生物傳感器

簡介

1. 生物傳感器的基本構(gòu)成：

2.生物傳感器的工作原理：

3.生物傳感器的分類：

5. 生物傳感器的固定方法（生物工程中使用）：

6.生物傳感器的簡單舉例：

7.生物傳感器的應(yīng)用及發(fā)展：

生物傳感器，是一種對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進行檢測的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識別元件(包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì))、適當?shù)睦砘瘬Q能器(如氧電極、光敏管、場效應(yīng)管、壓電晶體等等)及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。

生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學換能器有機結(jié)合的一門交叉學科，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進的檢測方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。在未來21世紀知識經(jīng)濟發(fā)展中，生物傳感器技術(shù)必將是介于信息和生物技術(shù)之間的新增長點，在國民經(jīng)濟中的臨床診斷、工業(yè)控制、食品和藥物分析（包括生物藥物研究開發(fā)）、環(huán)境保護以及生物技術(shù)、生物芯片等研究中有著廣泛的應(yīng)用前景。

        

• 將化學變化轉(zhuǎn)換成電信號。（間接）
• 將熱變化轉(zhuǎn)換成電信號。（間接）
• 將光效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號。（間接）
• 直按產(chǎn)生電信號。（直接）
  

將化學變化轉(zhuǎn)換成電信號的生物傳感器

將熱變化轉(zhuǎn)換成電信號的生物傳感器

將光效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號的生物傳感器

直按產(chǎn)生電信號的生物傳感器

生物傳感器主要有下面三種分類命名方式：

1．根據(jù)生物傳感器中分子識別元件即敏感元件可分為五類：酶傳感器，微生物傳感器，細胞傳感器，組織傳感器和免疫傳感器。顯而易見，所應(yīng)用的敏感材料依次為酶、微生物個體、細胞器、動植物組織、抗原和抗體。

2．根據(jù)生物傳感器的換能器即信號轉(zhuǎn)換器分類有：生物電極傳感器，半導體生物傳感器，光生物傳感器，熱生物傳感器，壓電晶體生物傳感器等，換能器依次為電化學電極、半導體、光電轉(zhuǎn)換器、熱敏電阻、壓電晶體等。

3．以被測目標與分子識別元件的相互作用方式進行分類有生物親合型生物傳感器。

三種分類方法之間實際互相交叉使用。

4.生物傳感器的固定方法（生物工程中使用）：

物理方法：夾心法，吸附法，包埋法

化學方法：共價連接法，交聯(lián)法

隨著半導體生物傳感器的發(fā)展，出現(xiàn)了集成電路工藝制膜技術(shù)如光平板印刷法，噴射法

• 生物傳感器的簡單舉例：
  

•    酶傳感器：酶傳感器是生物傳感器的一種，是利用生化反應(yīng)所產(chǎn)生的或消耗的物質(zhì)的量，通過電化學裝置轉(zhuǎn)換成電信號，進而選擇性地測定出某種成分的器件。
•    電化學裝置轉(zhuǎn)換成電信號的方式有電位法和電流法兩種:電位法是指根據(jù)各種離子在感應(yīng)膜上產(chǎn)生的電位，進一步顯示出參與反應(yīng)的各種離子濃度的方法，所需元件有氨電極、氫電極和二氧化碳電極等。電流法是指通過電極活性物質(zhì)(如某些離子)的正負電極處發(fā)生化學反應(yīng)所產(chǎn)生的電流值來檢測被測物質(zhì)濃度的方法，所需元件有氧電極、過氧化氫電極等。
•    微生物傳感器：免疫傳感器：免疫傳感器作為一種新興的生物傳感器中，以其鑒定物質(zhì)的高度特異性、敏感性和穩(wěn)定性受到青睞 ，它的問世使傳統(tǒng)的免疫分析發(fā)生了很大的變化。它將傳統(tǒng)的免疫測試和生物傳感技術(shù)融為一體，集兩者的諸多優(yōu)點于一身，不僅減少了分析時間、提高了靈敏度和測試精度，也使得測定過程變得簡單，易于實現(xiàn)自動化，有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展 ，已經(jīng)研制出能對各種微生物、細胞表面抗原或各種蛋白質(zhì)抗原分泌單克隆抗體的融合細胞 ，由這些細胞產(chǎn)生的單克隆抗體，已廣泛進入生物學及其他領(lǐng)域。隨著雜交瘤(hybrido2ma)技術(shù)的發(fā)展，使得各種化合物都可能產(chǎn)生相應(yīng)的抗體。這將會使免疫測試有更加廣泛的應(yīng)用前景。
•    半導體生物傳感器：在生物分子檢測領(lǐng)域，酶電極傳感器是最早研制成功并廣泛應(yīng)用于谷氨酸、血糖、尿素、蛋白質(zhì)等物質(zhì)快速檢測的一種傳感器。隨著科技的進步，利用半導體電子器件的電學性能對外加電場變化非常靈敏的特性，研究人員構(gòu)建了不同結(jié)構(gòu)的半導體場效應(yīng)晶體管，分別實現(xiàn)了對不同生物分子的高靈敏、高選擇性和快速響應(yīng)的電子識別。常見的半導體生物傳感器依據(jù)構(gòu)建的材料可分為硅納米線、碳納米管、石墨烯以及氧化鋅等半導體電子器件，而無論是哪種材料的傳感器均能夠?qū)崿F(xiàn)對DNA、蛋白質(zhì)、葡萄糖及核酸等生物分子的高靈敏檢測。
  

1、開發(fā)新型傳感器

    新型傳感器，大致應(yīng)包括：①采用新原理；②填補傳感器空白；③仿生傳感器等諸方面。它們之間是互相聯(lián)系的。傳感器的工作機理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。結(jié)構(gòu)型傳感器發(fā)展得較早，目前日趨成熟。結(jié)構(gòu)型傳感器，一般說它的結(jié)構(gòu)復雜，體積偏大，價格偏高。物性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優(yōu)點，加之過去發(fā)展也不夠。世界各國都在物性型傳感器方面投入大量人力、物力加強研究，從而使它成為一個值得注意的發(fā)展動向。其中利用量子力學諸效應(yīng)研制的低靈敏閾傳感器，用來檢測微弱的信號，是發(fā)展新動向之一。

　　2、集成化、多功能化、智能化

    傳感器集成化包括兩種定義，一是同一功能的多元件并列化，即將同一類型的單個傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來，排成1維的為線性傳感器，CCD圖象傳感器就屬于這種情況。集成化的另一個定義是多功能一體化，即將傳感器與放大、運算以及溫度補償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個器件。

　　隨著集成化技術(shù)的發(fā)展，各類混合集成和單片集成式壓力傳感器相繼出現(xiàn)，有的已經(jīng)成為商品。集成化壓力傳感器有壓阻式、電容式、等類型，其中壓阻式集成化傳感器發(fā)展快、應(yīng)用廣。

　　傳感器的多功能化也是其發(fā)展方向之一。所謂多功能化的典型實例，美國某大學傳感器研究發(fā)展中心研制的單片硅多維力傳感器可以同時測量3個線速度、3個離心加速度(角速度)和3個角加速度。主要元件是由4個正確設(shè)計安裝在一個基板上的懸臂梁組成的單片硅結(jié)構(gòu)，9個正確布置在各個懸臂梁上的壓阻敏感元件。多功能化不僅可以降低生產(chǎn)成本，減小體積，而且可以有效的提高傳感器的穩(wěn)定性、可靠性等性能指標。

　　把多個功能不同的傳感元件集成在一起，除可同時進行多種參數(shù)的測量外，還可對這些參數(shù)的測量結(jié)果進行綜合處理和評價，可反映出被測系統(tǒng)的整體狀態(tài)。由上還可以看出，集成化對固態(tài)傳感器帶來了許多新的機會，同時它也是多功能化的基礎(chǔ)。

　　傳感器與微處理機相結(jié)合，使之不僅具有檢測功能，還具有信息處理、邏輯判斷、自診斷、以及“思維”等人工智能，就稱之為傳感器的智能化。借助于半導體集成化技術(shù)把傳感器部分與信號預(yù)處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成智能傳感器。可以說智能傳感器是傳感器技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的實現(xiàn)將取決于傳感技術(shù)與半導體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這類傳感器具有多能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點，可以肯定地說，是傳感器重要的方向之一。

　3、新材料開發(fā)

　　傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ),是傳感器技術(shù)升級的重要支撐。隨著材料科學的進步,傳感器技術(shù)日臻成熟,其種類越來越多,除了早期使用的半導體材料、陶瓷材料以外,光導纖維以及超導材料的開發(fā),為傳感器的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。例如,根據(jù)以硅為基體的許多半導體材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化,以及半導體光熱探測器具有靈敏度高、精度高、非接觸性等特點,發(fā)展紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等現(xiàn)代傳感器;在敏感材料中,陶瓷材料、有機材料發(fā)展很快,可采用不同的配方混合原料,在精密調(diào)配化學成分的基礎(chǔ)上,經(jīng)過高精度成型燒結(jié),得到對某一種或某幾種氣體具有識別功能的敏感材料,用于制成新型氣體傳感器。此外,高分子有機敏感材料,是近幾年人們極為關(guān)注的具有應(yīng)用潛力的新型敏感材料,可制成熱敏、光敏、氣敏、濕敏、力敏、離子敏和生物敏等傳感器。傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,也促進了更新型材料的開發(fā),如納米材料等。美國NRC公司已開發(fā)出納米ZrO2氣體傳感器,控制機動車輛尾氣的排放,對凈化環(huán)境效果很好,應(yīng)用前景比較廣闊。由于采用納米材料制作的傳感器,具有龐大的界面,能提供大量的氣體通道,而且導通電阻很小,有利于傳感器向微型化發(fā)展，隨著科學技術(shù)的不斷進步將有更多的新型材料誕生。

    通過對于生物傳感器的資料的查找與理解，我學到了很多知識，也發(fā)現(xiàn)原來在我們平時的日常生活中已經(jīng)有很多關(guān)于生物傳感器的應(yīng)用，也有了對于學習傳感器的興趣，希望在更遠的將來會有越來越多的傳感器被發(fā)明出來并且應(yīng)用到人們的生活中，同時生物傳感技術(shù)在臨床研究、食品分析、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的發(fā)展趨勢必將由單一功能向多功能發(fā)展，加速向微型化、智能化、集成化方向發(fā)展，并在相應(yīng)的研究領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。