生物传感器ppt

（1）电位信号测量方法
对于一个选择性膜电极，当其他外界条 件固定时，膜电位与溶液中待测离子活度 （或浓度）的对数值呈线性关系，即符合 能斯特关系式。由于单个电极电位值是无 法测量的，通常将待测电极与一个参比电 极组成一个电池，测量其电位差值。采用 的参比电极处理可使用标准氢电极外常常 使用甘汞电极和银-氯化银电极（结构如下 图）。
将生物活性物质如酶固定在栅极 氢离ຫໍສະໝຸດ Baidu敏感膜（SiO2水化层）表 面，样品溶液中的待测底物扩散 进入酶膜。假设是检测酶催化后 的产物（反应速率取决于底物浓 度），产物向离子选择性膜扩散 的分子浓度不断积累增加，并在 酶膜和离子选择性膜界面达到衡 定。
通常，酶-FET传感器都含有双栅极， 一只栅极涂有酶膜，作为指示用FET， 另一支涂上非活性酶膜或清蛋白膜作 为参比FET，两个FET制作在同一芯片 上，对pH和温度以及外部溶液电场变 化具有同样的敏感性，也就是说，如 果两支FET漏电流出现了差
液体接界电位（浓差电位）
（3）膜电极电位
一个离子选择性膜 与两侧溶液相接 触，膜相中离子I+ 与溶液中I+发生交 换反应，最终在 两个界面处会形 成两个液体接界 电位（即道南电 位1和2）由于膜 较厚，膜相内也 会存在不同离子 扩散所产生的扩 散电位d，因此整 个膜电位 m=D1+D2+d
1.2 基本电化学信号测量技术
场效应晶体管结构图
场效应晶体管（FET）有四个末端， 当栅极与基-片P-Si短路时，源极与漏 极之间的电流为漏电流。如果施加外 电压，同时栅极电压对基片为正，电 子便被吸引到栅极下面，促进了源极 和漏极两个n区导通。因此栅极电压 变化将控制沟道区导电性能-漏电流的 相应变化。因此只要设法利用生物反 应过程所产生的物质来影响栅极电压， 便可设计出半导体生物传感器。氢离 子敏的FET是常用的信号转换器。
酶传感器 固定化酶
微生物传感器
固定化微生物 生物分子 固定化抗体 免疫传感器 识别元件
固定化寡链核苷酸
生物组织切片
基因传感器
组织传感器
生物传感器按生物分子识别元件敏感物质分类
3、根据生物传感器的信号转化器 分：
电化学生物传感器 （bioelectrode） 半导体生物传感器 （semiconductbiosensor） 测热型生物传感 （calorimetricbiosensor） 测光型生物传感器 （opticalbiosensor） 压电晶体生物传感器 （piezoelectricbiosensor）
采用TTL-IC振荡 电路驱使石英晶 体谐振于其固有 的频率，图是压 电石英晶体传感 器的工作系统。
压电石英晶体传感器的工作系统
当石英晶体便面附着层的质量改变时 其频率随之改变，用Sauerbrey方程来 描述。即△F =KF2 △m /A，式中， △F 是晶体吸附外表物质后振动频率 （Hz）的变化；K为常数；F为压电晶 体的基础频率（MHz）； △m 为附 着层物质的质量变化。通常可检测低 至10-10g/cm2级的痕量物质，因此常称 之为石英晶体微天平。
（1）固体电极的相间电位
将金属电极插入电解质溶液中，从 外表看，似乎不起什么变化。但 实际上，金属晶格上原子被水分 子极化、吸引，最终有可能脱离 晶格以水合离子形式进入溶液。 同样，溶液中金属离子也有被吸 附到金属表面的，最终二者达到 一个平衡。
由于核电粒子 在界面间的净 转移而产生了 一定的界面电 位差。该类电 位主要产生于 金属为基体的 电极，它与金 属本性、溶液 性质、浓度等 有关。
1.电化学型信号转换器 电化学电极（固体电极、离子选择性 电极、气敏电极等）作为信号转换器 已广泛用于酶传感器、微生物传感器 及其他类型的生物传感器中。化学反 应与电荷变化密切相关，将待测物质 以适当形式置于电化学反应池，测量 其电化学性质（如电位、电流和电容 等）变化可实现物质含量的测定。
1.1基本电化学概念
若对石英晶体施加电场作用时， 同样会引起内部正、负电荷中心的 相对位移而导致石英晶体变形，且 应变与外电场强度成正比；外电场 方向改变，石英晶体形变方向也随 之改变。当外加电场的振荡频率与 石英晶体固有振荡频率一致时，石 英晶体处于谐振状态。通常使用的 是AT切割型石英晶体（频率温度系 数最小），并在其两面真空喷镀一 层导电用的金属电极。
1.3 特点与应用
电化学电极及相关的电化学 测试技术具有性能稳定、适用范 围广、易微型化特点，已在酶传 感器、微生物传感器、免疫传感 器、DNA传感器中得到应用。
目前，微电极技术也已应用 于探讨细胞膜结构与功能、脑神 经系统的在体研究（如多巴胺、 去甲肾上腺素在体测量）等生物 医学领域。
2.离子敏场效应晶体管型信号 转器 ion sensitive effect transistor， 简称ISFET 2.1结构与原理
位，通常可采用三 用于电流测量的三电极测量体系
电极测量体系如图 所示。
电解回路由工作电极和对电 极构成，电位的测量和控制由参 比电极与工作电极回路实现。测 量时采用线性扫描法、恒电位法 等方式，测量的电流信号与发生 电极氧化（或还原）的物质浓度 相关。
生物传感器中常涉及用电流法 测量O2、H2O2等其他活性物质浓 度。
在检测时，由于识别元件的催化 作用或因构造和物性变化引起焓 变化，可借助热敏电阻把其变换 为电信号输出。现已在医疗、发 酵、食品、环境、分析测量等很 多方面得到应用，如在发酵生化 生产过程中，广泛用于测定青霉 素、头孢菌素、酒精、糖类和苦 杏仁等。
4.压电晶体信号转换器
4.1 结构与原理
压电晶体型信号转换器是 基于石英晶体的压电效应。 在一定方向上施加机械力 时石英晶体产生变形，就 会引起它们内部正负电荷 中心相对位移而产生极化， 从而导致其两个相对表面 （极化面）上出现符号相 反的束缚电荷，当外力消 失后，又恢复到不带电状 态。当外力发生变化时表 面电荷极性随之改变，这 压电晶体型转换器 种现象物理学称为（顺） 压电效应。
4.2特点与应用
压电石英晶体传感器的特点： 1.仪器装置简单、成本低廉； 2.灵敏度高、易自动化、使用范围
广； 3.可发展一类非标记的亲和型生物
传感器检测方法。
在免疫学、微生物学、基因检测、 血液流变、药理研究以及环境等 科学领域具有重要应用价值和开 发前景。
5.光纤光学型信号转换器
5.1结构与原理 光纤是用来传输光波能量的。在 传播过程中，光波的导波参量会 发生变化，如振幅、相位、偏振 度、强度、波长、频率等，尤其 是外界因素（如压力、温度、振 动、浓度）对光纤的作用 更会引 起上述参量发生较大的变化。
光纤生物传感信号转换器主要由 光纤和生物敏感膜组成。分析测 试时将传感器端插入待测溶液中， 当光通过光纤达到传感端时，由 于传感膜中生物活性成分和待测 组分之间的相互作用引起传感层 光学性质变化。
将酶、辅酶、生物的受体、抗原、 抗体、核酸、动植物组织或细胞、 微生物等敏感膜安装在光纤、平 面波导或毛细血管波导面上，对 样品中的待测物质进行选择性的 分子识别，再转换成各种光信息， 如紫外光、可见光及红外光的吸 收与反射，荧光、磷光、化学发 光和生物发光、拉曼辐射、光声 和表面等离子体共振等信号输出。
生物传感器
biosensor
授课老师：周东坡 学生：寇秋莉 贾丽丽
Outline：
生物传感器概念 生物传感器类 生物传感器结构和原理 生物传感器的信号转换器 微生物传感器 生物传感器应用领域
一、what is biosensor?
1、概述
传感器是一种信息获取与处理 的装置。 对物质成分传感的器件 就是化学传感器，它是一种小型 化的、能专一和可逆地对某种化 学成分进行应答反应的器件，并 能产生与该成分浓度成比例的可 测信号。
固体电极的相间电位
（2）液体接界电位 （浓差电位）
其产生的条件是相 互接触的两液存在 浓差梯度，同时扩 散的离子其淌度不 同。界面两侧HCl 浓度不同，左侧的 H+和Cl-不断向右 侧扩散，同时由于 H+的淌度比Cl-淌 度大，最终界面右 侧将分布过剩正电 荷，左侧有相应的 负电荷，形成了液 体接界电位。
2、根据生物传感器中生物分子识 别元件上的敏感物质分：
酶传感器（enzymesensor） 微生物传感器（microbialsensor） 组织传感器（tis-suesensor） 基因传感器 细胞传感器（organallsensor） 免疫传感器（immunolsensor）
生物传感器分类示意图
④可在同一硅片上集成多种传感器， 对样品中不同成分同时进行测量 分析。
FET的应用：
离子敏场效应晶体管可作为 酶（水解酶）、微生物传感器中 的信号转换器。
3.热敏电阻型信号转换器
热敏电阻是由铁、镍、钴、 钛等金属氧化物构成的半导体。 从外形上分类有珠型、片型、棒 型、厚膜型、薄膜型与触点型等。 凡有生物体反应的地方，大都可 观察到放热或吸热反应的热量变 化（焓变化）。
热敏电阻生物传感器就是以测定 生化反应焓（enthalpy)变化作为 测定基础。若测量系统是一个绝 热系统，借助于热敏电阻，可根 据对系统温度变化的测量实现试 样中待测成分的测定。
酶热敏电阻的测量系统
3.2特点与应用
作为温度传感器的热敏电阻具有如 下几个特点： 1.灵敏度高，温度系数为-4.5%/K，
2）.由于它的体积小，可以实现连 续在线监测；
3）.响应快，样品用量少，且由于 敏感材料是固定化的，可以反复 多次使用；
4）.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。
二、生物传感器分类
1、根据传感器输出信号的产生 方式：
生物亲和型生物传感器 （affinitybiosensor） 代谢型生物传感器 催化型生物传感器
值，那只能是酶FET中催化反应所致， 而与环境温度pH加样体积和电场噪声 等无关，故其差值与被测产物的浓度 呈比例关系。
2.2特点与应用
FET的特点： ①结构简单，体积小，便于批量制
作，成本低： ②属于固态传感器，机械性能好、
耐震动、寿命长； ③输出阻抗低，与检测器的连接线
甚至不用屏蔽，不受外来电场干 扰，测试电路简化；
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、 蛋白质、DNA、抗体、抗原、生 物膜、微生物、细胞等)作为识别 元件，将生化反应转变成可定量 的物理、化学信号，从而能够进 行生命物质和化学物质检测和监 控的装置。
2、生物传感器与传统的分析方法 相比，具有如下的优点：
1）.生物传感器是由选择性好的生 物材料构成的分子识别元件，因 此一般不需要样品的预处理，样 品中的检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；
灵敏度约为金属的10倍； 2.因体积很小故热容量小、响应速
度快； 3.稳定性好，使用方便，价格便宜。
因为对于许多生物体反应都可观 察到放热或吸热反应的热量变化 （焓变化），所以酶热敏电阻生 物传感器测量对象范围广泛，使 用于的分子识别元件包括酶、抗 原、抗体、细胞器、微生物、动 物细胞、植物细胞、组织等。
转换器（换能器transducer ）
生物传感器的选择性取决于它 的生物敏感元件，而生物传感器 的其他性能则和它的整体组成有 关。
生物传感器的传感原理
分子识别 生物功能性膜
化学物质 热 光 质量
介电性质
电极、半导体等
热敏电阻
电
光纤、光度计 信
压电晶体等
号
表面等离子共振
信号转换器
四、生物传感器中的信 号转换器
三、生物传即感感受器器，结具有构分子和识原别能理 力的生物活性物质（如组织 切片、细胞、细胞器、细胞 膜、酶、抗体、核酸、有机 分子识别元物件分子等）； 主要有电化学电极（如电位、电流 的测量）、光学检测元件、热敏电阻、 场效应晶体管、压电石英晶体及表面等 离子共振器件等，从而达到分析监测的 目的。
生物传感器中常涉及 用电位法测量 H+NH3、 CO2的浓度。 1.电引线 2.电极帽 3.甘汞芯 4.玻璃外壳 5.饱和KCl 6.多孔陶瓷塞 7.KCl补液口
甘汞电极
（2）电流信号测量方法
物质在电极上发生 氧化还原反应与其 自身的电极电位相 关，控制电极电位 可以有选择地使溶 液中某成分发生氧 化或还原反应。当 电路中有电流通过 时电极将发生极化 现象，使得电极电 位偏离平衡电位值。 为了有效的测量和 控制研究电极的电