生物傳感器

簡介

1. 生物傳感器的基本構成：

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.生物傳感器的應用及發展：

生物傳感器，是一種對生物物質敏感并將其濃度轉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)、適當的理化換能器(如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等等)及信號放大裝置構成的分析工具或系統。生物傳感器具有接受器與轉換器的功能。

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

        

• 將化學變化轉換成電信號。（間接）
• 將熱變化轉換成電信號。（間接）
• 將光效應轉換成電信號。（間接）
• 直按產生電信號。（直接）
  

將化學變化轉換成電信號的生物傳感器

將熱變化轉換成電信號的生物傳感器

將光效應轉換成電信號的生物傳感器

直按產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．根據生物傳感器的換能器即信號轉換器分類有：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，交聯法

隨著半導體生物傳感器的發展，出現了集成電路工藝制膜技術如光平板印刷法，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，是利用生化反應所產生的或消耗的物質的量，通過電化學裝置轉換成電信號，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:電位法是指根據各種離子在感應膜上產生的電位，進一步顯示出參與反應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(如某些離子)的正負電極處發生化學反應所產生的電流值來檢測被測物質濃度的方法，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，以其鑒定物質的高度特異性、敏感性和穩定性受到青睞 ，它的問世使傳統的免疫分析發生了很大的變化。它將傳統的免疫測試和生物傳感技術融為一體，集兩者的諸多優點于一身，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，易于實現自動化，有著廣闊的應用前景。隨著生物工程技術的發展 ，已經研制出能對各種微生物、細胞表面抗原或各種蛋白質抗原分泌單克隆抗體的融合細胞 ，由這些細胞產生的單克隆抗體，已廣泛進入生物學及其他領域。隨著雜交瘤(hybrido2ma)技術的發展，使得各種化合物都可能產生相應的抗體。這將會使免疫測試有更加廣泛的應用前景。
•    半導體生物傳感器：在生物分子檢測領域，酶電極傳感器是最早研制成功并廣泛應用于谷氨酸、血糖、尿素、蛋白質等物質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，研究人員構建了不同結構的半導體場效應晶體管，分別實現了對不同生物分子的高靈敏、高選擇性和快速響應的電子識別。常見的半導體生物傳感器依據構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實現對DNA、蛋白質、葡萄糖及核酸等生物分子的高靈敏檢測。
  

1、開發新型傳感器

    新型傳感器，大致應包括：①采用新原理；②填補傳感器空白；③仿生傳感器等諸方面。它們之間是互相聯系的。傳感器的工作機理是基于各種效應和定律，由此啟發人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是發展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。結構型傳感器發展得較早，目前日趨成熟。結構型傳感器，一般說它的結構復雜，體積偏大，價格偏高。物性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優點，加之過去發展也不夠。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展動向。其中利用量子力學諸效應研制的低靈敏閾傳感器，用來檢測微弱的信號，是發展新動向之一。

　　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、運算以及溫度補償等環節一體化，組裝成一個器件。

　　隨著集成化技術的發展，各類混合集成和單片集成式壓力傳感器相繼出現，有的已經成為商品。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展快、應用廣。

　　傳感器的多功能化也是其發展方向之一。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個正確設計安裝在一個基板上的懸臂梁組成的單片硅結構，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成本，減小體積，而且可以有效的提高傳感器的穩定性、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的測量外，還可對這些參數的測量結果進行綜合處理和評價，可反映出被測系統的整體狀態。由上還可以看出，集成化對固態傳感器帶來了許多新的機會，同時它也是多功能化的基礎。

　　傳感器與微處理機相結合，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把傳感器部分與信號預處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規模集成智能傳感器。可以說智能傳感器是傳感器技術與大規模集成電路技術相結合的產物，它的實現將取決于傳感技術與半導體集成化工藝水平的提高與發展。這類傳感器具有多能、高性能、體積小、適宜大批量生產和使用方便等優點，可以肯定地說，是傳感器重要的方向之一。

　3、新材料開發

　　傳感器材料是傳感器技術的重要基礎,是傳感器技術升級的重要支撐。隨著材料科學的進步,傳感器技術日臻成熟,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,為傳感器的發展提供了物質基礎。例如,根據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,發展紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等現代傳感器;在敏感材料中,陶瓷材料、有機材料發展很快,可采用不同的配方混合原料,在精密調配化學成分的基礎上,經過高精度成型燒結,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注的具有應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。傳感器技術的不斷發展,也促進了更新型材料的開發,如納米材料等。美國NRC公司已開發出納米ZrO2氣體傳感器,控制機動車輛尾氣的排放,對凈化環境效果很好,應用前景比較廣闊。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展，隨著科學技術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，也發現原來在我們平時的日常生活中已經有很多關于生物傳感器的應用，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明出來并且應用到人們的生活中，同時生物傳感技術在臨床研究、食品分析、環境監測等領域的發展趨勢必將由單一功能向多功能發展，加速向微型化、智能化、集成化方向發展，并在相應的研究領域發揮更大的作用。