生物信号检测及传感器第一章.ppt
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1、生物信号检测及传感器,刘绍琴 微纳米技术研究中心 哈工大科学园B1栋505室 ,【问题】 1.电饭煲为什么能自动加热和保温而不会使饭烧焦? 2.电冰箱、空调为什么可以自动控制电机的运转而保持恒温? 3.全自动洗衣机为什么可以自动完成洗衣过程? 4.电梯门为什么不夹人? 5.自动门为什么会自动开启? 6.怎样实现自动通风、自动喷水、自动报警? 这一切,都要归功于现代传感器技术的发展和应用。,红外线传感器实现无接触测量,应用领域: 航空摄影、卫星遥感、家电遥控、防盗防火报警器、自动门、生物探测器,传感器的概念: 广义上讲传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。 简单地
2、说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。,科学技术的发展推动传感器技术的进步 上世纪实现的工业生产的自动化,几乎主要依靠传感器来监视和控制生产过程的各个参数,使设备和系统正常运行在最佳状态,保证生产的高效率和高质量。,“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点现在已为全世界所公认。科学技术越发达、自动化程度越高,对各种传感器的需求越大,现代传感器既是高科技的结晶,又在高科技中起举足重轻的作用。,一辆现代化汽车所用传感器达数十种,哥伦比亚号,如美国阿波罗登月飞行器每个安装的各种传感器达3200个 。 在现代的飞机、汽车、甚至家用电器也是如此.,信息采集的关键是传感器,传感器的性能在很大程度上决定
3、着整个信息技术的性能,所以传感器技术已成为现代信息技术的重要支柱之一,在当代科学技术中占有十分重要的地位,是高新技术竞争的核心技术之一。其开发研究和生产能力与应用水平直接影响到科学技术的发展和应用。,各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键之一。我国从20世纪80年代以来也将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。,传感器作为向自然界获取信息的工具,几乎渗透到科学技术、社会生产和人民生活的每一个角落,彩电、冰箱、空调,我国第一种实用化的生物传感器SBA-30型乳酸分析仪,SBA-70型生物传感 在线分析系统,生物传感器用以检测和识别生物体内化学成分或使用了生物组分的传感器。 “Bios
4、ensor” once referred to any device which responds to chemical species in biological samples or using biological components.,应用领域: 最典型的应用是在医疗卫生行业,医院里各种进行生化分析的仪器之中,图示鼻子类似为传感器,嗅觉膜生物识别元件 神经细胞转换器 神经纤维传导器 大脑测量元件,美国人理查德阿克塞尔和琳达巴克因为他们在嗅觉领域内所做出的杰出贡献而获得了2004年度的诺贝尔医学奖。,21世纪科学技术发展总趋势,中心科学技术的转移 1.信息科学技术 目前是发展高峰期,
5、预计其中心科学 技术的地位还可持续四十年。 2.生命科学技术 现在已开始注重其发展与应用,预计 21世纪30年代开始将逐步转变为中心 科学技术。 3.认知科学技术 智能化趋势现已显露,预计21世纪70 年代开始将成为科学技术发展的中心,21世纪改变人类的科学技术,科学 技术 物质科学 信息技术 生命科学 生物技术 纳米技术 能源技术,课程内容,绪论 传感器生物材料 电化学生物传感器 物理生物传感器(光纤、压电、半导体、表面等离子体共振、热电等) 生物芯片 生物传感器与生物反应系统的控制 生物传感器与活体分析 生物敏感元件的基因操纵,参考书,生物传感器 张先恩编著 化学工业出版社 2005 现代
6、生物医学传感技术王平编著,浙江大学,2003 彭承琳,生物医学传感器原理及应用,高等教育出版社,2000。 彭军,传感器与检测技术,西安电子科技大学出版社,2003。 主要参考文献: 郁有文,常健,程继红,传感器原理及工程应用,西安电子科技大学出版社,2003。 蔡建新,张唯真, 生物医学电子学,北京大学出版社,1997。 黄贤钨,传感器原理与应用,电子科技大学出版社,1999。 Turner A P F, Karube I,Wilson G S, Biosensors: Fundamental and Applications, Oxford: Oxford University Press
7、, 1987.,目的与要求,生物传感器的基本理论方法 常用传感器敏感材料 各种生物传感器的原理以及应用 掌握传感器构成的生物信号检测系统的基本框架和应用,重点,生物传感器的分子识别元件及其生物反应基础; 电化学生物传感器及各种物理传感器的原理及相关知识点; 结合传感器原理深化其在生物学领域中的应用; 传感器在生物学自动检测技术中的应用,考试,闭卷,占总成绩60% 平时成绩: 出勤+上课表现,20% 口头报告,占20% 闭卷,80% 平时成绩:出勤+口头报告 20%,任选其一,奖学金评定时不再打分,奖学金评定时根据上课表现再打分,第一章 绪论,生物传感器的发展历程 生物传感器的基本概念与类型 生
8、物传感器的商品开发 发展趋势,传统的检测方法,生物传感器的优点,一、生物传感器的发展历程,Biomolecular Interaction Analysis (BIA),3个核心部分:传感器芯片,SPR光学检测系统,微射流卡盘,历届世界生物传感器学术大会的主题内容及其论文数量,Biosensors 2010 - 20th Anniversary World Congress on Biosensors Glasgow, United Kingdom,Theranostics; nanobiosensors, nanomaterials ,biofuel and biological fuel
9、cells; bioelectronics commercial developments, manufacturing and markets.,Bioelectronics Commercial biosensors, manufacturing and markets DNA chips & nucleic acid sensors Enzyme-based biosensors Immunosensors Lab-on-a-chip Microfluidics,Nanobiosensors, nanomaterials & nanoanalytical systems Natural
10、& synthetic receptors Organism- and whole cell-based biosensors Printed biosensors and printed electronics Proteomics, single-cell analysis and electronic noses Signal transduction technology and biological fuel cells Theranostics & nanotheranostics,第一阶段: 20世纪60-70年代起步阶段,以Clark传统酶电极为代表 第二阶段: 20世纪70年
11、代末期到80年代,大量学科交叉出现了各种不同原理和技术的生物传感器,代表是介体酶电极 第三阶段: 20世纪90年代后,以表面等离子体和生物芯片为代表,归纳,二、生物传感器的基本概念与类型,2.1.定义 Biosensors对生物传感器的定义:生物传感器是一类分析器件,它将一种生物材料(如组织、微生物细胞、细胞器、细胞受体、酶、抗体、核酸等)、或生物衍生材料、或生物模拟材料,与物理化学传感器或传感微系统密切结合或联系起来,行其分析功能,这种换能器或微系统可以是光学的、电化学的、热学的、压电的或磁学的。 Turner教授将其简化为:生物传感器是一种精致的分析器件,它结合一种生物的或生物衍生的敏感元
12、件与一只理化换能器,能够产生间断或连续的数字电信号,信号强度与被分析物成比例。,Current Definition for Biosensors:,A sensor that integrates a biological element with a physiochemical transducer to produce an electronic signal proportional to a single analyte which is then conveyed to a detector.,www.imec.be/ovinter/static_research/BioHome
13、.shtml,Biosensor,“A chemical sensor is a device that transforms chemcial information, ranging from the concentration of a specific sample component to total composition analysis, into an analytically useful signal” IUPAC “Biosensor - a subgroup of chemical sensors where biological host molecules, su
14、ch as natural or artificial antibodies, enzymes or receptors or their hybrids, are equivalent to synthetic ligands and are integrated into the chemical recognition process. High Specificity and selectivity Restricted stabilities and life time,2.2 生物传感器的基本原理,生物传感器由敏感元件(或生物元件)和理化换能器组成,Components of a
15、Biosensor,http:/ membrane)或分子识别元件(molecular recognition),是生物传感器的关键元件,直接决定传感器的功能与质量。,Must be highly specific, stable under storage conditions, and immobilized.,2.2.2.换能器(Transducer) 将各种生物的、化学的和物理的信息转变成电信号,Principles of Detection,measures change in mass measures change in electric distribution measure
16、s change in light intensity measures change in heat,Piezo-Electric,Electrochemical,Optical,Calorimetric,Principles of Detection,Piezo-Electric Biosensors压电生物传感器,The change in frequency is proportional to the mass of absorbed material.,Some piezo-electric devices utilize crystals, such as quartz, whi
17、ch vibrate under the influence of an electric field. The frequency of this oscillation depends on their thickness and cut.,,Others use gold to detect the specific angle at which electron waves (surface plasmons) are emitted when the substance is exposed to laser light.,Principles of Detection,Electr
18、ochemical Biosensors电化学生物传感器,Amperometric for applied current: Movement of e- in redox reactions detected when a potential is applied between two electrodes. Potentiometric for voltage: Change in distribution of charge is detected using ion-selective electrodes, such as pH-meters. Conductimetric for
19、 impedance,http:/www.lsbu.ac.uk/biology/enztech/index.html,Principles of Detection,Optical Biosensors光学生物传感器,Colorimetric for color: Measure change in light adsorption as reactants are converted to products. Photometric for light intensity: Photon output for a luminescent or fluorescent process can
20、be detected with photomultiplier tubes or photodiode systems.,www.manimo.it/Prodotti/,Principles of Detection,Calorimetric Biosensors热生物传感器,If the enzyme catalyzed reaction is exothermic, two thermistors may be used to measure the difference in resistance between reactant and product and, hence, the
21、 analyte concentration.,www4.tsl.uu.se/Atlas/DCS/DCSIL/therm.html,Giant Magnetoresistance Biosensors巨磁阻生物传感器,巨磁阻(GMR)效应:材料的电阻率随着材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象 (1988年法国巴黎大学物理系Fert教授,MNBaibich ) 2007年诺贝尔物理学奖,Principles of Detection,2.2.3.检测器,Signals from the transducer are passed to a microprocessor where they a
22、re amplified and analyzed.,The data is then converted to concentration units and transferred to a display or/and data storage device.,2.2.4.生物放大,生物放大作用:指模拟和利用生物体内的某些生化反应,通过对反应过程中产量大、变化大或易检测物质的分析来间接确定反应中产量小、变化小、不易检测物质的(变化)量的方法。 通过生物放大原理可以大幅度提高分析测试的灵敏度。 生物传感器常用的生物放大作用: 酶催化放大 酶溶出放大 酶级联放大 脂质体技术 聚合酶链式反应和
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- 生物 信号 检测 传感器 第一章
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