生物信号检测及传感器第一章.ppt

生物信号检测及传感器,刘绍琴微纳米技术研究中心哈工大科学园B1栋505室shaoqinliu,【问题】1.电饭煲为什么能自动加热和保温而不会使饭烧焦？2.电冰箱、空调为什么可以自动控制电机的运转而保持恒温？3.全自动洗衣机为什么可以自动完成洗衣过程？4.电梯门为什么不夹人？5.自动门为什么会自动开启？6.怎样实现自动通风、自动喷水、自动报警？这一切，都要归功于现代传感器技术的发展和应用。,红外线传感器实现无接触测量,应用领域：航空摄影、卫星遥感、家电遥控、防盗防火报警器、自动门、生物探测器,传感器的概念：广义上讲传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。简单地说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。,科学技术的发展推动传感器技术的进步上世纪实现的工业生产的自动化，几乎主要依靠传感器来监视和控制生产过程的各个参数，使设备和系统正常运行在最佳状态，保证生产的高效率和高质量。,“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点现在已为全世界所公认。科学技术越发达、自动化程度越高，对各种传感器的需求越大.,现代传感器既是高科技的结晶，又在高科技中起举足重轻的作用。,一辆现代化汽车所用传感器达数十种,哥伦比亚号,如美国阿波罗登月飞行器每个安装的各种传感器达3200个。在现代的飞机、汽车、甚至家用电器也是如此.,信息采集的关键是传感器，传感器的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能，所以传感器技术已成为现代信息技术的重要支柱之一，在当代科学技术中占有十分重要的地位，是高新技术竞争的核心技术之一。其开发研究和生产能力与应用水平直接影响到科学技术的发展和应用。,各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键之一。我国从20世纪80年代以来也将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。,传感器作为向自然界获取信息的工具，几乎渗透到科学技术、社会生产和人民生活的每一个角落，彩电、冰箱、空调,我国第一种实用化的生物传感器SBA-30型乳酸分析仪,SBA-70型生物传感在线分析系统,生物传感器用以检测和识别生物体内化学成分或使用了生物组分的传感器。“Biosensor”oncereferredtoanydevicewhichrespondstochemicalspeciesinbiologicalsamplesorusingbiologicalcomponents.,应用领域：最典型的应用是在医疗卫生行业，医院里各种进行生化分析的仪器之中,图示鼻子类似为传感器,嗅觉膜生物识别元件神经细胞转换器神经纤维传导器大脑测量元件,美国人理查德阿克塞尔和琳达巴克因为他们在嗅觉领域内所做出的杰出贡献而获得了2004年度的诺贝尔医学奖。,21世纪科学技术发展总趋势,中心科学技术的转移1.信息科学技术目前是发展高峰期，预计其中心科学技术的地位还可持续四十年。2.生命科学技术现在已开始注重其发展与应用，预计21世纪30年代开始将逐步转变为中心科学技术。3.认知科学技术智能化趋势现已显露，预计21世纪70年代开始将成为科学技术发展的中心,21世纪改变人类的科学技术,科学技术物质科学信息技术生命科学生物技术纳米技术能源技术,课程内容,绪论传感器生物材料电化学生物传感器物理生物传感器（光纤、压电、半导体、表面等离子体共振、热电等）生物芯片生物传感器与生物反应系统的控制生物传感器与活体分析生物敏感元件的基因操纵,参考书,生物传感器张先恩编著化学工业出版社2005现代生物医学传感技术王平编著，浙江大学，2003彭承琳，生物医学传感器原理及应用,高等教育出版社，2000。彭军，传感器与检测技术，西安电子科技大学出版社，2003。主要参考文献:郁有文，常健，程继红，传感器原理及工程应用,西安电子科技大学出版社，2003。蔡建新，张唯真，生物医学电子学，北京大学出版社，1997。黄贤钨，传感器原理与应用，电子科技大学出版社，1999。TurnerAPF，KarubeI，WilsonGS,Biosensors:FundamentalandApplications,Oxford:OxfordUniversityPress,1987.,目的与要求,生物传感器的基本理论方法常用传感器敏感材料各种生物传感器的原理以及应用掌握传感器构成的生物信号检测系统的基本框架和应用,重点,生物传感器的分子识别元件及其生物反应基础；电化学生物传感器及各种物理传感器的原理及相关知识点；结合传感器原理深化其在生物学领域中的应用；传感器在生物学自动检测技术中的应用,考试,闭卷，占总成绩60%平时成绩：出勤+上课表现，20%口头报告，占20%闭卷，80%平时成绩：出勤+口头报告20%,任选其一,奖学金评定时不再打分,奖学金评定时根据上课表现再打分,第一章绪论,生物传感器的发展历程生物传感器的基本概念与类型生物传感器的商品开发发展趋势,传统的检测方法,生物传感器的优点,一、生物传感器的发展历程,BiomolecularInteractionAnalysis（BIA）,3个核心部分：传感器芯片，SPR光学检测系统，微射流卡盘,历届世界生物传感器学术大会的主题内容及其论文数量,Biosensors2010-20thAnniversaryWorldCongressonBiosensorsGlasgow,UnitedKingdom,Theranostics;nanobiosensors,nanomaterials,biofuelandbiologicalfuelcells;bioelectronicscommercialdevelopments,manufacturingandmarkets.,BioelectronicsCommercialbiosensors,manufacturingandmarketsDNAchips&nucleicacidsensorsEnzyme-basedbiosensorsImmunosensorsLab-on-a-chipMicrofluidics,Nanobiosensors,nanomaterials&nanoanalyticalsystemsNatural&syntheticreceptorsOrganism-andwholecell-basedbiosensorsPrintedbiosensorsandprintedelectronicsProteomics,single-cellanalysisandelectronicnosesSignaltransductiontechnologyandbiologicalfuelcellsTheranostics&nanotheranostics,第一阶段:20世纪60-70年代起步阶段,以Clark传统酶电极为代表第二阶段:20世纪70年代末期到80年代,大量学科交叉出现了各种不同原理和技术的生物传感器,代表是介体酶电极第三阶段:20世纪90年代后,以表面等离子体和生物芯片为代表,归纳,二、生物传感器的基本概念与类型,2.1.定义Biosensors对生物传感器的定义：生物传感器是一类分析器件，它将一种生物材料（如组织、微生物细胞、细胞器、细胞受体、酶、抗体、核酸等）、或生物衍生材料、或生物模拟材料，与物理化学传感器或传感微系统密切结合或联系起来，行其分析功能，这种换能器或微系统可以是光学的、电化学的、热学的、压电的或磁学的。Turner教授将其简化为：生物传感器是一种精致的分析器件，它结合一种生物的或生物衍生的敏感元件与一只理化换能器，能够产生间断或连续的数字电信号，信号强度与被分析物成比例。,CurrentDefinitionforBiosensors:,Asensorthatintegratesabiologicalelementwithaphysiochemicaltransducertoproduceanelectronicsignalproportionaltoasingleanalytewhichisthenconveyedtoadetector.,www.imec.be/ovinter/static_research/BioHome.shtml,Biosensor,“Achemicalsensorisadevicethattransformschemcialinformation,rangingfromtheconcentrationofaspecificsamplecomponenttototalcompositionanalysis,intoananalyticallyusefulsignal”IUPAC“Biosensor-asubgroupofchemicalsensorswherebiologicalhostmolecules,suchasnaturalorartificialantibodies,enzymesorreceptorsortheirhybrids,areequivalenttosyntheticligandsandareintegratedintothechemicalrecognitionprocess.HighSpecificityandselectivityRestrictedstabilitiesandlifetime,2.2生物传感器的基本原理,生物传感器由敏感元件（或生物元件）和理化换能器组成,ComponentsofaBiosensor,Detector,2.2.1、生物敏感膜(biosensitivemembrane)或分子识别元件(molecularrecognition),是生物传感器的关键元件,直接决定传感器的功能与质量。,Mustbehighlyspecific,stableunderstorageconditions,andimmobilized.,2.2.2.换能器（Transducer）将各种生物的、化学的和物理的信息转变成电信号,PrinciplesofDetection,measureschangeinmassmeasureschangeinelectricdistributionmeasureschangeinlightintensitymeasureschangeinheat,Piezo-Electric,Electrochemical,Optical,Calorimetric,PrinciplesofDetection,Piezo-ElectricBiosensors压电生物传感器,Thechangeinfrequencyisproportionaltothemassofabsorbedmaterial.,Somepiezo-electricdevicesutilizecrystals,suchasquartz,whichvibrateundertheinfluenceofanelectricfield.Thefrequencyofthisoscillationdependsontheirthicknessandcut.,Othersusegoldtodetectthespecificangleatwhichelectronwaves(surfaceplasmons)areemittedwhenthesubstanceisexposedtolaserlight.,PrinciplesofDetection,ElectrochemicalBiosensors电化学生物传感器,Amperometricforappliedcurrent:Movementofe-inredoxreactionsdetectedwhenapotentialisappliedbetweentwoelectrodes.Potentiometricforvoltage:Changeindistributionofchargeisdetectedusingion-selectiveelectrodes,suchaspH-meters.Conductimetricforimpedance,http:/www.lsbu.ac.uk/biology/enztech/index.html,PrinciplesofDetection,OpticalBiosensors光学生物传感器,Colorimetricforcolor:Measurechangeinlightadsorptionasreactantsareconvertedtoproducts.Photometricforlightintensity:Photonoutputforaluminescentorfluorescentprocesscanbedetectedwithphotomultipliertubesorphotodiodesystems.,www.manimo.it/Prodotti/,PrinciplesofDetection,CalorimetricBiosensors热生物传感器,Iftheenzymecatalyzedreactionisexothermic,twothermistorsmaybeusedtomeasurethedifferenceinresistancebetweenreactantandproductand,hence,theanalyteconcentration.,www4.tsl.uu.se/Atlas/DCS/DCSIL/therm.html,GiantMagnetoresistanceBiosensors巨磁阻生物传感器,巨磁阻(GMR)效应：材料的电阻率随着材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象（1988年法国巴黎大学物理系Fert教授，MNBaibich）2007年诺贝尔物理学奖,PrinciplesofDetection,2.2.3.检测器,Signalsfromthetransducerarepassedtoamicroprocessorwheretheyareamplifiedandanalyzed.,Thedataisthenconvertedtoconcentrationunitsandtransferredtoadisplayor/anddatastoragedevice.,2.2.4.生物放大,生物放大作用:指模拟和利用生物体内的某些生化反应，通过对反应过程中产量大、变化大或易检测物质的分析来间接确定反应中产量小、变化小、不易检测物质的(变化)量的方法。通过生物放大原理可以大幅度提高分析测试的灵敏度。生物传感器常用的生物放大作用:酶催化放大酶溶出放大酶级联放大脂质体技术聚合酶链式反应和离子通道放大等。,2.3、生物传感器的特点,(1)测定范围广泛。(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)生物传感器使用时一般不需要样品的预处理，样品中的被测组分的分离和检测同时完成，且测定时一般不需加入其它试剂。(4)采用固定化生物活性物质作敏感基元（催化剂），价值昂贵的试剂可以重复多次使用。(5)测定过程简单迅速。(6)准确度和灵敏度高。一般相对误差不超过1。(7)由于它的体积小，可以实现连续在线监测，容易实现自动分析。(8)可进入生物体内。(9)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，便于推广普及。,2.4生物传感器的分类,几种主要的生物传感器,1、酶传感器(EnzymeSensor),优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛的应用。缺点：1.酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差异的梭曼与沙林。2.酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。,酶传感器的特点：,2、组织传感器(TissueSensor),3、微生物传感器(MicroorganismSensor),4.生物芯片(Bio-chip),“生物芯片”，又称生物集成膜片，其概念来自计算机芯片，它是分子生物学技术(如核酸序列测定技术、核酸探针技术等)与计算机技术等相结合而发展起来的一项分子生物学技术。狭义的生物芯片是将生物分子(寡聚核苷酸、cDNA、基因组DNA、多肽、抗原、抗体等)固定于硅片、玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质上形成的生物分子点阵，待分析样品中的生物分子与生物芯片的探针分子发生杂交或相互作用后，利用激光共聚焦显微扫描仪对杂交信号进行检测和分析。广义的生物芯片是指能对生物成分或生物分子进行快速并行处理和分析的厘米见方的固体薄型器件，其主要种类有微阵列芯片、过滤分离芯片、介电电泳分离芯片、生化反应芯片和毛细管电泳芯片等。生物活性物质相当微小，有的要以纳米计，以点阵的方式排列在硅基上，很像计算机的芯片，所以科学家形象地将它取名为“生物芯片”。,基因芯片(Genechip)又称DNA芯片(DNAChip)蛋白质芯片（ProteinChip)细胞芯片和组织芯片芯片实验室(Lab-on-aChip),生物芯片种类,生物芯片的优点,实现分析过程的高度自动化，大大提高分析速度。减少了样品及化学药品的用量。有极高的多样品处理能力。防止污染，有效的排除了外界因素的干扰。,三、生物传感器的商品开发,生物传感器商品化要具备的条件：足够的敏感性和准确性易操作价格便宜易于批量生产、生产过程中进行质量监测。,据2004年Fuji-Keizai公司报告，2003年全球生物传感器的市场总值为73亿美元，应用领域包括在生命科学研究、疾病诊断、生物反应过程监控、环境监测、食品安全控制、检疫、国防、航天等方面2007年：108亿美元，增长率为10.42016年：144亿2000万美元,2001年，全世界生物芯片市场已达170亿美元，用生物芯片进行药理遗传学和药理基因组学研究所涉及的世界药物市场每年约1800亿美元；2000-2004年的五年内，在应用生物芯片的市场销售达到200亿美元左右。2005年，仅美国用于基因组研究的芯片销售额即达50亿美元，2010年有可能上升为400亿美元2004年3月，英国著名咨询公司FrostSulivan公司出版了关于全球芯片市场的分析报告世界DNA芯片市场的战略分析。报告认为，全球DNA生物芯片市场每年平均增长6.7%，2003年的市场总值是5.96亿美元，2010年将达到937亿美元。NanoMarkets调研公司预测，以纳米器械作为解决方案的医疗技术将在2009年达到13亿美元，并在2012年增加到250亿美元，而其中以芯片实验室最具发展潜力，市场增长率最快。,Genesystems的GeneDiscCycler,3.1.生物传感器的应用,3.2.我国生物传感器产业化的现状,表1-1中国已产业化和应用的主要生物传感器种类,3.3.商品化的生物传感器,第一大市场：糖尿病检测，80亿美元第二大市场：DNA芯片领域第三大市场：表面等离子体共振SPR生物传感器85%的应用是血糖测定仪，10%的应用是DNA芯片，剩下5%的份额则是在其它各种领域,3.3.1家用医疗保健类生物传感器,典型代表产品是手掌型血糖分析仪以及相关的胰岛素泵，它们在改善糖尿病人的健康方面起到了非常重要的作用。20世纪七十年代，当葡萄糖传感器开始用于血糖的分析后，研究者目光已集中到糖尿病相关的血糖检测技术上，并和胰岛素给药方式相联系，提出研制闭环式人工胰岛的设想。,2007年全球所有糖尿病患者的总数量是2.446亿,支出2320亿$,1987年,英国MediSense公司结合介体酶电极原理和丝网印刷技术开发出第一个手掌型和笔型血糖测定仪ExacTech1998年美国Johnson&Johnson公司所属的公司开发出OneTouch手持式血糖测定仪(光学酶传感法)目前,大约有30种手持式血糖测定仪,年销售额近80亿,手掌型血糖分析器,手掌型血糖分析器,表1-4我国市场的血糖仪系列产品,快速葡萄糖(glucose)分析仪,生物传感器应用举例,胰岛素泵,胰岛素泵又称为持续胰岛素输注泵，是为模拟自身胰岛素的生理性分泌，使血糖获得理想的控制而设计的智能式输注装置有皮下型和植入型。目前这类广泛应用的胰岛素泵还是开环式的，从严格的意义来说，它只是一种智能式的注射装置，不是一种生物传感器，但是它离不开血糖的分析.1993年6月国际卫生协会发布了为期10年的糖尿病控制与并发症试验结果，该结果证明，在糖尿病的治疗中，使用胰岛素泵的治疗效果明显优于传统的胰岛素分次注射，其血糖更平稳，并发症减少60%76%。2003年我国新增使用胰岛素泵的患者达到1500人。加上2002年1000人，两年来的总和，是2002年以前的销量总和的两倍。据此估测，在中国胰岛素泵的销售量已达到1亿元人民币。,在我国已经注册登记的胰岛素泵价格分别为1680019800元,高端保健类血糖分析仪,高端不破皮血糖分析仪包括手表式血糖分析仪和用红外传感器原理的食指按压式血糖分析仪美国Cygnus公司正在开发的手表式血糖监测仪:用低电流无痛地将血糖抽取到自耗式经皮透渗贴片(自动传感器)。该自动传感器内置一个生物传感器，安放在手表式血糖监测仪的背面，紧贴在皮肤上。收集到的血糖在自动传感器内引发电化学反应，产生电子。生物传感器测量电子数目，而ASLC芯片使电子发射值与血液中的葡萄糖浓度值相等。手表式血糖监测仪可频繁地间隔内测量血糖值,日立公司不破皮采血测定血糖的仪器。它的原理是利用长波的照射穿透身体时，葡萄糖会吸收一部分光波，光谱分析仪再根据光波被吸收的程度计算出葡萄糖值。,高精度血糖分析仪,是采用固定化酶的生物传感分析仪。其分析精度可以达到0.5-2%，比家用保健类生物传感器几乎高一个数量级，比目前医用生化分析仪的精度也高2-3个百分点多种酶传感器研究开发比较成熟，已形成商品，如美国YSI公司、德国BST公司的酶电极类仪器产品。国内较广泛应用的山东省生物研究所的两种半自动的生物传感分析仪也有十多年的历史，2003年还增加了一种新型的自动血糖-乳酸分析仪。,3.3.2用于环境检测的生物传感器,BOD传感器和毒物传感器1977年Karube等报道了能够测定水质的BOD微生物传感器的研究成果，人类第一台BOD微生物传感器宣告问世,德国研发的环境废水BOD分析仪,存在的问题：1.用于水质分析的微生物菌膜难于按照商品化仪器习惯的配套的试剂盒来开发，而且一种菌膜不能同时测量多种类型污水；2.受溶解氧分析的传感器的限制，作为水质分析的BOD分析仪测量的最低限是10毫克/升，高于国际标准五类水质的上限，因此它只能测定高浓度的有机废水，而不能对江河、海洋的水质的污染程度的进行测定；3，含有活性微生物的BOD传感器不能对同时含有重金属类毒物的高浓度有机污水进行测定，重金属类毒物会造成微生物材料不可逆中毒,使测定结果降低甚至不能延续。,3.3.3SPR生物传感器,药物分析用生物传感器其典型代表产品是SPR生物传感器，这是一种表面膜共振分析，是实时测定生物分子结合的技术1990年瑞典Pharmacia公司开发基于SPR生物传感原理的生物分子相互作用分析仪BIACore英国windsor公司-IBIS生物传感仪中国科学院电子学研究所,清华大学生物技术学院,原理:以抗原抗体结合分析为例,将抗原(或抗体)通过表面化学方法固定在芯片的金箔表面,然后让抗体(或抗原)流过,抗原抗体的结合将改变膜表面液体性状,从而影响金箔共振性质,这一改变可被实时检测并记录下来(这被称之结合相)。如改让缓冲液流过，结合的抗体(或抗原)将解离并被带走,这同样改变膜表面液体性状,检测并记录下来的金箔共振性质改变就是解离相。,3.3.4固定化酶生物传感分析仪,特点：稳定性好，分析精度高。分析成本最低。品种多，应用范围广，适用于许多生物技术产业过程监控和科学研究。分析速度快，不到20秒可以获得准确的分析结果，这在临床急症室、某些重症病人的监护等许多场合都很重要。,固定化酶生物传感器的年分析次数与酶膜的年使用量,生物传感在线分析系统，为发酵自动控制提供了新的基础平台,发酵罐,主机,计算机,固定化酶生物传感器最重要服务对象包括：临床、食品分析、发酵工业控制、环境监测、防卫安全检测等领域。例如在发酵工业的氨基酸工业(味精、天冬氨酸、丙氨酸、赖氨酸等)、抗生素工业(葡萄糖等的在线监测和控制系统)、酒类工业(酒精生物传感器1min可得到结果)、酶制剂工业(糖化酶快速分析)、淀粉糖工业(葡萄糖、淀粉、糖化酶的分析)、生物细胞培养(葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺分析)、石化工业中微生物脱硫细胞培养监控、维生素C的生产、发酵甘油的生产等,工厂发酵车间化验员正在分析样品,发酵工厂谷氨酸-葡萄糖分析,一种血糖乳酸自动分析仪,固定化酶生物传感器在全国推广应用情况,四、发展趋势,功能多样化微型化智能化与集成化低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命,生物传感器的最新进展,纳米生物传感器Nanobiosensor,Whatisnanobiosensor?,ananobiosensorisabiosensorthatonthenano-scalesizeDr.MichaelStranoattheUniversityofIllinois,Wehavedevelopedmolecularsheathsaroundthenanotubethatrespondtoaparticularchemicalandmodulatethenanotubesopticalproperties.“BestbiosensorwillbemadefromnanostructureThescaleofBioisaboutsmall(Nanoand/ormicro)Nano+Bio+SensorNano-scale(Nanoscience&nanotechnology)Bio(bio/medical/chemical)applicationsSensors,生物世界的纳米级构造单元,Thecompaniesandresearchersinnanotechnologytargetbreakingfundamentallimitsoftodaysproventechnologies.,NanotechnologyImpactinAdvancedTechnologies,NanotechnologyImpactonMarkets,NanotechnologyandApplicationTimeline,NanotechnologyandApplicationTimeline,NanomechanicalbiosensorsMicrocantileverstranslatemolecularrecognitionofbiomoleculesintonanomechanicalmotionthatiscommonlycoupledtoanopticalorpiezoresistiveread-outdetectorsystem.Theyarederivedfromthemicrofabricatedcantileversusedinatomicforcemicroscopy(AFM)andarebasedonthebendinginducedinthecantileverwhen,forexample,abiomolecularinteractiontakesplaceononeofitssurfaces.thelandmarkpaper:Fritzetal.inScience,288(2000)316,2000,Exam