新型生物传感器在生物医学工程中的应用.pdf

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传慇器技术( Journal of Transducer Technology
2002年第21卷第10期
新型生物传感器在生物医学工程中的应用
乔晓艳,贾连凤
(山西大学电子信息技术系,山西太原03000)
摘要:简要介绍了生物传感器的结构、特点,并对两类新型生物传感器压电生物传感器和光生物传
感器的结构、原理及其在生物医学工程中的应用作了扼要分析,探讨了生物传感器的研究进展、发展动向
及应用前景。
关词:生物传感器;压电生物传感器;光生物传感器
中日分类号:TP212
文献标识码
文章编号:1000-9787(2002)10-0062-03
Application of the new type of biosensors in the biology
and medicine engineering
QIAO Xiao-yan, JIA Lian-feng
(Dept of Elct Info Techn, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
Abstract: The structure and characterists of b nos are introduced. The framework and principle of two
new types of biosensors and their applications in the biomedicine engineering are analyzed. Moreover, the recent
research evolvement, development trend applied prospect are discussec
Key words biosensors; piezelectmonic biosensors; optical biosensors
引音
核心,由敏感基元和换能器组成。敏感基元是对目
着信息技术与生物工程技术的发展,生物传标物进行选择性作用的生物活性单元,最早被使用
感器得到了极为迅速的发展,当今各发达国家都把的是具有高度选择催化活性的酶。随着生物传感技
生物传感器列为21世纪的关键技术,给予特别的重术的发展,人们成功地把抗体、DNA聚合物细胞受
视和支持。我国目前在生物传感器方面还处于刚刚
体和完整细胞等具有特异选择性作用功能的生物活
起步阶段。生物传感器是一门交叉学科的研究与应
用技术,它是以生物活性单元(如酶、抗体、生物膜或
性单元用作了敏感基元。换能器是捕捉敏感基元与
活细胞)作为敏感基元,通过各种物理、化学换能器目标物之间的反应过程,并将其表达为物理信号的
捕捉目标物与敏感基元之间的反应,然后将其转换元件。最早应用的换能器是电化学传感器,随着各
成连续或离散的电信号或光信号,再经电子仪器对种物理手段的引人,定生化反应的热效应、压电效
这些信号进行处理,从而成为人们可以掌握的信应、光效应的换能技术不断发展和完善。
息?。生物传感器在生物医学工程、发酵工业、环
生物传感器中的信号处理方法多种乡样,由生
境监测食品检验等多个领域,有着巨大的应用港物活性元件引起的变化不同,所采用的信号处理方
力
法就不同(如表1)。为了将被检测信号的变化有
生物传感的甚本结构
效地取出,一般需要把生物敏感元件和信号处理装
生物传感器由产生信号的敏感元件和处理信号置一体化。利用一体化技术可以促进传感器响应的
的辅助仪器两部分组成。其中敏感元件是传感器的高速化、高灵敏化和微型化。
收稿日期:2002-06-18
来基金项目:山西省自然科学基金(20011032)
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第10期
乔晓艳等:新型生物传感器在生物医学工程中的应用
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疫1生物传的信号处理方法
优化提供依据]。
Tab 1 Siga processing method of biosensor
2.2光生物传感器
由生物活性元件引起的变化
信号处理的方法
光生物传感器是一种选择性地识别分子信息,
电极活性物质的生成(或消耗)
电流检电极法
引发光学变化,且把光学变化转换为电信号输出。
离子性物质的生成(或消耗)
电位检测电极法
光生物传感器具有灵敏度高、不需要参比传感器、光
膜(或电极)电荷状态的变化膜电位法、电极电位法
传播信号不受外界电磁干扰等特点。光生物传感器
质重变化
压电元件法
主要包括生物光极和表面等离子体共振生物传
阻抗变化
电导率法
器
热变化
热敏电阻法
生物光极是将生物敏感膜固定在光导纤维或光
光谱待性变化
光纤和光电倍增管
电二极管上制成的。根据不同反应原理和器件可制
2新型生物传感及其应用
成各种生物光极(见表2)。
目前生物传感器的种类多种多样,根据檢测原
2各种生物光极
理的不同,生物传感器可分为:电化学生物传感器
Tab 2 Various biology ight pole
压电生物传感器和光生物传感器。电化学生物传感
光反应形式
光学器件
敏元件
器有酶电极和微生物传感器,这类传感器目前的研
光吸收
光纤
究与应用比较成熟。本文主要探讨两类新型生物传
荧光淬灭
光纤
受体
感器:压电生物传感器与光生物传感器。
化学发光
光电二极管
2.1压电生物传感器
细蔚发光
光纤
FMNI2
利用压电石英晶体对表面电极区附着质量的敏
化学发光属于自然荧光,近年来亦被用于研制
感性,并结合生物功能分子(如抗原和抗体)之间的生物光极,其优点是毋须激发光源。
选择特异性,使压电晶体表面产生微小的压力变化,
表面等离子体共振即SPR( surface plasma reso-
引起其振动频率改变可制成压电生物传感器2】。 nance)生物传感器?,它主要由光波导耦合器件、金
它主要由压电晶体、振荡电路、差频电路、频率计数属膜、生物分子膜等组成。其结构如图1所示。
器及计算机等部分组成。
生物分子膜
压电晶体具有一定的谐振频率,通常为9MHz
光纤芯
////
最常用的是石英晶体,按AT方式切割。振荡电路
般设置两个,一个是品体检测振荡电路,一个是晶
光纤包层
金属
体参比振荡电略。参比电路是为了校正一些干扰
1SPR生物传感的结构
(如温度、粘度、气压等)的影响,消除误差。压电晶
Fig I structure of SPR biosensor
体的谐振频率以及频率的改变由频率计数器完成,
用光纤作为光波导耦合元件的SPR生物传感
再经计算机进行实时数据处理。
器是将一段光纤中的一部分外包层剥去,在光纤芯
压电生物传感器具有装置简单、灵敏度高、选择上沉积一层高反射率金属膜,入射光线在光纤芯与
性好、响应速度快以及实时动态检测等优点,因此得光纤包层的界面上发生全反射,滲透过界面的消失
到人们的广泛关注。目前压电免疫传感器和压电基波