生物传感器讲解

1《传感器》论文姓名：学号：班级：专业：学院：2015年12月2生物传感器一、生物传感器的介绍：生物传感器(biosensor)，是一种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（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）、适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。新型生物传感器有微生物传感器、免疫传感器及细胞器传感器、酶传感器、DNA传感器等。二、生物传感器的原理：待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。三、生物传感器的特点：（1）采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。（2）专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。（3）分析速度快，可以在一分钟得到结果。（4）准确度高，一般相对误差可以达到1％。（5）操作系统比较简单，容易实现自动分析。（6）成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。（7）有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。在产控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。同时它们还指明了增加产物得率的方向。四、生物传感器的种类：按照其感受器中所采用的生命物质分类，可分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等。（2）按照传感器器件检测的原理分类，可分为：热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物3传感器等。（3）按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型和代谢型两种。广义地，纳米生物传感器包括四种类型：1）用纳米材料作为普通生物传感器的标记、辅助信号增强，或生物敏感元件的载体，如纳米胶体金、量子点、纳米磁性颗粒、纳米电子传导材料，纳米薄膜等；2）在宏观基质上制备成纳米结构的换能器，如锥型光导纤维传感器、纳米悬臂等；3）单分子传感器，如分子信标。4）生物体内的各种天然传感器和分子机器，它们许多事纳米级结构，如生物分子马达、DNA错配修正分子机器等。纳米生物传感器的一般特性包括：测定所需的样品量极少，适合于珍贵样品测定；一般采用分子自组装的办法制备单分子生物敏感层，分子扩散阻力小，传感器的响应速度快，适合于检测生物分子动力学测定；响应灵敏度很高，结合其他技术方法，可以实现单分子测定；在细胞内测定方面，现有的微电机仍然体积过大，进入细胞会大大破坏细胞内部的正常结构，因此只适合于细胞浅部、表面和生物组织细胞间隙的物质测定，纳米级的传感器仅仅占据哺乳动物细胞的十亿分之一的体积，甚至可以植入到细胞核中，而不会对细胞实施大的伤害。五、敏感材料：生物敏感材料是生物传感器的核心，有人将敏感元件中的敏感物质称为分子探针。常用的生物敏感元件有各种酶、微生物(病毒、细菌）、动植物组织、化学和生物发光物法、抗体和受体、DNA等生物敏感组分。敏感膜一般由膜基体、膜材料和生物敏感材料构成。膜基体是敏感膜的载体，它关系着有效地发挥敏感材料的作用和膜的寿命，即生物传感器的使用寿命。常见的膜基体材料有:钼、金、钯等金属;二氧化硅(石英、玻璃）、氮化硅、桂、锗、金属氧化物等无机或半导体;聚氯乙烯、硅橡胶、纤维素等有机物。各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。4图0识别原件分支图五、仿真部分图1内部电路5图2电流--电压转换电路6六、目前血糖监测技术的发展无创、有创、连续动态检测血糖三大检测技术并行发展：目前，我国糖尿病患者人数多达4000万，居世界第一位。血糖的动态监控对糖尿病诊治来说具有重要的意义。近年来，血糖检测技术发展迅速，市场上的血糖检测仪产品种类繁多，性能和价格相差很大，这给选购带来了一定困难。本文作者全面介绍了血糖检测技术的发展，同时强调，血糖检测的有创、无创和连续检测技术各有优劣，有创技术成熟，无创和连续检测技术虽然简便、快捷，但必须定期校正。在购买血糖检测设备时，一定要向医疗机构及仪器专家咨询，选购那些已获得有关部门批准的合格血糖检测仪产品。血糖检测仪自1968年由国外研究人员TomClemens发明至今，已经历了有创、无创、连续动态检测的阶段，并向检测治疗一体化的方向发展。随着血糖检测仪性能的不断改进，其准确性大大提高，其中连续动态血糖检测仪可以更好地指导临床用药，必将大幅提高糖尿病的治疗7效果。目前，常见的有创，微创血糖检测仪都是采集末梢血来测血糖，其主要基于电化学传感器技术进行检测。这一设计始于1962年，其基本原理是依靠氧电极附着的葡萄糖氧化酶(GOx)薄层来检测酶催化的反应中的耗氧量，以此计算出血糖值。后来，该技术发展成为使用一种或多种酶将没有电活性的物质转变为有电活性的产物，使用两个电极来消除干扰，利用安培计检测释放的过氧化氢量，以获得血糖值的技术。20世纪80年代，大量的研究集中于发展基于催化剂的第二代葡萄糖传感器和使用可以更换的电极上，以提高传感器的性能；90年代，研发的中心集中于建立葡萄糖氧化酶反应中心、电极表面的电联系和发展微创的可移植设备上。最早期上市的以血糖为主要分析物的传感器于1975年由美国YSI公司推出。该检测仪将葡萄糖氧化酶经由共价键结合固定于醋酸纤维素薄膜上，具有能够检测过氧化氢的白金电极。其可用来快速检测样品中的葡萄糖浓度。但是，该仪器体积大、无法随身携带。1988年，MedSense公司推出了家用电化学式血糖分析仪。该仪器将碳浆以网印的方式印在聚氯乙烯基版上以构成平板电极，再将酵素液与其他成分混合后将其直接固定在电极表面，从而构成酵素电极。这种检测仪体积小，且只需一小滴取自指尖的末梢血液即可检测，检测时间在一分钟以內，操作非常方便。值得关注的是，此后，国外又研发出微量血、多部位（上臂、前臂、大腿、小腿、手掌等）采血的检测仪。其中，采用TheraSense公司的专利库仑电量法开发的FreeStyle血糖检测仪使检测质量有了质的飞跃。采用该仪器采血，患者几乎无疼感，采血量极低（0.3微升）。该仪器具有100多项专利技术。目前，绝大多数家用血糖检测仪也属于电化学酶传感器法微量血快速血糖测试仪，且多数家用血糖仪是有创的，从采血方式上有两种：滴血式和吸血式。滴血式血糖仪一般采血量较大，多为光电型的；吸血式血糖仪操作方便，用试纸点一下血滴就可以了，都是电极型的。目前，家用血糖检测仪的产品和品牌众多，有强生、罗氏、京都、雅培、怡成、三诺、会好、瑞特、唐博士、贝朗、拜耳、脉道、施家乐、台欣、安蜜、金鹊、五鼎、聿新、艾康、厚美德、康培、泰德、威望和BD等。检测片市场主要由雅培、罗氏、拜耳等大厂家占据。需要注意的是，采购血糖检测仪时，不可过分迷信进口产品。国内研究表明，基于氧化酶法的国产、进口血测试仪各检测同8一来源的47个标本，检测结果无明显差异。医院可根据实际需要选购。有创/微创血糖检测仪检测血糖受许多因素的影响，只适合日常检测，而不能作为准确诊断糖尿病的工具。为保证结果的准确，应进行及时校准和常规质控。无创血糖检测仪：研发热度高成熟产品少。无创血糖检测方法是在不损伤人体皮肤的条件下测量血糖浓度，具有方便、可连续测量等优点。但是，这类经皮检测仪因受许多因素的影响，其数据重现性、灵敏度、选择性、对个体的适应性等不如微创检测仪器。无创血糖检测分为体外采集组织液检测和在体组织直接检测。在体组织检测是无创伤检测研究的主流。检测部位包括指尖、指肚、前额、手臂、耳垂、眼球等。检测介质包括血液、组织液、眼房水、汗水等。虽然该技术分析人体体液（如唾液、尿、汗、眼泪）的方法成熟，然而，体液中葡萄糖含量与血液中葡萄糖含量缺乏严格的对应关系，致使检测结果有时不能准确地体现出病理变化。从检测原理上划分，无创血糖检测主要分为两类：光谱分析、非光谱分析。其中，光谱分析包括：红外法，即通过近红外线、中红外线或远红外线的频谱分析来获得血糖值。但由于红外法测量血糖需要时常校正，且各种身体因素（如水分、脂肪、皮肤、肌肉、骨骼、药物、血色素浓度、体温及营养状态等）影响光波的吸收，因此，处理人体不同组分带来的误差干扰成为限制这种血糖检测仪精度的主要因素；偏振式，其利用葡萄糖的旋光特性进行血糖检测，基于这种原理的仪器一般是通过测量眼球房水的葡萄糖浓度来反推出血糖浓度，但由于偏振式仪器检测位置为敏感的眼球，而且存在血糖浓度与眼球房水的葡萄糖浓度之间的时间滞后等问题，目前尚未有成熟的产品上市；射频阻抗式，该类仪器的原理是波长较红外线更长的电磁波对人体辐射时，像血糖这种非离子可溶性物质会吸收一定的电磁波，因此，提取其吸收特征值,理论上就可以得到血糖值，但是,体液中还有其他非离子可溶性物质也可吸收电磁波，因此，如何将血糖的吸收特征值分离是这种检测仪器的关键问题。而非光谱分析技术包括：皮下间质液检测法，该方法存在的最大问题是延时性；唾液检测法,该方法可避免患者因消毒不严而引起的细菌感染。无创血糖检测技术无创血糖检测是一种不需要收集血液样本进行血糖浓度测量的新技术，它不会造成人体任何创伤，不会造成体液传染病传播，使用方便。近年来这方面的研究已成为国际学术界的热点，出现了近红外光谱、远红外9光谱、偏振光旋光技术、经皮反向离子抽吸技术、电阻抗测量等各种原理的测量方案。由美国加利福尼亚州Cygnus公司生产的GlucoWatchBiographer腕表式血糖检测装置，利用反向离子抽吸技术，通过对渗出体液的分析，每10min读出一个数据，并可连续记录13h，即78个血糖值。第二代腕表式血糖检测装置GlucoWatchG2Biographer（GWG2B）也于2002年获得美国FDA批准可凭处方对成人及7～17岁青少年销售，欧洲也批准进入市场。近年国内沈滔、沈耀春等也对血糖浓度的无创性检测进行深入的研究，并取得新的进展。近红外光谱技术在对物质的分析测试中有以下优点：①近红外光区域的吸收系数小；②适用于漫反射技术；③近红外光可以在玻璃和石英中穿透；④投资及操作费用低；⑤可以用于样品的定性，也可以得到精度很高的定量结果；⑥不用试剂，故不污染环境；⑦测定速度极快。在很短时间内已成为无创血糖检测技术研究的主要方法。但李刚等则认为，生物内部的组织结构及其成分复杂多样，近红外区域光谱吸收不显著，其光谱测量存在多种干扰因素，导致信噪比和测量精度较低，尤其个体差异和检测条件对光体测量的精度有较大的影响，浮动基准法检测技术能有效地减小测量环境变化及背景样品的变化，是解决人体生理背景变化干扰问题最有希望的方案之一。新近唐飞等介绍了一种代谢热整合法无创血糖检测技术，采用温度传感器、红外传感器、湿度传感器和光学测量装置，通过测量人体代谢产生的热量、血液流速、血氧饱和度，利用人体代谢产生的热量是血糖浓度、供氧量的函数，可以推算出血糖浓度。他们对代谢热整合法无创血糖检测技术进行了研究并研制了实验样机。针对体检人群、门诊病患和临床实验病患进行了临床实验，并对采集的数据进行了分析处理，其血糖的检测结果与大型生化分析仪测得的结果的相对系数达到0.856。实验证明，代谢热整合法无创血糖检测技术是可行的。尽管无创血糖检测仪的研究和开发进展很快，但是，这类经皮检测的仪器，受许多因素的影响，结果的准确性有待提高4.动态血糖监测技术由于生化分析法和快速血糖仪这种有创或微创技术不能连续动态检测患者的血糖而得不到更接近真实情况。因此，动态血糖监测系统(CGMS)应运而生。动态光谱法可消除个体差异和测量条件对光谱检测的影响。有研究认为，由于动脉的脉动现象，血管中