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生物传感器的简单介绍第1页，本讲稿共27页第一节 概述传感器是一种信息获取与处理的装置，受启发于生物体的感觉系统，是人类感官功能的延伸。生物传感器是一种特殊的传感器，它是以生物活性单元（如酶、抗体、核酸、细胞等）作为生物敏感元件，对被测物具有高度选择性的检测器。到目前为止，生物传感器大致经历三个发展阶段：第一代生物传感器是有固定了生物成分的非活性基质膜（透析膜或反应膜）和电化学电极所组成；第二代生物传感器是将生物成分直接吸附或共价结合到转换器的表面，无需非活性基质膜，测定时不必加入其他试剂；第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子元件上，他们可以直接感知和放大界面物质的变化，从而把生物识别和信号的转换处理结合在一起。第2页，本讲稿共27页第二节 生物敏感材料生物传感器由生物敏感元件和信号转换器两个主要部分组成，其中，传感器的选择性主要取决于生物敏感材料，而灵敏度与信号转换器、生物材料的固定化技术有很大关系。按特性分类，可分为磁敏、电敏、热敏、光敏和压电材料具体说来，有生物酶、细胞（器）、生物组织、基因、光纤等由于时间限制，下面仅以生物酶为例做简单介绍第3页，本讲稿共27页第4页，本讲稿共27页酶作为敏感元件固定化酶膜产物：O2 H2O2NH3 CO2H+热、光Pt阴电极Pt阳电极H+敏感膜热敏材料、光纤测定光热信号测定物质电流、电位信号测定第5页，本讲稿共27页第三节 信号转换器这里以电化学信号转换器为例，进行简单介绍原理：化学反应与电荷变化密切相关，将待测物质以适当形式置于点化学反应池，测量其电化学性质（如电位、电流、电容等）变化可实现物质含量的测定。几个电化学概念（1）固体电极的相间电位：金属电极与电解质溶液间形成的电位（2）液体接界电位：存在浓差梯度的两种溶液，同时扩散的离子其淌度不同在其界面形成的电位（3）膜电极电位：离子选择性膜与两侧溶液接触，膜相中离子与溶液中的离子交换，在两个界面形成两个液体接界电位 第6页，本讲稿共27页基本电化学信号测量电位信号测量方法对一个选择性膜电极，外界条件确定时，膜电位与溶液中待测离子浓度呈线性关系。将待测电极与参比电极组成一个电池，测量其电位差常用的有标准氢电极、甘汞电极、银-氯化银电极（如图）饱和KCl溶液Ag-AgCl丝电极引线电位法经常用来测量H+、NH3、CO2的浓度第7页，本讲稿共27页电流信号测量方法控制电极的电位从而有选择性的使溶液中某些成分发生氧化还原反应，电路中通过电流时电极发生极化现象，转化为电位测量。采用三电极测量体系函数发生器 记录仪恒电位仪测定溶液辅助电极参比电极工作电极电流法测量O2,H2O2等电活性物质浓度第8页，本讲稿共27页电化学信号转换器的特点与应用电化学测量技术是一种成熟的技术，具有性能稳定、适用范围广、易微型化特点，已在酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、DNA传感器中得到应用。也广泛应用于细胞膜功能与结构、脑神经系统等研究领域。其制作加工技术在此不做叙述第9页，本讲稿共27页其它类型信号转换器1)离子敏场效应晶体管型信号转换器（FET）2)热敏电阻型信号转换器3)压电晶体型信号转换器4)光纤光学型信号转换器5)表面等离子体共振型信号转换器（SPR）有兴趣了解这些知识的同学可以自行查阅有关资料第10页，本讲稿共27页第四节 生物传感器生物传感器的分类：（1）按照生物敏感元件划分（2）按照信号转换器类型划分很多时候两种划分的方法都是交叉使用，以下就以光学光纤-DNA传感器为例做一个简单介绍第11页，本讲稿共27页4.1 基因（DNA）DNA双螺旋结构的发现，使人们从分子水平上了解生物奥秘成为现实。具有一定互补序列的核苷酸单链在液相或固相中按照碱基互补配对原则合成异质双链的过程叫做核酸分子杂交。利用这一原理，人们制作了可用于检测基因的DNA（或RNA）探针，进行基因诊断第12页，本讲稿共27页第13页，本讲稿共27页4.2 光学光纤-DNA传感器光纤DNA传感器的构建与检测过程：1）体膜与DNA探针的固定、活化2）光线表面功能化，即通过化学反应在其表面连接敏感膜材料3）杂交与检测4）敏感膜再生，通过化学试剂或升温使已杂交的DNA分子解旋，恢复单链，重新使用DNA探针标记物生化反应光纤探头检测特征光学信号由光检测器进行光电转换分析信号测定杂交分子的量第14页，本讲稿共27页4.2.1 消失波型光纤DNA传感器消失波：当一束光线以适当角度进入光纤时，它会以全反射方式在光纤中传播，产生一种横贯光纤的波，通过光纤与其他介质的交接处传出光纤，这种波随传播距离快速衰减，称之为消失波。利用这种性质，在光纤表面加上敏感膜（ssDNA探针），当消失波穿过膜时，会产生光信号，或者导致光线强度、相位、频率的改变，测量其变化，即可获得信息第15页，本讲稿共27页消失波型光纤DNA传感器示意图待测荧光（激光）消失波消失波信号分析仪计算机处理敏感膜第16页，本讲稿共27页4.2.2 光反射型光纤DNA传感器与消失波型不同，光反射型传感器是将DNA探针直接固定于光纤头，随后将其置于杂交液中进行杂交，完毕后注入溴化乙锭（EB）染色，再用Ar+激光器照射，激发产生荧光进行分析。敏感膜（DNA探针）固定在光纤头光纤第17页，本讲稿共27页其他光学型DNA传感器1）近红外荧光型2）化学发光型3）拉曼光谱型（涉及化学分析的知识）4）共振镜型 有兴趣了解这些知识的同学可以自行查阅有关资料第18页，本讲稿共27页两种光学型DNA传感器的比较以一个表格，进行粗略比较 性能 响应时间灵敏度（检测下限）稳定性（使用期限）消失波型一般在110min以内1.1nmol/L可以重复使用数百次光反射型大约需要4050min30fmol/L贮存一年后光纤仍可使用第19页，本讲稿共27页4.3 传感器的应用&医疗、医药、生物工程、环境保护、食品、医疗、医药、生物工程、环境保护、食品、农业、畜牧等与生命科学关系密切的一些农业、畜牧等与生命科学关系密切的一些领域。例如：领域。例如：临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提供依据；各种化学成分，为医生的诊断提供依据；生物工程产业中用生物传感器监测生物反应器内各生物工程产业中用生物传感器监测生物反应器内各种物理、化学、生物的参数变化以便加以控制；种物理、化学、生物的参数变化以便加以控制；环境监测中用生物传感器监测大气和水中各种污染环境监测中用生物传感器监测大气和水中各种污染物质含量，物质含量，食品行业中用生物传感器检测食品中营养成分和有食品行业中用生物传感器检测食品中营养成分和有害成分的含量、食品的新鲜程度等。害成分的含量、食品的新鲜程度等。&随着社会的进一步信息化，生物传感器必将获随着社会的进一步信息化，生物传感器必将获得越来越广泛的应用。得越来越广泛的应用。第20页，本讲稿共27页第21页，本讲稿共27页生物传感器应用-生物芯片（智能机器人）第22页，本讲稿共27页关于传感器的后续话题纳米生物在血管中运动的纳米机器人，它正在使用纳米切割机和真空吸尘器来清除血管中的沉积物第23页，本讲稿共27页该“医生”长得 像一颗胶囊，把它吞进肚里，消化道内的情景就可以像放电影一样在电脑屏幕 上一 目了然 纳米生物传感器第24页，本讲稿共27页纳米组织工程材料制备纳米晶羟基磷灰石或胶原复合的生物硬组织修复材料，复合材料具有纳米级别的天然骨分级结构和天然骨的多孔结构第25页，本讲稿共27页制作人：唐仲丰主讲人：唐仲丰材料科学与工程学院参考文献：司仕辉 生物传感器曹盛麟等 纳米生物材料第26页，本讲稿共27页第27页，本讲稿共27页