一文读懂生物传感器(必须收藏)

传感器技术 2020-06-04


AI人工智能无疑是刚刚过去的2016年最热门的科技话题了。从年初的AlphaGo大战李世石,到今天的棋圣聂卫平败于54连胜的神秘Master,以致于人们不得不怀疑是一个新诞生的AI狗。人工智能已经真真切切地走进了我们的世界,可穿戴设备、智能感知的应用研究也将生物传感器推到了前台。



生物传感器


生物传感器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。


生物传感器由分子识别部分(敏感元件)和转换部分(换能器)构成:


以分子识别部分去识别被测目标,是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础。主要有酶、抗体、核酸、DNA、细胞受体和完整细胞等。


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),主要有电化学器件、光学器件、热敏器件、声波器件、压敏器件等。


生物传感器原理图


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。


生物传感器实现以下三个功能:


感受:提取出动植物发挥感知作用的生物材料,包括:生物组织、微生物、细胞器、酶、抗体、抗原、核酸、DNA等。实现生物材料或类生物材料的批量生产,反复利用,降低检测的难度和成本。


观察:将生物材料感受到的持续、有规律的信息转换为人们可以理解的信息。


反应:将信息通过光学、压电、电化学、温度、电磁等方式展示给人们,为人们的决策提供依据。


生物传感器的分类


根据生物传感器中的分子识别元件和换能器(信号转换器)的不同,可以从这两个方面对生物传感器分类:


按分子识别元件分:

酶传感器、微生物传感器、细胞器传感器、组织传感器、免疫传感器。




酶传感器

是由酶催化剂和电化学器件构成的。由于酶是蛋白质组成的生物催化剂,能催化许多生物化学反应,生物细胞的复杂代谢就是由于成千上万的酶控制的。酶的催化效率极高,而且具有高度专一性,即能对待测生物量(底物)进行选择性催化,并且有化学放大作用。因此利用酶的特性可以制造出高灵敏度、选择性好的传感器。


微生物传感器

用微生物作为分子识别元件。与酶相比,微生物更经济、耐久性也好。


免疫传感器的基本原理是免疫反应。利用抗体能识别抗原结合的功能的生物传感器称为免疫传感器。


生物组织传感器

是以活的动植物组织细胞切片作为识别元件,并与相应的变换元件构成的传感器。


生物组织传感器具有如下一些特点:      

1) 生物组织含有丰富的酶类,这些酶在适宜的自然环境中,可以得到相当稳定的酶活性,许多组织传感器工作寿命比相应的酶传感器寿命长很多;      

2) 在所需要的酶难以提纯时,直接利用生物组织可以得到足够高的酶活性;      

3) 组织识别元件制作简便,一般不需要采用固定化技术。


细胞器电极传感器

是利用动植物细胞器作为敏感元件的传感器。细胞器是指存在于细胞内的被膜包围起来的微小“器官”,如线粒体、微粒体、溶酶体、过氧化氢体、叶绿体、氢化酶颗粒、磁粒体等等。


按转换器件分类:

生物电极、压电晶体生物传感器、半导体生物传感器、光生物传感器、热生物传感器、介体生物传感器。




半导体生物传感器

是由生物分子识别器件(生物敏感膜)与半导体器件结合构成的传感器。目前常用的半导体传感器是半导体光电二极管、场效应管(FET)等。


半导体生物传感器的特点有:      

1) 构造简单,便于批量生产,成本低;      

2) 它属于固态传感器,机械性能好,抗震性能好,寿命长;      

3) 输出阻抗低,便于与后续电路匹配;      

4) 可在同一芯片上集成多种传感器,可实现多功能、多参数与计算机的基础。


压电晶体生物传感器

利用压电石英晶体对表面电极区附着质量的敏感性,并结合生物功能分子(如抗原和抗体)之间的选择特异性,使压电晶体表面产生微小的压力变化,引起其振动频率改变可制成压电生物传感器 。它主要由压电晶体、振荡电路、差频电路、频率计数器及计算机等部分组成。


生物传感器的应用




生物传感器在医学领域的应用 


中医针炙传感针

基于中医针炙针的传感针是以中医针灸针为基体, 传感人体微区中的温度、pH值、氧分压、多巴胺,Ca2+,K+,Na+等信息的新功能而得的一种特殊传感针。 


既能实时传感出人体微区中各种生理、生化参数,并进行人体微区的动态监测,又能按中医针刺的实施治病理疗法。 


传感针是以普通针灸针(或根据应用学科的具体外形要求用外直径为0.3~ 0.4mm的空心不锈钢竹)作为基体加工而成 的。


一般制备过程为:对针灸表面进行清洁处理或用处理液浸泡;针尖上镀相应的合金和相应参数的敏感膜,然后再覆盖上有机高分子功  能保护的材料;针体镀绝缘膜,使之有耐、提、插、捻、转的机械作用,这一点是由它的传感和治疗双重功能决定的;用戊二醛消毒液消毒;


根据不同的参数特性配上相应的测量仪,进行直接读数;在实验室  经过反复浸泡、冲洗实验并进行动物实验,使它们的主要性能指标(如线性范围、响应时间、分辨率、零点漂移、寿命等)达到要求标准。                

             

目前己制成的有温度传感针、氧分压传感针、pH传感针、Ca2+传感针和多巴胺传感针等。 


此外,还可研制离了生物传感针,如K+传感针、N a+传感针、中枢神经递质传感针、酶传感针、抗体传感针、受体传感针、激素传感针、DNA传感针、RNA传感针,并进而研制多参数、微型化与智能化的传感针。 


生物芯片 

国外正在开发半导体生物传感器,它包括一个参考电极和一个PH值量子场效应品体管感应膜,膜上固定有酶和微生物,当固定酶和微生物分别与待测物反应时,PH值发生变化,那么输出的电流或电压就可测定,这就完成了对参加反应的化学物质的定量分析。如果把这些信号同计算机输人端联接,按一定的软件程序,那么,可开发生物模拟计算机。


医用生物传感器

随着生物传感技术的发展,在医疗器械范围内开辟出更多专业的领域。从病毒和疾病检测到康复和药物剂量等。以下的一些生物传感器装置,可能会在医疗领域产生巨大显著的影响。


葡萄糖监测




因为研究人员寻求开发可穿戴式生物传感器,可以通过皮肤上的汗水监测患者的葡萄糖水平,生物传感技术很可能成为糖尿病患者不同人生的制造者。


德克萨斯大学达拉斯分校已经开发出一种大约25美分尺寸大小的传感器,可以检测汗液中的皮质醇,并提供来自周围汗液的实时数据(所显示的)。


 一种可以集成到微流控芯片中的光纤葡萄糖传感器, 可以测量血糖水平的廉价便携式设备。最近,我们看到了各种不同的技术,都是旨在提供一种较少侵入性的葡萄糖监测方法,甚至纹身形式的传感技术——所有需要做的就是扎一下手指头,就结束了。有了这些新技术,这些传感器的实体可能比以往任何时候都更接近我们。


检测DNA突变






新的电石墨烯生物传感器芯片可能是第一种被用作生物医学植入物,可以实时读取和检测DNA突变的芯片。一种廉价的生物传感器技术,可以高分辨率检测人类基因突变,并能把数据无线传输到移动设备上。

 

该技术可以引领全新一代的诊断方法和个性化治疗,因为生物传感器芯片可用于进行活检和详细的DNA测序。由于芯片连接到石墨烯晶体管,它使芯片能够以电子方式运行——使其成为第一个将动态DNA纳米技术与高分辨率电子传感相结合的产品。


疾病诊断





一种新的生物传感器能够检测出与神经退行性疾病以及几种不同类型癌症相关的特定分子。该装置被设计为在与谷胱甘肽S-转移酶接触时反应,谷胱甘肽S-转移酶是一种与帕金森氏病、阿尔茨海默病、乳腺癌和其他疾病相关的酶。


该装置是玻璃载片上的有机纳米级晶体管,使用纳米级系统识别特定分子,可以被用来快速和安全地诊断复杂疾病。


该装置的便携性和低成本使其适用于任何实际的生活环境中,并且可以经过调整改进用于检测与不同疾病相关的其他物质或分子。该团队最终计划创建一个基于纸张的生物传感器,尽可能的进一步改善便携性和成本费用。


病毒检测




 

生物感测技术可以在病毒检测中发挥重要作用。一种新的纳米生物传感器,可以在短短2至3小时内检测到各种不同的病毒。

 

传统的测试方法可能需要一到三天才能完成,然而,这种新的生物传感器使用增频转换发光共振能量转移(LRET)用于液相系统中的超灵敏病毒检测。


该技术的设计和操作简单,并且不需要使用任何昂贵的设备或专业技能。该技术还被设计用于识别几乎任何已知的目标病毒的基因序列。迟早,这个技术甚至可以经过调整改进用于在单个测试平台上识别多种流感病毒。


药物剂量



 

通过精确施药引领新的个性化治疗的发展, 一种新型的生物传感芯片,一厘米大小的正方形设备包含了一个电路,一个控制单元和一个无线电传输模块,一旦植入体内后,允许芯片读取信息,并跟大量的化合物做出反应。


该芯片将允许医生监测药物对新陈代谢系统影响的实时效果,这个成就可以引领全新一代的个性化治疗和精确疗法。这个生物传感芯片可以测量pH值,温度和代谢相关分子如葡萄糖和胆固醇的。


脑损伤检测





 

脑损伤已经成为医学世界中的一个重要问题,特别是在运动医学领域中。来自约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins)的心脏病学专家和工程师一直想利用生物传感技术,在发生严重的脑损伤时来警示提醒医生,特别是在心脏手术中。两组人合作开发了一种指甲大小的生物传感器,可以检测与脑损伤相关的特定蛋白质。

 

作为心脏手术的结果,儿童往往很多时候会出现神经发育的问题,最近的研究表明,多达40%的进行心脏手术的婴儿患者在核磁共振成像扫描(MRI)中出现脑部异常。


这个新的传感器平台经过设计,可以识别作为脑损伤生物标记的特定蛋白质,并且最终可以在手术室外使用,为运动员和事故受害者快速检测和诊断脑损伤。


监测康复患者





 

生物感应技术用于使用轮椅或假肢的康复病人。研究人员计划进行各种不同的研究,利用生物传感技术,以临时纹身和智能手表的形式收集数据,并监测具体康复设备和锻炼的效果。

 

该研究将观察患者在家里使用的反应如何,以及如何应对康复设备和锻炼,以便开发能够使用生物传感器信息的软件,支持那些选择在家中进行康复的患者。这个研究的目的是使用这些技术提供的信息来改善患者治疗,以及改善家用康复设备的设计和功能。


生物传感器在非传统医学领域的应用 


环境监测的应用

传统的环境监测通常采用离线分析方法,操作复杂,所需仪器昂贵,且不适宜进行现场快速监测和连续在线分析。随着环境污染问题日益严重,生物传感器在建立和发展连续、在线、快速的现场监测体系中发挥着重要作用。 


1) 水质监测 

生化需氧量(BOD)是衡量水体有机污染程度的重要指标,BOD的研究对于水质监测及处理都是非常重要的此研究也成为水质检测科技发展的方向。


BOD的传统标准稀释法所需时间长,操作繁琐,准确度差,BOD传感器不仅能满足实际监测的要求,并具有快速、灵敏的特点。随着BOD快速测定研究的不断深入,研究发现BODst(快速BOD测定值)还可作为在线监测生物处理过程的一个重要参数 。 


2)大气质量监测 

生物传感器可监测大气中的CO2,NO ,NH3及CH,等。Antonelli M等人 采用地衣组织研制了一种传感器,有望用于对大气、水和油等物质中苯的浓度的监测。用多孔渗透膜、固定化硝化细菌和氧电极组成的微生物传感器,可测定样品中亚硝酸盐含量,从而推知空气中NO 的浓度,其检测极限为1 xl0 mol/L。 


在食品工程中的应用 

食用牛肉很容易被大肠杆菌0157. H7.所感染,因此需要快速、灵敏的方法检测和防御大肠杆菌0157. H7.一类的细菌。生物传感器可以直接测量102CFU(菌落形成单位)的大肠杆菌0157. H7.。


检测病原体之后即可以将它分离到培养基上生长。从检测出病原体到从样品中重新获得病原体并使它在培养基上独立生长总共只需1天时间,而传统方法需要4天。 


还有一种快速灵敏的免疫生物传感器可以用于测量牛奶中双氢除虫菌素的残余物。它是基于细胞质基因组的反应,通过光学系统传输信号,己达到的检测

极限为16. 2nd/ mL。  


在军事领域的应用 

生物传感器在化学、生物战剂的侦检方面具有独特的优势。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素(如炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶尔森菌、埃博拉出血热病毒、肉毒杆菌类毒素等) , 在化学战剂检测中研究和使用最多的是乙酰胆碱脂酶传感器。


20世纪5O年代,就有人设计了沙林毒剂的酶检测方法,可检出0.1—0.5×10 的沙林,这一方法至今仍被国际上普遍用于神经性毒剂侦毒包和报警器中。


结语:

生物传感器可以取代常规的化学分析方法,因此,它的出现可以说是一场技术革命。人类基因组计划的实施大大加速了与生物学、医学、信息学等学科息息相关的各类新型生物传感器的发展,这给当前生物传感器的研究提供了前所未有的发展机遇。


生物传感器作为多学科交叉的高科技领域,如何组织各方面的科技力量和财力、物力来推动这一高科技领域在我国的发展,不仅是对生物、信息、物理、化学、医学、微电子、材料等相关领域中科技人员的挑战,也是有关行政管理部门面临的一个课题。


- END -



  



制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器;互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器;

 

《传感器技术》汇编了一套各种传感器的基础知识,介绍了各种传感器的原理。


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