第13章生物传感器.ppt

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第13章生物传感器,传感器原理与应用,13.1概述13.2酶传感器13.3免疫传感器13.4微生物传感器13.5其他常见生物传感器及应用,目录,传感与检测技术,第13章生物传感器,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.1概述,生物传感器（Biosensor）起源于20世纪60年代，在20世纪80年代得到了公认与发展，并作为传感器的一个分支应用于食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面。

生物传感器利用酶、抗体、微生物等作为敏感材料，并将其产生的物理量、化学量的变化转化为电信号，用以检测与识别生物体内的化学成分。

将生物敏感材料固定在高分子人工膜等载体上，被识别的生物分子作用于人工膜（生物传感器）时，将会产生变化的信号（电、热、光等）输出，然后采用电化学法、热测量法或光测量法等测出输出信号。

具有选择性好、灵敏度高、响应速度快、成本低廉、能在复杂的体系中进行在线连续监测等特点,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.1概述,发展历程：

1962年，Clark教授酶电极1967年，Updike，Hicks酶传感器1975年，C.Divis提出用完整的微生物活细胞取代纯酶制作的传感器1977年，美国A.Rchnitz研制出检测测精氨酸的微生物电极1979年，A.Rchnitz成功研制出了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”,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.1.1生物传感器的工作原理,工作原理：

被测物质经扩散进入生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应（物理、化学变化），产生物理、化学现象或产生新的化学物质，由相应的敏感元件转换成可定量、可传输处理的电信号。

生物传感器,敏感膜（分子识别元件）,敏感元件（信号转换元件）,图13-1生物传感器的基本工作原理,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.1.1生物传感器的工作原理,图13-2敏感膜对生物分子的选择性作用,生物敏感膜又称分子识别元件利用生物体内具有奇特功能的物质制成的膜与被测物质相接触时会伴有物理、化学反应选择性地“捕捉”自己感兴趣的物质,传感与检测技术,第13章生物传感器,表13-1生物传感器的生物敏感膜,13.1.1生物传感器的工作原理,根据生物敏感膜选材的不同，可以制成酶膜、全细胞膜、组织膜、免疫膜、细胞器膜、复合膜等,传感与检测技术,第13章生物传感器,生物分子识别元件与换能器的不同组合，可以构建出适用于不同用途的生物传感器类型。

13.1.1生物传感器的工作原理,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.1.2生物传感器的分类,

（1）根据生物识别元件进行分类,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.1.2生物传感器的分类,

（2）根据换能器信号转换的方式进行分类,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.1.3生物传感器的特点,应用范围较广由具有高度选择性的生物材料构成敏感（识别）元件的，一般情况下，检测时不需要另加其他试剂，也不需要进行样品的预处理体积小、分析速度快、准确度高，容易实现在线检测和自动分析操作相对简单、成本低、易于推广应用制造工艺上较难，使用寿命较短,传感与检测技术,第13章生物传感器,生物传感器的主要应用领域,生物传感器在全国应用数量和地理分布,东北46,华北93,华东148,台湾2,华南31,华中58,西部25,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.2酶传感器,酶传感器是利用被测物质与各种生物活性酶在化学反应中产生或消耗的物质量，通过电化学装置转换成电信号，从而选择性地测出某种成分的器件。

操作简单体积小便于携带现场测试广泛应用于检测血糖、血脂、氨基酸、青霉素、尿素等物质的含量,传感与检测技术,第13章生物传感器,酶是由生物体内产生并具有催化活性的一类蛋白质，也成为生物催化剂。

13.2.1酶的特性,与一般催化剂作比较，相同点：

仅能影响化学反应的速度，而不改变反应的平衡点不同点：

（1）酶的催化效率比一般催化剂要高1061013倍；

（2）酶催化反应常温常压条件下即可进行；（3）酶的催化具有高度的专一性，即一种酶只能作用于一种或一类物质，产生一定产物，而非酶催化剂对作用物没有如此严格的选择性。

（4）酶的催化过程是一种化学放大，即物质通过酶的催化作用能产生大量产物。

传感与检测技术,第13章生物传感器,13.2.2酶传感器的结构及原理,酶传感器也称为“酶电极”，由生物酶膜和各种电极（如：

离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极等）组合而成。

图13-7电化学酶传感器的基本原理示意图,工作原理被测物质与各种生物活性酶在化学反应中产生或消耗的物质量，通过电化学装置（电极）转换成电信号，从而选择性地测出某种成分。

传感与检测技术,第13章生物传感器,13.2.2酶传感器的结构及原理,酶传感器,电流输出型,电压输出型,由与酶催化反应有关物质电极反应所得到的电流来确定反应物质的浓度，一般采用氧电极、H2O2电极等；,通过测量敏感膜的电位来确定与催化反应有关的各种物质的浓度，一般采用NH3电极、CO2电极、H2电极等,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.2.2酶传感器的结构及原理,表13-2酶传感器的分类,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.2.3酶的固化技术,酶的固定是酶生物传感器研究的关键环节能保持生物活性单元的固有特性，避免自由活性单元应用上的缺陷目前，已有的固化技术有吸附法、化学交联法、共价键合法、物理包埋法,图13-8酶的固定化技术（a）吸附法（b）化学交联法（c）共价键合法（d）物理包埋法,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.2.4酶传感器的应用,

（1）Clark氧电极Clark氧电极是使用最广泛的液相氧传感器，用以测定溶液中溶解氧的含量。

由一个阳极和一个阴极电极浸入溶液所构成氧通过一个通透膜扩散进入电极表面，在阳极减少，并产生一个可测量电流。

酶促反应以及微生物呼吸链中的氧化磷酸化使得电子流入氧，并被氧电极所测量。

采用一个特氟龙（Tefolon）膜将电极部分与反应腔隔离，它可以使氧分子穿透并到达阴极，在那里电解并消耗氧，产生的电流电位可以被仪器所记录。

图13-9Clark氧电极,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.2.4酶传感器的应用,

（2）葡萄糖酶电极传感器的测量由酶膜和Clark氧电极（或过氧化氢电极）组成将葡萄糖酶传感器插入被测葡萄糖溶液中，葡萄糖发生氧化反应，消耗氧，生成葡萄糖酸和过氧化氢H2O2H2O2通过选择性透气膜，使电极表面的氧化量减少，相应电极的还原电流减少，从而可以通过电流值的变化来确定葡萄糖的浓度,葡萄糖浓度越高，消耗的氧就越多，生成的过氧化氢也越多,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.2.4酶传感器的应用,通过区分氧电极、过氧化氢电极，是以是否使用电子转移媒介体，可以将葡萄糖酶电极区分为以下两个不同的类型：

（2）葡萄糖酶电极传感器的测量,氧电极葡萄糖传感器,过氧化氢电极葡萄糖传感器,以铂电极（-0.6V）作为阴极，Ag/AgCl电极（+0.6V）作为阳极，电极对氧响应产生电流,铂电极（-0.6V）作为阳极，Ag/AgCl（+0.6V）作为阴极，电极对过氧化氢响应产生电流,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.3免疫传感器,13.3.1免疫传感器的基本原理,抗体是由机体B淋巴细胞和血浆细胞分泌产生，可对外界（非自身）物质产生反应的一种血清蛋白。

抗原外界物质因其能引发机体免疫反应，也称为免疫原。

由于具有高的亲和常数和低的交叉反应，抗原抗体反应被认为有很强的特异性,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.3免疫传感器,13.3.1免疫传感器的基本原理,免疫传感器的基本原理是免疫反应即利用抗体能识别抗原并与抗原结合的功能的生物传感器,利用固定化抗体（或抗原）膜与相应的抗原（或抗体）的特异反应，反应的结果使生物敏感膜的电位发生变化；分析灵敏度高、特异性强、使用简便广泛应用到临床诊断、微生物检测、环境监测及食品分析等诸多领域,非标识免疫传感器,标识免疫传感器,免疫传感器,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.3免疫传感器,

（1）非标识免疫传感器,也称直接免疫传感器利用抗原或抗体在水溶液中两性解离本身带电的特性，将其中一种固定在电极表面或膜上，当另一种与之结合形成抗原抗体复合物时，原有的膜电荷密度将发生改变，从而引起膜的Donnan电位和离子迁移的变化，最终导致膜电位改变。

传感与检测技术,第13章生物传感器,13.3免疫传感器,

（1）非标识免疫传感器,（a）一种是在膜的表面结合抗体（或抗原），用传感器测定抗原抗体反应前后的膜电位；（b）另一种是在金属电极的表面直接结合抗体（或抗原）作为感受器，测定与抗原抗体反应相关电极的电位变化,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.3免疫传感器,间接免疫传感器利用酶的标识剂来增加免疫传感器的检测灵敏度该类传感器将免疫的专一性和酶的灵敏性融为一体，可对低浓度底物进行检测常用的标记酶有：

辣根过氧化物酶、葡萄糖氧化酶、碱性磷酸酶和脲酶,

（2）标识免疫传感器,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.3免疫传感器,

（2）标识免疫传感器,无论是电位型还是电流型酶标记的免疫传感器，都可归结为是对还原型辅酶I（NADH）、苯酚、O2、H2O2和NH3等电活性物质的检出。

传感与检测技术,第13章生物传感器,13.3免疫传感器,

（2）标识免疫传感器,在用过氧化氢酶作为标识酶时，标识酶的活性是在给定的过氧化氢中根据每单位时间内所生成的氧量而求出的，即：

将清除游离抗原后的酶免疫传感器放在H2O2溶液中浸渍抗体膜表面结合的标识酶催化H2O2，分解成水和氧氧经扩散透入抗体膜及Clark氧电极的透气膜，到达铂阴极，得到了与生成的氧量相对应的电流从电流量可求出在膜上结合的标识酶的量使用该方法可以测定人的血清白蛋白（HSA）及人绒毛膜促性腺激素（HCG）,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.3免疫传感器,（3）抗体的固定,免疫生物传感器制备过程中一个非常重要的步骤是将抗体或抗原固定在传感器表面，这样才能检测相应的抗原或抗体。

制备方法：

直接法：

吸附法、包埋法、交联法、共价结合法间接法：

生物素-亲和素体系和自组装单层膜、戊二醛交联法、蛋白A等其他间接固定,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.3免疫传感器,（4）免疫传感器的应用,梅毒抗体传感器,1为基准容器2为测试容器3为抗原容器,参考膜（不含抗原的乙酰纤维素膜）与抗原膜由容器1和容器3分开血清注入容器2中，抗原膜作为带电膜工作若血清中存在抗体，则抗体被吸附于抗原表明形成复合体抗体带正电荷，所以膜的负电荷减少，引起膜电位的变化，最终通过测量两个电极间的电位差，来判断血清中是否存在梅毒抗体,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.4微生物传感器,13.4.1工作原理,微生物主要包括原核微生物（如细菌）、真核微生物（如真菌、藻类和原虫）和无细胞生物（如病毒）等几大类微生物传感器也成为微生物电极，它属于酶电极的衍生电极，除了生物活性物质不同外（用微生物替代酶），两者之间有相似的结构和工作原理。

传感与检测技术,第13章生物传感器,13.4微生物传感器,微生物传感器根据对氧气的反应情况分为呼吸机能型微生物传感器和代谢机能型微生物传感器,13.4.1工作原理,（a）呼吸机能型,（b）代谢机能型,传感与检测技术,第13章生物传感器,13.4微生物传感器,

（1）呼吸机能型,由好氧型微生物固定化膜和氧电极（或CO2电极）组合而成测定时以微生物的呼吸活性为基础,当微生物传感器插入溶解氧保持饱和状态的试液中时，试液中的有机化合物受到微生物的同化作用，微生物的呼吸加强，在电极上扩散的氧减少，电流值急剧下降。

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