感器时期
酶FET 酶光二极管
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生物传感器的发展史(2)
生物传感器发展的整体划分:
❖ 第一代生物传感器以将生物成分截留在膜上或结合在膜 上为基础，这类器件由透析器(膜)、反应器(膜)和电化学 转换器所组成，其实验设备相当简单。
❖ 第二代生物传感器是指将生物成分直接吸附或共价结合 在转换器的表面上，从而可略去非活性的基质膜。
压电晶体生物传感器
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生物传感器的固定方法
固定化技术：把生物活性材料与载体固定化成 为生物敏感膜。
1. 物理方法：夹心法、吸附法、包埋法； 2. 化学方法: 共价连接法、交联法； 3. 近年来, 由于半导体生物传感器迅速发展,
因而又出现了采用集成电路工艺制膜技术。
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夹心法
❖ 将生物活性材料封闭 在双层滤膜之间，形 象地称为夹心法。
❖ 此方法的特点是一般不产 生化学修饰，对生物分子 活性影响较小；缺点是分 子量大的底物在凝胶网格 内扩散较固难。
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生物传感器的特点
1. 根据生物反应的奇异和多样性，从理论上讲可以制 造出测定所有生物物质的多种多样的生物传感器；
2. 这类生物传感器是在无试剂条件下工作的(缓冲液 除外)，比各种传统的生物学和化学分析法操作简 便、快速、准确；
3. 可连续测量、联机操作、直接显示与读出测试结果。
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生物传感器的分类 ❖ 按分子识别元件分类 ❖ 按换能器分类
3
生物传感器的发展史(1)
❖ 最先问世的生物传感器是酶电极， Clark和Lyons最先提出组成酶电极 的设想。
❖ 70年代中期，人们注意到酶电极的 寿命一般都比较短，提纯的酶价格也 较贵，而各种酶多数都来自微生物或 动植物组织，因此自然地就启发人们 研究酶电极的衍生型：微生物电极、 细胞器电极、动植物组织电极以及免 疫电极等新型生物传感器，使生物传 感器的类别大大增多；
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按分子识别元件分类
微生物 传感器
固定化 微生物
酶传感器
固定化酶
分子识别 固定化免疫物质
元件
免疫传感器
固定化细胞器
生物组织切片
细胞器传感器
组织传感器
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按器件分类
生物电极
电化学电极
介体
介体生物传感器
传递系统
热敏电阻
光生物传感器
光学换能器
半导体
换能器 换能器
半导体生物 传感器
压电晶体
热生物传感器
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生物传感器的工作原理
1. 将化学变化转变成电信号（间接型） 2. 将热变化转换为电信号（间接型） 3. 将光效应转变为电信号（间接型） 4. 直按产生电信号方式（直接型）
被测 物质
生
化学物质
物
敏 物理
热
感 化学 （产生 光 ）
膜 变化
声
电化学器件 热敏元件 光敏元件 声敏元件
电信号
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将化学变化转变成电信号的生物传感器

生物传感器的基本组成和工作原理
❖ 生物传感器的基本组成 ❖ 生物传感器的工作原理分类
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生物传感器基本构成示意图
敏感元件
+
酶、抗体、核酸、细胞等。
酶 (Enzyme)
DNA
转换器
电化学电极 光学检测元件 场效应晶体管 压电石英晶体
抗体(Antibody)
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生物传感器的分子识别元件 （敏感元件）
❖ 进入本世纪80年代之后，随着离子 敏场效应晶体管的不断完善，于 1980年Caras和Janafa率先研制成 功可测定青霉素的酶FET。
年代
特点
研究内容
60 生物传感 器初期
酶电极
微生物传感器， 70 发展时期 免疫传感器，
细胞类脂质传 感器，组织传 感器，生物亲
和传感器
进入生物 80 电子学传
❖ 这种方法的特点是操 作简单，不需要任何 化学处理，固定生物 量大，响应速度快， 重复性好。
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吸附法
❖ 用非水溶性固相载体 物理吸附或离子结合， 使蛋白质分子固定化 的方法。
❖ 载体种类较多，如活 性炭、高岭土、硅胶、 玻璃、纤维素、离子 交换体等。
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包埋法
❖ 把生物活性材料包埋并固 定在高分子聚合物三维空 间网状结构基质中。
分子识别元件
酶膜 全细胞膜 组织膜 细胞器膜 免疫功能膜
生物活性材料
各类酶类 细菌，真菌，动植物细胞 动植物组织切片 线粒体，叶绿体 抗体，抗原，酶标抗原等
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生物传感器的工作原理
待测物质经扩散作用进入 固定生物膜敏感层，经分子 识别而发生生物学作用，产 生的信息如化学物质、光、 热、质量等被相应的信号转 换器变为可定量和处理的电/ 光信号，再经二次仪表放大 并输出，以电极测定其电流 值或电压值，从而换算出被 测物质的量或浓度。
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将热变化转换为电信号的生物传感器
热辐射 热传导
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将光效应转变为电信号的生物传感器
被测物——
固
定 ——h——
化 酶
光 检 ——电信号 测 器
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直按产生电信号方式的生物传感器
反应直接在电极表面上发生
例：Cass 等提出一种测定葡萄糖的传感器，是用二茂 络铁为电子传递体。
➢ G、GL代表葡萄糖和葡萄糖内脂，GODox和GODred为氧化型 和还原型的葡萄糖氧化酶，而Fecp2R和Fecp2R+则为还原型和氧 化型二茂络铁。 ➢ 葡萄糖被GOD氧化的同时，GOD被还原成GODred，氧化型 的电子传递体2Fecp2R+可将GODred再氧化成GODox， 2Fecp2R 在阳极上电化学氧化生成2Fecp2R+。
生 物 传 感 器介 绍、分类和应用
1
目录
❖ 11.1 简要介绍 ❖ 11.2 酶传感器 ❖ 11.3 微生物传感器 ❖ 11.4 免疫传感器 ❖ 11.5 半导体生物传感器 ❖ 11.6 生物传感器应用与未来 ❖ 本章小结
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11.1 简要介绍
❖ 生物传感器的发展史 ❖ 定义及说明 ❖ 生物传感器的基本组成和工作原理 ❖ 生物传感器的分类 ❖ 生物传感器的固定方法 ❖ 生物传感器的特点
❖ 第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子元件上， 例如FET的栅极上，它可直接感知和放大界面物质的变化， 从而将生物识别和电信号处理集合在一起。这种放大器 可采用差分方式以消除干扰。
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快速葡萄糖分析仪
6
7
血糖乳酸自动分析仪
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生物传感器定义及说明
❖ 生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和 测定实现测量，主要由两大部分组成：一为功 能识别物质（分子识别元件），由其对被测物 质进行特定识别；其二是电、光信号转换装置 （换能器），由其把被测物所产生的化学反应 转换成便于传输的电信号或光信号。