試方法（二）生物分子傳感器2.基本結構與工作原理生物傳感器類別（2）工作原理及類型

三、生物識別及其測試方法（二）生物分子傳感器2.基本結構與工作原理（3）酶傳感器及其應用

1）酶傳感器結構和工作原理，酶傳感器主要由固定化的曲膜與電化學電極系統(tǒng)復合而成，它既有酶的分子識別功能和選樣催化功能，又具有電化學電極響應快、操作簡便密接型酶傳感器分離型酶傳感器酶傳感器的結構在傳感器的化學電極的敏感面上組裝固定化酶膜，當酶膜接觸待測物質時，該膜對待測物質的基質（酶可以與之產(chǎn)生催化反應的物質）做出響應，催化它的固有反應，結果是與此反應的有關物質明顯增加或減少，該變化再轉換為電極中的電流或電位的變化。此種裝置為密接型酶傳感器。對于分離型酶傳感器，也成為汲流偶聯(lián)型酶傳感器，它是將固定化酶填充在反應柱內(nèi)，待測物質流經(jīng)反應柱時，發(fā)生酶催化反應，隨后產(chǎn)物再流經(jīng)電極表面，引起響應。一般在酶膜外再加一層尼龍布或半透膜的保護層，以防止酶的流失。三、生物識別及其測試方法（二）生物分子傳感器2.基本結構與工作原理2）酶傳感器分類（3）酶傳感器及其應用

電位型酶傳感器：該種傳感器輸出的是電位信號，該信號與待測物的濃度之間遵守能斯特關系。所使用的信號轉換器有離子型和氧化還原型電極。電位型酶傳感器的響應時間、檢測下限等性能俊宇基礎電極的性能密切相關。電位型酶傳感器隨著使用時間的增加，其檢測范圍變窄，斜率降低，響應時間增長。因此，使用到指標規(guī)定的時間就必須更換新的傳感器。電流型酶傳感器：該種傳感器輸出的是電流信號，其結構與電位型酶傳感器相似，也是由固定化酶膜和基礎電極組合而成。電流型酶電極傳感器將酶催化反應產(chǎn)生的物質發(fā)生電極反應所產(chǎn)生的電流響應作為測量信號，在一定條件下，利用測得的電流信號與被測物活度或濃度的函數(shù)關系，來測定樣品中某一生物組分的活度或濃度。三、生物識別及其測試方法（二）生物分子傳感器2.基本結構與工作原理常見酶傳感器（3）酶傳感器及其應用

三、生物識別及其測試方法（二）生物分子傳感器2.基本結構與工作原理3）酶傳感器應用實例農(nóng)藥殘留檢測儀電流型有機磷農(nóng)藥殘留傳感器：利用酶抑制原理和光電比色法原理研制而成。正常情況下，沒催化神經(jīng)傳導代謝產(chǎn)物水解，其水解產(chǎn)物顯色劑反應，產(chǎn)生黃色物質，利用儀器測定吸光度隨時間的變化值，計算出抑制率，筒抑制率判斷出農(nóng)產(chǎn)品樣品中是否含有有機磷農(nóng)藥（3）酶傳感器及其應用

三、生物識別及其測試方法（二）生物分子傳感器2.基本結構與工作原理（4）微生物傳感器及其應用1）微生物傳感器工作原理，典型的微生物傳感器即微生物電極，是酶電極的衍生型電極，其結構和工作原理與酶電極類似。其獨到之處是克服酶價格昂貴、提取困難及不穩(wěn)定等弱電。對于復雜反應，還可同時利用微生物體內(nèi)的輔酶。此外，微生物電極尤其適合于發(fā)酵過程的測定。因此，在發(fā)酵過程中長存在對酶的干擾物質，應用微生物電極則有可能排除這些干擾。微生物電極是以活的微生物作為分子識別元件的敏感材料，其工作原理大致可分為以下類型：①利用微生物體內(nèi)含有的酶（單一酶或復合酶）來識別分子②利用微生物對有機物的同化作用。③有些對有機物有同化作用的微生物是厭氧性的，它們同化有機物后可生成種電極敏感的代謝物測定不同的物質，選擇不同的微生物，各種微生物的性質和響應機理也各不相同。三、生物識別及其測試方法（二）生物分子傳感器2.基本結構與工作原理（4）微生物傳感器及其應用2）微生物傳感器結構與分類，微生物傳感器主要由固定化微生物胺和轉換期間兩部分組成。轉換器可采用電化學電極、場效應晶體管等，但習慣上稱前者為微生物M傳感器，后者為微生物FET或微生物電子傳感器。常用的電化學電極有PH玻璃電極，氧電極、氨氣敏電極、CO2氣敏電極等。微生物電極結構示意圖微生物傳感器可根據(jù)輸出信號性質和工作原理進行分類，前者分為電流型和電壓型微生物傳感器兩類，后者分為測定呼吸活性型微生物傳感器和測定代謝物質型微生物傳感器。測定呼吸型微生物傳感器測定代謝物質型微生物傳感器三、生物識別及其測試方法（二）生物分子傳感器2.基本結構與工作原理（4）微生物傳感器及其應用3）微生物傳感器應用實例，微生物傳感器是僅次于酶傳感器的實用化生物傳感器，已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護及醫(yī)療檢測領域。利用微生物傳感器可用于測定葡萄糖、甲烷、抗生素等。甲烷微生物傳感器：甲烷微生物傳感器系統(tǒng)示意圖三、生物識別及其測試方法（二）生物分子傳感器2.基本結構與工作原理（4）微生物傳感器及其應用3）微生物傳感器應用實例:BOD微生物傳感器：BOD（生化需氧量Biochemicaloxygendemand）的測定是監(jiān)測水體被有機物污染狀況的最常用指標。常規(guī)的BOD測定法操作復雜、重復性差、耗時耗力、干擾性大，不宜現(xiàn)場監(jiān)測。原理：將傳感器放在緩沖液中，微生物處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)，當氧的擴散作用與內(nèi)源呼吸的耗氧量達到平衡時，傳感器輸出恒定的電流。將傳感器放在待測樣品中，微生物由內(nèi)源呼吸變?yōu)橥庠春粑?，耗氧量增大，擴散到氧電極的氧降低，輸出電流降低，電流的下降值與有機物的濃度呈一定的線性關系。結構示意圖電流響應三、生物識別及其測試方法（二）生物分子傳感器2.基本結構與工作原理（5）免疫傳感器及其應用1）免疫傳感器結構和工作原理，免疫傳感器是由分子識別元件和電化學電極組合而成?？贵w或抗原具有識別和結合相應的抗原或抗體的特性。在均相免疫測定中，作為分子識別元件的抗原或抗體分子不固定在圓桶載體上，而非均相免疫測定中則將抗體或抗原分子固定到一定的載體上使之變成半固態(tài)或固態(tài)。固定的方法可以是物理的也可以是化學的。免疫傳感器的原理結構圖三、生物識別及其測試方法（二）生物分子傳感器2.基本結構與工作原理（5）免疫傳感器及其應用2）免疫傳感器分類，免疫傳感器以免疫反應為基礎，按照分子識別系統(tǒng)的免疫物質是否進行標記，分為標記型免疫傳感器和非標記型免疫傳感器。標記性免疫傳感器也稱間接型免疫傳感器，非標記型免疫傳感器也稱直接型免疫傳感器。根據(jù)使用的置換能進行分類有：電化學免疫傳感器、光學免疫傳感器、壓電免疫傳感器和SPD(表面等離子體共振)免疫傳感器。免疫傳感器組成三、生物識別及其測試方法（二）生物分子傳感器2.基本結構與工作原理（5）免疫傳感器及其應用3）免疫傳感器應用實例聲波免疫傳感器：檢測人ＩgG、食品中存在的抗原和人血清蛋白壓電免疫傳感器：氣相中的檢測光纖免疫傳感器：茶葉堿濃度檢測電位型免疫傳感器：測定人絨毛膜促性腺激素(HCG)、甲胎蛋白（AFP）電流型免疫傳感器：黃曲霉毒素、三聚氰胺、青霉素檢測，食品中常見的致病菌還有金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、致病性鏈球菌、志賀菌等檢測。三、生物識別及其測試方法（三）組織和細胞傳感器1.組織傳感器生物組織傳感器是以動植物組織切片作為分子識別元件與相應的信號元件組合構成的生物傳感器。它是利用動植物組織中的酶作為反映的催化劑，其工作原理與結構也與酶電極類似。生物組織傳感器多是用動植物薄片材料制成的敏感膜和傳感元件。其傳感元件多用氣敏電極。組織傳感器又分為植物組織傳感器和動物組織傳感器。（1）工作原理生物組織傳感器是以動植物組織切片作為分子識別元件與相應的信號元件組合構成的生物傳感器。它利用動植物組織中的酶作為反應的催化劑，其工作原理與結構也與酶電極類似。三、生物識別及其測試方法（三）組織和細胞傳感器1.組織傳感器（2）特點生物組織電極與酶電極相比有如下特點：1）酶活性高。這是因為天然動植物組織種除酶分子外，還存在輔酶及酶促反應的其他必要成分，酶促反應處于最佳環(huán)境中，能保存與誘導酶的催化活性。2）酶的穩(wěn)定性增強。由于酶處在適宜的自然環(huán)境中，同時又被“固定化”了，酶不易流失，可反復適用，壽命較長。3）所用生物材料易于獲取?？纱姘嘿F的酶試劑。4）識別元件制作漸變。一般不需要進行固定化。但目前組織電極的選擇性、靈敏度、響應時間、壽命等還不夠理想。常見的組織電極及其特性生物組織傳感器雖然在若干情況下可取代酶傳感器，但在實際應用中還有一些問題，如選擇性差，動植物擦聊不易保存等。三、生物識別及其測試方法（三）組織和細胞傳感器1.組織傳感器（3）分類按組織的來源可分為：植物組織傳感、動物組織傳感器。按技術手段可分為：氣敏電極、組織/酶公用電極、以二價鐵為中間介質的組織傳感器、化學發(fā)光生物傳感器等。（4）組織傳感器的應用

1）過氧化氫含量檢測2）二胺的測定三、生物識別及其測試方法（三）組織和細胞傳感器2.細胞傳感器和組織電極一樣，也是一種多酶系統(tǒng)，也可認為是一種酶傳感器的衍生型。如利用人體內(nèi)的紅細胞過氧化氫酶的催化活性測定H2O2的傳感器就是一種細胞器傳感器。（1）工作原理

工作原理：采用動植物活細胞作為生物傳感器的分子識別原件，結合傳感器和理化換能器，能夠產(chǎn)生間斷的或連續(xù)的數(shù)字電信號。此類傳感器和組織電極一樣，也是一種多酶系統(tǒng)，是酶傳感器的衍生型。工作原理三、生物識別及其測試方法（三）組織和細胞傳感器2.細胞傳感器（2）特點細胞器是由膜構成的要細胞結構，其包括線粒體、微粒體、溶酶體、高爾基復合體等。是功能高度化的分子集合體，也是進行一系列代謝活動的場所。不同的細胞器內(nèi)含有一些獨特的酶，往往是多酶系統(tǒng)。故可用來測定單一酶傳感器不能測定的物質。酶在其中處于穩(wěn)定存在狀態(tài)，故其性能穩(wěn)定。但與組織傳感器相比，細胞傳感器需要復雜的制備提取和固化過程，這是其不足之處。三、生物識別及其測試方法（三）組織和細胞傳感器2.細胞傳感器（3）分類

1）檢測細胞內(nèi)外環(huán)境的細胞傳感器，內(nèi)環(huán)境：細胞內(nèi)自由離子濃度。如氯離子、鈉離子等。外環(huán)境：細胞內(nèi)生理狀態(tài)的改變會因其細胞外代謝物的相應變化。測量代謝后的培養(yǎng)基可間接檢測細胞變化。2）檢測細胞特殊行為的細胞傳感器，某些細胞具有特殊性質，對外界刺激有特殊響應。特殊性質如對外界重金屬離子濃度、PH值敏感等。如某些細菌對特定重金屬敏感，從而發(fā)出熒光，可用于環(huán)境污染檢測。具有特異性好、檢測精度高的有點。但對作為傳感器的細胞要求較高。3）檢測細胞電生理行為的細胞傳感器，面對外界刺激（光、電、藥等），可興奮細胞（肌肉細胞、神經(jīng)細胞等）會產(chǎn)生動作電位。4）檢測細胞力學行為的細胞傳感器，許多效應因子可以改變活細胞的性能或特性，例如一些細胞對荷爾蒙刺激會產(chǎn)生移動，某些種類細胞的病毒感染將會引起細胞大小的變化。三、生物識別及其測試方法（三）組織和細胞傳感器2.細胞傳感器（4）細胞傳感器的應用

線粒體傳感器：利用線粒體的電子傳遞體系制成的傳感器有輔酶Ⅰ（NADH）傳感器，它由固定有電子傳遞離子（ETP）的凝膠膜附著在氧電極的透氣膜上構成。測定原理是NADH被氧化時，ETP將電子傳遞給氧，氧被還原生成水。反應式如下：

通過測定氧的消耗即可測定NADH。微粒體傳感器：肝微粒體含有多種酶，這些酶在肝臟的藥物代謝中起主要作用。酶群中有一種亞硫酸氧化酶，可將亞硫酸根氧化成硫酸根，但這種酶的分離、純化比較困難?？捎酶挝⒘ｓw組成測定亞硫酸離子的微粒體傳感器，此傳感器由多孔聚四氟乙烯膜、固定化微粒和氧電極構成。由于多孔聚四氟乙烯膜只能透過揮發(fā)性的酸和氣體，故傳感器對亞硫酸離子有很好的選擇性。三、生物識別及其測試方法（四）生物（微陣列）芯片1.概念生物芯片（biochip）是指采用光導原位合成或微量點樣等方法，將大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子、甚至組織切片、細胞等等生物樣品有序地固化于支持物的表面，組成密集二維分子排列，然后與已標記的待測生物樣品中靶分子雜交，通過特定的儀器對雜交信號的強度進行快速、并行、高效地檢測分析，從而判斷樣品中靶分子的數(shù)量。由于常用硅片作為固相支持物，且在制備過程模擬計算機芯片的制備技術，所以稱之為生物芯片技術。生物芯片技術與傳統(tǒng)的儀器檢測方法相比具有高通量、微型化、自動化、成本低、防污染等特點。三、生物識別及其測試方法（四）生物（微陣列）芯片2.生物（微陣列）芯片的分類根據(jù)組件不同，生物（微陣列）芯片包括三種基本微陣列：基因芯片、蛋白質芯片和組織芯片。（1）基因芯片（DNA芯片）綜合利用光導化學合成、微電子光刻技術以及固相表面化學合成等技術，在基底表面合成成寡核苷酸探針陣列，或將液相合成的探針由微陣列器或機器人點樣于基底(玻片、尼龍膜或硅片)上，與放射性同位素或熒光物標記的DNA或cDNA雜交，用于分析DNA突變及多態(tài)性、DNA測序、監(jiān)測同一組織細胞在不同狀態(tài)下或同一狀態(tài)下多種組織細胞基因表達水平的差異、發(fā)現(xiàn)新的致病基因或疾病相關基因等多個研究領域。DNA芯片可分為cDNA芯片和寡核苷酸芯片。cDNA芯片解決了傳統(tǒng)核酸印跡雜交（SouthernBlotting和NorthernBlotting等）技術復雜、自動化程度低、檢測目的分子數(shù)量少、效率低(lowthrough-put)等缺陷；寡核苷酸芯片與cDNA芯片類似，主要通過堿基互補配對原則進行雜交，來檢測對應片段是否存在、存在量的多少。與cDNA芯片的差別在于寡聚核苷酸芯片固定的探針為特定的DNA寡聚核苷酸片段（探針）。三、生物識別及其測試方法（四）生物（微陣列）芯片2.生物（微陣列）芯片的分類DNA芯片優(yōu)點包括：①可以通過原位合成法制備，應用廣泛；②探針長度小，減少二級結構形成；③減少非特異雜交，能有效區(qū)分有同源序列的基因；④無需擴增，防止擴增失敗影響實驗；⑤雜交溫度均一，提高雜交效率。DNA芯片缺點：當寡核苷酸序列較短時，單一的序列不足以代表整個基因，需要用多段序列。三、生物識別及其測試方法（四）生物（微陣列）芯片2.生物（微陣列）芯片的分類DNA芯片的制備包括直接點樣法、原位合成法、生物素-親和素電定位捕獲法和選擇性沉淀法4種方法。其中：直接點樣法：是將制備好的DNA(cDNA)片段直接點在芯片上；原位合成法：最具代表的是原位光刻合成法，通過利用分子生物學、微電子光刻技術及計算機圖形技術等直接在基片上合成所需的DNA探針。原位合成法還包括原位噴印合成和分子印章在片合成法；生物素-親和素電定位捕獲法：將生物素標記的探針在電場的作用下快速地固定在含有親和素的瓊脂糖凝膠膜上（生物素與鏈霉素親和素的強親合力，使得探針的固定更加容易和牢固）。在電場的作用下，靶基因快速地在雜交部位積聚，大大縮短了雜交時間，提高了雜交的效率。改變電場電極的方向可以除去未雜交或低效率雜交的靶基因；選擇性沉淀法：用金屬納米粒標記探針來制備微陣列，靶基因在芯片上與探針雜交后發(fā)生選擇性沉淀。檢測沉淀物的電化學值等來獲取相應的生物信息。三、生物識別及其測試方法（四）生物（微陣列）芯片2.生物（微陣列）芯片的分類（2）蛋白質芯片蛋白質芯片是將大量蛋白質分子按預先設置的排列固定于基底表面形成微陣列，根據(jù)蛋白質分子間特異性結合的原理，構建微流體生物化學分析系統(tǒng)，以實現(xiàn)對蛋白質等生物分子的準確、快速的大信息量的檢測。蛋白芯片的反應原理蛋白質芯片的主要特點是高通量、高靈敏度、重復性較好、操作自動化。按蛋白質性質分類可分為無活性芯片和有活性芯片，其中無活性芯片是將已經(jīng)合成好的蛋白質以高密度陣列點樣再芯片上，進行雜交反應；有活性芯片是把生物體直接點在芯片上，并原位表達蛋白質。按形式可以分為玻璃載玻片芯片（在玻璃表面構建）、3-D膠芯片（在多孔凝膠墊上構建）、微孔芯片（在微孔板上構建）。三、生物識別及其測試方法（四）生物（微陣列）芯片2.生物（微陣列）芯片的分類不同種類的蛋白質芯片的特點（2）蛋白質芯片三、生物識別及其測試方法（四）生物（微陣列）芯片2.生物（微陣