生物传感器课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,biosensor,生物传感器,学号：132245,学生：赵芳,biosensor生物传感器学号：132245,1,Outline：,生物传感器概念,生物传感器结构和原理,生物传感器应用领域,生物传感器的信号转换器,Outline：生物传感器概念生物传感器结构和原理生物传感器,2,一、,what is 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,一、what is biosensor?对生物物质敏感并将其,3,三、生物传感器结构和原理,转换器（换能器,transducer,）,分子识别元件,即感受器，具有分子识别能力的生物活性物质（如组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等）；,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。,三、生物传感器结构和原理转换器（换能器transducer,4,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。,生物传感器课件,5,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,原理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,6,2、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；,2）.由于它的体积小，可以实现连续在线监测；,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,7,3）.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。,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,8,生物传感器分类示意图,生物传感器按生物分子识别元件敏感物质分类,组织传感器,固定化微生物,微生物传感器,固定化酶,免疫传感器,酶传感器,固定化抗体,生物组织切片,固定化寡链核苷酸,生物分子,识别元件,基因传感器,生物传感器分类示意图生物传感器按生物分子识别元件敏感物质分类,9,四、生物传感器中的信 号转换器,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。,四、生物传感器中的信 号转换器1.电化学型信号,10,3.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）。,3.热敏电阻型信号转换器 热敏电阻是由铁、,11,6.表面等离子体共振型信号转换器,surface plasmon resonance,SPR,6.1结构与原理,在SPR中，光入射在金属薄膜上，产生衰减场。如果在金属薄膜一侧加上一层待测物质，试样与金属薄膜的偶联影响了结构的折射率，从而影响了反射光、衰减波以及等离子体共振。电磁场沿着金属表面传播，其衰减场按指数规律衰减。,6.表面等离子体共振型信号转换器surface plasm,12,SPR传感器的敏感机制有两种：一是SPR的电磁场效应；二是生物大分子相互作用对介电性质的影响。传感器原理示意如下,光电信号检测与分析,传感器电磁场（反射,光波、衰减波）变化,敏感层介电性质,（介电常数、折射率）,变化,生物大分子,相互作用,SPR传感器的敏感机制有两种：一是SPR的电磁场效应；二是生,13,6.2特点与应用,SPR传感系统使用面非常广。在微生物检测、药物筛选、血液分析、DNA分析、抗原/抗体分析、有毒气体检测等方面都有不俗的表现，对于环境污染的控制、医学诊断、食品及药物检测、工业遥感等方面将是有力的工具。,6.2特点与应用SPR传感系统使用面非常广。在微生物检测、药,14,SPR型传感器的发展趋势：微型化，即在敏感元件上集成更多的器件；多组分同时测定，同一敏感器件可以测量不同的生化成分，一方面提高仪器的使用效率，另一方面也完善了SPR测量机理，这一要求也是对于通用生化分析仪器的共同要求；,SPR型传感器的发展趋势：微型化，即在敏感元件上集成更多的器,15,SPR型传感器呈现多元化发展，不同的场合对于SPR仪器性能要求也不同，在微电子技术、光纤技术、生物膜技术的支持下，各种SPR型传感器将被开发出来。,SPR型传感器呈现多元化发展，不同的场合对于SPR仪器性能要,16,生物传感器的发展趋势,发展生物传感器最初的目的是为了利用生化反应的专一性，高选择性的分析目标物。但是，由于生物单元的引入，生物结构固有的不稳定性、易变性，生物传感器实用化还存在着不少问题。因此，人们作出了一些努力与设想来提高生物传感器的性能。,生物传感器的发展趋势,17,（1）选择性,主要可从两方面提高生物传感器的选择性：改善生物单元与信号转换器之间的联系以减少干扰；选择、设计新的活性单元以增加其对目标分子的亲和力。如在酶电极中加入介体或对酶进行化学修饰可以提高这类电极的选择性，其中介体或用于修饰的物质大都具有一定的电子运载能力。,（1）选择性 主要可从两方面提高生物传感器的选择性：改善生,18,在此启发下，一些研究者设想将酶活性中心与换能器之间用一些分子导,线通过自组装技术连接起来以消除电化学干扰。,目前，杂环芳烃的低聚物是研究的热点，它们极有可能成为这一设想的突破口。另外，随着计算化学的发展，更精确地模拟、计算生物分子之间的结合作用已经成为可能。在此基础上就可根据目标分子的结构特点设计、筛选出选择性和活性更高的敏感基元。,在此启发下，一些研究者设想将酶活性中心与换能器之间用一,19,（2）稳定性,为了克服生物单元结构的易变性，增加其稳定性，最常用的手段是采用对生物单元具有稳定作用的介质、固定剂。研究表明用合适的溶胶-凝胶作为生物单元的固定剂应用于酶光极，可以大大提高生物单元的稳定性。但就目前的技术水平而言，很多生物单元的稳定性远远不能满足实际应用的需要。这种情况下寻求生物酶模拟技术的帮助是一种值得尝试的途径。,（2）稳定性 为了克服生物单元结构的易变性，增加其稳定性，,20,（3）灵敏度,对于一些特定的分析对象已发展了一些能大幅度降低检测限的技术。如Turner等人研制的一种以DNA为敏感源的传感器，利用液晶分散技术将DNA聚阳离子配合物固定在换能器上，所有能影响DNA分子间交联度的化学和物理因素均能被灵敏地捕获，并反映为一个强的、具有“指纹”结构的园二色谱吸收峰。在用DNA-鱼精蛋白配合物测量胰蛋白时检测限低至10,-14,mol/L,（3）灵敏度 对于一些特定的分析对象已发展了一些能大幅度降,21,为获得高灵敏度、高稳定性、低成本的生物传感器，人们已着力于下面的研究与开发。,（1）开发新材料,功能材料是发展传感器技术的重要基础。由于材料科学的进步，人们可以控制材料的成分，从而可以设计与制造出各种用于传感器的功能材料。,为获得高灵敏度、高稳定性、低成本的生,22,(2)采用新工艺,传感器的敏感元件性能除了由其功能材料决定外，还与其加工工艺有关，集成加工技术、微细加工技术、薄膜技术等的引入有助于制造出性能稳定、可靠性高、体积小、重量轻的敏感元件。,(2)采用新工艺,23,（3）研究多功能集成传感器,对于复杂体系中多种组分的同时测定，生物传感器阵列提供了一种直接、简便的解决方法。人们正尝试用干涉、三维高速立体喷墨、光刻、自组装和激光解吸等技术发展多功能集成传感器。目前，国外市场上已有可同时测定血液中6种组分的便携式分析仪和可测定16种组分的固定式分析仪。,（3）研究多功能集成传感器,24,（4）研究智能式传感器,一种带微型计算机兼有检测、判断、信息处理等功能的传感器被开发出来。例如美国科学家已初步研制成功的一种平板式的集成组件，它由DNA传感器阵列、特定的基因序列和生物电信号处理芯片3部分构成，完成信号采集、数据分析与管理复杂基因信息。,（4）研究智能式传感器,25,（5）研究仿生传感器,仿生传感器就是模仿人感觉器官的传感器。目前，只要视觉传感器与触觉传感器解决的比较好。真正能代替人的感觉器官功能的传感器还有待研制。,（5）研究仿生传感器,26,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,生物传感器在全国应用数量和地理分布东北华北华东台湾2华南,27,生物传感器的活跃性,生物信息学,生物芯片,生物控制论,仿生学,生物计算机,生物传感器的活跃性生物信息学,28,生物传感器中应用的生物活性材料对象,大分子（蛋白质等）,细胞,细胞器,器官,人工合成的分子印迹聚合物,等,生物传感器中应用的生物活性材料对象大分子（蛋白质等）,29,SPR,生物传感器,SPR生物传感器,30,手掌型血糖分析器,手掌型血糖分析器,31,胰岛素泵,胰岛素泵,32,固定化酶生物传感分析仪,固定化酶生物传感分析仪,33,谢谢！,谢谢！,34,