1、1,2018/10/30,生物传感技术基础 Biosensor technology,2,2018/10/30,生物传感技术是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多学科互相渗透成长起来的高新技术，在生物医学、环境监测、食品、医药及军事医学等领域有着重要应用价值。,3,2018/10/30,血气分析仪,4,2018/10/30,电解质分析仪,5,2018/10/30,6,2018/10/30,各种型号的血糖仪,7,2018/10/30,8,2018/10/30,9,2018/10/30,BOD微生物传感器,10,2018/10/30,课程目标 生物传感技术基础作为生物技术与生物信息专业的一门
2、专业课，课程的目的是掌握生物传感技术的基本原理、研究方法；了解这一领域的发展状况及前景，增强对生物传感器的关注，促进多学科的交叉与融合，发展我国的生物传感器相关学科和产业。,11,2018/10/30,主要参考书,1.医用传感器陈安宇等编著 科学技术出版社2.生物传感器司士辉编著 化学工业出版社,教材,1.生物传感技术自编讲义,12,2018/10/30,综合成绩,期末考试（闭卷） 考试时间：考试周。,考勤（10%）平时作业（10%）课堂讨论（10%）期末成绩（70%）,13,2018/10/30,教学内容 绪论 生物传感器的信号转换器 生物敏感膜的制备技术 酶传感器 微生物传感器 组织传感器
3、、细胞和细胞器传感器 免疫传感器 基因传感器,14,2018/10/30,第一章 绪论主要内容 传感器技术基础 生物传感器概述,15,2018/10/30,第一节 传感器技术基础,一、传感器的定义 能感受规定的被测量，并按一定的规律转换为可输出有用信号的器件或装置，称为传感器。由敏感元件和转换元件组成。 敏感元件:传感器中能直接感受或响应被测量的部分； 转换元件:指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。,16,2018/10/30, 传感器最早来自“感觉”一词。在工程技术领域被认为是生物体“五官”的工程模拟物。 传感器也被称为变换器、转换器、检测器、敏 感元件和
4、一次仪表等。,17,2018/10/30,传感器包含两个必不可少的概念： （1）检测信号； （2）能把检测的信息变换成一种与被测量有确定函数关系的，且便于传输和处理的量。,18,2018/10/30,二、传感器的地位与作用, 传感器是人类通过仪器探知自然界的触角，作用与人的感官类似。 传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口，提供系统赖以进行决策和处理所必需的原始数据。,19,2018/10/30,图1-1 传感器的组成,辅助电源,电量,三、传感器的组成与分类 传感器的组成,20,2018/10/30,敏感元件预变换器，直接感受被测量（一般为非电量）并输出与被测量有
5、对应关系的其它量的元件。 转换器件变换器，它的作用是将敏感元件输出的非电量转换成电学量。是实现非电测量的核心元件。 基本转换电路（接口电路）能把转换元件输出的电信号进一步转换为能用常规电路处理的电信号（电压、电流、频率)。,21,2018/10/30,传感器的分类,22,2018/10/30,四、传感器的基本特性 传感器的特性主要指转换信息的能力和性质，常用传感器输入和输出的对应关系描述。 输入量分为静态量和动态量。 静态特性 动态特性,23,2018/10/30,（一）传感器的静态特性 传感器的静态特性（准静态特性）指传感器的输入量在较长时间内维持不变或发生极其缓慢变化时其输出量与输入量之间
6、的关系。,24,2018/10/30,(1)静态特性的数学模型 四种情况： 理想的线性特性 仅有奇次方项的非线性特性 仅有偶次方项的非线性特性 一般情况下,25,2018/10/30,图1-3 四种典型静态特性曲线,26,2018/10/30,静态特性的指标 线性度 linerity 传感器的线性度（又称非线性误差）在规定条件下传感器特性曲线与拟合直线间最大偏差与传感器满量程输出值的百分比。通常用满量程的相对误差来表示。 其中：Lmax满量程范围内，实际曲线与拟合直线的最大偏差; YF.S理论满量程输出,27,2018/10/30,精度 accuracy 按误差性质将精度具体区分为： 正确度表
7、示由系统误差引起的测量值与真值的偏离程度。 精密度表示由随机误差引起的测量值与真值的偏离程度。 准确度表示由系统误差和随机误差共同引起的测量值与真值得偏离程度。,28,2018/10/30,（a）正确度高而精密度低 （b）正确度低而精密度高 （c）准确度高图1-2 精 度,29,2018/10/30, 灵敏度 sensitivity 传感器的静态灵敏度指传感器的输出量的增量与对应的输入量的增量的比值，通常用K表示。 线性传感器 非线性传感器 图1-5 传感器的灵敏度,30,2018/10/30,迟滞 delay 迟滞反映传感器正、反行程中输入输出特性不一致的程度，也就是对应同一大小的输入信号，
8、传感器正反行程时输入输出特性曲线的不重合程度。,31,2018/10/30,重复性 repeatability 重复性它表示传感器在全量程测试循环中，同一行程内传感器特性的不一致程度。 重复性是描述校准数据离散程度的指标，因而具有随机误差的性质。,32,2018/10/30,图1-3 传感器的迟滞特性 图1-4 传感器的重复性,33,2018/10/30, 漂移 drift漂移指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和温度漂移。,34,2018/10/30, 量程与测量范围 measuring range指在规定的测量特性内，所能测量的被测量的范
9、围。其最高值与最低值分别称为上限与下限，上限值与下限值的代数差就是量程。分辨率 指传感器在规定的测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化量。,35,2018/10/30,取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。,衡量传感器特性的主要技术指标,36,2018/10/30,(二)传感器的动态特性传感器的动态特性指传感器的输入量随时间变化时，传感器的输出量与输入量之间的响应特性。,37,2018/10/30,五、传感器的标定与校准 传感器的标定 指对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定，在明确传感器的输入与输出关系的前提下，利用某种标准器具对传感器进行标度
10、。 传感器的校准 指传感器在使用过程中或存储后进行的性能复试。 一般标定与校准的本质相同。,38,2018/10/30,传感器标定的基本方法利用标准仪器产生已知的非电量（如标准力、压力、位移、浓度、含量等）作为输入量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器的输出量与输入的标准作比较，获得一系列标准数据或曲线。传感器的标定是传感器制造与应用中必不可少的工作。,39,2018/10/30,传感器标定有：静态标定确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、重复性、检测阈值、测量范围等；动态标定确定传感器的动态特性指标。,40,2018/10/30,第二节 生物传感器概述,图1-10 人体的感觉器官与传
11、感器之间的关系,41,2018/10/30,一、发展历程,1962年，Clark教授 酶电极 1967年，Updike，Hicks 酶传感器 1975年，Divis提出用完整的微生物活细胞取代酶制成传感器 1977年，美国A.Rchnitz研制出检测精氨酸的微生物传感器 1979年， A.Rchnitz研制出测定谷氨酰胺的组织传感器20世纪80年代，牛津出版社生物传感器：基础与应用 1990年，在新加坡召开了“首届世界生物传感器学术大会”,42,2018/10/30,图1-6 人体的感觉器官与传感器之间的关系,43,2018/10/30,一、生物传感器的结构与原理,生物传感器对生物物质敏感并将
12、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为分子识别元件与适当的信号转换器及信号放大装置构成的分析工具或系统。,44,2018/10/30, 生物传感器的感受器中含有生命物质。 生命物质的基本特征是能够感受外界的各种刺激并能做出反应。 生物传感器是一类特殊的化学传感器，它可以实现人体中各种生化信息的检测。,45,2018/10/30,二、生物传感器的原理与构成,图1-11 生物传感器的传感原理,46,2018/10/30,具有分子识别能力的生物活性物质有组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等）； 信号转换器主要有电化学电极、光学检测元件、热敏电阻、场效应
13、晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等。,47,2018/10/30,表1 生物传感器的分子识别元件,这里所说的膜是采用固定化技术制作的人工膜而不是天然的生物膜(细胞膜),48,2018/10/30,表2 生物学反应信息和换能器的选择,49,2018/10/30,二、生物传感器的分类 1.根据分子识别元件上敏感物质的不同，可分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、免疫传感器、基因传感器等。,50,2018/10/30,图1-7 生物传感器的分类,51,2018/10/30,2. 根据生物传感器所使用的信号转换器的不同可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感
14、器、测声型生物传感器等。,52,2018/10/30,三、生物传感器的特点 选择性好、特异性高 灵敏度高、分析速度快 成本低,53,2018/10/30,四、生物传感器的应用 1. 在环境监测中的应用 典型应用是测定生化需氧量（BOD）；水污染监测（重金属离子）；大气污染监测（NO2、 SO2 、NH3、CH4)；有机磷农药（DDVP）、伏杀磷等的测定。 2. 在食品分析中的应用 在食品工业生产中，对食品原料、半成品和产品质量的检测，发酵生产中在线监测以及鲜度测定等。,54,2018/10/30,3. 在生物医学中的应用 基础研究 临床应用 生物医药,55,2018/10/30,4. 军事上的应用 生物传感器是最重要的异类化学战剂和生物战剂侦检器材。 它能在10秒钟内侦检出（十亿分之一）浓度级的生化战剂，包括委内瑞拉马脑炎病毒、黄热病毒、炭疽杆菌、流感病毒等。,56,2018/10/30,五、生物传感器的发展 发现新材料 采用新工艺 研究多功能集成传感器 研究智能式传感器 研究仿生传感器,57,2018/10/30,作业：1. 什么是传感器？传感器由哪几部分组成？ 2.传感器的静态特性是什么？有哪些性能指标？,
