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生物传感器 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 molecularlyimpriniedpolymer mip 目前 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 血糖 乳酸测定流程 体育上耐力训练 生物传感器 biosensor 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与适当的理化换能器及信号放大装置构成的分析工具或系统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 1发展历程 1962年 clark教授 酶电极1967年 updike hicks 酶传感器1975年 c divis提出用完整的微生物活细胞取代纯酶制作的传感器1977年 美国a rchnitz研制出检测测精氨酸的微生物电极1979年 a rchnitz成功研制出了测定谷氨酰胺的组织传感器20世纪80年代 牛津出版社 生物传感器 基础与应用 1990年 在新加坡召开了 首届世界生物传感器学术大会 2结构与原理 2 1结构生物传感器主要包括两个部分 分子识别元件和换能器2 1 1分子识别元件 2结构与原理 2 1 2换能器换能器的作用是将各种生物的 化学的和物理的信息转换成电信号 生物学反应过程产生的信息是多元化的 微电子学和传感器技术的现代成果为检测这些信息提供了丰富的手段 使得研究者在设计生物传感器时换能器的选择有足够的回旋余地 主要的换能器包括氧电极 光敏管 场效应管 和压电晶体等 2结构与原理 3 2原理被分析物扩散进入固定化生物敏感膜 经分子识别 发生生物学反应 产生的信息继而被相应的化学换能器或物理换能器转变成可定量和可处理的电信号 再经检测放大器放大并输出 便可知道待测物浓度 待分析物 生物敏感膜 物理或化学量的变化 换能器 可定量加工的电信号 3分类 酶传感器 enzymesensor 微生物传感器 microbialsensor 细胞传感器 organallsensor 组织传感器 tissuesensor 免疫传感器 immunolsensor 3 1根据生物传感器中分子识别元件可分为五类 2分类 3 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 bioelectrodesensor 半导体生物传感器 semiconductbiosensor 光生物传感器 opticalbiosensor 热生物传感器 calorimetricbiosensor 压电晶体生物传感器 piezoelectricbiosensor 3 3以待测物与分子识别元件的相互作用方式进行分类 生物亲合型生物传感器 affinitybiosensor 4特点 4 1速度快 成本低采用固定化酶膜作为分析工具 酶法分析试剂可以反复使用数千次 其分析成本大大降低 分析速度快 不到20s可以获得准确的分析结果4 2专一性强生物传感器只对特定的底物起反应 而且不受颜色和浊度的影响 因此一般不需要进行样品的预处理 干扰少 4 3稳定性好 分析精度高像目前市场上应用的高精度血糖分析仪是采用固定化酶的生物传感分析仪 其分析精度很高4 4操作系统简单 容易实现自动分析4 5作用广 应用价值大现在生物传感器的应用 涉及到医疗保健 疾病诊断 食品检测 环境监测 发酵工业等领域 4特点 5应用领域 5 1食品工业 食品成分分析在食品工业中 葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标 已开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒 苹果汁 果酱和蜂蜜中的葡萄糖 其它糖类 如果糖 啤酒 麦芽汁中的麦芽糖 也有成熟的测定传感器 食品添加剂的分析亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂 采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸盐含量 5应用领域 3 农药残留量分析近年来 人们对食品中的农药残留问题越来越重视 各国政府也不断加强对食品中的农药残留的检测工作 yamazaki等人发明了一种使用人造酶测定有机磷杀虫剂的电流式生物传感器 可用于检测果蔬表面有机磷农药 4 微生物和毒素的检验食品中病原性微生物的存在会给消费者的健康带来极大的危害 食品中毒素不仅种类很多而且毒性大 大多有致癌 致畸 致突变作用 因此 加强对食品中的病原性微生物及毒素的检测至关重要 一种快速灵敏的免疫生物传感器可以用于测量牛奶中双氢除虫菌素的残余物 它是基于细胞质基因组的反应 通过光学系统传输信号 已达到的检测极限为16 2ng ml 一天可以检测20个牛奶样品 5应用领域 5应用领域 5 2环境监测 1 水环境监测生物需氧量 bod 是一种广泛采用的表示有机物污染程度的综合性指标 国外普遍采用的bod生物传感器一般是将微生物膜固定在溶解氧的探头上 当样品溶液通过传感器检测系统时 渗透通过多孔膜的有机物被固定化的微生物吸收 消耗氧 引起膜周围溶解氧减少 使氧电极电流随时间急剧减小 2 大气环境监测二氧化硫 s02 是酸雨酸雾形成的主要原因 传统的检测方法很复杂 martyr等人将亚细胞类脂类 含亚硫酸盐氧化酶的肝微粒体 固定在醋酸纤维膜上 和氧电极制成安培型生物传感器 对s02形成的酸雨酸雾样品溶液进行检测 lomin可以得到稳定的测试结果 5应用领域 1 原材料及代谢产物的测定微生物传感器可用于测量发酵工业中的原材料和代谢产物 测量的装置基本上都是由适合的微生物电极与氧电极组成 原理是利用微生物的同化作用耗氧 通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量 从而达到测量底物浓度的目的 2 微生物细胞数目的测定人们发现在阳极表面上 菌体可以直接被氧化并产生电流 这种电化学系统可以应用于细胞数目的侧定 侧定结果与常规的细胞计数法测定的数值相近 利用这种电化学微生物细胞数传感器可以实现菌体浓度连续 在线的测定 5 3发酵工业 5应用领域 5 4医学 1 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 目前 已成功地应用于血糖 乳酸 维生素c 尿酸 尿素 谷氨酸等物质的检测 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 乙醉 胆固醇等传感器 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 5应用领域 2 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化武器的有效措施 生物传感器已应用于监测多种细菌 病毒及其毒素 如鼠疫耶尔森菌 肉毒杆菌类毒素等 此外 在法医学中 生物传感器可用作dna鉴定和亲子认证等 6产业现状 我国生物传感器领域的主要研究机构 6产业现状 我国生物传感器领域的主要研究机构 生物传感器在全国应用数量和地理分布 东北46 华北93 华东148 台湾2 华南31 华中58 西部25 6产业现状 当前我国生物传感器产业化现状和市场特点是 我国自主研发生物传感器产品及跨国企业集团在中国推出的产品共存并相互竞争 一些掌握生物传感器技术的跨国大企业集团 看好被称为 世界工厂 的中国市场 采取技术输出的途径 吸收我国的技术力量和销售途径 在我国市场上进行生物传感器的开发 产品制造和销售 一部份海外留学归国的生物传感器专门人才也将自己的成果在中国转化并设厂办企业 家用保健类生物传感器技术已率先较好地实现了产业化突破 取得了显著经济效益 固定化酶生物传感器作为一类多品种的精密科学仪器 支撑了一部份生物技术过程检测 对传统生物产业技术改造具有重要意义 6产业现状 我国已产业化和应用的主要生物传感器种类 手掌型血糖分析器 胰岛素泵 固定化酶生物传感分析仪 bod生物传感器 spr生物传感器 6产业现状 我国生物传感器的产业