新型生物傳感器專用材料在滬誕生(一些關(guān)于傳感器的提問)

區(qū)分腫瘤良莠，打一針就知道。2003年12月下旬，一種能在人體內(nèi)自由穿梭的新型生物傳感器專用材料，在華東理工大學(xué)和上海第二醫(yī)科大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院聯(lián)合攻關(guān)下誕生，并于日前通過了上海市科委組織的專家鑒定。

科研人員努力攻關(guān)的是一種由有機(jī)化合物制成的納米級材料，直徑僅為一米的十億分之一。盡管不溶于水，但由于顆粒足夠纖細(xì)，它們完全可以像藥水一樣順著注射器“流”入人體血管，充當(dāng)傳感器的“神經(jīng)”。

與人們熟知的核磁共振不同，能夠遙控這些“神經(jīng)”的新型生物傳感器，利用的是一種重要的生理指標(biāo)——生物體內(nèi)的氧信號。通常，正常組織中的氧濃度約為1％至2％，長了腫塊的部位比2％略高，而如果是惡性腫瘤，這一數(shù)字則要接近3％?！敖柚@種微小差別，傳感器就能輕而易舉地進(jìn)行腫瘤普查，代替醫(yī)生‘寫’一份詳盡而準(zhǔn)確的病理報(bào)告?！表?xiàng)目負(fù)責(zé)人、華東理工大學(xué)分析測試中心主任藍(lán)閩波教授如是說。

除了用于日常體檢，新型生物傳感器還可對重癥病人進(jìn)行長期監(jiān)測，及時更新病情記錄。據(jù)悉，該項(xiàng)由上海納米專項(xiàng)基金和教育部跨世紀(jì)優(yōu)秀人才基金共同資助的項(xiàng)目，已經(jīng)申請了國家專利。

一些關(guān)于傳感器的提問

什么叫傳感器？從廣義上講，傳感器就是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號的裝置；簡單說傳感器是將外界信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。所以它由敏感元器件（感知元件）和轉(zhuǎn)換器件兩部分組成，有的半導(dǎo)體敏感元器件可以直接輸出電信號，本身就構(gòu)成傳感器。敏感元器件品種繁多，就其感知外界信息的原理來講，可分為①物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)。②化學(xué)類，基于化學(xué)反應(yīng)的原理。③生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。通常據(jù)其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類（還有人曾將傳感器分46類）。下面對常用的熱敏、光敏、氣敏、力敏和磁敏傳感器及其敏感元件介紹如下。

一 溫度傳感器及熱敏元件
溫度傳感器主要由熱敏元件組成。熱敏元件品種教多，市場上銷售的有雙金屬片、銅熱電阻、鉑熱電阻、熱電偶及半導(dǎo)體熱敏電阻等。以半導(dǎo)體熱敏電阻為探測元件的溫度傳感器應(yīng)用廣泛，這是因?yàn)樵谠试S工作條件范圍內(nèi)，半導(dǎo)體熱敏電阻器具有體積小、靈敏度高、精度高的特點(diǎn)，而且制造工藝簡單、價格低廉。

1 半導(dǎo)體熱敏電阻的工作原理
按溫度特性熱敏電阻可分為兩類，隨溫度上升電阻增加的為正溫度系數(shù)熱敏電阻，反之為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。
⑴ 正溫度系數(shù)熱敏電阻的工作原理
此種熱敏電阻以鈦酸鋇（BaTio3）為基本材料，再摻入適量的稀土元素，利用陶瓷工藝高溫?zé)Y(jié)爾成。純鈦酸鋇是一種絕緣材料，但摻入適量的稀土元素如鑭（La）和鈮（Nb）等以后，變成了半導(dǎo)體材料，被稱半導(dǎo)體化鈦酸鋇。它是一種多晶體材料，晶粒之間存在著晶粒界面，對于導(dǎo)電電子而言，晶粒間界面相當(dāng)于一個位壘。當(dāng)溫度低時，由于半導(dǎo)體化鈦酸鋇內(nèi)電場的作用，導(dǎo)電電子可以很容易越過位壘，所以電阻值較小；當(dāng)溫度升高到居里點(diǎn)溫度（即臨界溫度，此元件的‘溫度控制點(diǎn)’ 一般鈦酸鋇的居里點(diǎn)為120℃）時，內(nèi)電場受到破壞，不能幫助導(dǎo)電電子越過位壘，所以表現(xiàn)為電阻值的急劇增加。因?yàn)檫@種元件具有未達(dá)居里點(diǎn)前電阻隨溫度變化非常緩慢，具有恒溫、調(diào)溫和自動控溫的功能，只發(fā)熱，不發(fā)紅，無明火，不易燃燒，電壓交、直流3～440V均可，使用壽命長，非常適用于電動機(jī)等電器裝置的過熱探測。

⑵ 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的工作原理
負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是以氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物為主要原料，采用陶瓷工藝制造而成。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，完全類似于鍺、硅晶體材料，體內(nèi)的載流子（電子和空穴）數(shù)目少，電阻較高；溫度升高，體內(nèi)載流子數(shù)目增加，自然電阻值降低。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻類型很多，使用區(qū)分低溫（-60～300℃）、中溫（300～600℃）、高溫（>600℃）三種，有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、壽命長、價格低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于需要定點(diǎn)測溫的溫度自動控制電路，如冰箱、空調(diào)、溫室等的溫控系統(tǒng)。
熱敏電阻與簡單的放大電路結(jié)合，就可檢測千分之一度的溫度變化，所以和電子儀表組成測溫計(jì)，能完成高精度的溫度測量。普通用途熱敏電阻工作溫度為-55℃～+315℃，特殊低溫?zé)崦綦娮璧墓ぷ鳒囟鹊陀?55℃，可達(dá)-273℃。

2 熱敏電阻的型號
我國產(chǎn)熱敏電阻是按部頒標(biāo)準(zhǔn)SJ1155-82來制定型號，由四部分組成。
第一部分：主稱，用字母‘M’表示 敏感元件。
第二部分：類別，用字母‘Z’表示正溫度系數(shù)熱敏電阻器，或者用字母‘F’表示負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。
第三部分：用途或特征，用一位數(shù)字（0-9）表示。一般數(shù)字‘1’表示普通用途，‘2’表示穩(wěn)壓用途（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘3’表示微波測量用途（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘4’表示旁熱式（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘5’表示測溫用途，‘6’表示控溫用途，‘7’表示消磁用途（正溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘8’表示線性型（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘9’表示恒溫型（正溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘0’表示特殊型（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器）
第四部分：序號，也由數(shù)字表示，代表規(guī)格、性能。
往往廠家出于區(qū)別本系列產(chǎn)品的特殊需要，在序號后加‘派生序號’，由字母、數(shù)字和‘-’號組合而成。
例： M Z 1 1
序號
普通用途
正溫度系數(shù)熱敏電阻器
敏感元件
3 熱敏電阻器的主要參數(shù)
各種熱敏電阻器的工作條件一定要在其出廠參數(shù)允許范圍之內(nèi)。熱敏電阻的主要參數(shù)有十余項(xiàng)：標(biāo)稱電阻值、使用環(huán)境溫度（最高工作溫度）、測量功率、額定功率、標(biāo)稱電壓（最大工作電壓）、工作電流、溫度系數(shù)、材料常數(shù)、時間常數(shù)等。其中標(biāo)稱電阻值是在25℃零功率時的電阻值，實(shí)際上總有一定誤差，應(yīng)在±10%之內(nèi)。普通熱敏電阻的工作溫度范圍較大，可根據(jù)需要從-55℃到+315℃選擇，值得注意的是，不同型號熱敏電阻的最高工作溫度差異很大，如MF11片狀負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器為+125℃，而MF53-1僅為+70℃，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時應(yīng)注意（一般不要超過50℃）。
4 實(shí)驗(yàn)用熱敏電阻選擇
首選普通用途負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器，因它隨溫度變化一般比正溫度系數(shù)熱敏電阻器易觀察，電阻值連續(xù)下降明顯。若選正溫度系數(shù)熱敏電阻器，實(shí)驗(yàn)溫度應(yīng)在該元件居里點(diǎn)溫度附近。
例MF11普通負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)名稱 參數(shù)值 MF11熱敏電阻符號外形圖
標(biāo)稱阻值（kΩ） 10～15 片狀外形符號
額定功率 （W） 0.25
材料常數(shù)B范圍（k） 1980～3630
溫度系數(shù)（10-2/℃） -（2.23～4.09）
耗散系數(shù)（mW/℃） ≥5
時間常數(shù)（s） ≤30
最高工作溫度（℃） 125

粗測熱敏電阻的值，宜選用量程適中且通過熱敏電阻測量電流較小萬用表。若熱敏電阻10kΩ左右，可以選用MF10型萬用表，將其擋位開關(guān)撥到歐姆擋R×100，用鱷魚夾代替表筆分別夾住熱敏電阻的兩引腳。在環(huán)境溫度明顯低于體溫時，讀數(shù)10.2k ,用手捏住熱敏電阻，可看到表針指示的阻值逐漸減??；松開手后，阻值加大，逐漸復(fù)原。這樣的熱敏電阻可以選用（最高工作溫度100℃左右）。
新教材熱敏特性實(shí)驗(yàn)如圖：

應(yīng)將熱敏電阻封裝后再放入水中。最簡單的封裝是用長電工朔料套管，也可密封于類似的圓珠筆桿內(nèi)。
下面是實(shí)測的一組數(shù)據(jù)。
編號 溫度（℃） 電阻值（k）
1 15 14 R=R0expB（T-1-T0-1）T0=25+273KB：材料及結(jié)構(gòu)常數(shù)（B是溫度的函數(shù)）R0：標(biāo)準(zhǔn)溫度T0時阻值
2 20 11
3 25 9．9
4 30 9．2
5 35 8．5
6 40 7．8

幾種實(shí)用測溫傳感器
a空調(diào)內(nèi)專用溫控傳感器：熱敏元件封在銅金屬官中。
b 氣溫測量傳感器

二 光傳感器及光敏元件
光傳感器主要由光敏元件組成。目前光敏元件發(fā)展迅速、品種繁多、應(yīng)用廣泛。市場出售的有光敏電阻器、光電二極管、光電三極管、光電耦合器和光電池等。
1 光敏電阻器
光敏電阻器由能透光的半導(dǎo)體光電晶體構(gòu)成 ，因半導(dǎo)體光電晶體成分不同，又分為可見光光敏電阻（硫化鎘晶體）、紅外光光敏電阻（砷化鎵晶體）、和紫外光光敏電阻（硫化鋅晶體）。當(dāng)敏感波長的光照半導(dǎo)體光電晶體表面，晶體內(nèi)載流子增加，使其電導(dǎo)率增加（即電阻減小）。
光敏電阻的主要參數(shù)：
◆光電流 、亮阻：在一定外加電壓下，當(dāng)有光（100lx照度）照射時，流過光敏電阻的電流稱光電流；外加電壓與該電流之比為亮阻，一般幾kΩ～幾十kΩ。
◆暗電流、暗阻：在一定外加電壓下，當(dāng)無光（ 0 lx照度）照射時，流過光敏電阻的電流稱暗電流；外加電壓與該電流之比為暗阻，一般幾百kΩ～幾千kΩ以上。
◆最大工作電壓：一般幾十伏至上百伏。
◆環(huán)境溫度：一般-25℃至 +55℃，有的型號可以-40℃至+70℃。
◆額定功率（功耗）：光敏電阻的亮電流與外電壓乘積；可有5mW至300mW多種規(guī)格選擇。
◆光敏電阻的主要參數(shù)還有響應(yīng)時間、靈敏度、光譜響應(yīng)、光照特性、溫度系數(shù)、伏安特性等。
值得注意的是，光照特性（隨光照強(qiáng)度變化的特性）、溫度系數(shù)（隨溫度變化的特性）、伏安特性不是線性的，如以CdS（硫化鎘）光敏電阻的光阻有時隨溫度的增加而增大，有時隨溫度的增加又變小。
硫化鎘光敏電阻器的參數(shù)：
型號規(guī)格 MG41-22 MG42-16 MG44-02 MG45-52
環(huán)境溫度（℃） -40～+60 -25～+55 -40～+70 -40～+70
額定功率（mW） 20 10 5 200
亮阻，100lx（kΩ） ≤2 ≤50 ≤2 ≤2
暗阻， 0lx（MΩ） ≥1 ≥10 ≥0.2 ≥1
響應(yīng)時間 （ms） ≤20 ≤20 ≤20 ≤20
最高工作電壓（v） 100 50 20250

部分類型CdS光敏電阻符號及外形圖

2 光電二極管

和普通二極管相比，除它的管芯也是一個PN結(jié)、具有單向?qū)щ娦阅芡?，其他均差異很大。首先管芯?nèi)的PN結(jié)結(jié)深比較淺（小于1微米），以提高光電轉(zhuǎn)換能力；第二PN結(jié)面積比較大，電極面積則很小，以有利于光敏面多收集光線；第三光電二極管在外觀上都有一個用有機(jī)玻璃透鏡密封、能匯聚光線于光敏面的“窗口”；所以光電二極管的靈敏度和響應(yīng)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于光敏電阻。

常見的幾種光電二極管及符號如下：
2DU有前極、后極、環(huán)極三個極。其中環(huán)極是為了減小光電二極管的暗電流和增加工作穩(wěn)定性而設(shè)計(jì)增加的，應(yīng)用時需要接電源正極。光電二極管的主要參數(shù)有：最高工作電壓（10～50V）,暗電流（≤0.05～1微安），光電流（＞6～80微安），光電靈敏度、響應(yīng)時間（幾十ns～幾十μs）、結(jié)電容和正向壓降等。
光電二極管的優(yōu)點(diǎn)是線性好，響應(yīng)速度快，對寬范圍波長的光具有較高的靈敏度，噪聲低；缺點(diǎn)是單獨(dú)使用輸出電流（或電壓）很小，需要加放大電路。適用于通訊及光電控制等電路。
光電二極管的檢測可用萬用表R×1K擋，避光測正向電阻應(yīng)10KΩ～200 KΩ，反向應(yīng)∞，去掉遮光物后向右偏轉(zhuǎn)角越大，靈敏度越高。
光電三極管可以視為一個光電二極管和一個三極管的組合元件，由于具有放大功能，所以其暗電流、光電流和光電靈敏度比光電二極管要高得多，但結(jié)構(gòu)原因使結(jié)電容加大，響應(yīng)特性變壞。廣泛應(yīng)用于低頻的光電控制電路。
常見的光電三極管形狀及符號如下：

半導(dǎo)體光電器件還有MOS結(jié)構(gòu)，如掃描儀、攝象頭中常用的CCD（電荷耦合器件）就是集成的光電二極管或MOS結(jié)構(gòu)的陣列。

三 氣敏傳感器及氣敏元件
教材僅要求簡單的熱敏電阻和光敏電阻特性實(shí)驗(yàn)。由于氣體與人類的日常生活密切相關(guān)，對氣體的檢測已經(jīng)是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。例如生活環(huán)境中的一氧化碳濃度達(dá)0.8～1.15 ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟实葼顟B(tài)，達(dá)1.84ml/L時則有在幾分鐘內(nèi)死亡的危險(xiǎn)，因此對一氧化碳檢測必須快而準(zhǔn)。利用SnO2金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料，通過顆粒超微細(xì)化和摻雜工藝制備SnO2納米顆粒，并以此為基體摻雜一定催化劑，經(jīng)適當(dāng)燒結(jié)工藝進(jìn)行表面修飾，制成旁熱式燒結(jié)型CO敏感元件，能夠探測0.005%～0.5%范圍的CO氣體。還有許多易爆可燃?xì)怏w、酒精氣體、汽車尾氣等有毒氣體的進(jìn)行探測的傳感器。常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器等。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲（也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層），使用時對鉑絲通以電流，保持300℃～400℃的高溫，此時若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。電化學(xué)氣敏傳感器一般利用液體（或固體、有機(jī)凝膠等）電解質(zhì)，其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產(chǎn)生的電流，也可以是離子作用于離子電極產(chǎn)生的電動勢。半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡單的特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛；下面重點(diǎn)介紹半導(dǎo)體氣敏傳感器及其氣敏元件。
半導(dǎo)體氣敏元件有N型和P型之分。N型在檢測時阻值隨氣體濃度的增大而減?。籔型阻值隨氣體濃度的增大而增大。象SnO2金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料，屬于N型半導(dǎo)體，在200～300℃溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)遇到有能供給電子的可燃?xì)怏w（如CO等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃?xì)怏w以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，可燃行氣體以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使氧化物半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降?？扇夹詺怏w不存在了，金屬氧化物半導(dǎo)體又會自動恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半導(dǎo)體氣敏元件檢測可燃?xì)怏w的基本原理。
目前國產(chǎn)的氣敏元件有2種。一種是直熱式，加熱絲和測量電極一同燒結(jié)在金屬氧化物半導(dǎo)體管芯內(nèi)；旁熱式氣敏元件以陶瓷管為基底，管內(nèi)穿加熱絲，管外側(cè)有兩個測量極，測量極之間為金屬氧化物氣敏材料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。
氣敏元件的參數(shù)主要有加熱電壓、電流，測量回路電壓，靈敏度，響應(yīng)時間，恢復(fù)時間，標(biāo)定氣體（0.1%丁烷氣體）中電壓，負(fù)載電阻值等。QM-N5型氣敏元件適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、烯類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測，屬于N型半導(dǎo)體元件。靈敏度較高，穩(wěn)定性較好，響應(yīng)和恢復(fù)時間短，市場上應(yīng)用廣泛。QM-N5氣敏元件參數(shù)如下：標(biāo)定氣體（0.1%丁烷氣體，最佳工作條件）中電壓≥2V，響應(yīng)時間≤10S，恢復(fù)時間≤30S，最佳工作條件加熱電壓5V、測量回路電壓10V、負(fù)載電阻RL為2K，允許工作條件加熱電壓4.5～5.5V、測量回路電壓5～15V、負(fù)載電阻0.5～2.2K。下圖為氣敏元件的簡單測試電路（組成傳感器），電壓表指針變化越大，靈敏度越高；只要加一簡單電路可實(shí)現(xiàn)報(bào)警。常見的氣敏元件還有MQ-31（專用于檢測CO），QM-J1酒敏元件等。

四 力敏傳感器和力敏元件
力敏傳感器的種類甚多，傳統(tǒng)的測量方法是利用彈性材料的形變和位移來表示。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)（即對其某一方向施加壓力，其電阻率就發(fā)生變化）和良好的彈性，已經(jīng)研制出體積小、重量輕、靈敏度高的力敏傳感器，廣泛用于壓力、加速度等物理力學(xué)量的測量。

五 磁敏傳感器和磁敏元件
目前磁敏元件有霍爾器件（基于霍爾效應(yīng)）、磁阻器件（基于磁阻效應(yīng)：外加磁場使半導(dǎo)體的電阻隨磁場的增大而增加。）、磁敏二極管和三極管等。以磁敏元件為基礎(chǔ)的磁敏傳感器在一些電、磁學(xué)量和力學(xué)量的測量中廣泛應(yīng)用。
在一定意義上傳感器與人的感官有對應(yīng)的關(guān)系，其感知能力已遠(yuǎn)超過人的感官。例如利用目標(biāo)自身紅外輻射進(jìn)行觀察的紅外成像系統(tǒng)（夜像儀），黑夜中可1000米發(fā)現(xiàn)人，2000米發(fā)現(xiàn)車輛；熱像儀的核心部件是紅外傳感器。1991年海灣戰(zhàn)爭中，伊拉克的坦克配置的夜視儀探測距離僅800米，還不及美英聯(lián)軍的一半，黑暗中被打得慘敗是必然的。目前世界各國都將傳感器技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)的重點(diǎn)。為了大幅度提供傳感器的性能，將不斷采用新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝，向小型化、集成化和智能的方向發(fā)展。

精神感應(yīng)框架，生物傳感器，生物電腦 有什么區(qū)別

AI人工智能無疑是剛剛過去的2016年最熱門的科技話題了。從年初的AlphaGo大戰(zhàn)李世石，到今天的棋圣聶衛(wèi)平敗于54連勝的神秘Master，以致于人們不得不懷疑是一個新誕生的AI狗。人工智能已經(jīng)真真切切地走進(jìn)了我們的世界，可穿戴設(shè)備、智能感知的應(yīng)用研究也將生物傳感器推到了前臺。

生物傳感器

生物傳感器是一種對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）、適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。

生物傳感器由分子識別部分（敏感元件）和轉(zhuǎn)換部分（換能器）構(gòu)成：

以分子識別部分去識別被測目標(biāo)，是可以引起某種物理變化或化學(xué)變化的主要功能元件。分子識別部分是生物傳感器選擇性測定的基礎(chǔ)。主要有酶、抗體、核酸、DNA、細(xì)胞受體和完整細(xì)胞等。

把生物活性表達(dá)的信號轉(zhuǎn)換為電信號的物理或化學(xué)換能器（傳感器），主要有電化學(xué)器件、光學(xué)器件、熱敏器件、聲波器件、壓敏器件等。

生物傳感器原理圖

各種生物傳感器有以下共同的結(jié)構(gòu)：包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達(dá)的信號轉(zhuǎn)換為電信號的物理或化學(xué)換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。

生物傳感器實(shí)現(xiàn)以下三個功能：

感受：提取出動植物發(fā)揮感知作用的生物材料，包括：生物組織、微生物、細(xì)胞器、酶、抗體、抗原、核酸、DNA等。實(shí)現(xiàn)生物材料或類生物材料的批量生產(chǎn)，反復(fù)利用，降低檢測的難度和成本。

觀察：將生物材料感受到的持續(xù)、有規(guī)律的信息轉(zhuǎn)換為人們可以理解的信息。

反應(yīng)：將信息通過光學(xué)、壓電、電化學(xué)、溫度、電磁等方式展示給人們，為人們的決策提供依據(jù)。

生物傳感器的分類

根據(jù)生物傳感器中的分子識別元件和換能器（信號轉(zhuǎn)換器）的不同，可以從這兩個方面對生物傳感器分類：

按分子識別元件分：

酶傳感器、微生物傳感器、細(xì)胞器傳感器、組織傳感器、免疫傳感器。

酶傳感器

是由酶催化劑和電化學(xué)器件構(gòu)成的。由于酶是蛋白質(zhì)組成的生物催化劑，能催化許多生物化學(xué)反應(yīng)，生物細(xì)胞的復(fù)雜代謝就是由于成千上萬的酶控制的。酶的催化效率極高，而且具有高度專一性，即能對待測生物量（底物）進(jìn)行選擇性催化，并且有化學(xué)放大作用。因此利用酶的特性可以制造出高靈敏度、選擇性好的傳感器。

微生物傳感器

用微生物作為分子識別元件。與酶相比，微生物更經(jīng)濟(jì)、耐久性也好。

免疫傳感器的基本原理是免疫反應(yīng)。 利用抗體能識別抗原結(jié)合的功能的生物傳感器稱為免疫傳感器。

生物組織傳感器

是以活的動植物組織細(xì)胞切片作為識別元件，并與相應(yīng)的變換元件構(gòu)成的傳感器。

生物組織傳感器具有如下一些特點(diǎn)：

1) 生物組織含有豐富的酶類，這些酶在適宜的自然環(huán)境中，可以得到相當(dāng)穩(wěn)定的酶活性，許多組織傳感器工作壽命比相應(yīng)的酶傳感器壽命長很多；

2) 在所需要的酶難以提純時，直接利用生物組織可以得到足夠高的酶活性；

3) 組織識別元件制作簡便，一般不需要采用固定化技術(shù)。

細(xì)胞器電極傳感器

是利用動植物細(xì)胞器作為敏感元件的傳感器。細(xì)胞器是指存在于細(xì)胞內(nèi)的被膜包圍起來的微小“器官”,如線粒體、微粒體、溶酶體、過氧化氫體、葉綠體、氫化酶顆粒、磁粒體等等。

按轉(zhuǎn)換器件分類：

生物電極、壓電晶體生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、光生物傳感器、熱生物傳感器、介體生物傳感器。

半導(dǎo)體生物傳感器

是由生物分子識別器件（生物敏感膜）與半導(dǎo)體器件結(jié)合構(gòu)成的傳感器。目前常用的半導(dǎo)體傳感器是半導(dǎo)體光電二極管、場效應(yīng)管（FET）等。

半導(dǎo)體生物傳感器的特點(diǎn)有：

1) 構(gòu)造簡單，便于批量生產(chǎn)，成本低；

2) 它屬于固態(tài)傳感器，機(jī)械性能好，抗震性能好，壽命長；

3) 輸出阻抗低，便于與后續(xù)電路匹配；

4) 可在同一芯片上集成多種傳感器，可實(shí)現(xiàn)多功能、多參數(shù)與計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。

壓電晶體生物傳感器

利用壓電石英晶體對表面電極區(qū)附著質(zhì)量的敏感性，并結(jié)合生物功能分子(如抗原和抗體)之間的選擇特異性，使壓電晶體表面產(chǎn)生微小的壓力變化，引起其振動頻率改變可制成壓電生物傳感器 。它主要由壓電晶體、振蕩電路、差頻電路、頻率計(jì)數(shù)器及計(jì)算機(jī)等部分組成。

生物傳感器的應(yīng)用

生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

中醫(yī)針炙傳感針

基于中醫(yī)針炙針的傳感針是以中醫(yī)針灸針為基體， 傳感人體微區(qū)中的溫度、pH值、氧分壓、多巴胺，Ca2+,K+,Na+等信息的新功能而得的一種特殊傳感針。

既能實(shí)時傳感出人體微區(qū)中各種生理、生化參數(shù)，并進(jìn)行人體微區(qū)的動態(tài)監(jiān)測，又能按中醫(yī)針刺的實(shí)施治病理療法。

傳感針是以普通針灸針(或根據(jù)應(yīng)用學(xué)科的具體外形要求用外直徑為0.3~ 0.4mm的空心不銹鋼竹)作為基體加工而成 的。

一般制備過程為:對針灸表面進(jìn)行清潔處理或用處理液浸泡；針尖上鍍相應(yīng)的合金和相應(yīng)參數(shù)的敏感膜，然后再覆蓋上有機(jī)高分子功 能保護(hù)的材料;針體鍍絕緣膜，使之有耐、提、插、捻、轉(zhuǎn)的機(jī)械作用，這一點(diǎn)是由它的傳感和治療雙重功能決定的;用戊二醛消毒液消毒;

根據(jù)不同的參數(shù)特性配上相應(yīng)的測量儀，進(jìn)行直接讀數(shù);在實(shí)驗(yàn)室 經(jīng)過反復(fù)浸泡、沖洗實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行動物實(shí)驗(yàn)，使它們的主要性能指標(biāo)(如線性范圍、響應(yīng)時間、分辨率、零點(diǎn)漂移、壽命等)達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)。

目前己制成的有溫度傳感針、氧分壓傳感針、pH傳感針、Ca2+傳感針和多巴胺傳感針等。

此外，還可研制離了生物傳感針，如K+傳感針、N a+傳感針、中樞神經(jīng)遞質(zhì)傳感針、酶傳感針、抗體傳感針、受體傳感針、激素傳感針、DNA傳感針、RNA傳感針，并進(jìn)而研制多參數(shù)、微型化與智能化的傳感針。

生物芯片

國外正在開發(fā)半導(dǎo)體生物傳感器，它包括一個參考電極和一個PH值量子場效應(yīng)品體管感應(yīng)膜，膜上固定有酶和微生物，當(dāng)固定酶和微生物分別與待測物反應(yīng)時，PH值發(fā)生變化，那么輸出的電流或電壓就可測定，這就完成了對參加反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)的定量分析。如果把這些信號同計(jì)算機(jī)輸人端聯(lián)接，按一定的軟件程序，那么，可開發(fā)生物模擬計(jì)算機(jī)。

醫(yī)用生物傳感器

隨著生物傳感技術(shù)的發(fā)展，在醫(yī)療器械范圍內(nèi)開辟出更多專業(yè)的領(lǐng)域。從病毒和疾病檢測到康復(fù)和藥物劑量等。以下的一些生物傳感器裝置，可能會在醫(yī)療領(lǐng)域產(chǎn)生巨大顯著的影響。

葡萄糖監(jiān)測

因?yàn)檠芯咳藛T尋求開發(fā)可穿戴式生物傳感器，可以通過皮膚上的汗水監(jiān)測患者的葡萄糖水平，生物傳感技術(shù)很可能成為糖尿病患者不同人生的制造者。

德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校已經(jīng)開發(fā)出一種大約25美分尺寸大小的傳感器，可以檢測汗液中的皮質(zhì)醇，并提供來自周圍汗液的實(shí)時數(shù)據(jù)（所顯示的）。

一種可以集成到微流控芯片中的光纖葡萄糖傳感器， 可以測量血糖水平的廉價便攜式設(shè)備。最近，我們看到了各種不同的技術(shù)，都是旨在提供一種較少侵入性的葡萄糖監(jiān)測方法，甚至紋身形式的傳感技術(shù)——所有需要做的就是扎一下手指頭，就結(jié)束了。有了這些新技術(shù)，這些傳感器的實(shí)體可能比以往任何時候都更接近我們。

檢測DNA突變

新的電石墨烯生物傳感器芯片可能是第一種被用作生物醫(yī)學(xué)植入物，可以實(shí)時讀取和檢測DNA突變的芯片。 一種廉價的生物傳感器技術(shù)，可以高分辨率檢測人類基因突變，并能把數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備上。

該技術(shù)可以引領(lǐng)全新一代的診斷方法和個性化治療，因?yàn)樯飩鞲衅餍酒捎糜谶M(jìn)行活檢和詳細(xì)的DNA測序。由于芯片連接到石墨烯晶體管，它使芯片能夠以電子方式運(yùn)行——使其成為第一個將動態(tài)DNA納米技術(shù)與高分辨率電子傳感相結(jié)合的產(chǎn)品。

疾病診斷

一種新的生物傳感器能夠檢測出與神經(jīng)退行性疾病以及幾種不同類型癌癥相關(guān)的特定分子。該裝置被設(shè)計(jì)為在與谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶接觸時反應(yīng)，谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶是一種與帕金森氏病、阿爾茨海默病、乳腺癌和其他疾病相關(guān)的酶。

該裝置是玻璃載片上的有機(jī)納米級晶體管，使用納米級系統(tǒng)識別特定分子，可以被用來快速和安全地診斷復(fù)雜疾病。

該裝置的便攜性和低成本使其適用于任何實(shí)際的生活環(huán)境中，并且可以經(jīng)過調(diào)整改進(jìn)用于檢測與不同疾病相關(guān)的其他物質(zhì)或分子。該團(tuán)隊(duì)最終計(jì)劃創(chuàng)建一個基于紙張的生物傳感器，盡可能的進(jìn)一步改善便攜性和成本費(fèi)用。

病毒檢測

生物感測技術(shù)可以在病毒檢測中發(fā)揮重要作用。 一種新的納米生物傳感器，可以在短短2至3小時內(nèi)檢測到各種不同的病毒。

傳統(tǒng)的測試方法可能需要一到三天才能完成，然而，這種新的生物傳感器使用增頻轉(zhuǎn)換發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移（LRET）用于液相系統(tǒng)中的超靈敏病毒檢測。

該技術(shù)的設(shè)計(jì)和操作簡單，并且不需要使用任何昂貴的設(shè)備或?qū)I(yè)技能。該技術(shù)還被設(shè)計(jì)用于識別幾乎任何已知的目標(biāo)病毒的基因序列。遲早，這個技術(shù)甚至可以經(jīng)過調(diào)整改進(jìn)用于在單個測試平臺上識別多種流感病毒。

藥物劑量

通過精確施藥引領(lǐng)新的個性化治療的發(fā)展， 一種新型的生物傳感芯片，一厘米大小的正方形設(shè)備包含了一個電路，一個控制單元和一個無線電傳輸模塊，一旦植入體內(nèi)后，允許芯片讀取信息，并跟大量的化合物做出反應(yīng)。

該芯片將允許醫(yī)生監(jiān)測藥物對新陳代謝系統(tǒng)影響的實(shí)時效果，這個成就可以引領(lǐng)全新一代的個性化治療和精確療法。 這個生物傳感芯片可以測量pH值，溫度和代謝相關(guān)分子如葡萄糖和膽固醇的。

腦損傷檢測

腦損傷已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)世界中的一個重要問題，特別是在運(yùn)動醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中。來自約翰霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins）的心臟病學(xué)專家和工程師一直想利用生物傳感技術(shù)，在發(fā)生嚴(yán)重的腦損傷時來警示提醒醫(yī)生，特別是在心臟手術(shù)中。兩組人合作開發(fā)了一種指甲大小的生物傳感器，可以檢測與腦損傷相關(guān)的特定蛋白質(zhì)。

作為心臟手術(shù)的結(jié)果，兒童往往很多時候會出現(xiàn)神經(jīng)發(fā)育的問題，最近的研究表明，多達(dá)40％的進(jìn)行心臟手術(shù)的嬰兒患者在核磁共振成像掃描（MRI）中出現(xiàn)腦部異常。

這個新的傳感器平臺經(jīng)過設(shè)計(jì)，可以識別作為腦損傷生物標(biāo)記的特定蛋白質(zhì)，并且最終可以在手術(shù)室外使用，為運(yùn)動員和事故受害者快速檢測和診斷腦損傷。

監(jiān)測康復(fù)患者

生物感應(yīng)技術(shù)用于使用輪椅或假肢的康復(fù)病人。研究人員計(jì)劃進(jìn)行各種不同的研究，利用生物傳感技術(shù)，以臨時紋身和智能手表的形式收集數(shù)據(jù)，并監(jiān)測具體康復(fù)設(shè)備和鍛煉的效果。

該研究將觀察患者在家里使用的反應(yīng)如何，以及如何應(yīng)對康復(fù)設(shè)備和鍛煉，以便開發(fā)能夠使用生物傳感器信息的軟件，支持那些選擇在家中進(jìn)行康復(fù)的患者。這個研究的目的是使用這些技術(shù)提供的信息來改善患者治療，以及改善家用康復(fù)設(shè)備的設(shè)計(jì)和功能。

生物傳感器在非傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測通常采用離線分析方法，操作復(fù)雜，所需儀器昂貴，且不適宜進(jìn)行現(xiàn)場快速監(jiān)測和連續(xù)在線分析。隨著環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，生物傳感器在建立和發(fā)展連續(xù)、在線、快速的現(xiàn)場監(jiān)測體系中發(fā)揮著重要作用。

1） 水質(zhì)監(jiān)測

生化需氧量(BOD)是衡量水體有機(jī)污染程度的重要指標(biāo)，BOD的研究對于水質(zhì)監(jiān)測及處理都是非常重要的此研究也成為水質(zhì)檢測科技發(fā)展的方向。

BOD的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)稀釋法所需時間長，操作繁瑣，準(zhǔn)確度差，BOD傳感器不僅能滿足實(shí)際監(jiān)測的要求，并具有快速、靈敏的特點(diǎn)。 隨著BOD快速測定研究的不斷深入，研究發(fā)現(xiàn)BODst(快速BOD測定值)還可作為在線監(jiān)測生物處理過程的一個重要參數(shù) 。

2）大氣質(zhì)量監(jiān)測

生物傳感器可監(jiān)測大氣中的CO2，NO ，NH3及CH,等。Antonelli M等人 采用地衣組織研制了一種傳感器，有望用于對大氣、水和油等物質(zhì)中苯的濃度的監(jiān)測。用多孔滲透膜、固定化硝化細(xì)菌和氧電極組成的微生物傳感器，可測定樣品中亞硝酸鹽含量，從而推知空氣中NO 的濃度，其檢測極限為1 xl0 mol／L。

在食品工程中的應(yīng)用

食用牛肉很容易被大腸桿菌0157. H7.所感染，因此需要快速、靈敏的方法檢測和防御大腸桿菌0157. H7.一類的細(xì)菌。 生物傳感器可以直接測量102CFU(菌落形成單位)的大腸桿菌0157. H7.。

檢測病原體之后即可以將它分離到培養(yǎng)基上生長。從檢測出病原體到從樣品中重新獲得病原體并使它在培養(yǎng)基上獨(dú)立生長總共只需1天時間，而傳統(tǒng)方法需要4天。

還有一種快速靈敏的免疫生物傳感器可以用于測量牛奶中雙氫除蟲菌素的殘余物。它是基于細(xì)胞質(zhì)基因組的反應(yīng)，通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸信號，己達(dá)到的檢測

極限為16. 2nd/ mL。

在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

生物傳感器在化學(xué)、生物戰(zhàn)劑的偵檢方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測多種細(xì)菌、病毒及其毒素(如炭疽芽胞桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等) ， 在化學(xué)戰(zhàn)劑檢測中研究和使用最多的是乙酰膽堿脂酶傳感器。

20世紀(jì)5O年代，就有人設(shè)計(jì)了沙林毒劑的酶檢測方法，可檢出0．1—0．5×10 的沙林，這一方法至今仍被國際上普遍用于神經(jīng)性毒劑偵毒包和報(bào)警器中。

結(jié)語：

生物傳感器可以取代常規(guī)的化學(xué)分析方法，因此，它的出現(xiàn)可以說是一場技術(shù)革命。人類基因組計(jì)劃的實(shí)施大大加速了與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、信息學(xué)等學(xué)科息息相關(guān)的各類新型生物傳感器的發(fā)展，這給當(dāng)前生物傳感器的研究提供了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

生物傳感器作為多學(xué)科交叉的高科技領(lǐng)域，如何組織各方面的科技力量和財(cái)力、物力來推動這一高科技領(lǐng)域在我國的發(fā)展，不僅是對生物、信息、物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、微電子、材料等相關(guān)領(lǐng)域中科技人員的挑戰(zhàn)，也是有關(guān)行政管理部門面臨的一個課題。

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