生物传感器毕业论文.doc

目录一概述1二生物传感器的基本原理、分类及特点11.生物传感器的基本原理12.生物传感器的分类13.生物传感器的特点1三几种典型的生物传感器21.酶传感器22.微生物传感器2（1）呼吸机能型微生物传感器3（2）代谢机能型微生物传感器33.免疫传感器34.生物组织传感器45.半导体生物传感器4（1）酶光敏二极管5（2）酶FET5四生物传感器应用5五生物传感器发展前景6参考文献8一概述20世纪70年代以来，生物医学工程迅猛发展，作为检测生物体内化学成分的各种生物传感器的不断出现。60年代中期起，首先利用酶的催化作用和它的催化专一性开发了酶传感器，并达到实用阶段。70年代又研制出微生物传感器、免疫传感器等。80年代以来，生物传感器的概念得到公认，作为传感器的一个分支它从化学传感器中独立出来，并且得到了发展，使生物工程与半导体技术相结合，进入了生物电子学传感器时代。生物传感器在发酵工艺、环境检测、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。二生物传感器的基本原理、分类及特点1.生物传感器的基本原理生物传感器的基本原理是待测物质与分子识别原件特异性结合，发生生物化学反应，产生的生物学信息通过信号转换器转化为可以定量转化的电、光等信号， 再经仪表放大和输出，从而达到分析检测的目的。生物传感器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、核酸等物质）。2.生物传感器的分类1.根据生物传感器中分子识别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。显而易见，所应用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合型生物传感器。3.生物传感器的特点1.采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点；2.专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响；3.分析速度快，可以在一分钟得到结果；4.准确度，一般相对误差可以达到 1%；5.操作系统比较简单，容易实现自动分析；6.成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币；7.有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。三几种典型的生物传感器1.酶传感器酶传感器是由酶敏感膜和电化学器件构成的，由于酶是蛋白质组成的生物催化剂，能催化出许多生物化学反应，生物细胞的复杂代谢就是由成千上万个不同的酶控制的。酶的催化效率极高，而且具有高度的专一性，即只能对待待测生物量（底物）进行选择性催化，并且具有化学放大的作用。因此利用酶的特性可以制造出高灵敏度、选择性好的传感器。根据输出信号方式的不同，酶传感器可以分为电流型和电位型两种。（1）电流型酶传感器 电流型是由与酶催化反应有关物质电极反应所得到的电流来确定反应物的浓度。一般采用氧电极、过氧化氢电极等。（2）电位型酶传感器电位型酶传感器是通过电化学传感器器件测量敏感膜电位来确定与催化反应有关的各种物质浓度，一般采用NH3电极、CO2电极、H2电极等。2.微生物传感器用微生物作为分子识别元件制成的传感器称之为微生物传感器，与酶相比，微生物更经济，耐久性也好。微生物本身就是具有生命活性的细胞。有各种生理机能，其主要机能是呼吸机能（氧气的消耗）和新陈代谢机能（物质的合成与分解），在不损坏微生物机能情况下，可将微生物用固定化技术固定在载体上就可制作出微生物敏感膜，而采用的载体一般是多孔醋酸纤维膜和胶原膜。微生物传感器从工作原理上分为呼吸机能型和代谢机能型。（1）呼吸机能型微生物传感器微生物的呼吸机能存在着好气性和厌气性，其中好气性微生物的生长需要氧气，因此可通过可通过测量氧气来控制呼吸机能，并了解其生理状态；而厌气性微生物相反，它不需要氧气，氧气的存在会妨碍微生物生长，而可以通过测量碳酸气消耗及其他生成物来探知生理状态。由固定化需氧性细菌膜和氧电极组合而成。它是以细菌呼吸活性物质为基础测定被测物的。当将该传感器插入含有饱和溶解氧的试液中时，试液中的有机物受到细菌细胞的同化作用，细菌细胞呼吸加强，扩散到电极表面上氧的量减少，电流减小。当有机物由试液向细菌膜扩散速度达到恒定时，细菌的耗氧量也达到恒定，此时扩散到电极表面上的氧量也变为恒定，因此产生一个恒定电流。此电流与试液中的有机物浓度存在定量关系，据此可测定有关有机物。（2）代谢机能型微生物传感器代谢机能型微生物传感器的基本原理是微生物使有机物资化而产生各种代谢生成物，这些代谢生成物中，含有遇电极产生电化学反应的物质（即电极活性物质）。因此微生物传感器的微生物敏感膜与离子选择性电极（或燃料电池型电极）相结合就构成了代谢机能型微生物传感器。由固定化的厌氧菌膜和相应的电化学传感元件组合而成。它是以细菌代谢活性物质为基础测定被测物的。此类细菌摄取有机物产生各种代谢产物，若代谢产物是氢、甲酸或各种还原型辅酶等，则可用电流法测定；若代谢产物是二氧化碳、有机酸（氢离子）等，则可用电位法测定。根据测定的电流或电位便可得到有机物浓度的信息。3.免疫传感器免疫传感器的基本原理是免疫反应。它与酶反应一样是生物体中的一个重要反应。一旦有病原体或者其他异种蛋白(抗原)侵入某种动物体内，体内即可产生能识别这些异物并把它们从体内排除的抗体。抗原和抗体结合即发生免疫反应，其特异性很高，即是具有极高的选择性和灵敏度。免疫传感器就是利用抗原(抗体)对抗体(抗原)的识别功能而研制成的生物传感器，它利用固定化抗体（或抗原）膜与相应的抗原（或抗体）的特异反应，反应的结果使生物敏感膜的电位发生变化。例如：用心肌磷质胆固醇及磷脂质抗原固定在醋酸纤维膜上，就可以对梅毒患者血清中的梅毒抗体长生有选择性的反应，其结果使膜电位发生变化。4.生物组织传感器生物组织传感器是以活的动植物组织细胞切片作为分子识别元件，并于相应的变换元件构成生物组织传感器、生物组织传感器有很多特点：(1)生物组织含有丰富的酶类，这些酶在适宜的环境中，可以得到相当稳定的酶活性，许多组织传感器工作寿命比相应的酶传感器寿命长得多；(2)在所需要的模块难以提纯时，直接利用生物组织可以得到足够高的酶活性；(3)组织识别元件制作简单，一般不需要采用固定技术。组织传感器制作的关键是选择需要酶活性较高的动、植物的器官组织。、组织传感器又分为植物组织传感器和动物组织传感器。利用相应的生物组织制成的各种传感器可以测定坏血酸、测定谷氨酰胺、测定腺苷等。组织传感器虽然在若干情况可取代酶传感器。但其实用化中还有一些问题，如选择性差、动植物材料不易保存等。5.半导体生物传感器目前，生物传感器的开发与运用已进入一个新的阶段，越来越引起人们的注意。生物传感的多能化、集成化是很重要的研究和发展方向。将半导体技术引入生物传感器，不仅给多功能的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，这在实际应用上是具有重有意义的，特别是在人体医疗诊断上具有更为重要的实用价值。半导体生物传感器是生物分子识别器件（生物敏感酶）与半导体器件结合构成的传感器。目前常用的半导体传感器是半导体光电二极管、场效应管（FET）等。半导体生物传感器具有如下特点：结构简单、便与批量生产、成本低；它属于固态传感器、机械性能好、抗震性能好、抗震性能好、寿命长；输出阻抗低，便于后续电路匹配；可在同一芯片上集成多种传感器，可实现多功能、多参数测量，是研制生物芯片与生物计算机的基础。（1）酶光敏二极管酶光敏二极管是一种新型的光生物传感器。它由催化反应的酶和光敏二极管（或晶体管）半导体器件构成，如图41所示，在硅敏二极管的表面透镜上涂上一层过氧化氢时，由于过氧化氢的催化作用，加速发光反应，产生的光子照射至硅光敏二极管的Pn结点，改变了二极管的导通状态，即将发光效应转换成光敏二极管的光电流，从而检测出过氧化氢及其浓度大小。 图41酶光敏二极管 图42 pHFET的结构（2）酶FET这类FET（场效应管）大多数由以有机物所制作的敏感膜与HFET（氢离子场效应管）组成。图42是pHFET结构图。制法是去掉FET的栅极金属，在此处固定生物敏感膜，生物敏感膜绝缘，这里为氮化硅膜，它易于被离子和水分渗透，而且表面一旦与若干水分溶化在一起时（称为水和作用），下式中的电位与氢离子浓度倒数的对数（即pH）成比例，电位发生在待测溶液的界面上。E=E02.303RT/F*pH （41）式中，R为气体常数，T为绝对温度，F为法拉第常数，E0为常数。四生物传感器应用生物传感器在当前的主要应用领域生物传感器在当前的主要应用领域，生物传感器研究的全面展开是在20世纪80年代,20多年来发展迅速,在食品、工业、环境监测、发酵工业、医学等方面得到了高度重视和广泛应用，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。 (1)食品工业 生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析。此外，也有用生物传感器测定色素和乳化剂的报道；(2)发醉工业 由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器其成本低、设备简单的特点使其具有极大的优势。所以具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、能消除发酵过程中干扰物质的干扰的微生物传感器发酵工业中得到了广泛的应用； (3)医学领域 生物传感技术不仅为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法，而且因为其专一、灵敏、响应快等特点，在军事医学方面，也具有广阔的应用前景。在军事医学中，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； (4)环境监侧 环保问题已经引起了全球性的广泛关注，用于环境监测的专业仪器市场也越来越大，目前已经有相当数量的生物传感器投入到大气和水中各 种污染物质含量的监测中去。五生物传感器发展前景生物传感器是一个多学科交叉的高技术领域，近年来，着生物科学、信息科学和材料科学发展的推动，生物传感器技术飞速发展。可以预见，生物传感器的发展将会有以下新特点：1.功能多样化和微型化 未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。当前生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器,即仿生传感器。而且随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检测食品成为可能。 2.智能化和成化程度更高 未来的生物传感器将会和计算机完美紧密的结合，能够自动采集数据、处理数据，可以更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、最终形成检测的自动化系统。同时,芯片技术将越来越多地进入传感器领域,实现检测系统的集成化、一体化。但是，要使生物传感器尽快被市场接受，还要具备以下条件：足够的敏感性和准确性；操作简单；价格便宜，容易进行批量生产；生产过程中进行质量监测；使用寿命长。相信随着一些关键技术的进一步完善，随着人们对生物体认识的不断深入， 随着各学科的不断发展，生物传感器必将在未来必将会更大的作为。参考文献【1】刘迎春、叶湘滨.新型传感器原理与应用.国防科技大学出版社.1991【2】张先恩.生物传感器原理与应用.吉林科学技术出版社.1991【3】徐同举.新型传感器基础.机械工业出版社.1987【4】刘广玉.几种新型传感器设计与应用.国防工业出版社.1988【5】庞宜生.生物传感器<传感器技术>.1985.12【6】郑仁元等.传感器应用100例.1986