酶生物传感器的研究进展
传感器技术(Journa l of T ransducer T echno logy) 2005年第24卷第7期
酶生物传感器的研究进展*
伍 林,曹淑超,易德莲,刘 娟,秦晓蓉,欧阳兆辉
(武汉科技大学应用化学研究所,湖北武汉430081)
摘 要:介绍了酶生物传感器的原理、特性及其分类;阐述了第一代传感器获得电信号的途径;引入电子
传递介体后的第二代传感器的灵敏性和准确性得到提高;实现第三代传感器的酶在电极上固定的方法和
材料。对基于直接电子传递的第三代生物传感器的研究现状进行了评述。最后,展望了生物传感器的发
展方向。
关键词:酶;葡萄糖氧化酶;生物传感器;进展
中图分类号:O646 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2005)07-0004-03
Progress on study of enzy m e biosens or
WU L i n,C AO Shu chao,Y I De lian,LI U Juan,Q I N X iao rong,OUYANG Zhao hu i
(R es In st of App lied Chem,W uhan Un iversity of S cien ce and T echnology,W uhan430081,Ch i na)
Abstract:T he pri nc i ple,character and c lassifica ti on o f enzym e b i o senso r are i n troduced.The w ays to achieve
electr ic si gnal of the first gene ration b i o senso r,the super i or iti es o f the second genera ti on biosensor w it h m edi um
and t he me t hods and ma teria l s to fi xa te enzym e of the third generati on enzym e biosensor are expounded.T he
present cond iti ons o f the th i rd generation enzym e biosensor a re comm ented on.F ina lly,the progress i ve d irections o f
b i osenso r have also been prospected.
K ey word s:enzy m e;glucose ox idase(GOD);b i osensor;prog ress
0 引 言
21世纪是生命科学的世纪,随着 人类基因组工作草图的完成、纳米生物技术和纳米微电子加工技术的出现,使得无论在原理上还是加工技术上,都将为生物传感器的发展带来巨大的变革。
生物传感器是一类特殊的化学传感器,它是以生物活性单元(如,酶、抗体、核酸、细胞等)作为生物敏感基元,对被测目标物具有高度选择性的检测器。它通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应,然后,将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来,从而得出被测物的浓度[1]。生物传感器具有选择性高、分析速度快、仪器操作简单和价格低廉等特点,而且,可以进行在线及活体分析,从而为环境监测、食品医药工业、生物医学及军事医学领域带来新技术革命。自20世纪80年代起,国际上对生物传感器进行了广泛的研究和探索,近些年来,已经研制出一系列在环境监测、临床检验和生化分析等方面具有实用价值的生物传感器[2~4],其中,以酶生物传感器的研究最为广泛。酶生物传感器的发展经历了3个阶段,即以氧为中继体的电催化,基于人造媒介体的电催化和直接电催化。1 第一代生物传感器
1962年,C l ark和Lyons[5]提出了葡萄糖生物传感器的原理,他们表示用一薄层葡萄糖氧化酶覆盖在氧电极表面,通过氧电极检测溶液中溶解氧的消耗量,间接测定葡萄糖的含量。1967年,U pdi ke和H icks[6]根据此原理首次将葡
萄糖氧化酶膜覆盖在铂电极上制成酶传感器,用于定量检测血清中葡萄糖的含量,成功地制成了第一支葡萄糖生物传感器,这标志着第一代生物传感器的诞生。从此以后,基于酶电极生物传感器研究得到了迅速发展。第一代葡萄糖生物传感器对葡萄糖响应的机理为:O
2
在葡萄糖氧化酶作
用下,催化氧化葡萄糖,生成H
2
O
2
。
由于还原态葡萄糖氧化酶(GOD red)的氧化还原活性中心在酶分子内部,被蛋白质包围,不易直接与常规电极交换电子,因而得不到可测量的电信号。可以通过测量反应
物中O
2
的减少量或生成物中H
2
O
2
的产生量这2种方法获得电信号。
1.1 测量反应物O
2
的减少
葡萄糖将葡萄糖氧化酶还原后,溶液中的溶解氧再将
其氧化,使得葡萄糖氧化酶得以循环使用,而O
2
本身则被
收稿日期:2004-12-20
*基金项目:湖北省自然科学基金资助项目(2003ABA075);湖北省教育厅自然科学基金资助项目(2003A011) 4
第7期 伍 林等:酶生物传感器的研究进展
还原成H
2O
2
,所以,可以用氧电极测量溶液中溶解氧的变
化,间接地测出试样中葡萄糖的含量。如发明酶生物传感器的先驱者C lark和Lyons在其设计中,将氧化酶固定在透析膜和氧穿透膜中间,形成一个 三明治的结构,再将此结构附着在铂电极的表面。在施加一定电位的条件下,通过检测氧气的减少量来确定葡萄糖的含量。但是,该方法中由于大气中氧气分压的变化,会导致溶液中溶解氧浓度的变化,从而影响测定的准确性。另外,当溶液中溶解氧浓度过高时,低浓度底物灵敏度偏低;当溶液中溶解氧浓度过低时,对较高浓度的底物又不能满足反应需求,难以得到灵敏的信号。
1.2 测量反应产物H
2O
2
的产生量
葡萄糖氧化酶可催化葡萄糖和氧气反应生成葡萄糖酸
和H
2O
2
,所以,可以通过测量生成物中H
2
O
2
的变化,间接
地测出试样中葡萄糖的含量。1970年,C lark对其设计的装置进行了改进:采用2个铂盘电极做工作电极,其中,一个电极表面为酶膜所覆盖。通过差示电流,扣除空白并消除
干扰后,可以较准确地测定H
2O
2
的产生量,从而间接测定
葡萄糖的含量。1972年,G uil bau lt在铂电极上覆盖一层掺有葡萄糖氧化酶的选择性膜,从而制得具有较高稳定性(室温下,保存10个月后相应电极上响应的稳定电流只减少了0.1%)和测量准确性的葡萄糖生物传感器。
第一代生物传感器在测量时受诸多外部环境因素的制约,所以,其测量的准确度和灵敏度不够理想。但无论如何,它的诞生推动了人们对传感技术的研究。
2 第二代生物传感器
酶一般都是生物大分子,其氧化还原活性中心被包埋在酶蛋白质分子里面,它与电极表面间的直接电子传递难以进行,即使能够进行,传递速率也很低,这是因为其氧化还原活性中心与电极表面间的电子传递速率随两者间距离的增加呈指数衰减。电子传递介体(M)的引入克服了这一缺陷,它的作用就是把葡萄糖氧化酶氧化,使之再生后循环使用,而电子传递介体本身被还原,又在电极上被氧化。
利用电子传递介体后,既不涉及O
2,也不涉及H
2
O
2
,而
是利用具有较低氧化电位的传递介体在电极上产生的氧化电流,对葡萄糖进行测定,从而避免了其他电活性物质的干扰,提高了测定的灵敏度和准确性。
H a l e等[7]人采用二茂铁修饰硅氧烷聚合物,再用此聚合物与葡萄糖氧化酶混合,制成性能稳定、电子传递速率较高的电极。用循环伏安法和稳态电势法测得:由上述方法制得的葡萄糖生物传感器对小于0.01mm ol/L的低浓度葡萄糖溶液也可快速响应(响应时间小于1m in)。
3 第三代生物传感器
由于酶与常规电极之间的直接电子传递较为困难,考虑选择合适的接合剂,将酶共价键合到化学修饰电极上,或将酶固定到多孔电聚合物修饰电极上,使酶氧化还原活性中心与电极接近,直接电子传递就能够相对容易地进行。第三代生物传感器是指在无媒介体存在下,利用酶与电极间的直接电子传递设计制作的酶传感器。
Cooper等人[8]通过碳化二亚胺(HNCNH)缩合,把细胞色素C(Cytochrom e C)共价键合到N乙酰半胱胺酸(N ac e tyl cyste i ne)修饰金电极上,使细胞色素C与修饰电极间的直接电子传递得以发生,由此做成的生物传感器对超氧化合物有很好的响应。近年来,主要用以下材料实现酶在电极上的固定化,以实现电极上的直接电子传递:有机导电聚合物膜、有机导电复合材料膜、金属纳米颗粒或金属和非金属纳米颗粒。
3.1 有机导电聚合物膜
有机导电聚合物膜是近年来发展起来的一类新功能材料,其典型代表有聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PA n)、聚噻吩(PTh)等[9,10]。通常采用电化学聚合法或包埋法用有机导电聚合物固定化酶。
3.1.1 电化学聚合法固定化酶
有机导电聚合物一般具有电化学活性,在氧化还原过程中,阴离子能掺杂和去掺杂,为酶在电极上的固定化提供一种途径。通过聚吡咯及其衍生物、聚苯胺等的电化学聚合逐步实现酶的固定,通常采用以下3种方法:一步法、两步法和三步法。
一步法是聚合前将酶溶液加于电解液中,在电解聚合生成导电聚合膜的同时,酶也被包裹并以离子键形式进入分子骨架,以维持高分子链的电荷平衡。Fou l ds[11]在0.2mo l/L吡咯水溶液中,通氮气除氧,加入0.13m o l/L葡萄糖氧化酶(GOD),用三电极体系制得以镀铂陶瓷为基底的酶电极。该电极的稳定电流的响应时间为20~40s。A i za w a[12]在p H=7.0的磷酸盐缓冲液中制成聚苯胺氧化酶微铂电极(直径为50 m),用电流法测试葡萄糖的含量,测试范围为10-4~5!10-3m o l/L。
两步法是利用导电聚合物在氧化还原过程中阴离子的掺杂和脱出原理进行酶的固定化。穆绍林[13]等人将制得的聚苯胺膜在硼酸钠?硼酸缓冲溶液(p H=3.50)中还原,以除去掺杂得阴离子;而后,在含尿酸酶的缓冲液(p H=6.50)中氧化。当聚苯胺氧化时,带负离子的酶进入到聚苯胺膜内而被固定。
三步法是在两步法基础上的进一步改进[14],改进掺杂涂膜技术,用 三步法固定尿酸酶。具体如下:首先,用 一步法制作导电聚合物?酶电极;然后,将电极放在6.0mo l/L的HC l溶液中水解除去尿酸酶,以避免尿酸酶受到聚苯胺上苯胺单体的影响;最后,以基于导电聚合物掺杂和去掺杂的原理,将尿酸酶固定在电极上,形成聚苯胺-尿酸酶电极。
比较上述3种固定化酶的方法: 一步法最大的优点是简便易行,但由此制得的酶电极上酶的活性易受溶液中苯胺单体的影响; 两步法制得的酶电极对酶活性的影响
5
传 感 器 技 术 第24卷
很小,然而,颗粒间的距离会影响固定化酶的稳定性;而 三步法可以弥补以上2种方法的不足,既克服了苯胺单体对酶活性的影响,又避免了聚合物膜上的孔穴对生物传感器稳定性和寿命的影响。
3.1.2 包埋法形成聚合物???酶生物传感器
A izawa首次报道了将GOD固定包埋在聚吡咯膜内,可使酶保持生物活性,并进行可逆的电子交换。此后,许多研究工作陆续开展起来,目的在于提高聚合物酶电极的灵敏度、选择性、抗干扰能力和寿命。
1992年,K oopal等人[15]将聚吡咯微管用于固定化GOD。其方法是通过模板合成法,将吡咯聚合在金属电极刻蚀膜上,接着,让GOD牢固地吸附在聚吡咯微管内构成GOD/PPy传感器。所用的径迹刻蚀膜通常由聚酯和聚碳酸酯构成,GOD在微管内保持生物活性。由于聚吡咯、聚噻吩等共轭的聚合导电物质能在径迹刻蚀膜孔中形成微管,有人认为这种结构能把酶氧化还原活性中心与电极连接起来,由此制成的生物传感器具有选择性好、灵敏度高的特点。K oopa l等人[16]把这一方法进行了改进,他们用均匀的乳胶微粒作为聚吡咯和酶固定时所依附的多孔基体材料,由此制成的葡萄糖生物传感器对葡萄糖测定的线性响应范围为1~60mm o l/L。
3.2 有机导电复合材料膜
导电复合材料具有良好的导电性和机械加工性,且具有工艺简单、成本低廉、粒子间的距离可人为控制等特点。张国林等人[17]首次报道用乙基纤维素和乙炔黑导电复合材料固定化葡萄糖酶电极的制备方法。他们将一定比例的乙基纤维素和乙炔黑与葡萄糖氧化酶、固体石蜡用卤代烃调成糊状物,取一定量均匀地涂在3mm!3mm的铂电极上,在室温下自行干燥24h以上。待电极干燥后,用环己烷洗去电极中的石蜡,以形成酶催化反应的通道。实验结果表明:用环己烷洗去石蜡的导电复合材料???葡萄糖氧化酶生物传感器具有粒状结构,有利于酶催化反应。
3.3 纳米颗粒增强的第三代生物传感器
纳米粒子的特殊结构使它具有许多特殊性质,研究人员展开了用纳米颗粒固定化酶以开辟制备直接电子传递第三代生物传感器的新途径。唐芳琼等人[18,19]用亲水金、憎水二氧化硅纳米颗粒固定葡萄糖氧化酶,采用聚乙烯醇缩丁醛(PV B)为辅助固定酶膜基质,制备了葡萄糖生物传感器。实验表明:纳米二氧化硅主要起固定酶载体的作用,金颗粒在酶与电极间传递电子,缩短GOD的氧化还原中心与基体表面的电子隧道距离,从而加快电子传递交换速度。随后,他们又通过实验证明:二氧化硅和金或铂组成的复合纳米颗粒可以大幅度地提高葡萄糖生物传感器的电流响应,其效果明显优于这3种纳米颗粒单独使用时对葡萄糖生物传感器的增强作用。因为复合纳米粒子比单独一种纳米粒子更易形成连续势场,降低电子在电极和固定化酶间的迁移阻力,提高电子迁移率,有效地加速了酶的再生过程。江丽萍等人[20]用亲水金纳米颗粒和明胶一起固定葡萄糖氧化酶(GOD),制得了具有纳米增强效应的葡萄糖传感器。实验表明:纳米颗粒能够大幅度地提高固定酶的催化活性、响应灵敏度和响应速度(一般在5s之内就能测得稳定的电流响应值)。
4 结束语
酶生物传感器自产生以后得到了迅速发展,实现酶氧化还原活性中心与电极之间的直接电子传递是发展第三代酶生物传感器的研究重点之一,此问题的关键是要缩短电子隧道距离。就目前酶生物传感器的发展来看,由电化学法控制有机导电高分子材料制作酶生物传感器,是一种很有发展前途的酶生物传感器;通过纳米复合材料来增强酶生物传感器的响应信号和稳定性也是一种行之有效的方法。但这2种研究均处于初步阶段,还需要对它们进行大量的研究工作。作者认为,如果能将这2种方法有效地结合起来,可能会推动第三代生物传感器的研究。例如:在导电单体成膜之前,探讨在合适条件下,向底液中加入改性的纳米二氧化硅粒子,通过电化学法有效地控制电极上导电复合材料膜的厚度,同时,利用纳米二氧化硅大的比表面积具有吸附生物酶的特性,实现响应速度快的第三代酶生物传感器的研制。
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(下转第9页)
6
第7期 徐惠宇等:电化学微细加工监控系统的研究 好,完成发出指令、停止电机和切断电流后,工具电极过冲不到2.5 m,定位精度高。
另外,进行工具电极和固定工件相接触的人为短路重复试验,10次的试验结果表明:每次电压信号跳变时工具电极所处位置都相互非常接近,以第一次跳变时工具电极所处的位置作为零点,10次跳变瞬间工具电极位置的相对偏差如图5
所示。
图5 重复短路试验信号跳变位置曲线F i g 5 V ari a tion curve of s i gna l j ump poi nt
重复试验结果的偏差越小,意味着工具电极的重复定位精度越高。图中,10次试验中最大偏差仅为1.85-(-1.26)=3.11 m,微米级的重复定位精度可以满足微细电解加工的精度要求。
电解加工的加工精度和重复精度与间隙大小密切相关。加工间隙越小,加工精度和重复加工精度越高。在常规电解加工中,由于难以精确控制加工过程的稳定性,为了保证加工区内良好的加工状态,加工间隙通常大于0.1mm 。本文研制的微细电化学加工控制系统,通过选择合适的加
工参数和运动控制方案,可以把稳定加工的加工间隙减小至几十微米甚至更小,从而得到更高的加工精度。试验中,采用0.16mm 直径的圆柱电极,将侧面间隙稳定维持在40~50 m 左右,可以重复加工出(0.25#0.02)mm 的孔。图6为加工出的大小为0.25mm
的微孔照片。
图6 微细电化学加工出的微孔F i g 6 M icroho l e m achi ned by E MM
4 结束语
本文研制的微细电化学加工控制系统有以下优点:(1)系统仅由传感器、运动控制卡、计算机和相应控制软件组成;(2)系统实时显示准确可靠,数据处理及时精确,响应快速灵活;(3)定位精度和重复定位精度高,可以满足高精度微细电解加工的要求。
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2004-04-28
[3] N ati onal In strum ents Comp any 7344/7334H ardw are User m a
nual [DB /OL ].http ://www.n.i co m /pd f/m anuals /322504c .pd,f 2001-07-21.
作者简介:
徐惠宇(1979-),男,江西广丰人,现为南京航空航天大学机械制造及其自动化专业在读博士生,研究方向为微细特种加工技术。
(上接第6页)
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作者简介:
伍 林(1965-),男,湖北武穴人,副教授,武汉科技大学应用化学研究所所长,生物学博士后,从事纳米材料制备与应用等领域的研究。
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生物传感器的研究现状及应用
生物传感器的研究现状及应用 生物传感器？这个熟悉但又概念模糊的名词最近不断出现在媒体报道上，生物传感器相关的研究项目陆续获得巨额的研究资助，显示出越来越受重视的前景。要掌握生命科学研究的前研信息，争取好的研究课题和资金，你怎能不了解生物传感器？ 让我们来看看生物通最近的一些报道： 英国纽卡斯尔大学科学家研发了可用于检测肿瘤蛋白以及耐药性MASA细菌的微型生物传感器。该系统利用一个回旋装置来检测，类似导航系统和气袋的原理。振荡晶片的大小类似于一颗尘埃尺寸，有望可使医生诊断和监测常见类型的肿瘤，获得最佳治疗方案。该装置可以鉴定肿瘤标志物－蛋白以及其它肿瘤细胞产生的丰度不同的生物分子。该小组下一步目标是把检测系统做成一个手持式系统，更加快速方便地检测组织样品。欧共体已经拨款1200万欧元资金给该小组，以使该技术进一步完善。 苏格兰IntermediaryTechnologyInstitutes计划投资1亿2千万英镑发展“生物传感器平台（BiosensorPlatform）”——一种治疗诊断技术。作为将诊断和治疗疾病结合在一起的新兴疗法，能够在诊断的同时，提出适合不同病人的治疗方案，可以降低疾病诊断和医学临床的费用与复杂性，同时具备提供疾病发展和药品疗效成果的能力。目前该技术已被使用在某些乳癌的治疗上，只需在事前做些特殊的测试，即可根据结果决定适合的疗程。这个技术更被医学界视为未来疾病疗程的主流。 来自加州大学洛杉矶分校的研究者使用GeneFluidics开发的新型生物传感器来鉴定引起感染的特定革兰氏阴性菌，该结果表明利用微型电化学传感器芯片已经可以用于人临床样本的细菌检查。GeneFluidics'16-sensor上的芯片包被了UCLA设计的特异的遗传探针。临床样本直接加到芯片上，然后其电化学信号被多通道阅读器获取。根据传感器上信号的变化来判断尿路感染的细菌种类。从样品收集到结果仅需45分钟。比传统方法（需要2天时间）
生物传感器产业现状和发展前景
生物传感器产业现状和发展前景 冯德荣 1.1 生物传感器概述 生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。它们的共同特征是：探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律,探讨应用于人类经济活动的基本方法。生物传感器技术的研究重点是：广泛地应用各种生物活性材料与传感器结合，研究和开发具有识别功能的换能器，并成为制造新型的分析仪器和分析方法的原创技术，研究和开发它们的应用。生物传感器中应用的生物活性材料对象范围包括生物大分子、细胞、细胞器、组织、器官等，以及人工合成的分子印迹聚合物(molecularly imprinied polymer，MIP)。由于研究DNA分子或蛋白质分子的识别技术已形成生物芯片（DNA芯片、蛋白质芯片）独立学科领域，本文对这些领域将不进行讨论。 生物传感器研究起源于20世纪的60年代，1967年Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧电极组装在一起，首先制成了第一种生物传感器，即葡萄糖酶电极。到80年代生物传感器研究领域已基本形成。其标志性事件是：1985年“生物传感器”国际刊物在英国创刊；1987年生物传感器经典著作在牛津出版社出版；1990年首届世界生物传感器学术大会在新加坡召开，并且确定以后每隔二年召开一次。 此后包括酶传感器的生物传感器研究逐渐兴旺起来，从用一种或多种酶作为分子识别元件的传感器，逐渐发展设计出用其他的生物分子作识别元件的传感器，例如酶—底物、酶—辅酶、抗原—抗体、激素—受体、DNA双螺旋拆分的分子等，把它们的一方固定化后都可能作为分子识别元件来选择地测量另一方。除了生物大分子以外，还可以用细胞器、细胞、组织、微生物等具有对环境中某些成分识别功能的元件来作识别元件。甚至可以用人工合成的受体分子与传感器结合来测定微生物、细胞和相关的生物分子。 与生物活性材料组合的传感器可以是多种类型的物理或化学传感器，如电化学（电位测定、电导测定、阻抗测定）、光学（光致发光、共振表面等离子体）、机械（杠杆、压电反应）、热（热敏电阻）或者电（离子或者酶场效应晶体管）等等。所有这些具有生物识别功能的组合体通称为生物传感器。 按期召开的世界生物传感器学术大会记录了生物传感器技术发展的历程，总汇了这一领域的发展新动向。例如1992年在德国慕尼黑“国际生物传感器流动注射分析与生物工艺控制”学术会议上对生物工艺控制和在线系统进行研讨，至今仍作为研究者攻关的课题。2004年在西班牙格拉纳达会展中心召开的第八届世界生物传感器大会可以说是世界生物分析系统领域的一次大的盛会［1］，参会代表人数和发表论文数量都创造了历史新高。共有700余名来自世界各地的学者参加了本届大会，第八届世界生物传感器大会涉及领域内容空前广泛，对9个专题进行了分组讨论。包括核酸传感器和DNA芯片、免疫传感器、酶传感器、组织和全细胞传感器、用于生物传感器的天然与合成受体、新的信号转导技术、系统整合/蛋白质组学/单细胞分析、生物电化学/生物燃料/微分析系统、商业发展和市场。其中，单分子/细胞分析和生物印迹生物传感器由于它们良好的发展态势及在生命科学研究中的重要位置成为与会学者讨论的热点问题。
生物传感器的发展现状与趋势
生物传感器的应用与发展趋势 摘要：生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术, 是一种将生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置，具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续检测的特点。生物传感器的高度自动化、微型化与集成化，减少了对使用者环境和技术的要求，适合野外现场分析的需求，在生物、医学、环境监测，视频，医药及军事医学等领域有着重要的应用价值。 关键词：生物传感器;应用;发展趋势 1生物传感器 从几百年以前,人类就已经在使用生物传感器,而生物传感器的研究始于1962年,Clark和Lyons首先提出使用含酶的修饰膜来催化葡萄糖,用pH计和氧电极来检测相应的信号转变。1967年,Updike和Hick 正式提出了生物传感器这一概念,并成功制备了第一支葡萄糖生物传感器,这一工作对生物学来说具有里程碑意义。生物传感器研究的全面展开是从20世纪80年代开始的,1977年,Kambe等用微生物作识别元素制备了生物传感器,为拓宽检测物的范围,所用到的识别元素不断得到扩展,如细胞、DNA、RNA、抗体等识别元素先后被应用于生物传感器的构筑中。换能器的种类和质量也不断得到提高和发展,随后细胞、DNA、RNA、抗体等识别元素也被应用于生物传感器中。逐渐从电化学向光谱学、热力学、磁力、质量及声波等方向拓展,这也使得生物传感器在种类和应用领域上得到发展。 1.1 生物传感器简介 生物传感器指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与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。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。 将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得检测其对应物的其他传感器。固定感受膜的方法有直接化学结合法；高分子载体法；高分子膜结合法。现已发展了第二代生物传感器:微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器，研制和开发第三代生物传感器，将系统生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器，90年代开启了微流控技术，生物传感器的微流控芯片集成为药物筛选与基因诊断等提供了新的技术前景。由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能，只对特定反应起催化活化作用，因此生物传感器具有非常高的选择性。缺点是生物固化膜不稳定。 在21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。 1.2 生物传感器的分类 生物传感器主要有下面三种分类命名方式： 1．根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器，微生物传感器，细胞传感器，组织传感器和免疫传感器。相应的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。 2．根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有：生物电极传感器，半导体生物传感器，光生物传感器，热生物传感器，压电晶体生物传感器等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。 3.以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲和型生物传感器、代谢型或催化型生
最新电化学生物传感器
电化学生物传感器 生物分子的分析检测对获取生命过程中的化学与生物信息、了解生物分子及其结构与功能的关系、阐述生命活动的机理以及对疾病的有效诊断与治疗都具有十分重要的意义。如何高效、快速、灵敏地检测这些生物分子，是当前生命科学领域中面临的一个十分重要的问题。解决这些问题的关键就在于发展各种新型的分析检测技术。生物传感器的出现为有效地解决这些问题提供了新的工具，为生命科学及其相关领域的研究提供了许多新的方法 1电化学生物传感器的基本结构及工作原理 1.1 基本结构 通常情况下，生物传感器由两个主要部分组成即生物识别元件和信号转换器。生物识别元件是指具有分子识别能力，能与待测物质发生特异性反应的生物活性物质，如酶、抗原、抗体、核酸、细胞、组织等。信号转换器主要功能是将生物识别作用转换为可以检测的信号，目前常用的有电化学、光学、热和质量分析几种方法[1]。其中，电化学方法就是一种最为理想的检测方法。 图1 电化学生物传感器的基本结构 1.2 工作原理 电化学生物传感器采用固体电极作基础电极，将生物敏感分子固定在电极表面，然后通过生物分子间的特异性识别作用，生物敏感分子能选择性地识别目标分子并将目标分子捕获到电极表面，基础电极作为信号传导器将电极表面发生的识别反应信号导出，变成可以测量的电信号，从面实现对分析目标物进行定量或定性分析的目的。 2电化学生物传感器的分类
由各种生物分子(抗体、DNA、酶、微生物或全细胞)与电化学转换器(电流型、电位型、电容型和电导型)组合可构成多种类型的电化学生物传感器，根据固定在电极表面的生物敏感分子的不同，电化学生物传感器可分为电化学免疫传感器、电化学DNA传感器、电化学酶传感器、电化学微生物传感器和电化学组织细胞传感器等。 2.1 电化学免疫传感器 电化学免疫传感器是一种将免疫技术与电化学检测相结合的标记免疫分析方法。它是以抗原．抗体特异性反应为基础，将抗原/抗体反应达到平衡状态后的生物反应信号转换成可测量的电信号并通过基础电极将其导出。当采用电化学检测方法测量时，其信号大小与目标分析物在一定浓度范围内成线性关系，从而实现对目标检测物的分析测定。 根据抗原-抗体间的免疫反应的类型，电化学免疫传感器可分为两种：竞争法和夹心法。竞争法的分析原理是基于标记抗原和非标记抗原共同竞争与抗体的反应[2]。而夹心法则是将捕获抗体、抗原和检测抗体结合在一起，形成一种捕获抗体/抗原/检测抗体的夹心式复合物，也称“三明治”式结合物[3]。 图2 竞争法 图3 夹心法 2.2 DNA生物传感器 DNA生物传感器主要检测的是核酸的杂交反应。电化学DNA传感器的工作原理如图所示，即将单链DNA(ssDNA)探针，固定在电极上，在适当的温度、pH、离子
基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展_高原
DOI ：10．3724/SP．J．1096．2013．20747基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展 高原 1李艳2苏星光*2（电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室1，吉林大学化学学院2，长春130012）摘要近年来，随着石墨烯研究热潮的兴起，将石墨烯用于生物及化学检测的工作也日益增多。本文着重介绍了基于石墨烯及氧化石墨烯（GO ）的光学生物传感器，特别是基于石墨烯的荧光共振能量转移（FRET ） 传感器以及比色法传感器的设计思想和传感特性。 关键词石墨烯；氧化石墨烯；生物传感器；荧光共振能量转移；评述 2012-07-17收稿；2012-09-30接受 本文系国家自然科学基金（Nos．2127506， 21075050）资助项目*E-mail ：suxg@jlu．edu．cn 1引言 石墨烯是一种由纯碳原子的六元环平面结构构成的二维材料 ［1］，是零维的富勒烯、一维的碳纳米管（CNTs ）以及三维石墨结构的构筑基元［2］。它具有非常大的理论比表面积、很高的杨氏模量［3］、超高的光学透过率、优良的导热性［4］和导电性，并能够通过电子转移实现荧光猝灭。目前，人们已将基于石 墨烯的材料广泛应用于诸多领域，如吸附剂 ［5］、催化剂［6］、药物载体［7］等。石墨烯具有的奇特性质，使 得其能够满足高灵敏性传感器设计的需求，并已用于构建光学［8］、电化学［9］及场效应传感器［10，11］、细胞标记［12］及实时监测［13］等。本文介绍了基于石墨烯材料的光学生物传感器的研究进展，重点评述了基于石墨烯基的荧光共振能量转移（FRET ）以及比色法传感器。 2基于石墨烯的荧光共振能量转移传感器 荧光共振能量转移（FRET ）是能量由供体荧光团经无辐射途径转移给受体荧光团，并引起供体荧 光猝灭和受体荧光增强的光学现象， 是测量活体及体外纳米尺度距离及变化的有效手段。近年来，人们致力于开发基于石墨烯材料的FRET 传感器， 将其用于生物及化学检测。FRET 传感器主要由3部分构成：供体、受体（猝灭剂）及供受体之间的桥联媒介。在基于石墨烯的FRET 传感器中，石墨烯及其衍生物既可以作为供体，又可作为受体。一方面，石墨烯由于其结构特点，能够同时猝灭发射波长或结构不同的多种荧光团的荧光，是一种通用的猝灭剂；另一方面，石墨烯及其衍生物经过一定的化学处理，可以产生荧光信号，可作为荧光供体。基于石墨烯的FRET 生物传感器依托于一些生物分子构建的桥联基， 用于调节供体荧光团和受体之间的距离，从而引起荧光的变化。其中，DNA 、蛋白质、多肽等生物分子均 可以作为桥联基。 2．1以石墨烯作为猝灭剂 在报道的基于石墨烯材料的FRET 传感器中，以石墨烯材料作为猝灭剂的居多。氧化石墨烯（GO ）是石墨烯的一种重要衍生物，是化学还原法制备石墨烯的前驱体，在石墨烯片层结构的边缘和表面带有 多种含氧基团， 如羧基、羟基、环氧基等。正是由于这些含氧基团的存在，使其较石墨烯具有更好的水溶性，可以应用于生物体系中。石墨烯及GO 由于其大面积的共轭结构，可以作为能量受体猝灭多种有机染料及量子点的荧光，是一种广适性的荧光猝灭剂。与传统的猝灭剂相比，石墨烯材料具有更高的猝灭 效率，使FRET 传感器具有背景低、信噪比高、可多重检测的显著特点 ［14 16］。2．1．1基于DNA 联接研究表明，石墨烯能区分多种DNA 分子结构，包括ssDNA ，dsDNA 以及茎环 结构等［17，18］。石墨烯及GO 由于其结构特点，对带有裸露的环状结构的化合物具有强烈的吸附能力。第41卷 2013年2月分析化学（FENXI HUAXUE ）特约来稿Chinese Journal of Analytical Chemistry 第2期174 180
生物传感器产业现状和发展前景
生物传感器产业现状和发展前景 1.1 生物传感器概述 生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。它们的共同特征是：探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律,探讨应用于人类经济活动的基本方法。生物传感器技术的研究重点是：广泛地应用各种生物活性材料与传感器结合，研究和开发具有识别功能的换能器，并成为制造新型的分析仪器和分析方法的原创技术，研究和开发它们的应用。生物传感器中应用的生物活性材料对象范围包括生物大分子、细胞、细胞器、组织、器官等，以及人工合成的分子印迹聚合物(molecularly imprinied polymer，MIP)。由于研究DNA分子或蛋白质分子的识别技术已形成生物芯片（DNA芯片、蛋白质芯片）独立学科领域，本文对这些领域将不进行讨论。 与生物活性材料组合的传感器可以是多种类型的物理或化学传感器，如电化学（电位测定、电导测定、阻抗测定）、光学（光致发光、共振表面等离子体）、机械（杠杆、压电反应）、热（热敏电阻）或者电（离子或者酶场效应晶体管）等等。所有这些具有生物识别功能的组合体通称为生物传感器。 1.2 中国生物传感器技术发展的过程 中国生物传感器研究始于20世纪八十年代初，从事生物传感器研究的科研机构有中国科学院微生物所、中国科学院上海生化所、上海冶金所、中国科学院武汉病毒所、华东理工大学和山东省科学院生物研究所等单位，直至今日，这些单位仍在生物传感器领域进行着创新研究和开发。最早展开生物传感器的研讨活动是1986年由中国微生物协会酶工程专业技术委员会组织的第一届工业生化及酶工程全国学术会议。中国酶工程专业技术委员对这一领域的国内外学术交流起到很好的作用，其活动包括定期召开的全国性酶工程学术会议和每隔二年一次的中日酶工程学术会议，其中生物传感器都是重要的研讨议题。
生物传感器的原理及应用
生物传感器的原理及应用 摘要: 随着信息技术与生物工程技术的发展，生物传感器得到了极为迅速的发展，当今各发达国家都把生物传感器列为21世纪的关键技术，给予高度的重视。生物传感器不仅广泛用于传统医学领域，推动医学发展，而且还在空间生命科学、食品工业、环境监测和军事等领域广泛应用。 关键词:生物传感器；原理；应用；发展 Abstract: As information technology and biological engineering technology, bio-sensors has been very rapid development，today's developed countries regard the biosensor technology as the key to the 21st century, given a high priority. Biosensors are widely used in traditional medicine not only to promote the development of medicine, but also in space life science, food industry, environmental monitoring and widely used in military and other fields. Keyword s: biosensor; principle; application; development
目录 一. 引言 (4) 二. 生物传感器的原理 (4) 三. 生物传感器的应用 (5) 3.1.生物传感器在医学领域的应用 (5) 3.1.1. 基于中医针灸针的传感针 (5) 3.1.2.生物芯片 (5) 3.1.3.生物传感器的临床应用 (5) 3.2.生物传感器在非传统医学领域的应用 (6) 3.2.1．在空间生命科学发展中的应用 (6) 3.2.2．在环境监测中的应用 (6) 3.2.3．在食品工程中的应用 (6) 3.2.4．在军事领域的应用 (6) 四. 生物传感器的未来 (7) 五. 结束语 (7) 六. 参考文献 (7)
酶生物传感器
酶生物传感器得应用进展 摘要：酶生物传感器就是将酶作为生物敏感基元,通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间得反应所产生得与目标物浓度成比例关系得可测信号,实现对目标物定量测定得分析仪器。与传统分析方法相比,酶生物传感器具有独特得优点:选择性高、反复多次使用、响应快、体积小、可实现在线监测、成本低，便于推广普及。本文主要论述生物酶传感器得特征、发展及酶传感器中应用得新技术。 关键词：酶生物传感器;进展;应用新技术 1概述 生物传感器(Biosensor)就是一类特殊得化学传感器,通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间得反应,然后将反应得程度用离散或连续得信号表达出来,从而得出被测物得浓度[1]。自1962年Clark[2]等人提出把酶与电极结合来测定酶底物得设想后，1967年Updike与Hicks[3]研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶电极[2]，用于定量检测血清中葡萄糖含量、此后，酶生物传感器引起了各领域科学家得高度重视与广泛研究，得到了迅速发展、 酶生物传感器就是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间得反应所产生得与目标物浓度成比例关系得可测信号，实现对目标物定量测定得分析仪器、与传统分析方法相比，酶生物传感辑就是由固定化得生物敏感膜与与之密切结合得换能系统组成，它把固化酶与电化学传感器结合在一起，因而
具有独特得优点：(1)它既有不溶性酶体系得优点，又具有电化学电极得高灵敏度;(2)由于酶得专属反应性，使其具有高得选择性，能够直接在复杂试样中进行测定、因此，酶生物传感器在生物传感器领域中占有非常重要得地位、生物传感器具有多样性、无试剂分析、操作简便、灵敏、快速、价廉、可重复连续使用等特点,已在食品发酵工业、临床医学、环境监测、军事科学等领域展现出十分广阔得应用前景[4-9]。 2酶生物传感器得基本结构 酶生物传感器得基本结构单元就是由物质识别元件(固定化酶膜)与信号转换器(基体电极)组成、当酶膜上发生酶促反应时，产生得电活性物质由基体电极对其响应、基体电极得作用就是使化学信号转变为电信号，从而加以检测，基体电极可采用碳质电极(石噩电板、玻碳电极、碳棚电极)、R电极及相应得修饰电极、 3酶生物传感器得分类 生物传感器按换能方式可分为电化学生物传感器与光化学生物传感器2种。 3、1电化学酶传感器 基于电子媒介体得葡萄糖传感器,具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好、寿命长、抗干扰性能好等优点,尤为受到重视。二茂铁由于有不溶于水、氧化还原可逆性好、电子传递速率高等优点,得到了广泛得研究与应用。
生物传感器的应用现状及发展前景
生物传感器的应用现状及发展前景 摘要：到来后，获取准确可靠的信息对现代化生产有着重大作用，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。其中生物传感器早已渗透到国民经济的各个部门如食品、制药、、、环境监测等方面。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点。相信不久的将来，生物传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 关键词：生物传感器、应用、前景 一、传感器概述 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由和转换元件组成”。 随着的到来，世界开始进入。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 传感器早已渗透到工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等各个领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 由此可见，在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 传感器的特点主要有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。 常见传感器有、、、、、、、以及等。 二、生物传感器概述 生物传感器是用生物活性材料（酶、、、抗体、抗原等）与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。 1967年.乌普迪克等制出了第一个生物传感器--葡萄糖传感器。将包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了这种葡萄糖传感器。 生物传感器的分类： ⑴按照感受器生命物质分类，可分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、、DNA传感器等等。
生物传感器的应用及发展趋势
生物传感器的应用及发展趋势 摘要: 生物传感器是一类特殊的化学传感器，是以生物体成分（如酶,抗原,抗体,激素等）或生物体本身(细胞,微生物,组织等)作为生物体敏感元件,对被测目标物具有高度选择性的检测器件。生物传感器不仅广泛用于传统医学领域，推动医学发展，而且还在空间生命科学、食品工业、环境监测和军事等领域广泛应用。 关键词:生物传感器种类；原理；应用；趋势 一.生物传感器基本结构和工作原理 生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换能器）构成，以分子识别部 分去识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部分 是生物传感器选择性测定的基础。生物传感器通过物理，化学型信号转换器捕捉目标物 与敏感元件之间的反应，并将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来，从而得出 被测量。 生物体中能够选择性地分辨特定特质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识 别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原的结合、酶与基质的 结合。在设计生物传感器时，选择适合于测定对象的识别功能物质，是极为重要的前提； 要考虑到所产生的复合物的特性。根据分子识别功能物质制备的敏感元件所引起的化学变 化或物理变化，去选择换能器，是研制高质量生物传感器的另一重要环节。敏感元件中光、热、化学物质的生成或消耗会产生相应的变化量。根据这些变化量，可以选择适光的换能器。 二.生物传感器的分类及应用 1.酶生物传感器 酶传感器是生物传感器的一种，是利用生化反应所产生的或消耗的物质的量，通过电化学 装置转换成电信号，进而选择性地测定出某种成分的器件。酶生物传感器应用于检测血糖 含量，检测氨基酸含量，测定血脂，测定青霉素和浓度，测定尿素，测定血液中的酶含量 酶传感器中应用的新技术：纳米技术 固定化酶时引入纳米颗粒能够增加酶的催化活性，提高电极的响应电流值。首先，纳米颗 粒增强在载体表面上的固定作用；其次是定向作用，分子在定向之后，其功能会有所改善；第三，由于金、铂纳米颗粒具有良好的导电性和宏观隧道效应，可以作为固定化酶之间、 固定化酶与电极之间有效的电子媒介体，从而使得氧化还原中心与铂电极间通过金属颗粒 进行电子转移成为可能，酶与电极间可以近似看作是一种导线来联系的。这样就有效地提 高了传感器的电流响应灵敏度。孟宪伟等首次研究了二氧化硅和金或铂组成的复合纳米颗 粒对葡萄糖生物传感器电流响应的影响，其效果明显优于这=种纳米颗粒单独使用时对葡萄糖生物传感器的增强作用。其原因是纳米粒子具有吸附浓缩效应、吸附定向和量子尺寸颗 粒效应，复合纳米颗粒比单独一种纳米颗粒更易于形成连续势场，降低电子在电极和固定 化酶间的迁移阻力，提高电子迁移率，有效地加速了酶的再生过程，因此复合纳米颗粒可 以显著增强传感器的电流响应。 2.免疫传感器 免疫传感器应用于检测食品中的毒素和细菌，检测DNA 光纤，检测残留的农药，毒品和滥 用药物的检测。
生物传感器原理及应用
Chapter １生物传感器 （Biosensors） ? 1.1 Generalization（概述）? 1.2 Principle （基本原理）? 1.3 Classification（分类）? 1.4 Application（应用）
1.2 生物传感器工作原理 被测对象生物敏 感膜 （分子 识别感 受器） 电 信 号 换 能 器 物理、化学反应 化学物质 力 热 光 声 . . . 图16-1 生物传感器原理图
BIOSENSORS 1.2 生物传感器原理 无论是基于电化学、光学、热学或压电 晶体等不同类型的生物传感器，其探头均由 两个主要部分组成，一是感应器，它是由对 被测定的物质（底物）具有高选择性分子识 别功能的膜构成。二是转换器，它能把膜上 进行的生化反应中消耗或生成的化学物质， 或产生的光、热等转变成电信号，最后把所 得的电信号经过电子技术的处理后，在仪器 上显示或记录下来。
换能器（T r a n s d u c e r ）感受器（R e c e p t o r ）= 分析物（Analyte ） 溶液（Solution ）选择性膜（Thin selective membrane ） 识别元件（Recognition ）生物传感器工作机理 测量信号（Measurable Signal ） BIOSENSORS
（1）将化学变化转变成电信号 酶传感器为例,酶催化特定底物发生化学反应,从而使特定生成物的量有所增减。用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合,即组成酶传感器.常用转换装置有氧电极、过氧化氢。
生物传感器技术发展的现状和未来展望
读后感 学号：2009221930 专业：检验生物技术姓名：刘志成 从上世纪60年代Clark和Lyon提出生物传感器的设想开始，生物传感器的发展已经距今已有40 多年的历史了。作为一门在生命科学和信息科学之间发展起来的一门交叉学科，生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。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。 一、生物传感器的定义与其发展历史回顾 作为生物，最基本特征之一就是能够对外界的各种刺激作出反应。其所以能够如此，首先是由于生物能感受外界的各类刺激信号，并将这些信号转换成体内信息处理系统所能接收并处理的信号。例如，人能通过眼、耳、鼻、舌、身等感觉器官将外界的光、声温度及其它各种化学和物理信号转换成人体内神经系统等信息处理系统能够接收和处理的信号。现代和未来的信息社会中，信息处理系统要对自然和社会的各种变化作出反应，首先需要通过传感器将外界的各种信息接下来并转换成信息系统中的信息处理单元（即计算机）能够接收和处理的信号。 生物传感器定义为"使用固定化的生物分子(immobilized biomolecules)结合换能器，用来侦测生体内或生体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置"。生物传感器由两个主要关键部份所构成，一为来自于生物体分子、组织部份或个体细胞的分子辨认组件，此一组件为生物传感器信号接收或产生部份。另一为属于硬件仪器组件部份，主要为物理信号转换组件。因此，如何已生化方法分离、纯化甚或设计合成特定的生物活性分子(biological active materials)，结合精确而且响应快速的物理换能器(transducers)组合成生物传感器反应系统，实为研究生物传感器的主要目的。 生物传感器可以如上述的那样，依照其感受器中所采用的生命物质而称为组织传感器、细胞传感器、酶传感器等等，也可根据所监测的物理量、化学量或生物量而命名为热传感器、光传感器、胰岛素传感器等，还可根据其用途统称为免疫传感器。药物传感器等等。生物传感器中的信号转换器，与传统的转换器并没有本质的区别。例如，可以利用电化学电极、场效应管、热每器件、压电器件、光电器件等器件作为生物传感器中的信号转换器。依照信号转换器的不同，也可将生物传感器进行分类，如压电晶体生物传感器、场效应管生物传感器等。 生物传感器的发展，自1962年Clark和Lyon两人提出酵素电极的观念以后，YSI公司于七零年代即积极投入商品化开发与生产，启开了第一代生物传感器于1979年投入医检市场，最早的商品为血糖测试用酵素电极。YSI公司的上市成功与八零年代电子信息业的蓬勃发展有很密切的关系，并且一举带动了生物传感器的研发热潮。Medisense公司继续以研发第一代酵素电极为主，于1988年由于成功的开发出调节(mediator)分子来加速响应时间与增强测试灵敏度而声名大噪，并以笔型(Pen 2)及信用卡型(companion 2)之便携式小型生物传感器产品，于1988年上市后立即袭卷70%以上的第一代产品市场，成为生物传感器业的盟主。第二代的生物传感器定义为使用抗体或受体蛋白当分子识别组件，换能器的选用则朝向更为多样化，诸如场效半导体(FET)，光纤(F OS)，压晶体管(PZ)，表面声波器(SAW)等。虽然第二代的生物传感器，自八零年代中期即开始引起广泛的研发兴趣，但一般认为尚未达医检应用阶段，预定相关技术须待世纪末前方能成熟。目前可称的上第二代的生物传感器产品为1991年上市的瑞典商Pharmacia所推出的BIAcore与BIA lite两项产品。 二、未来的展望
生物传感器的应用现状及发展前景
生物传感器的应用现状 及发展前景 https://www.wendangku.net/doc/2810791385.html,work Information Technology Company.2020YEAR
生物传感器的应用现状及发展前景 摘要：信息时代到来后，获取准确可靠的信息对现代化生产有着重大作用，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。其中生物传感器早已渗透到国民经济的各个部门如食品、制药、化工、医学、环境监测等方面。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点。相信不久的将来，生物传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 关键词：生物传感器、应用、前景 一、传感器概述 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。国家标准 GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。 随着新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 传感器早已渗透到工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等各个领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到
生物传感器发展方向
生物传感器发展方向： 目前，生物传感器的开发和应用已进入一个新的阶段，越来越引起人们的重视。生物传感器的多功能化、集成化是很重要的研究与发展方向。将半导体技术引入生物传感器，不仅给多功能生物传感器开发提供了重要途径，而且可以使传感器小型化、微型化，这在实际应用中是具有重要意义的，特别是在人体状态诊断上具有相当重要的实用价值。 Pharmacia的生物分子相互作用分析（biomolecular interaction analysis，BIA ）系统为生物传感器研究生物分子间相互作用开创了一个典范。BIA是将探针或配基固定在感应片表面，固定化的配基或探针能专一性地结合待测的生物分子，如蛋白-蛋白、受体-药物、受体-配基、生物素-亲和素、抗原-抗体、核酸-蛋白、蛋白-药物、核酸-核酸等分子间的相互作用情形，如分子的结合与解离、强度和速度以及分子间是否有空间位阻和异位效应等。用微射流技术就可以吧分子相互作用瞬间的上述动力学参量测量并记录下来，为临床医学提供有效的治疗药物、选择性更强的临床诊断，为基础医学、分子生物学研究提供更深层的分子间、细胞间的分子作用机理，这是迄今为止在分子水平和细胞水平上研究工作能够取得更多信息的设备。 BIA的核心系统应用了一种称为表面等离子体共振（surface Plasmon resonance，SPR）的技术。它的使用激光扫描固定化表面，记录分子配对，即抗体作用所导致的质量的改变。传感器片得固定化表面是由玻璃片覆盖金膜镀层，在金膜上共价结合了羧化的葡聚糖变成生物相容性载体，非特异性结合很低，可以用水溶性碳二亚胺和N-羧基丁而酰胺（NHS）把所需要的配基固定到羧化得葡聚糖上。当待测分子结合到配基层以后，SPR的共振角发生更大的变化，这种变化与待测分子的定量相关。 目前，在所有利用固定化亲和配基的操作系统中，生物传感器可能是最有希望的，不难设想将来几乎所有生物物质都可以通过生物传感器的亲和作用来进行迅速的测量和分析。现在已经有人设计出在晶体管芯片上亲和固定化几十种配基，能在几秒内测定一系列生物化学和医学诊断的数据，甚至连基因突变和缺失都可以检测，由此可以预测，它可能成为21世纪揭示人类生命科学的有力武器。 电化学DNA传感器是近几年迅速发展起来的一种全新思想的生物传感器。其用途是检测基因及一些能与DNA发生特殊相互作用的物质。电化学DNA传感器是利用单链DNA（ssDNA）或基因探针作为敏感原件固定在固体电极表面，加上识别杂交信息的电话性指示剂（称为杂交指示剂）共同构成的检测特定基因装置。其工作原理是利用（分子作用）形成双链DNA（dsDNA）（电极表面性质改变），同时借助一能识别ssDNA和dsDNA的杂交指示剂的电流响应信号的改变来达到检测基因的目的。 已有检测灵敏度高达10~13g/mL的电化学DNA传感器的报道，Hashimoto 等采用一个20聚合体的核苷酸探针修饰在金电极上检测了Pat I片段上的致癌基因u-myc。电化学DNA传感器距实用化还有相当距离，主要是传感器的稳定性、重现性、灵敏度等都还有待提高。有关DNA修饰电极的研究除对于基因检测有重要意义外，还可将DNA修饰电极用于其它生物传感器的研究，用于DNA与外源分子间的相互作用亚久，如抗癌药物筛选、抗癌药物作用机理研究;以及用于检测DNA结合分子。无疑，它将成为生物电化学的一个非常有生命力的前沿领域。 总之，生物传感器目前仍处于开发阶段。很多已经开发的生物传感器在实用
酶电化学生物传感器
酶电化学生物传感器 摘要 生物电化学传感器是生物传感器中研究最早、种类最多的一个分支，它具有专一、高效。简便、快速的优点，已应用于生物、医学及工业分析等方面。目前，生物传感器正进入全面深入研究开发的时期，各种微型化、集成化、智能化、实用化的生物传感器与系统越来越多。本文就酶电化学生物传感器特点基本结构、原理及其应用展开综述。 关键词： 生物传感器应用结构酶生物传感器 正文： 自1962年Clark等人提出把酶与电极结合来测定酶底物的设想后. 1967年Updike和Hicks 研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶电极，用于定量检测血清中葡萄糖含量。此后，酶生物传感器引起了各领域科学家的高度重视和广泛研究，得到了迅速发展。酶生物传感器是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应所产生的与目标物浓度成比例关系的可测信号，实现对目标物定量测定的分析仪器.与传统分析方法相比，酶生物传感辑是由固定化的生物敏感膜和与之密切结合的换能系统组成，它把固化酶和电化学传感器结合在一起，因而具有独特的优点：(1)它既有不榕性酶体系的优点，又具有电化学电极的高灵敏度。(2) 由于酶的专属反应性，使其具有高的选择性，能够直接在复杂试样中进行测定.因此，酶生物传感器在生物传感器领域中占有非常重要的地位. 酶生物传感器的基本结构单元是由物质识别元件(固定化酶膜)和信号转换器(基体电极)组成.当酶膜上发生酶促反应时，产生的电活性物质由基体电极对其响应.基体电极的作用是使化学信号转变为电信号，从而加以检测，基体电极可采用碳质电极(石噩电板、玻碳电极、碳棚电极)、R 电极及相应的修饰电极。 当酶电极漫入被测溶液，待测底物进入酶层的内部并参与反应，大部分酶反应都会产生或消耗一种可植电极测定的物质，当反应达到稳态时，电活性物质的浓度可以通过电位或电流模式进行测定。因此，酶生物传感器可分为电位型和电流型两类传感器。电位型传感辑是指酶电极与参比电极间输出的电位信号，它与被测物质之间服从能斯特关系。而电流型传感器是以酶促反应所引起的物质量的变化转变成电流信号输出，输出电流大小直接与底物浓度有关。电流型传感器与电位型传感器相比较具有更简单、直观的效果。 其发展也是经历了许多代的更替。第一代酶生物传感器是以氧为中继体的电催化。其缺点(1)响应信号与氧分压或溶解氧关系较大，溶解氧的变化可能引起电极响应的波动；(2) 由于氧的糟解度有限，当溶解氧贫乏时，难以对高含量底物进行测定；(3) 当由酶促反应产生的过氧化氢以足够高的浓度存在时，可能会使很多酶去活化；(4) 需采用较正的电位，抗坏血酸和尿酸等电活性物质也会披氧化，产生干扰信号。 第二代酶生物传感器（电子媒介体型）为了改进第一代酶生物传感器的缺点，现在普遍采用的是第二代酶生物传感器，即介体型酶生物传盛器。第二代生物传感器采用了含有电子媒介体的化学修饰层.此化学修饰层不仅能促进电子传递过程，使得响应的线性范围拓宽，电极的工作电位降低，同时，噪声、背景电流及干扰信号均小，且由于排除了过氧化氢，使得酶生物传感器的工作寿命延长.电子媒介体在近十年以来得到迅速发展，使用的媒介体种类也越不越多。 第三代酶生物传感器（直接电子传递型）是酶与电极间进行直接电子传递，是生物传感器构造中的理想手段.这种传感器与氧或其它电子受体无关，无需媒介体，即所谓无媒介体传感器，但由于酶分子的电活性中心深埋在分子的内部，且在电极表面吸附后易发生变形，使得酶与电极间难以进行直接电子转移，因此采用这种方法制作生物传感器有一定难度.。到目前为止，只发现辣根过氧化物酶、葡萄糖氧化酶、醋氨酸酶、细胞色素C过氧化物酶、
纳米生物传感器研究进展及其应用
纳米生物传感器研究进展及其应用
纳米生物传感器的研究进展及其应用 张雯歆 【摘要】：随着纳米技术在生物传感器领域的不断引入，纳米生物传感器在灵敏度的提高，检测限的降低，线性检测范围的拓宽以及响应时间的缩短等方面的性能得到了很好的改善。本文主要对纳米颗粒、纳米纤维、纳米管以及纳米量子生物传感器在酶、免疫以及DNA等生化领域检测方面应用的研究进展进行简单的概述。 【关键词】：纳米材料生物传感器应用 Advances of Research on application of Nano-materials in biosensors 【Abstract】：With the development of nanotechnology , the unique properties of nano-materials realize an objective to improve sensitive sensor with a wide linear range, a highly reproducible response, long-term stability and so on. The application of nano-materials (such as nanoparticle, nanofiber, nanotube) in biosensor fields introduced. The development of this field prospected in the future. 【Keywords】:nano-materials; biosensors; application 纳米技术和生物技术是21世纪的两大领先技术，在这两者之间存在着许多技术交叉，其中，纳米生物传感技术已然引起了研究领域的广泛关注。 生物传感器是一类特殊形式的传感器，由固定化的生物敏感材料作为识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器及信号放大装置构成,具有接受器与转换器的功能,从而能够检测多种生命和化学物质。纳米技术主要是针对尺度为1 nm～100 nm之间的分子世界的一门技术。该尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观物体交界的过渡区域，因此有着独特的化学性质和物理性质，如表面效应、微尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等，呈现出常规材料不具备的优越性能。纳米技