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《传感器》论文

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2015年12月

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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

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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