第一章緒論生物信息測試技術一、生物信息測試技術的概念電飯煲為什么能自動加熱和保溫而不會使飯燒焦?電冰箱、空調為什么可以自動控制電極的運轉而保持恒溫？全自動洗衣機為什么可以自動完成洗衣過程？電梯門為什么不夾人？自動門為什么會自動開啟？怎樣實現自動通風、自動噴水、自動報警？醫院和車站的人體溫度檢測如何實現？（一）生物信息測試技術的基本概念傳感器（Transducer/Sensor），國家標準（GB/T7665-2005《傳感器通用術語》）定義：能感受被測量信息并將其按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器的定義包含了以下含義：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；②其輸入量是一被測量，可能是物理量、化學量、生物量等；③其輸出量是一物理量，可以是氣、光、電等便于傳輸、轉換、處理和現實的物理量；④輸出量與輸入量有確定的對應關系，且應具有一定的精度。廣義上，傳感器是一種獲得信息的裝置，能夠在感受外界信息后，按一定的規律把物理量、化學量或生物量等轉變成便于利用的信號，轉換后的信息便于測量和控制。國際電工委員會（InternationalElectrotechnicalCommittee,IEC）對傳感器定義：傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號。一、生物信息測試技術的概念傳感器一般由敏感元件（SensingElement）、轉換元件（TransducingElement）、變換電路三部分組成。敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量有確定關系的物理量信號；轉換元件將敏感元件輸出的物理量信號轉換為電信號；變換電路負責對轉換元件輸出的電信號進行放大調制；轉換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電。一、生物信息測試技術的概念（一）生物信息測試技術的基本概念工作原理：待測物質經擴散作用進入分子識別元件，經分子識別作用與分子識別元件特異性結合，產生物理/化學反應；傳感器將接收到的物理/化學反應信號轉化為可測量的電、光、聲音、溫度等信號，并對產生的信號進行放大、處理并輸出一、生物信息測試技術的概念（二）生物傳感器的工作原理1.機械化時代（人類出現-1870年前后）——開啟了人類傳感器雛形二、生物信息測試技術的發展（一）傳感器發展歷程史料記載最早的傳感器最早的度量衡傳感器商代骨尺仰韶陶質量具楚墓天平日冕儀指南車

伽利略發明的氣體溫度計二、生物信息測試技術的發展（一）傳感器發展歷程世界上最早的溫度傳感器1593年，意大利科學家伽利略用一個45厘米長、麥稈粗細的玻璃管，一端吹成雞蛋大小的玻璃泡，一端仍然開口自動控制理論和信息論持續引領了第二次、第三次工業革命。以電力電子和氣動為基礎的生產自動化趨于成熟，以內燃機帶動的汽車、飛機、火箭等現代化交通運載工具持續大發展，以通信和互聯網為代表的信息化爆發性增長。2.電氣自動化時代（1870年前后-2009年）——傳感器成為不可或缺的關鍵性配套器件二、生物信息測試技術的發展（一）傳感器發展歷程（1）最早輸出電信號的傳感器——鉑電阻溫度計1821年，德國的塞貝克發現熱電效應，同年英國的戴維發現金屬電阻隨溫度變化的規律，奠定了熱電偶溫度計和熱電阻溫度計的理論基礎；1876年，德國的西門子制造出第一支鉑電阻溫度計；精密的鉑電阻溫度計是最精確的溫度計，被用于定義國際溫度標準ITS-90的傳感器。它在-272.5℃至961.78℃溫度范圍內具有非常線性的電阻-溫度關系和高重復性2.電氣自動化時代（1870年前后-2009年）——傳感器成為不可或缺的關鍵性配套器件二、生物信息測試技術的發展（一）傳感器發展歷程（2）工業批量化生產的第1代傳感器——結構型傳感器當前意義上的生物信息測試技術是在20世紀的中期真正開始的，這時期的傳感器主要是結構型傳感器，也就是主要利用結構參量變化來感受和轉化信號，如電阻應變傳感器等。（3）固體傳感器——工業批量化生產的第2代傳感器70年代后期，隨著集成技術、分子合成技術、微電子技術及計算機技術的發展，出現了集成傳感器，即傳感器本身的集成化和傳感器與后續電路的集成化。3.智能時代（2009年至今）——傳感器已成為發展瓶頸、同時也是物聯網的核心基礎和突破口二、生物信息測試技術的發展（一）傳感器發展歷程（1）無線傳感器網絡爆發——無線化無處不在在油田中，通過物聯網技術傳輸傳感器采集到的數據，以實現對油田作業的全過程監測，同時把才加到的數據利用無線網絡上傳到控制中心，由控制中心完成數據的處理和分析，最終對被測對象進行實施控制和回饋。（2）智能傳感器的代表性產品——MEMS傳感器80年代智能傳感器主要以微處理器為核心IMU（慣性測量單元）最早在90年代開始規模應用在汽車工業和國防工業

IMU440CAMEMS壓力傳感器1.國外生物信息測試技術發展歷程二、生物信息測試技術的發展（二）生物信息測試技術國外發展現狀1962年，Clark和Lyon把嫁接酶法和離子敏感氧電極技術結合，制造了測定葡萄糖含量的酶電極，開創了生物信息測試技術的先河。1974年，庫尼等人研制了以酶為敏感材料的測溫探針熱生物傳感器。所以在1975年Janata研制出了電化學免疫生物傳感器。1980年，Cams等人研制出可測青霉素的酶場效應晶體管生物傳感1990年以來，生物傳感器依托微系統分析技術、納米技術等高新技術的發展又進入了一個全新階段。為離子酶場效應晶體管開創了新研究局面，推動生物傳感器向集成化、多功能化發展.生物傳感器從最初的第1代逐漸發展到第3代2.國外生物傳感器研究成果二、生物信息測試技術的發展（二）生物信息測試技術國外發展現狀國家單位研究成果日本東京工藝研究所過氧化氫傳感器Tsukuba大學氧化還原酶的能量傳導系統Okazak分子生物學研究所研究電子接收體的生化物NIMSI連同大阪大學診療傳感器美國萬能傳感器公司Produsa公司唾液葡萄糖生物傳感器檢測乳酸鹽的生物傳感器植入式生物傳感器Electrozyme公司汗液實時檢測生物傳感器斯坦福大學人工晶體的青光眼傳感器布朗大學利用唾液檢測血糖的新型傳感器加州大學洛杉磯分校可鑒定引起感染的特定革蘭氏陰性菌英國ThomEmi公司英國國家物理實驗室生物傳感器樣品新型隱形眼鏡生物傳感器法國貢比涅大學SteSeres公司互換膜多參數酶檢測器里昂克洛德·貝爾納大學帶有數字顯示屏幕的葡萄糖處理器澳大利亞蒙納士大學研發世界首個超聲波生物傳感器1.國內生物信息測試技術的發展歷程二、生物信息測試技術的發展（三）生物信息測試技術國內發展現狀我國生物信息測試技術的研究開始于20世紀80年代初。1986年的第一屆工業生化及酶工程全國學術會標志著我國生物傳感器的開端。20世紀90年代以來，我國在生物傳感器領域的研究人數不斷增加，對生物傳感器的認識逐漸加深，對于生物傳感器的研究也從單一研究生物學擴大到研究化學、電子學等與生物學的緊密結合。2.國內生物傳感器研究成果二、生物信息測試技術的發展（三）生物信息測試技術國內發展現狀單位研究技術中科院微生物所臨床診斷分析用生物傳感器山東省科學院生物研究所40C/40D/40E/90型生物傳感分析儀清華大學生物技術系生物膜重點實驗室柔性瞬態電化學傳感器上海工業微生物研究所手掌型血糖分析儀研制和產業化中科院電子學研究所傳感器技術國家重點實驗室電場傳感器及系統SPR生化分析儀上海冶金研究所氧傳感器熒光化學傳感器復旦大學化工系可植入纖維生物傳感器纖維電化學生物傳感器湖南大學化工系組織、免疫傳感器陜西師范大學化學系光生物傳感器浙江大學教育部生物傳感器國家專業實驗室嗅覺和味覺生化傳感器河北科技大學BOD微生物傳感器浙江大學寧波校區智能柔性生物傳感器1.土壤環境檢測二、生物信息測試技術的發展（四）生物信息測試技術在農業生物信息測量中的應用土壤測定：檢測土壤中各種成分含量，檢測出與植物生長直接相關的速效營養成分，與大田作物栽培實驗數據相結合，提出施肥或是土壤改良建議。傳感器實時檢測：機械的田間作業過程，也可以用于連續監測土壤成分的動態變化。土壤環境實時檢測：水分、PH值、速效礦質營養成分、通氣狀況等1.土壤環境檢測二、生物信息測試技術的發展（四）生物信息測試技術在農業生物信息測量中的應用土壤水分測定：水在土壤中以重力水、毛管水、束縛水三種形式存在，其中毛管水是植物吸收水分的主要來源，相應地與植物吸水關系最密切的土壤保水性能指標就是田間持水量，也就是土壤最大的毛管水和束縛水含量。準確動態監測土壤的有效含水量是十分困難的任務，不過在國外，已經利用生物傳感器部分解決了這一難題，投資信息公司Baseline公司在其公司網站上推出了一種新式土壤濕度生物傳感器，其主結構是一種帶狀結構，脈沖信號在傳感器中傳播的延時受土壤水含量的影響，因而可以通過脈沖延時量來測定土壤濕度，據稱該傳感器的延時分辨精度達到10ps的水平，同時還可以校正溫度和水分含鹽帶來的誤差。1.土壤環境檢測二、生物信息測試技術的發展（四）生物信息測試技術在農業生物信息測量中的應用土壤PH測定：PH值檢測通常可以利用玻璃電極構成的傳感器完成，實際上這是土壤分析測量PH值時常用的方法之一，在理論上，這類傳感器的穩定性與壽命也足以勝任田間的實時測量任務，不過土壤含水量、代換性陽離子以及其他一些因素會對檢測造成干擾，在這種場合下，可以利用生物膜或者其它離子選擇性半透膜來減小干擾從而提高傳感器的精度。1.土壤環境檢測二、生物信息測試技術的發展（四）生物信息測試技術在農業生物信息測量中的應用土壤元素含量測定：一般情況下，N、P、K是土壤所普遍缺乏的，施肥通常也是以補充這三種元素為主。土壤礦質營養不足會影響植物的生長，而過多或者各成分失去平衡則會對植物發生毒害作用，因此準確測量土壤的礦質營養水平對于施肥而言具有重要的意義，因為過度施肥不僅會造成浪費，還會造成污染和降低作物的品質。土壤的各種礦質營養數據可以事先通過土壤測定獲得，不過這樣取得的數據對于一個一體化的水肥管理策略來說是不夠的，精確的水肥管理還需要傳感器提供的各種礦質營養成分田間動態數據。微生物傳感器是以微生物作為敏感材料的一類傳感器，微生物的生長繁殖會受到某種或某些特定的礦質元素的影響，因而可以用于礦質營養的測量。硝化細菌為敏感材料的氨敏生物傳感器可以用于測量氨態氮1.土壤環境檢測二、生物信息測試技術的發展（四）生物信息測試技術在農業生物信息測量中的應用土壤的通氣情況測定：可以用微生物傳感器來測量。土壤通氣狀況主要受土壤含水率、土壤結構、微生物的活動等因素的影響，而通氣狀況則又會直接影響到土壤的氧化還原電位。直接測量土壤溶液溶解氧的含量與氧化還原電位可能不是一個好主意，因為土壤中氧的化學性質十分活潑，在土壤中的變化規律過于復雜，而影響土壤氧化還原電位的因素又非常多，因此二者的測量結果可能缺乏可靠性。如果使用微生物傳感器，則可以利用微生物的好氧特性與厭氧特性來檢測通氣狀態的綜合性影響而獲得良好的結果，因為經過長期的自然選擇，微生物對于特定環境有著良好的適應性和依賴性，土壤通氣狀況在一段時間之內對于微生物生長繁殖的影響十分穩定。2.生理信息檢測二、生物信息測試技術的發展（四）生物信息測試技術在農業生物信息測量中的應用植物體成分測定：無機成分和有機成分兩部分：通過各種植物分析手段定量或半定量檢測出來，特別是基于層析原理而發展起來的各種色譜分析方法在近年來獲得飛速發展，不但可以在實驗室中進行分析實驗，也可以用便攜式儀器進行現場檢測。但化學分析手段的固有缺點在于難以實施連續的在線監測和難于實現檢測的自動化，因此大田和溫室作物生理信息的實時檢測仍將主要依靠包括生物傳感器在內的各種傳感器完成。植物生理信息檢測方法可以區分為宏觀和微觀兩類，如稱量重量、測量尺寸、觀察形狀、顏色、電磁特性檢測等可以歸于宏觀方法，微觀方法則主要是對植物的組成成分進行測量。2.生理信息檢測二、生物信息測試技術的發展（四）生物信息測試技術在農業生物信息測量中的應用植物體成分測定：植物體內的無機成分，一部分以游離態存在于植物體內汁液之中，另一部分與有機成分結合而被“固定”下來，與植物的全量分析不同，使用傳感器檢測植物體內的無機成分，以前者為主，與游離態無機成分相對較易于檢測有關，但更主要的原因是這樣的檢測能夠滿足實際的需要。檢測植物體內無機成分目的是檢驗施肥效果、預報和協助診斷缺素癥或者單素毒害、為查明其他故障提供線索等，而游離態無機成分數據能夠很好達到這一目的。例如氮肥供應充足時植物體內就會有一定的硝態氮積累，供肥過多，硝態氮含量就會超標，供肥嚴重不足時，硝態氮含量也極低，其它礦質元素，類似，如土壤PH值過低而使得某些元素如Mn的濃度過高時就會引起植物體內游離態Mn的嚴重超標。植物生理信息檢測方法可以區分為宏觀和微觀兩類，如稱量重量、測量尺寸、觀察形狀、顏色、電磁特性檢測等可以歸于宏觀方法，微觀方法則主要是對植物的組成成分進行測量。2.生理信息檢測二、生物信息測試技術的發展（四）生物信息測試技術在農業生物信息測量中的應用植物體成分測定：液中各種無機離子是生物傳感器常見的檢測對象之一，適用于這一類檢測的主要是離子敏場效應管生物傳感器，在臨床醫學上已經可以用于檢測H+、K+、Na+、Cl+、Ca2+、Mg2+、NH4+等。現有的這類生物傳感器常用于血檢和尿檢之中，經過適當的改進也可以用于植物組織液中礦質離子的檢測，不過要做到植入式檢測，就必須對傳感器進一步微型化并改進傳感器的結構以避免因植物體的排異反應而使傳感器失效。2.生理信息檢測二、生物信息測試技術的發展（四）生物信息測試技術在農業生物信息測量中的應用植物體成分測定：對于植物體內有機成分：例如，葉片進行光合作用形成葡萄糖，葡萄糖則結合成蔗糖的形式運輸到植物體的其他部分后再分解，因此在合適的位置測量葡萄糖與蔗糖的含量就可以在一定程度上推斷出光合作用進行的狀況。以呼吸作用為例，當環境氧分壓過低時植物無氧呼吸作用加強，如果植物長時間缺氧，那么無氧呼吸產生的酒精或乳酸就會積累并最終發生毒害作用，因此可以通過檢測酒精、乳酸的含量來推斷植物體的呼吸作用是否正常進行。當植物體發生其他代謝故障時也會有類似的情況發生，這與人體代謝類疾病的診斷原理是相同的。當植物生長發育進入某一特定階段或者在植物體的某些特定的部位，某些特定的物質含量會有明顯的變化，如植物衰老時脫落酸大量增加，在新生組織中生長素的含量明顯高于其他組織等等，這一類變化也是傳感器進行植物生理信息檢測的依據之一。3.種子活力的檢測二、生物信息測試技術的發展（四）生物信息測試技術在農業生物信息測量中的應用種子活力是表示種子強壯程度的重要品質指標之一，是種子內在生命力強弱的屬性。種子活力的標準術語是Vigor，按照國際種子檢驗協會（ISTA）的定義，種子活力是指種子在廣泛大田條件下能迅速、整齊地發芽，茁壯地生長，并能長成正常幼苗和植株而達到豐產及優質的潛在能力。生化測定法是諸多種子活力測定方法中的一類，常用生化測定法包括TTC法、ATP含量測定法、酶活性測定法等。雖然生化測定法是“間接法”，不如幼苗生長勢法和幼苗生長分級法等方法直接，但這類方法具有快速預測的優點，因而是很常用的方法3.種子活力的檢測二、生物信息測試技術的發展（四）生物信息測試技術在農業生物信息測量中的應用圖形法和定量法：圖形法不僅要求嚴格控制TTC染色程度，具體檢測時還需逐粒切割種子，因此操作十分煩瑣，且對檢驗人員操作要求很高，定量法雖然檢驗操作相對比較簡單，但檢驗結果可靠性比較差，且要使用比較貴重的測試儀器，因此通常只作為輔助手段使用。各種生化測定法直接檢測的對象都是生物活性物質，如TTC法的實質是檢測了呼吸過程中脫氫酶的活性，ATP法檢測的就是ATP等等。如果能夠使用生物傳感器來檢測這些活性物質的話，就會使檢測過程變得更快更簡單，同時由于不需要對種子做過多的額外處理，也會使檢測結果更加可靠。ATP法就是其中有望能夠得到改進的方法之一。3.種子活力的檢測二、生物信息測試技術的發展（四）生物信息測試技術在農業生物信息測量中的應用ATP是生物體內的通用能量載體，在休眠的種子中ATP含量極低，在種子萌發過程中，ATP大量合成，且其合成量與種子活力成正相關，因而是測定種子活力的一個理想途徑，當然也有研究者認為，單純ATP含量不能全面反映問題的實質，因此主張通過測定能量負荷來表示種子活力。目前ATP測定法中ATP的測量一般是通過測定熒光素酶催化ATP與熒光素反應產生的光量來實現的。但近年在國外不少類型的ATP生物傳感器相繼被開發出來，這些研制出的ATP傳感器中，比較成功的一例就是英國沃里克大學生物系研制的以甘油激酶和3-磷酸甘油氧化酶為敏感材料的鉑電極生物傳感器，據報道該傳感器響應速度快，10%-90%上升時間小于10s，對200nM-50mM之間的ATP含量具有良好的線性響應特性，靈敏度大約在250mA.M-1.cm-2左右。這類傳感器的研制成功為改進現有的種子活力ATP測定方法打下了良好的基礎。三、生物信息測試技術的特點與發展趨勢（一）生物信息測試技術的特點（1）測定范圍廣；（2）專一性強，只對特定的底物起反應，而且不受顏色、濁度的影響；（3）生物傳感器使用時一般不需要樣品的預處理，樣品中的被測組分的分析檢測同時完成，且測定時一般不需要加入其他試劑；（4）采用固定化生物活性物質作敏感基元（催化劑），昂貴的試劑可以重復多次使用，克服了成本費用高和化學分析繁瑣復雜的缺點；（5）測定過程簡單迅速，通常可以在一分鐘得到結果；（6）準確度和靈敏度高，一般相對誤差不超過1%；（7）操作系統簡單，由于它的體積小，可以實現連續在線監測，容易實現自動分析；（8）可進入生物體內進行檢測；（9）成本低，同時傳感器連同測定儀的成本遠低于大型的分析儀器，便于推廣普及。三、生物信息測試技術的特點與發展趨勢（二）生物信息測試技術的發展趨勢微小化、植入式生物傳感器，百年來，科學家們一直在使用光來研究活細胞。但由于生物材料對光的吸收和散射，只允許科學家觀察細胞內部和薄片組織，在深層組織和其他不透明環境中對光進行成像非常困難。麻省理工學院和紐約大學的研究團隊，通過將光信號轉換為磁共振成像（MRI）可以檢測到的磁信號，實現腦組織深處光分布的表征。研究人員首先