生物传感器技术 医学中的生物技术报告 简介 生物传感器( Biosensor)是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信 号进行检测的仪器:是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、 抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、适当的理化换能器(如 氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等)及信号放大装置构成的分析工 具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。生物传感器是用生物活 性材料与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科,是发展生物技术必不可 少的一种先进的检测方法与监控方法,也是物质分子水平的快速、微量分析 方法。各种生物传感器有以下共同的结构:包括一种或数种相关生物活性材 料(生物膜)及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器 (传感器),二者组合在一起,用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号 的再加工,构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。 、技术原理 a)组成部分介绍 生物传感器主要由生物感应元件和信号传导器两部分组成。可用来 制作生物感应元件的物质有酶、酶组分、生物体、组织、细胞、抗体 核酸、有机物分子等,其主要功能是对被测物质进行选择性作用,即被 测物质的识别。信号传导器的主要形式有电视测量式、电流测量式、电 导率测量式、阻抗测定式、光强测量式、热量测定式、声强测量式、机 械式等,其主要功能是将生物元件与被测物质相互作用所产生的物理化 学效应转变为可以输出的电信号。 b)基本工作原理 分子识别 生物传感器的基本工作原理是将具有分子识别功能的生物物质 通过特殊加工技术涂敷固定在固态载体上(如高分子膜),形成功能 膜,当其与被测物之相接触时,膜内的感应物质首先与被测物质选择 性的进行吸附,发生互相作用形成复合物,从而表现为化学变化、热 变化、光变化或直接产生电信号等方式。生物感应元件通过产生的上 述变化完成分子识别。 信号转换 分子识别步骤中产生的各种变化,除了电信号可以直接被利用意 外,其余变化需要进行物理化学转换才能被使用。化学变化、热变化 光变化由信号传导器转化为容易输出的且与待测物质浓度成正比的 电信号 信号传输 经过转换后的电信号经过导线或无线电波等传输介质传输到目 的处理器上 iv.信号显示 目的处理器将接收到的电信号进一步放大、处理、储存达到测 量记录的目的
生物传感器技术 ——医学中的生物技术报告 一、 简介 生物传感器(Biosensor)是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信 号进行检测的仪器；是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、 抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）、适当的理化换能器（如 氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工 具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。生物传感器是用生物活 性材料与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可 少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析 方法。各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材 料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器 （传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号 的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。 二、 技术原理 a) 组成部分介绍 生物传感器主要由生物感应元件和信号传导器两部分组成。可用来 制作生物感应元件的物质有酶、酶组分、生物体、组织、细胞、抗体、 核酸、有机物分子等，其主要功能是对被测物质进行选择性作用，即被 测物质的识别。信号传导器的主要形式有电视测量式、电流测量式、电 导率测量式、阻抗测定式、光强测量式、热量测定式、声强测量式、机 械式等，其主要功能是将生物元件与被测物质相互作用所产生的物理化 学效应转变为可以输出的电信号。 b) 基本工作原理 i. 分子识别 生物传感器的基本工作原理是将具有分子识别功能的生物物质 通过特殊加工技术涂敷固定在固态载体上（如高分子膜），形成功能 膜，当其与被测物之相接触时，膜内的感应物质首先与被测物质选择 性的进行吸附，发生互相作用形成复合物，从而表现为化学变化、热 变化、光变化或直接产生电信号等方式。生物感应元件通过产生的上 述变化完成分子识别。 ii. 信号转换 分子识别步骤中产生的各种变化，除了电信号可以直接被利用意 外，其余变化需要进行物理化学转换才能被使用。化学变化、热变化、 光变化由信号传导器转化为容易输出的且与待测物质浓度成正比的 电信号。 iii. 信号传输 经过转换后的电信号经过导线或无线电波等传输介质传输到目 的处理器上。 iv. 信号显示 目的处理器将接收到的电信号进一步放大、处理、储存达到测 量记录的目的
)图示 分子识别 信号转换 被测物质 化学变化、物理 其它物质 电光热声 → 质量 生物材料(酶、抗原、 敏感元件 换能器信号传输 信号处理系统 抗体、核酸、细胞器 细胞、组织,微生物等) 感组件 辅助仪器 于烧 上图中的敏感元件即为之前原理介绍中的生物感应元件,换能器即 为信号传导元件。被测物质经由分子识别、信号转换、信号传输及信号 处理完成整个生物感应器的工作流程。 、技术应用 )医学应用 i.临床医学 在临床医学中,酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器,已 成功地应用于血糖、乳酸、维生素C、尿酸、尿素、谷氨酸、转氨酶 等物质的检测。其原理是:用固定化技术将酶装在生物敏感膜上,检 测样品中若含有相应的酶底物,则可反应产生可接受的信息物质,指 示电极发生响应可转换成电信号的变化,根据这一变化,就可测定某 种物质的有无和多少。利用具有不同生物特性的微生物代替酶,可制 成微生物传感器,在临床中应用的微生物传感器有葡萄糖、乙酸、胆 固醇等传感器。若选择适宜的含某种酶较多的组织,来代替相应的酶 制成的传感器称为生物电极传感器。如用猪肾、兔肝、牛肝、甜菜、 南瓜和黄瓜叶制成的传感器,可分别用于检测谷酰胺、鸟嘌呤、过氧 化氢、酪氨酸、维生素C和胱氨酸等。 DNA传感器是目前生物传感器中报道最多的一种,用于临床疾病 诊断是DNA传感器的最大优势,它可以帮助医生从DNA,RNA、蛋白质 及其相互作用层次上了解疾病的发生、发展过程,有助于对疾病的及 时诊断和治疗。此外,进行药物检测也是DMA传感器的一大亮点。 Brabec等人利用DNA传感器研究了常用铂类抗癌药物的作用机理并 测定了血液中该类药物的浓度。 军事医学 军事医学中,对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效 措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素,如炭疽芽 孢杄菌、鼠疫耶尔森菌、埃博拉岀血热病毒、肉毒杄菌类毒素等 2000年,美军报道已研制出可检测葡萄球菌肠毒素B、蓖麻素 土拉弗氏菌和肉毒杄菌等4种生物战剂的免疫传感器。检测时间为 3~10min,灵敏度分别为10,50mg/L,5x10的5次方,和5x10的4
c) 图示 上图中的敏感元件即为之前原理介绍中的生物感应元件，换能器即 为信号传导元件。被测物质经由分子识别、信号转换、信号传输及信号 处理完成整个生物感应器的工作流程。 三、 技术应用 a) 医学应用 i. 临床医学 在临床医学中，酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器，已 成功地应用于血糖、乳酸、维生素 C、尿酸、尿素、谷氨酸、转氨酶 等物质的检测。其原理是：用固定化技术将酶装在生物敏感膜上，检 测样品中若含有相应的酶底物，则可反应产生可接受的信息物质，指 示电极发生响应可转换成电信号的变化，根据这一变化，就可测定某 种物质的有无和多少。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制 成微生物传感器，在临床中应用的微生物传感器有葡萄糖、乙酸、胆 固醇等传感器。若选择适宜的含某种酶较多的组织，来代替相应的酶 制成的传感器称为生物电极传感器。如用猪肾、兔肝、牛肝、甜菜、 南瓜和黄瓜叶制成的传感器，可分别用于检测谷酰胺、鸟嘌呤、过氧 化氢、酪氨酸、维生素 C 和胱氨酸等。 DNA 传感器是目前生物传感器中报道最多的一种，用于临床疾病 诊断是 DNA 传感器的最大优势，它可以帮助医生从 DNA,RNA、蛋白质 及其相互作用层次上了解疾病的发生、发展过程，有助于对疾病的及 时诊断和治疗。此外，进行药物检测也是 DNA 传感器的一大亮点。 Brabec 等人利用 DNA 传感器研究了常用铂类抗癌药物的作用机理并 测定了血液中该类药物的浓度。 ii. 军事医学 军事医学中，对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效 措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素，如炭疽芽 孢杆菌、鼠疫耶尔森菌、埃博拉出血热病毒、肉毒杆菌类毒素等。 2000 年，美军报道已研制出可检测葡萄球菌肠毒素 B、蓖麻素、 土拉弗氏菌和肉毒杆菌等 4 种生物战剂的免疫传感器。检测时间为 3～lOmin，灵敏度分别为 10，5Omg/L,5x10 的 5 次方，和 5x10 的 4
次方cfu/ml。Song等人制成了检测霍乱病毒的生物传感器。该生物 传感器能在30min内检测出低于1x10的负5次方mol/L的霍乱毒 素,而且有较髙的敏感性和选择性,操作简单。该方法能够用于具有 多个信号识别位点的蛋白质毒素和病原体的检测。 b)其他应用 食品工业 生物传感器已经广泛应用于食品工业领域,比如用酶传感器检测 苹果汁和蜂蜜中的葡萄糖成分等等。近几年,人们群众对食品安全重 视程度越来越高,特别是食品中的农药残留以及致病性微生物的检 测,民以食为天,食品中致病性微生物会对消费者的身体健康产生严 重的影响,轻者,胃肠道不适、恶心、呕吐,严重者,会引起食物中 毒,要送医院进行抢救等。因此,必须要加强对食品中致病性微生物 的检测工作, Gossett等研制了可用于检测葡萄球菌肠毒素B(SEB) 的免疫传感器。 ii.环境监测 生物传感器已广泛应用于各种环境污染物的检测领域,比如用为 生物传感器对生物耗氧量的检测,其工作原理是用微生物的菌群作 为电极,水中生物耗氧量的变化会引起水中微生物呼吸的变化,最终 导致电极电流信号的变化。通过转换器将信号放大,从而检测生物耗 氧量。生物传感器在大气监测领域也得到很广泛的应用。 11 发酵工业 微生物传感器具有成本低、设备简单等特点,非常适合发酵工业 的应用。微生物传感器可应用于乙酸、头孢霉素、谷氨酸、醇类、青 霉素、乳酸等的测定。工作原理是用微生物电极与氧电极组成,通过 测量氧电极电流变化来检测耗氧量,从而达到测量待测物浓度的作 用。在各种原材料中葡萄糖的测定是发酵工业的重要指标之一,用葡 萄糖氧化酶的氧化作用,催化葡萄糖的同时消耗氧气,通过传感器监 测氧含量,从而计算出葡萄糖的浓度 四、技术优缺点 a)优点 成本低,使用固定化酶作催化剂的传感器课多次重复使用 专一性好,只对特定的底物产生反应,可以减少预处理 分析速度快 准确性高 操作简单,可实现自动化分析 b)缺点 ●生物活性单元具有不稳定性和易变性,传感器的稳定性有影响
次方 cfu/ml。Song 等人制成了检测霍乱病毒的生物传感器。该生物 传感器能在 30min 内检测出低于 1xlO 的负 5 次方 mol/L 的霍乱毒 素，而且有较高的敏感性和选择性，操作简单。该方法能够用于具有 多个信号识别位点的蛋白质毒素和病原体的检测。 b) 其他应用 i. 食品工业 生物传感器已经广泛应用于食品工业领域，比如用酶传感器检测 苹果汁和蜂蜜中的葡萄糖成分等等。近几年，人们群众对食品安全重 视程度越来越高，特别是食品中的农药残留以及致病性微生物的检 测，民以食为天，食品中致病性微生物会对消费者的身体健康产生严 重的影响，轻者，胃肠道不适、恶心、呕吐，严重者，会引起食物中 毒，要送医院进行抢救等。因此，必须要加强对食品中致病性微生物 的检测工作，Gossett 等研制了可用于检测葡萄球菌肠毒素 B（SEB） 的免疫传感器。 ii. 环境监测 生物传感器已广泛应用于各种环境污染物的检测领域，比如用为 生物传感器对生物耗氧量的检测，其工作原理是用微生物的菌群作 为电极，水中生物耗氧量的变化会引起水中微生物呼吸的变化，最终 导致电极电流信号的变化。通过转换器将信号放大，从而检测生物耗 氧量。生物传感器在大气监测领域也得到很广泛的应用。 iii. 发酵工业 微生物传感器具有成本低、设备简单等特点，非常适合发酵工业 的应用。微生物传感器可应用于乙酸、头孢霉素、谷氨酸、醇类、青 霉素、乳酸等的测定。工作原理是用微生物电极与氧电极组成，通过 测量氧电极电流变化来检测耗氧量，从而达到测量待测物浓度的作 用。在各种原材料中葡萄糖的测定是发酵工业的重要指标之一，用葡 萄糖氧化酶的氧化作用，催化葡萄糖的同时消耗氧气，通过传感器监 测氧含量，从而计算出葡萄糖的浓度。 四、 技术优缺点 a) 优点 ⚫ 成本低，使用固定化酶作催化剂的传感器课多次重复使用 ⚫ 专一性好，只对特定的底物产生反应，可以减少预处理 ⚫ 分析速度快 ⚫ 准确性高 ⚫ 操作简单，可实现自动化分析 b) 缺点 ⚫ 生物活性单元具有不稳定性和易变性，传感器的稳定性有影响
参考文献 https://baike.baiducom/item/%e7%9499f9e79689%a9%e49bc%a0%e6%68499f9e5%99%a8/16825 生物传感器的研究现状及展望 https://www.sohu.com/a/150954984468626 htto://www.elecfans.com/article/88/142/2015/20150623374537.html https://www.ofweek.com/medical/2014-12/art-11101-8420-28913395.html http://www.biotechorgcn/information/147222
参考文献： https://baike.baidu.com/item/%E7%94%9F%E7%89%A9%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/16825 127#viewPageContent 生物传感器的研究现状及展望 https://www.sohu.com/a/150954984_468626 http://www.elecfans.com/article/88/142/2015/20150623374537.html https://www.ofweek.com/medical/2014-12/ART-11101-8420-28913395.html http://www.biotech.org.cn/information/147222