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1、生物医学概论全册配套最生物医学概论全册配套最 完整精品课件完整精品课件 生物3D打印技术 生命信息与仪器工程学院 斯培剑 目录contents 生物3D打印发展历史 生物3D打印原理 生物3D打印的应用 生物3D打印产业化 生物3D打印发展历史 3D打印简介 生物3D打印简介 生物3D打印发展 生物3D打印发展历史 3D打印简介 3D打印（3DP)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料 等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。 3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。 它与普通打印工作原理基本相同，

2、打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通 过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为 3D立体打印技术 生物3D打印发展历史 3D打印技术的核心制造思想最早起源于19世纪末的美国，到20世纪80年代后期3D打印技术发展成 熟并被广泛应用。1892年， 美国登记了一项采用层合方法制作三维地图模型的专利技术。1860年， 法国人FranoisWillme申请到了多照相机实体雕塑 （Photosculpture）的专利。1979年，日本东 京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法。1980年，日本人小玉秀男又提 出 了光造型法。虽

3、然日本人研究出3D打印的一些方法，但是此后20多年的时间里，把这些科学方法 转化为实际用途的都是美国人。 最早从事商业性3D打印制造技术的是美国发明家查尔斯赫尔。1986年，查尔斯离开了原来 为之工作的紫外光产品公司，成立一家名 为“3D系统”的公司，开始专注发展3D打印技术。这是 世界上第一家生产3D打印设备的公司，而它所采用的技术当时被称为“立体光刻”，是基于液态 光敏树脂的光聚合原理工作的。1988年，查尔斯生产出世界上首台以立体光刻技术为基础的3D打 印机SLA-250，体型非常庞大。 生物3D打印发展历史 生物3D打印简介 3D生物打印技术是在3D打印技术的基础上发展而来，其是以用户

4、自由设计或由医学影像重建的计 算机三位模型为基础，定位装配生物材料或活细胞，制造生物支架、组织器官和个性化医疗器械 等生物医学产品的3D打印技术。他与3D打印技术的最大不同是其可以打印生物材料、甚至是活细 胞。可以打印出功能性生物组织，或者生物器官。 生物3D打印发展历史 生物3D打印发展 原理概念 3D生物打印这一技术概念最早是由美国Clemson university、University of Missouri、Drexel University等大学的教授在2000年左右提出。 2003年Mironv V和Boland T在Trends in Biotechnology杂志系统提出“器

5、官3D打印”这一 概念。 2002年左右清华大学颜永年教授率先在国内开展3D 生物打印技术研究。 生物3D打印发展历史 设备制造 2010年Organovo公司推出可以帮助用户制造生物组 织用于研究和开发的3D生物打印机。 2013年8月7日Regenovo公司与杭州电子科技大学等 高校的科学家合作，成功研制出可同时打印生物材 料和活细胞的3D打印机。 生物3D打印发展历史 商业应用 2014年11月，Organovo推出了其可商用的3D打 印人体肝脏组织exVive3DTM，用于临床前药物 测试。（YAHOO） 2015年10月10日，Regenovo公司推出第三代生 物3D打印工作站。利用

6、这款生物3D打印设备， 成功批量“打印”出肝单元用于药物筛选。 （新华社、人民日报） 生物3D打印原理 3D打印的原理 3D打印流程 主流3D打印技术 生物3D打印与3D打印的异同 生物3D打印的难点 生物3D打印原理 3D打印原理 3D打印机技术是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基 础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维 的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机的 原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。 3D打印机与传统打印机最大的区别在于它

7、使用的“墨水”是实实在在的原材料，堆叠薄层的形 式有多种多样，可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有 些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另 一头柔软。 生物3D打印原理 平面打印的前提是将需要打印的信息形成打印机可读的文件，或图片或文档或是其他栺式，然 后将此文件信息传送到打印机，经打印机解读后在打印纸上以平面形状的斱式将文件内容打印 出来。通常来讱，平面上打印出来的仸何形状或符号幵不具备实际的功能，而只作为传递信息 用。 生物3D打印原理 3D打印流程 1、获取三维模型数据（标准文件格式STL）: 三维软件建模 三维扫描仪扫描 物体拍摄多角度的

8、照片 2、切片处理 计算机软件读取STL模型文件，将三维模型“分区”成逐层的截面，即 切片，从而指 导打印机逐层打印。 3、完成打印 打印机计算机指定的打印路径，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印 出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。 生物3D打印原理 生物3D打印原理 主流3D打印技术 序号序号累积技术累积技术基本材料基本材料 1熔融沉积式 (FDM）热塑性塑料，共晶系统金属、可食用材料 2电子束自由成形制造(EBF)几乎任何合金 3直接金属激光烧结（DMLS）几乎任何合金 4电子束熔化成型（EBM）钛合金 5选择性激光熔化成型(SLM)钛合金，钴铬合金，不锈

9、钢，铝 6选择性热烧结（SHS）热塑性粉末 7选择性激光烧结（SLS）热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末 8石膏3D打印 (PP)石膏 9分层实体制造（LOM）纸、金属膜、塑料薄膜 10立体平板印刷（SLA）光硬化树脂 11数字光处理 (DLP)光硬化树脂 生物3D打印原理 FDM（Fused Deposition Modeling）工艺熔融沉积制造 生物3D打印原理 SLA（StereoLithography）光敏树脂选择性固 化 生物3D打印原理 DLP(Digital Light Processing) 数字光处理 生物3D打印原理 SLS（Selected Laser Sintering）

10、 粉末材料选择性烧 结 生物3D打印原理 SLM（Selective Laser Melting）选择性激光熔融 EBM（Electron Beam Melting） 电子束熔融成型 生物3D打印原理 3DP(Three-Dimension Printing) 立体喷墨打印 生物3D打印原理 Polyjet 3D 聚合物喷射技术 生物3D打印原理 生物3D打印与3D打印的异同 生物3D打印技术是基于3D打印技术原理上发展而来的一种新型打印技术。在数字三维模型驱动下， 按照增材制造原理定位装配生物材料或细胞单元，制造医疗器械、组织工程支架和组织器官等制 品的装备。 相同点 打印原理 切片方式 控

11、制方式 不同点 打印材料 环境要求 应用场合 生物3D打印原理 生物3D打印打印方式 生物3D打印原理 使用材料及细胞 明胶（Gelatin） 藻元酸盐（Alginate） 纤维蛋白（Fibrin） 胶原（Collagen） 琼脂糖（Agarose） 聚氨基葡萄糖（Chitosan） 丝素蛋白（Slik fibroin） 肿瘤细胞（Tumor cell） 胚胎干细胞（ESC） 脂肪干细胞（ADSC） 间充质干细胞（MSC） 肝细胞（Hepatocytes） 生 物 墨 水 生物3D打印原理 生物3D打印的难点 打印出结构复杂的支架 打印过程中细胞的成活率 打印后控制的细胞的增值与分化 打印支架

12、中细胞的长期存活 打印的组织实现组织的功能 生物3D打印的应用 医疗领域 生物研究 新药创新 生物3D打印的应用 医用领域FDMSLADLPPoljet3DPSLMEBM 医疗模型塑性材料光敏树脂 手术导板塑性材料光敏树脂光敏树脂光敏树脂石膏金属粉末 康复器械 矫形器塑性材料 假肢光敏树脂 助听器光敏树脂光敏树脂 植入骨架金属、塑料粉末金属、塑料粉末 牙科 铸造模型光敏树脂光敏树脂 牙齿模型光敏树脂 牙冠牙桥直接 制造 生物相容性光敏材 料 生物相容性光敏 材料 生物相容性光敏 材料 金属粉末 种植体金属粉末 医疗领域分类 生物3D打印的应用 医疗模型 手术模拟 器官模型 生物3D打印的应用

13、康复器械 矫形器 假肢 助听器 生物3D打印的应用 手术导板 生物3D打印的应用 植入骨架 基于病人临床影像数据的3D打印头骨 生物3D打印的应用 植入骨架 人工髋关节中的臼杯钛合金胸肋骨 生物3D打印的应用 牙科3D打印 生物3D打印的应用 牙齿模型 牙齿模型 手术导板铸造模型 生物3D打印的应用 3D打印牙桥 3D打印牙冠 义齿矫正支架 种植体 生物3D打印的应用 生物研究 生物支架 肝单元 人造皮肤 人造血管 生物3D打印的应用 生物支架 生物支架定义生物支架定义：是可以为种子细胞提供适合其生长的场所和发挥生物学功能的一种生物学 材料，具有能模仿天然组织的构建性。 作为种子细胞的生物学载

14、体，理想的支架需具有良好的生物相容性、生物可降解性和适宜 的力学强度等生物 生物3D打印的应用 肝单元 材料：水凝胶、海藻酸钠 细胞：肝细胞 打印方式：FDM 生物3D打印的应用 3D打印皮肤 生物3D打印的应用 3D打印血管 生物3D打印的应用 组织工程支架 生物3D打印的应用 新药创新 药物筛选 3D打印药物 器官生物芯片 生物3D打印的应用 药物筛选 Drug metabolic gene detection of 2D liver models and 3D printed hepatic lobules 生物3D打印的应用 3D打印药物 3D打印使得大剂量、可快速溶解的药丸制造成为可

15、能，赋予了医生对给药速度和强度的定制 化能力和完全控制权。 通过打印复杂的形状改变药丸的表面面积，就能够控制剂量释放的强度以及时间。这 对于实现更加安全、更加高效的剂量管理会大有帮助。 制造商们还可以根据个人偏好来调整它们的产品，如选择不同的剂量强度、药丸大小、 味道和颜色。对于有吞咽困难的病患，如幼儿和身体损伤者，可定制性尤其能够派上用场。 生物3D打印的应用 器官生物芯片 器官生物芯片是指在微流控生物芯片上制造出微观的人体组织，它们的作用是模仿人体组织的功 能。器官生物芯片在进行生物学研究和药物筛选实验时往往比二维的细胞培养方式更加有效。 生物3D打印产业化 现有生物3d打印设备 生物3D

16、打印产业现状 未来发展展望 生物3D打印产业化 Regenovo TechnologyTechnology: syringe-based extrusion MaterialsMaterials: hydrogels, silicone, hydroxipatite, titanium, chitosan 2013年8月 3D-Bioprinter 2014年9月 3D-Bioprinter 2015年10月 Bio-Printer Worksation 生物3D打印产业化 RevoteRevote TechnologyTechnology: syringe-based extrusion M

17、aterialsMaterials: Biosynsphere 生物3D打印产业化 GeSims Bioscaffolder 2.1GeSims Bioscaffolder 2.1 TechnologyTechnology: syringe based extrusion and piezoelectric nanoliter pipetting MaterialsMaterials: polymers, high viscosity paste materials, alginate, calcium phosphate, silicon, cells and protein solutio

18、ns EnvisionTECs 3D Bioplotter EnvisionTECs 3D Bioplotter ManufacturerManufacturer TechnologyTechnology: syringe-based extrusion MaterialsMaterials: hydrogels, silicone, hydroxipatite, titanium, chitosan 生物3D打印产业化 Organovos NovoGen MMXOrganovos NovoGen MMX TechnologyTechnology: syringe based extrusio

19、n MaterialsMaterials: cellular hydrogels RegenHUs 3DDiscovery + RegenHUs 3DDiscovery + BiofactoryBiofactory TechnologyTechnology: syringe based extrusion MaterialsMaterials: bioink, osteoink 生物3D打印产业化 3D Bioprinting Solutions FABION3D Bioprinting Solutions FABION TechnologyTechnology: multiple (phot

20、ocuring, electromagnetic and extrusion) MaterialsMaterials: hydrogel, organoids BioBots BioBot1BioBots BioBot1 TechnologyTechnology: syringe-based extrusion, blue light technology MaterialsMaterials: agarose, collagen, alginate, polyethylene glycol 生物3D打印产业化 CyfuseBiomedical companies Regenova 3D Cy

21、fuseBiomedical companies Regenova 3D BioprintingBioprinting TechnologyTechnology: Kenzan Technology MaterialsMaterials: Cell aggregation CELLINK Inkredible (new entry)CELLINK Inkredible (new entry) TechnologyTechnology: syringe-based extrusion MaterialsMaterials: CELLINK+ (improved CELLINK for chond

22、rogenic differentiation), CELLINK A (alginate-based bioink) and other materials 生物3D打印产业化 生物3D打印产业现状 沃勒斯报告2016 生物3D打印产业化 3D打印领域主要企业排名 生物3D打印产业化 3D打印应用领域 生物3D打印产业化 1、基础研究：已跻身第一梯队 在我国，对于3D生物打印的基础性研究，主要在一些大学的研究中心进行。提到国内的3D打印， 就不能不提到一个人颜永年。颜永年，第一任清华大学材料成形制造自动化研究所所长和 第一任清华大学生物制造研究所所长，被业界誉为“中国3D打印第一人”。201

23、2年10月，颜永 年教授被推举为中国3D打印技术产业联盟首席顾问。颜永年将制造科学引入生命科学领域，提 出了“生物制造工程”（Organism Manufacturing Eng.）学科概念和框架体系，为制造科学发 展提出了一个新的方向。颜永年的团队在组织工程、载体支架的3D生物打印方面进行了深入地 探索。 生物3D打印产业化 2、应用研究：逐渐成熟，但仍面临诸多困难 对于3D生物打印的临床应用研究，其实在我国很早就开始进行了。早在2001年，我国就成功 完成了国际上第一例将3D打印技术用于颌面的修复。但我国现有的监管制度不完善、打印成 本较高及一系列技术难题有待攻克等因素使得3D打印技术在生

24、物医疗领域的应用仍面临很多 困难。 生物3D打印产业化 3、产业化尚待时日 2013年4月，国家863计划中首次将3D打印选入，并拟拨不超过4000万的专项研究基金。同时， 各级地方政府对于发展3D打印产业有着很高的积极性。当前我国3D打印产业主要形成了北京、 湖北、陕西和江苏4个产业区域。其中，首个3D打印工业园将落户武汉东湖高新区，武汉市发改 委等部门针对3D打印产业积极着手编制规划并予以扶持培育。 但是与各级地方政府高涨的热情相对应的是，3D打印产业在实际的发展中却面临着步履维艰的 尴尬局面。由于生产成本高且市场规模不足，中国的3D打印企业普遍经营困难。作为国内第一 批涉足3D打印业务的

25、公司之一，武汉滨湖机电2012年营收700多万元，亏损300多万元。而在3D 生物打印领域，除了设备和材料要求外，还面临着准入和许可等一系列问题，要实现真正意义 上的产业化，还有很长的路要走。 生物3D打印产业化 我国3D打印产业群 生物3D打印产业化 未来发展展望 材料领域的展望 3D打印硬件的展望 应用领域的展望 产业化发展的展望 生物3D打印产业化 材料领域的展望 3D打印的未来竞争，材料占据重要地位 材料科学将颠覆我们对产品的设计和开发能力 材料方案提供商将根据产品的要求来开发和提供材料 会有大量的新材料及解决方案涌现 生物3D打印产业化 3D打印硬件的展望 3D打印机的打印方式会不断

26、升级和改进 3D打印机的速度和效率及精度会不断提升，为打印组织器官提供基础 生物3D打印产业化 应用领域的展望 在大数据的基础上，用人体自身的干细胞打印结构更加复杂的组织结构，进而打印完整个性 化功能器官，以其代替损毁或衰竭的人体器官，提高人类生活质量。 生物3D打印产业化 产业化发展的展望 1 1、专利池的保护及制定行业标准布局、专利池的保护及制定行业标准布局 在生物3D打印领域，中国和美国、德国、英国等发达国家几乎在同一起跑线上。但由于生 物3D打印是一个全新的领域，中国需要建立完善的标准体系。 2 2、产业化前研究布局、产业化前研究布局 产业化前研究是科研成果与产业化之间“最后的一公里”

27、。重视了产业化前研究布局，就 是以市场为导向，紧密结合产业化的需求，研究出来的科研成果不再是束之高阁的“珍 珠”，效果自然事半功倍。 3 3、制定扶持民族企业的政策、制定扶持民族企业的政策 我国生物3D打印企业总体体量小，抗金融风险能力弱，易被外资企业兼并或重组，须制定 扶持民族企业的相关政策。 谢 谢 观 看 生物传感器技术 生命信息与仪器工程学院 徐枫 目录contents 生物传感器简介 生物传感器的工作原理 生物传感器应用 生物传感器的现状以及面临的问题 生物传感器简介 生物传感器 生物传感器(biosensor)，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

28、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，具有接受器与转换器的功能。目前， 生物传感器已广泛应用于医学检测、食品毒性检测、 工业加工和监测、农业应用、环境污染控制等方面。 生物传感器 根据全球知名市场调研公司PMR （Persistence Market Research）近日发布的一 份新报告，未来6年，全球生物传感器 （biosensor）市场将经历快速增长，该市 场2014市值为129亿美元，到2020年将达 到225亿美元，复合年增长率

29、（CAGR） 为9.7%。按地理划分，北美是全球生物 传感器的最大市场，2014年市值57亿美 元，预计到2020年将达到95亿美元。 生物传感器 生物传感器主要有以下几个类别 电化学生物传感器 热生物传感器 压电晶体传感器 光纤生物传感器 表面等离子体共振传感器 经典酶传感器 非酶生物传感器 介体生物传感器 DNA电化学传感器 直接电化学传感器 生物传感器 19851985年，年，Dr.CassDr.Cass提提 出了介体酶电极的概出了介体酶电极的概 念，使用二茂铁代替念，使用二茂铁代替 氧作为葡萄糖传感器氧作为葡萄糖传感器 的电子介体，这为生的电子介体，这为生 物传感器的商业化奠物传感器的

30、商业化奠 定了基础定了基础 19671967年，年，UpdikeUpdike 和和HickHick正式提出正式提出 了生物传感器这了生物传感器这 一概念，并且成一概念，并且成 功制造了历史上功制造了历史上 第一支葡萄糖传第一支葡萄糖传 感器感器 2020世纪世纪9090年代后期，年代后期， SPRSPR的出现为生物传的出现为生物传 感器的发展提供了感器的发展提供了 新的研究方向新的研究方向 19621962年，年，Dr.ClarkDr.Clark 首先提出了酶电极首先提出了酶电极 的概念的概念 生物传感器的原理 理想传感器的基本特性 理想传感器应该具有的特点: 传感器只能对特定的输入量敏感，输

31、出只对应特定输入特异性 传感器的输出量与输入量呈惟一、稳定的对应关系，最好是线性关系线性、重 复性 传感器的输出量可以实时反映输入量的变化实时性 实际中，传感器在特定的、具体的环境中使用，其结构、元器件、电路 系统以及各种环境因素都有可能影响传感器整体性能。 生物传感器的特异性 生物传感器能够特异性识别被检 测物质依赖于它的感受器。在感受器 上附有仅对某一物质敏感的生物材料。 比如葡萄糖传感器的酶膜上附有葡萄 糖氧化酶，仅当有葡萄糖通过这层膜 时才会发生产生氧气，其他屋物质都 不可以。 当产生的特异性反应之后，转换 器将这个反应以电信号的形式传输出 来，交由后续的电路处理。 生物传感器的重复性

32、 传感器或者系统在同意工作条件下，输入量按照同方向做全量程连续多次变 动时，所得特性曲线之间的一致程度叫做重复性。但是在多次重复测量时，由于 传感器本身性能和外界环境的限制，不能做到百分之百的还原。 目前的生物传感器，通过一些方法（如纳米技术等），已经可以让传感器的 重现性达到很高的地步。 生物传感器的线性 一个可以投入使用的传感器应当有一个线性范围，这样才有利于简化传感 器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。多数情况下采用最小二乘法来求出 拟合直线。 生物传感器由于生物敏感元件部分发生的生化反应受限于传感器表面固定的 生物材料的数量限制，并非全程都是线性的。只在其中一部分有线性关系，称为

33、线性区间。 在设计生物传感器时，线性区间是一个很重要的指标。设计的传感器的线性 区间需要完全包括被测量物的理论范围。如临床用的血糖传感器，其线性区间的 长度至少要包括正常人血糖的区间长度，以便通过稀释使得被测量物的浓度落在 传感器的线性范围中。 生物传感器的实时性 传感器的实时性要求传感器的输出要随着输入实时地变化。 生物传感器由于生物敏感膜上发生的生化反应不能实时完成。因 此，传统的酶电极传感器的实时性很差。有的酶电极的反应时间甚 至达到了几个小时。 目前生物传感器中，实时性最好的是表面等离子共振生物传感器。 这个也是目前为数不多的可以用在实时监测中的生物传感器。 生物传感器的精度 精度是衡

34、量传感器的又一个重要的指标。 精度又称为灵敏度，反映了输入量增量和被测输入量增量之比。线性传感器 的灵敏度为常数，是线性方程的斜率。非线性传感器的灵敏度不是一个常数，用 dy/dx表示。灵敏度不是越大越好，灵敏度越大，系统的稳定性越差。 目前常用的生物传感器中精度最高的是光纤传感器和表面等离子共振生物传 感器。已经达到了nmol/L级别。 电化学传感器 在生物传感器中用到的主要是电位型电化学传感器和电流型电化学传感器 离子选择性膜中的离子与中 冶中的离子发生交换反应，在两个界 面出形成两个液体接触电位。 膜电位与溶液中待测离子的浓度的对 数成线性相关。 电位型电化学传感器原理图 电化学传感器

35、通过测量电流或电量来测定化学量 通常采用三电极体系：工作电极、辅助电极、参 比电极 测量的电流信号与发生电极氧化（或者还原）的 物质浓度相关 电化学传感器 化学反应式： NH3+H2O=NH4+ +OH- 氨气通过透气膜进入溶液，发生上述反应，使 溶液中的PH升高，导致玻璃膜的膜电位升高， 并于铵离子的浓度相关 电化学传感器 CO进入传感器后，在工作电极上发生线面的反应： CO+H2O CO2+2H+2e+ 电子氢离子通过电解液到对电极上后发生还原反应： 0.5O2+2H+2e- H2O 因此，在整个传感器工作的过程中，发生了可逆的 氧化还原反应。 酶传感器 酶传感器是问世最早、成熟 度最高的

36、一类生物传感器。它是 利用酶的催化作用，在常温常压 下将糖类、醇类、有机酸、氨基 酸等生物分子氧化或分解，然后 通过换能器将反应过程中化学物 质的变化转变为电信号记录下来， 进而推出相应的生物分子浓度。 因此，酶传感器是间接型传感器， 它不是直接测定待测物质，而是 通过对反应有关物质的浓度测定 来推断底物的浓度。 酶传感器 血液中的糖称为血糖，绝大多数都是葡血液中的糖称为血糖，绝大多数都是葡 萄糖。体内各组织细胞活动所需的能量大部萄糖。体内各组织细胞活动所需的能量大部 分来自葡萄糖，所以血糖必须保持一定的水分来自葡萄糖，所以血糖必须保持一定的水 平才能维持体内各器官和组织的需要。平才能维持体内

37、各器官和组织的需要。 葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶 （GOxGOx） 空腹血糖空腹血糖 测定值测定值 7.0 mM 高血糖高血糖 9.0 mM 糖尿糖尿 酶传感器 （一）化学法（一）化学法 方法方法类型类型原理原理备注备注 磷钼酸法 （Folin-Wu） 定量G+Cu2+Cu2O 稳定、准确、但 对葡萄糖无特异 性，受血液中非 糖还原物质的影 响 分光Cu2O +磷钼酸试剂 蓝色钼化合物 邻甲苯胺法定量G+邻甲苯胺蓝绿色的席弗(Schiff)碱 较Folin-Wu法特 异但不及酶法。 D-甘露糖能与邻 甲苯胺反应，生 成类似吸收光谱， 造成正误差 酶传感器 （二二）酶酶 法法 单酶反应定量法：单酶

38、反应定量法：指用一种酶为工具酶定量测定某种物质的方指用一种酶为工具酶定量测定某种物质的方 法。法。 偶联酶反应定量法：偶联酶反应定量法：当单酶反应底物或产物反应底物或产物的当单酶反应底物或产物反应底物或产物的 物理化学手段无法区分时，还可以借助另一种酶作为指示酶，物理化学手段无法区分时，还可以借助另一种酶作为指示酶， 通过偶联反应进行定量分析通过偶联反应进行定量分析。 酶传感器 三代电流型酶传感器基本原理示意图 (A)第一代，(B)第二代，(C)第三代 酶传感器 葡萄糖氧化酶（） 葡萄糖+H2O葡萄糖酸 故葡萄糖浓度测试方法有三种： 测耗量 测生成量 测由葡萄糖酸而产生的变化。 酶传感器 测量

39、氧消耗量的葡萄糖酶电极 酶传感器 1.1.氧电极构成：由氧电极构成：由b b阳极和阳极和t t阴极浸入碱溶液，阴阴极浸入碱溶液，阴 极表面用氧穿透葡萄糖（基质）膜覆盖极表面用氧穿透葡萄糖（基质）膜覆盖 特氟隆，厚约特氟隆，厚约 mm 2.2.氧电极测氧电极测O O2 2原理：原理：利用氧在阴极上首先被还原的特性。利用氧在阴极上首先被还原的特性。 溶液中的溶液中的O O2 2穿过特氟隆膜到达穿过特氟隆膜到达PtPt阴极上，当阴极上，当外加一个直外加一个直 流电压为氧的极化电压流电压为氧的极化电压( (如如0.7V)0.7V)时，则氧分子在时，则氧分子在PtPt阴极阴极 上得电子，被还原上得电子，

40、被还原: :其电流值与含其电流值与含O O2 2浓度成比例。浓度成比例。 2 2+ +2 2+ +e=e= 酶传感器 电子媒介体是一种具有良好电化学活 性的相对分子质量小的化合物，它担 负从酶的氧化还原中心到电极表面传 递电子的作用。在催化还原过程中， 介体首先与还原性的酶反应，然后扩 散到电极表面并进行快速的电子交换 (1)(1)能够快速地与还原性的酶反应；能够快速地与还原性的酶反应； (2)(2)具有可逆的异相反应动力学行为；具有可逆的异相反应动力学行为； (3)(3)生成氧化型介体的过电位低而且与生成氧化型介体的过电位低而且与pHpH无关；无关； (4)(4)它的氧化或还原形态都是稳定的

41、；它的氧化或还原形态都是稳定的； (5)(5)还原型介体不与氧发生反应；还原型介体不与氧发生反应； (6)(6)在应用中无毒化作用。在应用中无毒化作用。 酶传感器 常见的媒介体的化学结构常见的媒介体的化学结构 一些常见的媒介体的化学结构一些常见的媒介体的化学结构 (a)四硫富瓦烯四硫富瓦烯(TTF)，(b) 四氰苯醌二甲烷四氰苯醌二甲烷(TCNQ)， (c) 二茂铁，二茂铁，(d) N-甲基苯基吡唑酮鎓甲基苯基吡唑酮鎓(NMP+)，(e) 麦多那蓝麦多那蓝 酶传感器 三代酶传感器之间的对比 酶传感器 常见的电流型酶电极传感器常见的电流型酶电极传感器 检测对象检测对象敏感物质（酶）敏感物质（酶）

42、换能器（电极）换能器（电极） 葡萄糖葡萄糖 麦芽糖麦芽糖 蔗糖蔗糖 半乳糖半乳糖 乳酸乳酸 尿酸尿酸 尿素氮尿素氮 胆固醇胆固醇 磷脂质磷脂质 氨基酸氨基酸 丙酮酸丙酮酸 乙醇乙醇 葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶 淀粉酶淀粉酶 转化酶转化酶+变旋光酶变旋光酶+葡萄糖酶葡萄糖酶 半乳糖酶半乳糖酶 乳酸氧化酶乳酸氧化酶 尿酸酶尿酸酶 尿酶尿酶 胆固醇氧化酶胆固醇氧化酶 磷脂酶磷脂酶 氨基酸酶氨基酸酶 丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶 乙醇氧化酶乙醇氧化酶 O2, H2O2, Pt Pt O2 Pt O2 O2 H2O2, O2 O2, H2O2 Pt O2, H2O2 O2 O2 非酶传感器 微生物电极 微生物

43、电极是利用微生物活细胞或细胞碎片 作为敏感元件与电化学换能器来制备生物传 感器。微生物可以看成一个复杂的酶系统， 它们既具有酶对物质的催化和转化功能，但 是又不同于单纯的酶，是一个极其复杂、巨 大的分子反应体系。 非酶传感器 免疫电极 以免疫物质（抗原或者抗体）作为敏感元件的电化学生物 传感器，具有高度的特异性。而根据是否需要使用标记物 又可以分为直接免疫电极和间接免疫电极。 直接免疫电极：不使用任何标 记物，采用抗原抗体结合时产 生的电化学反应达到检测被测 量物质的目的 间接免疫电极：利用标记物将 免疫反应的信号放大后间接的 测定抗原或抗体 非酶传感器 采用ELISA方法测量HCG的实例 将

44、定量的HCG和过氧化氢酶采 用戊二醛交联，电极上固定上 HCG的抗体。 测量时，将过氧化氢HCG结 合物与被测血样均匀混合后与电 极抗体结合。37下反应一小时 后用生理盐水洗脱未结合的HCG。 加入过氧化氢，经酶催化生成 氧气，阴极电流随氧气的浓度变 化而变化。 非酶传感器 生物组织电极 采用活的动、植物组织作为分子识别元件制作而成的生物 传感器。在这些生物组织中含有丰富的酶，并且处在最好 的活性中，有的还包括目前难以提纯的酶。 DNA电化学传感器 DNA的测定主要指靶DNA 的检测、DNA序列测定和DNA 突变测定。这些测定在生物学 及其及其基因操作研究、临床 诊断、反恐侦查食品安全等方 面

45、也有着广泛的应用。传统的 DNA检测的方法主要依靠膜上 的分子杂交和电泳。最近十多 年来，DNA传感器和DNA阵列 的出现克服了传统方法耗时耗 力效率低的缺点。 DNA电化学传感器 DNA电化学传感器有很多种类型，根据作用原理不同，可以分为 以下五种类型：直接DNA电化学、间接DNA电化学、特异性氧化还原 指示剂型、DNA介导的带电传输和纳米颗粒电化学放大。 直接DNA电化学：根据腺嘌呤（A）和胞嘧啶（C）能够在水银电极上还原，腺嘌 呤（A）和鸟嘌呤（G）能够在炭电极上氧化，鸟嘌呤（G）能够在水银电极上进行 可逆的氧化还原反应，直接对核酸样品进行直接循环伏安扫描，可以得到电化学信 号。 间接D

46、NA电化学：通过在直接DNA电化学反应中加入化学介体来增加电极信号， 减少了背景电流，能够获得比直接DNA电化学更高的灵敏度。 特异性氧化还原指示剂：直接将介体分子标记到DNA分子上，可以通过检测DNA 分子杂交时增强的电化学信号来检测目标。 DNA介导的带电传输：DNA的导电性类似于半导体，大量的DNA分子排列在膜上 的表现各向异性的导电性。 纳米颗粒电化学放大：将修饰有DNA探针的金纳米颗粒与DNA杂交以后再镀上一 层银，可以显著放大电化学信号。 DNA电化学传感器 DNADNA电化学传感器电化学传感器优点优点缺点缺点 直接DNA电化学 高灵敏度（fmol/L水 平），不需要标记步骤；适

47、合各种电极 背景噪声高，不能多 重操作，破坏样品 间接DNA电化学 高灵敏度（fmol/L水 平），通常不需要标记步骤； 一个电极上可以进行多重操 作 探针底物制备困难， 破坏样品 DNA-特异性氧化还原指示 高灵敏度（fmol/L水平） 是个多重样品测定；不破坏 样品 通常需要标记步骤， 序列变化可能造成问题 纳米颗粒电化学放大 灵敏度极高 （zmol/Lfmol/L水平）， 用不同的纳米标记可以进行 多重样品测定 步骤多，实现性和表 面活性修饰有难度，破坏样 品 DNA介导的带电传输 高灵敏度（fmol/L水 平），操作简单，不需要标 记，适合突变检测，非序列 依赖性，适合多重检测 需要对

48、目标进行生物 化学制备 电化学生物传感器信号获取 离子选择性电极 以氨电极为例：样本溶液中的NH3经扩散穿过透气膜，溶于内充电解质溶液（0.1mol/L NH4Cl溶液）： NH3+H2O NH4+ +OH- 根据质量作用定律，平衡常数 K=NH4+OH-/NH3 由于内充液中铵离子浓度远大于铵离子浓度的变化量，因此可以将铵离子浓度看成是一个 常数，于是： OH-=KNH3 根据Nernst方程，pH玻璃电极相应电极电位为： E=E0-2.3RT/FlgOH- 于是有 E=E0-2.3RT/FlgNH4+ 可以就可以求的氨气的浓度。 电化学生物传感器信号获取 具有氧化还原反应的电极循环伏安法

49、这个反应一般是在电流电极上发生的，采用直流循环伏安法可以对电流信号进行定量测量， 方法如下： 以等腰三角形的脉冲电压加在工作电极上，得到的电流电压曲线包括两个分支，如果前半 部分电位向阴极方向扫描，电活性物质在电极上还原，产生还原波，那么后半部分电位向阳极 方向扫描时，还原产物又会新在电极上氧化，产生氧化波。因此一次三角波扫描，完成一个还 原和氧化过程的循环。 电化学生物传感器信号获取 从这一张图中可以测出阴极峰电流Ipa 和阳极峰电流Ipc；阴极峰电位Epa和阳极峰 电位Epc等参数。Epc1/2为半波电位。 对于具有Nernst响应的CV，在25摄氏 度条件下，Ep =Epa-Epc =

50、59/mV，为 特征常数，与扫描速度无关；介体的氧化 还原电位E0=（Epa+Epc）/2，是评价介体性 能的指标之一；另一项重要指标为Ipc/Ipa， 对于完全可逆的电化学过程，Ipa/Ipc=1。 热生物传感器 热生物传感器是根据生化反应产生的热量的多少 对待测物质进行定量的。如果反应体系是绝热体系， 则反应产生的热会使酶体系温度升高，通过测量体系 的温度变化便可推知待测物的含量， 若生化反应放 出的热量全部用于反应体系的温度升高，则满足下列 式子： 热生物传感器 微系统的研制得力于集成电路技术，通过沉积和蚀刻技术 可以方便的在硅等基片的表面加工出槽、孔、隔膜等三维微结 构。 压电晶体生物