第9章生物傳感技術(shù)

1、1 第第 9 章章 生物傳感技生物傳感技 術(shù)術(shù) 9.1 概述概述 9.2 生物傳感技術(shù)的分子生物傳感技術(shù)的分子 識(shí)別原理與技術(shù)識(shí)別原理與技術(shù) 9.3 生物傳感儀器技術(shù)及其應(yīng)用生物傳感儀器技術(shù)及其應(yīng)用 9.1 9.1 概述概述 生物傳感技術(shù)是一門(mén)由生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子生物傳感技術(shù)是一門(mén)由生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子 技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透成長(zhǎng)起來(lái)的高新技術(shù)，在生物醫(yī)技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透成長(zhǎng)起來(lái)的高新技術(shù)，在生物醫(yī) 學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品、醫(yī)藥及軍事醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品、醫(yī)藥及軍事醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著重要應(yīng) 用價(jià)值。用價(jià)值。 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)生生物傳

2、感器有以下共同的結(jié)構(gòu)：包括一種或數(shù)種相關(guān)生 物活性材料及能把生物活性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的物物活性材料及能把生物活性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的物 理或化學(xué)換能器，二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動(dòng)理或化學(xué)換能器，二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動(dòng) 化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號(hào)的再加工，構(gòu)成各種可以使用的化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號(hào)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)。生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。 生物傳感器的特點(diǎn)：生物傳感器的特點(diǎn)： （1 1）采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，價(jià)值昂貴的試劑可）采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，價(jià)值昂貴的試劑可 以重復(fù)多次使用，克服了過(guò)去酶法分析試

3、劑費(fèi)用高和化學(xué)以重復(fù)多次使用，克服了過(guò)去酶法分析試劑費(fèi)用高和化學(xué) 分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。 （2 2）專一性強(qiáng)，只對(duì)特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁）專一性強(qiáng)，只對(duì)特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁 度的影響。度的影響。 （3 3）分析速度快，可以在一分鐘得到結(jié)果。）分析速度快，可以在一分鐘得到結(jié)果。 （4 4）準(zhǔn)確度高，一般相對(duì)誤差可以達(dá)到）準(zhǔn)確度高，一般相對(duì)誤差可以達(dá)到1 1。 （5 5）操作系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單）操作系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單 ，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析。，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析。 （6 6）成本低，在連續(xù)使用時(shí)，每例測(cè)定僅需要幾分錢(qián)人民幣。）成本低，在連續(xù)使用時(shí)，每例測(cè)定僅需要幾分錢(qián)人民

4、幣。 （7 7）有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供）有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供 氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生。氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生。 9.1.1 9.1.1 生物傳感器的工作原理生物傳感器的工作原理 以生物活性物質(zhì)為敏感材料做成的傳感器叫生以生物活性物質(zhì)為敏感材料做成的傳感器叫生 物傳感器。物傳感器。 它以生物分子去識(shí)別被測(cè)目標(biāo)，然后將生物分它以生物分子去識(shí)別被測(cè)目標(biāo)，然后將生物分 子所發(fā)生的子所發(fā)生的 物理或化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，予以放物理或化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，予以放 大輸出，從大輸出，從 而得到檢測(cè)結(jié)果。而得到檢測(cè)結(jié)果。 生物傳感器的選擇性與分子識(shí)

5、別元件有關(guān)，取生物傳感器的選擇性與分子識(shí)別元件有關(guān)，取 決于與載體決于與載體 相結(jié)合的生物活性物質(zhì)。相結(jié)合的生物活性物質(zhì)。 5 為了提高生物傳感器的靈敏度，可利用化學(xué)放大為了提高生物傳感器的靈敏度，可利用化學(xué)放大 功能。所謂化學(xué)放大功能，就是使一種物質(zhì)通過(guò)催化、功能。所謂化學(xué)放大功能，就是使一種物質(zhì)通過(guò)催化、 循環(huán)或倍增的機(jī)理同一種試劑作用產(chǎn)生出相對(duì)大量的循環(huán)或倍增的機(jī)理同一種試劑作用產(chǎn)生出相對(duì)大量的 產(chǎn)物。傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換能力取決于所采用的轉(zhuǎn)換器。產(chǎn)物。傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換能力取決于所采用的轉(zhuǎn)換器。 根據(jù)器件信號(hào)轉(zhuǎn)換的方式可分為：根據(jù)器件信號(hào)轉(zhuǎn)換的方式可分為： 直接產(chǎn)生電信號(hào)；直接產(chǎn)生電信號(hào)；

6、化學(xué)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；化學(xué)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)； 熱變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；熱變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)； 光變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；光變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)； 界面光學(xué)參數(shù)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。界面光學(xué)參數(shù)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 9.1.2 9.1.2 生物傳感技術(shù)的發(fā)展歷史生物傳感技術(shù)的發(fā)展歷史 19671967年美國(guó)的年美國(guó)的S.J.S.J.烏普迪克等制出了第一個(gè)生物傳感烏普迪克等制出了第一個(gè)生物傳感 器葡萄糖傳感器?，F(xiàn)已發(fā)展了第二代生物傳感器（微生物、器葡萄糖傳感器。現(xiàn)已發(fā)展了第二代生物傳感器（微生物、 免疫、酶免疫和細(xì)胞器傳感器），研制和開(kāi)發(fā)第三代生物免疫、酶免疫和細(xì)胞器傳感器），研制和開(kāi)發(fā)第三代生物 傳感器，將生物技術(shù)和

7、電子技術(shù)結(jié)合起來(lái)的場(chǎng)效應(yīng)生物傳傳感器，將生物技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合起來(lái)的場(chǎng)效應(yīng)生物傳 感器。近年來(lái)，隨著生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展感器。近年來(lái)，隨著生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展 的推動(dòng)，生物傳感器技術(shù)飛速發(fā)展?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)的生的推動(dòng)，生物傳感器技術(shù)飛速發(fā)展?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)的生 物傳感器將具有以下特點(diǎn)：物傳感器將具有以下特點(diǎn)： （1 1）功能多樣化）功能多樣化 （2 2）微型化）微型化 （3 3）智能化與集成化）智能化與集成化 （4 4）低成本、高靈敏度、高穩(wěn)定性和高壽命）低成本、高靈敏度、高穩(wěn)定性和高壽命 9.1.3 9.1.3 生物傳感器的分類生物傳感器的分類 生物傳感器主要有下面三

8、種分類命名方式：生物傳感器主要有下面三種分類命名方式： （1 1）根據(jù)生物傳感器中分子識(shí)別元件即敏感元件的不同，生）根據(jù)生物傳感器中分子識(shí)別元件即敏感元件的不同，生 物傳感器可分為酶?jìng)鞲衅鳎ü潭ɑ福?、微生物傳感器物傳感器可分為酶?jìng)鞲衅鳎ü潭ɑ福?、微生物傳感?（固定化微生物）、免疫傳感器（固定化抗體）、基因（固定化微生物）、免疫傳感器（固定化抗體）、基因 傳感器（固定化單鏈核酸）、細(xì)胞傳感器（固定化細(xì)胞傳感器（固定化單鏈核酸）、細(xì)胞傳感器（固定化細(xì)胞 器）和組織傳感器（固定化生物體組織）等。器）和組織傳感器（固定化生物體組織）等。 （2 2）按照傳感器器件檢測(cè)的原理分類，可分為：熱敏生物傳

9、）按照傳感器器件檢測(cè)的原理分類，可分為：熱敏生物傳 感器、場(chǎng)效應(yīng)管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學(xué)生感器、場(chǎng)效應(yīng)管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學(xué)生 物傳感器、聲波道生物傳感器、酶電極生物傳感器、介物傳感器、聲波道生物傳感器、酶電極生物傳感器、介 體生物傳感器等。體生物傳感器等。 （3 3）按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分類，可分為親和型）按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分類，可分為親和型 和代謝型兩種。和代謝型兩種。 9.2 生物傳感技術(shù)的分子識(shí)別原理與技術(shù)生物傳感技術(shù)的分子識(shí)別原理與技術(shù) 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（kinetics of enzyme-kinetics of enzym

10、e- catalyzed reactionscatalyzed reactions）是研究酶促反應(yīng)速度及其）是研究酶促反應(yīng)速度及其 影響因素的科學(xué)。這些因素主要包括酶的濃度、底影響因素的科學(xué)。這些因素主要包括酶的濃度、底 物的濃度、物的濃度、pHpH值、溫度、抑制劑和激活劑等。但必值、溫度、抑制劑和激活劑等。但必 須注意，酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中所指明的速度是反應(yīng)的須注意，酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中所指明的速度是反應(yīng)的 初速度，因?yàn)榇藭r(shí)反應(yīng)速度與酶的濃度呈正比關(guān)系，初速度，因?yàn)榇藭r(shí)反應(yīng)速度與酶的濃度呈正比關(guān)系， 這樣避免了反應(yīng)產(chǎn)物以及其他因素的影響。這樣避免了反應(yīng)產(chǎn)物以及其他因素的影響。 9.2.1 酶反應(yīng)酶反

11、應(yīng) 9 酶促反應(yīng)具有一下幾個(gè)特點(diǎn)：酶促反應(yīng)具有一下幾個(gè)特點(diǎn)： 酶促反應(yīng)具有一般催化劑的性質(zhì)；加速化學(xué)反應(yīng)酶促反應(yīng)具有一般催化劑的性質(zhì)；加速化學(xué)反應(yīng) 的進(jìn)行，而其本身在反應(yīng)前后沒(méi)有質(zhì)和量的改變，不的進(jìn)行，而其本身在反應(yīng)前后沒(méi)有質(zhì)和量的改變，不 影響反應(yīng)的方向，不改變反應(yīng)的平衡常數(shù)；酶促反應(yīng)影響反應(yīng)的方向，不改變反應(yīng)的平衡常數(shù)；酶促反應(yīng) 具有極高的催化效率；酶促反應(yīng)具有高度的專一性。具有極高的催化效率；酶促反應(yīng)具有高度的專一性。 一種酶只作用于一類化合物或一定的化學(xué)鍵，以促進(jìn)一種酶只作用于一類化合物或一定的化學(xué)鍵，以促進(jìn) 一定的化學(xué)變化，并生成一定的產(chǎn)物，這種現(xiàn)象稱為一定的化學(xué)變化，并生成一定的產(chǎn)

12、物，這種現(xiàn)象稱為 酶的特異性或?qū)Ｒ恍?。受酶催化的化合物稱為該酶的酶的特異性或?qū)Ｒ恍?。受酶催化的化合物稱為該酶的 底物或作用物。酶對(duì)底物的專一性通常分為絕對(duì)特異底物或作用物。酶對(duì)底物的專一性通常分為絕對(duì)特異 性、相對(duì)特異性和立體異構(gòu)特異性。性、相對(duì)特異性和立體異構(gòu)特異性。 1 1. . 酶濃度對(duì)反應(yīng)速度酶濃度對(duì)反應(yīng)速度 的影響的影響 在一定的溫度和在一定的溫度和pHpH 值條件下，當(dāng)?shù)孜餄舛戎禇l件下，當(dāng)?shù)孜餄舛?大大超過(guò)酶的濃度時(shí)，大大超過(guò)酶的濃度時(shí)， 酶的濃度與反應(yīng)速度呈酶的濃度與反應(yīng)速度呈 正比關(guān)系。正比關(guān)系。 酶濃度對(duì)反應(yīng)初速度的影響酶濃度對(duì)反應(yīng)初速度的影響 2. 2. 底物濃度對(duì)反應(yīng)速度

13、的影響底物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響 在酶的濃度不變的情況下，在酶的濃度不變的情況下， 底物濃度對(duì)反應(yīng)速度影響的作底物濃度對(duì)反應(yīng)速度影響的作 用呈現(xiàn)矩形雙曲線。在底物濃用呈現(xiàn)矩形雙曲線。在底物濃 度很低時(shí)，反應(yīng)速度隨底物濃度很低時(shí)，反應(yīng)速度隨底物濃 度的增加而急聚加快，兩者呈度的增加而急聚加快，兩者呈 正比關(guān)系，即一級(jí)反應(yīng)。隨底正比關(guān)系，即一級(jí)反應(yīng)。隨底 物濃度升高，反應(yīng)速不呈正比物濃度升高，反應(yīng)速不呈正比 例加快，反應(yīng)速度增加的幅度例加快，反應(yīng)速度增加的幅度 不斷下降。如果繼續(xù)加大底物不斷下降。如果繼續(xù)加大底物 濃度，反應(yīng)速度不再增加，表濃度，反應(yīng)速度不再增加，表 現(xiàn)為現(xiàn)為0 0級(jí)反應(yīng)。此時(shí)，無(wú)論

14、底物級(jí)反應(yīng)。此時(shí)，無(wú)論底物 濃度增加多大，反應(yīng)速度也不濃度增加多大，反應(yīng)速度也不 再增加，說(shuō)明酶被底物所飽和。再增加，說(shuō)明酶被底物所飽和。 12 3. pH3. pH值對(duì)反應(yīng)速度的影響值對(duì)反應(yīng)速度的影響 酶反應(yīng)介質(zhì)的酶反應(yīng)介質(zhì)的pHpH值可影響酶分子的解離程度和值可影響酶分子的解離程度和 催化基團(tuán)中質(zhì)子供體或質(zhì)子受體所需的離子化狀態(tài)，催化基團(tuán)中質(zhì)子供體或質(zhì)子受體所需的離子化狀態(tài)， 也可影響底物和輔酶的解離程度，從而影響酶與底也可影響底物和輔酶的解離程度，從而影響酶與底 物的結(jié)合。物的結(jié)合。 下表下表 一些酶的最適一些酶的最適pHpH值值 溶液的溶液的pHpH值高于和低于最適值高于和低于最適pH

15、pH值時(shí)都會(huì)使酶的活性值時(shí)都會(huì)使酶的活性 降低，遠(yuǎn)離最適降低，遠(yuǎn)離最適pHpH值時(shí)甚至導(dǎo)致酶的變性失活。值時(shí)甚至導(dǎo)致酶的變性失活。 溫度對(duì)唾液淀粉酶溫度對(duì)唾液淀粉酶 活性影響活性影響 酶酶胃胃 蛋蛋 白白 酶酶 胰蛋胰蛋 白酶白酶 過(guò)過(guò) 氧氧 化化 氫氫 酶酶 精精 氨氨 酸酸 酶酶 延延 胡胡 索索 酸酸 酶酶 核核 糖糖 核核 酸酸 酶酶 最最 適適 pH 值值 1.87.77. 6 9.87.87.8 14 4.4.溫度對(duì)反應(yīng)速度的影響溫度對(duì)反應(yīng)速度的影響 化學(xué)反應(yīng)的速度隨溫度化學(xué)反應(yīng)的速度隨溫度 增高而加快。但酶是蛋白質(zhì)，增高而加快。但酶是蛋白質(zhì)， 可隨溫度的升高而變性。左可隨溫度的升

16、高而變性。左 圖所示為溫度對(duì)唾液淀粉酶圖所示為溫度對(duì)唾液淀粉酶 活性影響活性影響 5. 5. 抑制劑對(duì)反應(yīng)速度的影響抑制劑對(duì)反應(yīng)速度的影響 凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)稱凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)稱 作酶的抑制劑。使酶變性失活（稱為酶的鈍化）的因素作酶的抑制劑。使酶變性失活（稱為酶的鈍化）的因素 如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等，不屬于抑制劑。通常抑制作用分為可如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等，不屬于抑制劑。通常抑制作用分為可 逆性抑制和不可逆性抑制兩類。逆性抑制和不可逆性抑制兩類。 6. 6. 激活劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響激活劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 能使酶活性提高的物質(zhì)，都稱為激活劑，其中大部能使酶

17、活性提高的物質(zhì)，都稱為激活劑，其中大部 分是離子或簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物。分是離子或簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物。 16 9.2.2 9.2.2 微生物反應(yīng)微生物反應(yīng) 利用微生物進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程稱為微生物反應(yīng)過(guò)程，利用微生物進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程稱為微生物反應(yīng)過(guò)程， 即將微生物作為生物催化劑進(jìn)行的反應(yīng)為微生物反應(yīng)。即將微生物作為生物催化劑進(jìn)行的反應(yīng)為微生物反應(yīng)。 1. 1. 微生物反應(yīng)和酶反應(yīng)的共同特點(diǎn)微生物反應(yīng)和酶反應(yīng)的共同特點(diǎn) （1 1）兩者都是生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)所需要的環(huán)境相似；）兩者都是生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)所需要的環(huán)境相似； （2 2）微生物細(xì)胞中包含各種酶，催化所有酶可以催化的反應(yīng)；）微生物細(xì)胞中

18、包含各種酶，催化所有酶可以催化的反應(yīng)； （3 3）兩者催化的速度近似。）兩者催化的速度近似。 2. 2. 微生物反應(yīng)的特殊性微生物反應(yīng)的特殊性 （1 1）酶反應(yīng)需要溫和的環(huán)境，微生物細(xì)胞的膜系統(tǒng)為酶的）酶反應(yīng)需要溫和的環(huán)境，微生物細(xì)胞的膜系統(tǒng)為酶的 反應(yīng)提供了天然的反應(yīng)提供了天然的“理想環(huán)境理想環(huán)境”，細(xì)胞可以在較長(zhǎng)的時(shí)間，細(xì)胞可以在較長(zhǎng)的時(shí)間 保持一定的催化活性；保持一定的催化活性； （2 2）同一個(gè)微生物細(xì)胞自身包含數(shù)以千計(jì)種的酶，顯然比）同一個(gè)微生物細(xì)胞自身包含數(shù)以千計(jì)種的酶，顯然比 單一的酶更適合多底物反應(yīng)；單一的酶更適合多底物反應(yīng)； （3 3）酶反應(yīng)需要的輔助因子和能量可以由微生物細(xì)

19、胞提供；）酶反應(yīng)需要的輔助因子和能量可以由微生物細(xì)胞提供； （4 4）酶的提純等成本高，有些酶至今未能完全的提純，相）酶的提純等成本高，有些酶至今未能完全的提純，相 比之下，微生物細(xì)胞來(lái)源方便，價(jià)格低廉。比之下，微生物細(xì)胞來(lái)源方便，價(jià)格低廉。 18 3. 3. 傳感器以微生物為敏感元件的不足之處傳感器以微生物為敏感元件的不足之處 微生物傳感器作為生物傳感器的重要組成部分，作為微生物傳感器作為生物傳感器的重要組成部分，作為 分子識(shí)別元件即敏感元件的生物傳感器亦存在著自身的不分子識(shí)別元件即敏感元件的生物傳感器亦存在著自身的不 足之處：足之處： （1 1）由于反應(yīng)過(guò)程中往往存在著微生物的生長(zhǎng)和死亡，

20、故）由于反應(yīng)過(guò)程中往往存在著微生物的生長(zhǎng)和死亡，故 分析反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不易建立。分析反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不易建立。 （2 2）微生物細(xì)胞本身是一個(gè)龐大的酶系統(tǒng)，包括自身代謝）微生物細(xì)胞本身是一個(gè)龐大的酶系統(tǒng)，包括自身代謝 在內(nèi)的許多反應(yīng)并存，難以去除不必要的反應(yīng)。在內(nèi)的許多反應(yīng)并存，難以去除不必要的反應(yīng)。 （3 3）微生物細(xì)胞受環(huán)境變化的影響易引起自身生理狀態(tài)的）微生物細(xì)胞受環(huán)境變化的影響易引起自身生理狀態(tài)的 復(fù)雜化，從而導(dǎo)致不期望的反應(yīng)。復(fù)雜化，從而導(dǎo)致不期望的反應(yīng)。 4. 4. 微生物反應(yīng)的分類方式微生物反應(yīng)的分類方式 微生物反應(yīng)主要有下面三種分類方式微生物反應(yīng)主要有下面三種分類方式 （1 1）按照生物

21、代謝流向，微生物反應(yīng)可以分為同化作用）按照生物代謝流向，微生物反應(yīng)可以分為同化作用 和異化作用。和異化作用。 （2 2）按照微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的要求，微生物反應(yīng)可以分為自）按照微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的要求，微生物反應(yīng)可以分為自 養(yǎng)性和異養(yǎng)性。養(yǎng)性和異養(yǎng)性。 （3 3）按照微生物反應(yīng)對(duì)氧的需求與否，微生物反應(yīng)可以）按照微生物反應(yīng)對(duì)氧的需求與否，微生物反應(yīng)可以 分為好氧反應(yīng)和厭氧反應(yīng)。分為好氧反應(yīng)和厭氧反應(yīng)。 20 免疫指機(jī)體對(duì)病原生物感染的抵抗能力?？蓞^(qū)別為自免疫指機(jī)體對(duì)病原生物感染的抵抗能力?？蓞^(qū)別為自 然免疫和獲得性免疫。自然免疫是非特異型的，獲得性免然免疫和獲得性免疫。自然免疫是非特異型的，獲得性免 疫一

22、般是特異性的，在微生物等抗原物質(zhì)刺激后才形成，疫一般是特異性的，在微生物等抗原物質(zhì)刺激后才形成， 并能與該抗原產(chǎn)生特異性反應(yīng)。上述各種免疫過(guò)程中，抗并能與該抗原產(chǎn)生特異性反應(yīng)。上述各種免疫過(guò)程中，抗 原與抗體的反應(yīng)是最基本的反應(yīng)。原與抗體的反應(yīng)是最基本的反應(yīng)。 9.2.3 免疫反應(yīng)免疫反應(yīng) 1. 1. 抗原抗原 （1 1） 抗原的定義抗原的定義 抗原是能夠刺激動(dòng)物體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)?？乖袃煽乖悄軌虼碳?dòng)物體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)?？乖袃?種性能：刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫應(yīng)答反應(yīng)和與相應(yīng)免疫反應(yīng)產(chǎn)物種性能：刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫應(yīng)答反應(yīng)和與相應(yīng)免疫反應(yīng)產(chǎn)物 發(fā)生異性結(jié)合反應(yīng)。前一種性能稱為免疫原性，后一種

23、性能發(fā)生異性結(jié)合反應(yīng)。前一種性能稱為免疫原性，后一種性能 稱為反應(yīng)原性。具有免疫原性的抗原完全抗原，那些只有反稱為反應(yīng)原性。具有免疫原性的抗原完全抗原，那些只有反 應(yīng)原性，不刺激免疫應(yīng)答反應(yīng)的稱為半抗原。應(yīng)原性，不刺激免疫應(yīng)答反應(yīng)的稱為半抗原。 （2 2） 抗原的分類抗原的分類 通常，根據(jù)來(lái)源的不同，抗原又可以分為如下幾種：通常，根據(jù)來(lái)源的不同，抗原又可以分為如下幾種： 天然抗原天然抗原 人工抗原人工抗原 合成抗原。合成抗原是化學(xué)合成的多肽分子。合成抗原。合成抗原是化學(xué)合成的多肽分子。 22 （3 3） 抗原的理化性狀抗原的理化性狀 抗原有兩種性狀：抗原有兩種性狀： 物理性狀。完全抗原的分子量

24、較大，通常相對(duì)分子質(zhì)物理性狀。完全抗原的分子量較大，通常相對(duì)分子質(zhì) 量在量在1 1萬(wàn)以上。分子量越大，其表面積相應(yīng)擴(kuò)大，接觸萬(wàn)以上。分子量越大，其表面積相應(yīng)擴(kuò)大，接觸 免疫系統(tǒng)細(xì)胞的機(jī)會(huì)增多，因而免疫原性也就增強(qiáng)。免疫系統(tǒng)細(xì)胞的機(jī)會(huì)增多，因而免疫原性也就增強(qiáng)。 化學(xué)組成。自然界中絕大多數(shù)抗原都是蛋白質(zhì)，即可化學(xué)組成。自然界中絕大多數(shù)抗原都是蛋白質(zhì)，即可 是純蛋白，也可是結(jié)合蛋白。是純蛋白，也可是結(jié)合蛋白。 免疫傳感器的種類免疫傳感器的種類 （4 4） 抗原決定簇抗原決定簇 抗原決定簇是抗原分抗原決定簇是抗原分 子表面的特殊化學(xué)基團(tuán)，子表面的特殊化學(xué)基團(tuán)， 抗原的特異性取決于抗原抗原的特異性取決

25、于抗原 決定簇的性質(zhì)、數(shù)目和空決定簇的性質(zhì)、數(shù)目和空 間排列。不同種系的動(dòng)物間排列。不同種系的動(dòng)物 血清白蛋白因其末端氨基血清白蛋白因其末端氨基 酸排列的不同，而表現(xiàn)出酸排列的不同，而表現(xiàn)出 各自的種屬性特異。一種各自的種屬性特異。一種 抗原常具有一個(gè)以上的抗抗原常具有一個(gè)以上的抗 原決定簇，如牛血清蛋白原決定簇，如牛血清蛋白 有有1414個(gè)，甲狀腺球蛋白有個(gè)，甲狀腺球蛋白有 4040個(gè)。個(gè)。 種 屬 末端（N端COOH末端 （C端） 人天冬酰胺、丙 氨酸 甘氨酸、纈氨 酸、丙氨酸、 亮氨酸 馬天冬酰胺、蘇 氨酸 纈氨酸、絲氨 酸、亮氨酸、 丙氨酸 兔天冬酰胺亮氨酸、丙氨 酸 2. 2. 抗體

26、抗體 （1 1）抗體的定義）抗體的定義 抗體是由抗原刺激機(jī)體產(chǎn)生的特性免疫功能的球抗體是由抗原刺激機(jī)體產(chǎn)生的特性免疫功能的球 蛋白，又稱免疫球蛋白。蛋白，又稱免疫球蛋白。 （2 2）抗體的結(jié)構(gòu)）抗體的結(jié)構(gòu) 免疫球蛋白都是由一至幾個(gè)單體組成，每個(gè)單體免疫球蛋白都是由一至幾個(gè)單體組成，每個(gè)單體 有兩條相同的分子量較大的重鏈和兩條相同分子量較小的輕鏈組成，有兩條相同的分子量較大的重鏈和兩條相同分子量較小的輕鏈組成， 鏈與鏈之間通過(guò)二硫鏈及非共價(jià)鍵鏈連接。鏈與鏈之間通過(guò)二硫鏈及非共價(jià)鍵鏈連接。 免疫球蛋白（免疫球蛋白（IgIg）結(jié)構(gòu)模式圖）結(jié)構(gòu)模式圖 （3 3）抗體的特性）抗體的特性 抗體早已用在免疫

27、檢測(cè)中，其與相應(yīng)抗體早已用在免疫檢測(cè)中，其與相應(yīng) 抗原之間的鍵連接甚至比酶與其基質(zhì)之間的連接更加有抗原之間的鍵連接甚至比酶與其基質(zhì)之間的連接更加有 力，特別是對(duì)對(duì)應(yīng)的抗原的連接更是如此。力，特別是對(duì)對(duì)應(yīng)的抗原的連接更是如此。 3. 3. 抗原抗原- -抗體反應(yīng)抗體反應(yīng) 抗原抗原- -抗體結(jié)合時(shí)將發(fā)生凝聚、沉淀、溶解反應(yīng)和促進(jìn)抗體結(jié)合時(shí)將發(fā)生凝聚、沉淀、溶解反應(yīng)和促進(jìn) 吞噬抗原顆粒的作用。在溶液中，抗原和抗體兩個(gè)分子吞噬抗原顆粒的作用。在溶液中，抗原和抗體兩個(gè)分子 的表面電荷與介質(zhì)中離子形成雙層離子云，內(nèi)層和外層的表面電荷與介質(zhì)中離子形成雙層離子云，內(nèi)層和外層 之間的電荷密度差形成靜電位和分子間

28、引力。由于這種之間的電荷密度差形成靜電位和分子間引力。由于這種 引力僅在近距離上發(fā)生作用，抗原與抗體分子結(jié)合時(shí)對(duì)引力僅在近距離上發(fā)生作用，抗原與抗體分子結(jié)合時(shí)對(duì) 位應(yīng)十分準(zhǔn)確。一是結(jié)合部位的形狀要互補(bǔ)于抗原的形位應(yīng)十分準(zhǔn)確。一是結(jié)合部位的形狀要互補(bǔ)于抗原的形 狀；二是抗體活性小心帶有與抗原決定簇相反的電荷。狀；二是抗體活性小心帶有與抗原決定簇相反的電荷。 26 然而，抗體的特異性是相對(duì)的，表現(xiàn)在兩然而，抗體的特異性是相對(duì)的，表現(xiàn)在兩 個(gè)方面：其一，部分抗體不完全與抗原決定個(gè)方面：其一，部分抗體不完全與抗原決定 簇相對(duì)應(yīng)。其二，即便是針對(duì)某一種半抗原簇相對(duì)應(yīng)。其二，即便是針對(duì)某一種半抗原 的抗體

29、，其化學(xué)結(jié)構(gòu)也可能不一致?？乖c的抗體，其化學(xué)結(jié)構(gòu)也可能不一致?？乖c 抗體結(jié)合盡管是穩(wěn)固的，但也是可逆的。調(diào)抗體結(jié)合盡管是穩(wěn)固的，但也是可逆的。調(diào) 節(jié)溶液的節(jié)溶液的PHPH值或離子強(qiáng)度，可以促進(jìn)可逆反值或離子強(qiáng)度，可以促進(jìn)可逆反 應(yīng)。某些酶能促使逆反應(yīng)，抗原應(yīng)。某些酶能促使逆反應(yīng)，抗原- -抗體復(fù)合抗體復(fù)合 物解離時(shí)，都保持自己本來(lái)的特性。物解離時(shí)，都保持自己本來(lái)的特性。 9.2.49.2.4 膜技術(shù)膜技術(shù) 膜是指能以特定形式限制和傳遞各種物質(zhì)的分隔兩相膜是指能以特定形式限制和傳遞各種物質(zhì)的分隔兩相 的界面。膜在生產(chǎn)和研究中的使用技術(shù)被稱之為膜技術(shù)，的界面。膜在生產(chǎn)和研究中的使用技術(shù)被稱之為

30、膜技術(shù)， 它包括膜分離技術(shù)和非分離膜技術(shù)。它包括膜分離技術(shù)和非分離膜技術(shù)。 膜分離是利用膜的特殊性能和各種分離裝置單元使溶膜分離是利用膜的特殊性能和各種分離裝置單元使溶 液和懸浮液中的某些組分較其它組分更快地透過(guò)，從而達(dá)液和懸浮液中的某些組分較其它組分更快地透過(guò)，從而達(dá) 到分離、濃縮的目的。非分離膜技術(shù)是指一些具有特殊性到分離、濃縮的目的。非分離膜技術(shù)是指一些具有特殊性 能的功能膜的應(yīng)用及其它一些膜過(guò)程。能量轉(zhuǎn)換膜、反應(yīng)能的功能膜的應(yīng)用及其它一些膜過(guò)程。能量轉(zhuǎn)換膜、反應(yīng) 膜、膜蒸餾等，都是屬于非分離膜技術(shù)。膜、膜蒸餾等，都是屬于非分離膜技術(shù)。 28 1.1.膜分離的工作原理膜分離的工作原理 一

31、是根據(jù)混合物的質(zhì)量、體積和幾何形態(tài)的不同，用一是根據(jù)混合物的質(zhì)量、體積和幾何形態(tài)的不同，用 過(guò)篩的方法將其分離；二是根據(jù)混合物不同化學(xué)性質(zhì)。物過(guò)篩的方法將其分離；二是根據(jù)混合物不同化學(xué)性質(zhì)。物 質(zhì)通過(guò)分離膜的速度取決于進(jìn)入膜內(nèi)的速度和由膜的一個(gè)質(zhì)通過(guò)分離膜的速度取決于進(jìn)入膜內(nèi)的速度和由膜的一個(gè) 表面擴(kuò)散到另一表面的速度。通過(guò)分離膜的速度愈大，透表面擴(kuò)散到另一表面的速度。通過(guò)分離膜的速度愈大，透 過(guò)膜所需的時(shí)間愈短，同時(shí)，混合物中各組分透過(guò)膜的速過(guò)膜所需的時(shí)間愈短，同時(shí)，混合物中各組分透過(guò)膜的速 度相差愈大，則分離效率愈高。度相差愈大，則分離效率愈高。 2. 膜處理方法膜處理方法 (1) 微濾（

32、微濾（MF）膜技術(shù)）膜技術(shù) 微濾膜是以靜壓差為推動(dòng)力，微濾膜是以靜壓差為推動(dòng)力， 利利 用篩網(wǎng)狀過(guò)濾介質(zhì)膜的篩分作用進(jìn)行分離。用篩網(wǎng)狀過(guò)濾介質(zhì)膜的篩分作用進(jìn)行分離。 (2) 超濾（超濾（UF）膜技術(shù)）膜技術(shù) 超過(guò)濾是以壓差為驅(qū)動(dòng)力，超過(guò)濾是以壓差為驅(qū)動(dòng)力， 利用超濾膜的高精度截留性能進(jìn)行固液分離或使不同相對(duì)利用超濾膜的高精度截留性能進(jìn)行固液分離或使不同相對(duì) 分子質(zhì)量物質(zhì)分級(jí)的膜分離技術(shù)。分子質(zhì)量物質(zhì)分級(jí)的膜分離技術(shù)。 3. 納濾（納濾（NF）膜技術(shù)）膜技術(shù) 納濾膜是在反滲透膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，因具有納納濾膜是在反滲透膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，因具有納 米級(jí)的孔徑故名納濾。米級(jí)的孔徑故名納濾。 4

33、. 反滲透（反滲透（RO）膜技術(shù)）膜技術(shù) 反滲透（又稱高濾）過(guò)程是滲透過(guò)程的逆過(guò)程，推動(dòng)反滲透（又稱高濾）過(guò)程是滲透過(guò)程的逆過(guò)程，推動(dòng) 力為壓力差，即通過(guò)在待分離液一側(cè)加上比滲透壓高的壓力為壓力差，即通過(guò)在待分離液一側(cè)加上比滲透壓高的壓 力，使原液中的溶劑被壓到半透膜的另一側(cè)。反滲透系統(tǒng)力，使原液中的溶劑被壓到半透膜的另一側(cè)。反滲透系統(tǒng) 由反滲透裝置及其預(yù)處理和后處理三部分組成。由反滲透裝置及其預(yù)處理和后處理三部分組成。 5. 電滲析（電滲析（ED）膜技術(shù)）膜技術(shù) 電滲析是一個(gè)電化學(xué)分離過(guò)程，是在直流電場(chǎng)作用下以電滲析是一個(gè)電化學(xué)分離過(guò)程，是在直流電場(chǎng)作用下以 電位差為驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)荷電膜將溶液

34、中帶電離子與不帶電組電位差為驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)荷電膜將溶液中帶電離子與不帶電組 分分離的過(guò)程。該分離過(guò)程是在離子交換膜中完成的。電滲分分離的過(guò)程。該分離過(guò)程是在離子交換膜中完成的。電滲 析系統(tǒng)通常由預(yù)處理設(shè)備、整流器、自動(dòng)控制設(shè)備和電滲析析系統(tǒng)通常由預(yù)處理設(shè)備、整流器、自動(dòng)控制設(shè)備和電滲析 器等組成。器等組成。 6. 滲透蒸發(fā)（滲透蒸發(fā)（PV）膜技術(shù)）膜技術(shù) 滲透蒸發(fā)是一個(gè)壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程，它是利用液體中滲透蒸發(fā)是一個(gè)壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程，它是利用液體中 兩種組分在膜中溶解度與擴(kuò)散系數(shù)的差別，通過(guò)滲透與蒸發(fā)，兩種組分在膜中溶解度與擴(kuò)散系數(shù)的差別，通過(guò)滲透與蒸發(fā)， 達(dá)到分離目的的一個(gè)過(guò)程。達(dá)到分離目的

35、的一個(gè)過(guò)程。 7. 雙極膜（雙極膜（BPM）技術(shù)）技術(shù) 雙極膜是由陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜疊壓在一起形雙極膜是由陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜疊壓在一起形 成的新型分離膜。陰陽(yáng)膜的復(fù)合可以將不同電荷密度、厚度成的新型分離膜。陰陽(yáng)膜的復(fù)合可以將不同電荷密度、厚度 和性能的膜材料在不同的復(fù)合條件下制成不同性能和用途的和性能的膜材料在不同的復(fù)合條件下制成不同性能和用途的 雙極膜，如水解離膜，一、二價(jià)離子分離膜，防結(jié)垢膜，抗雙極膜，如水解離膜，一、二價(jià)離子分離膜，防結(jié)垢膜，抗 污染膜，低壓反滲透脫硬膜。污染膜，低壓反滲透脫硬膜。 表表 幾種重要的膜分離過(guò)程幾種重要的膜分離過(guò)程 膜過(guò)程膜過(guò)程 推動(dòng)力推動(dòng)力

36、 傳遞機(jī)理傳遞機(jī)理 透過(guò)物透過(guò)物 截留物截留物 膜類型膜類型 微濾微濾MF 壓力差壓力差 顆粒大小形狀顆粒大小形狀 水、溶劑溶解水、溶劑溶解 物物 懸浮物顆粒纖懸浮物顆粒纖 維維 多孔膜多孔膜 超濾超濾UF 壓力差壓力差 分子特性大小分子特性大小 形狀形狀 水、溶劑小分水、溶劑小分 子子 膠體和超過(guò)截膠體和超過(guò)截 留分子量的分留分子量的分 子子 非對(duì)稱性膜非對(duì)稱性膜 納濾納濾NF 壓力差壓力差 離子大小及電離子大小及電 荷荷 水、一價(jià)離子水、一價(jià)離子 多價(jià)離子有機(jī)多價(jià)離子有機(jī) 物物 復(fù)合膜復(fù)合膜 反滲透反滲透RO 壓力差壓力差 溶劑的擴(kuò)散傳溶劑的擴(kuò)散傳 遞遞 水、溶劑水、溶劑 溶質(zhì)、鹽溶質(zhì)、鹽

37、 非對(duì)稱性膜、非對(duì)稱性膜、 復(fù)合膜復(fù)合膜 電滲析電滲析ED電位差電位差 電解質(zhì)離子的電解質(zhì)離子的 選擇傳遞選擇傳遞 電解質(zhì)離子電解質(zhì)離子 非電解質(zhì)大分非電解質(zhì)大分 子物質(zhì)子物質(zhì) 離子交換膜離子交換膜 滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)PV 壓力差壓力差 選擇傳遞選擇傳遞 易滲的溶質(zhì)或易滲的溶質(zhì)或 溶劑溶劑 難滲的溶質(zhì)或難滲的溶質(zhì)或 溶劑溶劑 均相膜、復(fù)合均相膜、復(fù)合 膜、非對(duì)稱性膜、非對(duì)稱性 膜膜 8.膜技術(shù)的集成應(yīng)用膜技術(shù)的集成應(yīng)用 每一種膜技術(shù)都有其特定的能每一種膜技術(shù)都有其特定的能 和適用范圍能夠解決一定的分和適用范圍能夠解決一定的分 離問(wèn)題，但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程離問(wèn)題，但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程 中僅僅依靠一種膜

38、技術(shù)完成例中僅僅依靠一種膜技術(shù)完成例 如廢水深度處理或精細(xì)物料分如廢水深度處理或精細(xì)物料分 離之類的任務(wù)，其結(jié)果往往難離之類的任務(wù)，其結(jié)果往往難 以令人滿意。集成各種膜技以令人滿意。集成各種膜技 術(shù)，優(yōu)化各種膜的分離性能，術(shù)，優(yōu)化各種膜的分離性能， 可以達(dá)到一種膜技術(shù)根本無(wú)法可以達(dá)到一種膜技術(shù)根本無(wú)法 實(shí)現(xiàn)的效果。幾種常用的膜集實(shí)現(xiàn)的效果。幾種常用的膜集 成技術(shù)見(jiàn)右表。成技術(shù)見(jiàn)右表。 幾種常見(jiàn)的膜集成技術(shù)及應(yīng)用幾種常見(jiàn)的膜集成技術(shù)及應(yīng)用 膜集成技術(shù)膜集成技術(shù) 適合的工業(yè)生產(chǎn)適合的工業(yè)生產(chǎn) 微濾反滲透微濾反滲透 紡織印染廢水、電紡織印染廢水、電 廠鍋爐給水、電鍍廠鍋爐給水、電鍍 廢水處理等廢水處

39、理等 納濾（超濾）反納濾（超濾）反 滲透滲透 皮革工業(yè)廢水、化皮革工業(yè)廢水、化 肥工業(yè)廢水處理等肥工業(yè)廢水處理等 反滲透反滲透 氯化銨廢水、酸性氯化銨廢水、酸性 礦山廢水處理等礦山廢水處理等 電滲析超濾反電滲析超濾反 滲透滲透 海帶廢水處理等海帶廢水處理等 9.3.1 9.3.1 酶?jìng)鞲衅髅競(jìng)鞲衅?酶?jìng)鞲衅魇菍⒚缸鳛樯锩舾谢?，通過(guò)各種物理、化學(xué)酶?jìng)鞲衅魇菍⒚缸鳛樯锩舾谢ㄟ^(guò)各種物理、化學(xué) 信號(hào)轉(zhuǎn)換器捕捉目標(biāo)物與敏感基元之間的反應(yīng)所產(chǎn)生的與目標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)換器捕捉目標(biāo)物與敏感基元之間的反應(yīng)所產(chǎn)生的與目標(biāo) 物濃度成比例關(guān)系的可測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物定量測(cè)定的分析物濃度成比例關(guān)系的可測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)

40、目標(biāo)物定量測(cè)定的分析 儀器。酶?jìng)鞲衅魇怯晒潭ɑ纳锩舾心ず团c之密切結(jié)合的換儀器。酶?jìng)鞲衅魇怯晒潭ɑ纳锩舾心ず团c之密切結(jié)合的換 能系統(tǒng)組成，它把固化酶和電化學(xué)傳感器結(jié)合在一起，因而具能系統(tǒng)組成，它把固化酶和電化學(xué)傳感器結(jié)合在一起，因而具 有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： （l l）它有不溶性酶體系的優(yōu)點(diǎn)，也有電化學(xué)電極的高靈敏度；）它有不溶性酶體系的優(yōu)點(diǎn)，也有電化學(xué)電極的高靈敏度； （2 2）由于酶的專屬反應(yīng)性，使其具有高的選擇性，能夠直接）由于酶的專屬反應(yīng)性，使其具有高的選擇性，能夠直接 在復(fù)雜試樣中進(jìn)行測(cè)定。在復(fù)雜試樣中進(jìn)行測(cè)定。 9.3 生物傳感器儀器技術(shù)及其應(yīng)用生物傳感器儀器技術(shù)及其應(yīng)

41、用 34 1. 1. 酶?jìng)鞲衅鞯幕窘Y(jié)構(gòu)酶?jìng)鞲衅鞯幕窘Y(jié)構(gòu) 酶?jìng)鞲衅鞯幕窘Y(jié)構(gòu)單元是由物質(zhì)識(shí)別元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換器酶?jìng)鞲衅鞯幕窘Y(jié)構(gòu)單元是由物質(zhì)識(shí)別元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換器 組成組成. .當(dāng)酶膜上發(fā)生酶促反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生的電活性物質(zhì)由基體電當(dāng)酶膜上發(fā)生酶促反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生的電活性物質(zhì)由基體電 極對(duì)其響應(yīng)。基體電極的作用是使化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，從極對(duì)其響應(yīng)?；w電極的作用是使化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，從 而加以檢測(cè)，基體電極可采用碳質(zhì)電極、而加以檢測(cè)，基體電極可采用碳質(zhì)電極、PtPt電極及相應(yīng)的修飾電極及相應(yīng)的修飾 電極。電極。 2. 2. 酶?jìng)鞲衅鞯墓ぷ髟砻競(jìng)鞲衅鞯墓ぷ髟?當(dāng)酶電極浸入被測(cè)溶液，待測(cè)底物進(jìn)入酶層

42、的內(nèi)部并當(dāng)酶電極浸入被測(cè)溶液，待測(cè)底物進(jìn)入酶層的內(nèi)部并 參與反應(yīng)，大部分酶反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生或消耗一種可被電極參與反應(yīng)，大部分酶反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生或消耗一種可被電極 測(cè)定的物質(zhì)，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電活性物質(zhì)的濃度可測(cè)定的物質(zhì)，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電活性物質(zhì)的濃度可 以通過(guò)電位或電流模式進(jìn)行測(cè)定。因此，酶?jìng)鞲衅骺煞忠酝ㄟ^(guò)電位或電流模式進(jìn)行測(cè)定。因此，酶?jìng)鞲衅骺煞?為電位型和電流型兩類傳感器。為電位型和電流型兩類傳感器。 基團(tuán)之間形成化學(xué)共價(jià)鍵連接，從而使酶固定的方法；基團(tuán)之間形成化學(xué)共價(jià)鍵連接，從而使酶固定的方法； 交聯(lián)法：將傳感器表面預(yù)先組裝上一層具有特定基團(tuán)的交聯(lián)法：將傳感器表面預(yù)先組裝上一層具有特定基團(tuán)

43、的 載體膜，再通過(guò)偶聯(lián)活化劑分別以羧基氨基鍵形式或席載體膜，再通過(guò)偶聯(lián)活化劑分別以羧基氨基鍵形式或席 夫堿形式等將酶鍵合到電極表面。夫堿形式等將酶鍵合到電極表面。 36 3. 3. 酶的固定方法酶的固定方法 酶的固定是相當(dāng)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。合適的固定化方法應(yīng)當(dāng)酶的固定是相當(dāng)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。合適的固定化方法應(yīng)當(dāng) 滿足：滿足： （1 1）酶固定化后活性應(yīng)盡可能少受影響，（）酶固定化后活性應(yīng)盡可能少受影響，（2 2）固定化方）固定化方 法對(duì)被測(cè)對(duì)象的傳質(zhì)阻力?。ǚ▽?duì)被測(cè)對(duì)象的傳質(zhì)阻力?。? 3）酶固定化牢固，不易洗）酶固定化牢固，不易洗 脫。脫。 酶固定化方法有多種，大致可分為以下四類：酶固定化方法有

44、多種，大致可分為以下四類： 吸附法：將酶通過(guò)靜電引力、范德華力、氫鍵等作用力固吸附法：將酶通過(guò)靜電引力、范德華力、氫鍵等作用力固 定在電極表面，過(guò)程簡(jiǎn)單，但穩(wěn)定性差；定在電極表面，過(guò)程簡(jiǎn)單，但穩(wěn)定性差； 包埋法：在溫和的條件下形成聚合物的同時(shí)，將酶包埋在包埋法：在溫和的條件下形成聚合物的同時(shí)，將酶包埋在 高聚物的微小格子中，或用物理方法將其包埋在凝膠中的高聚物的微小格子中，或用物理方法將其包埋在凝膠中的 方法；方法； 共價(jià)鍵合法：是酶蛋白分子上的官能團(tuán)和固相支持物表面共價(jià)鍵合法：是酶蛋白分子上的官能團(tuán)和固相支持物表面 上的反應(yīng)上的反應(yīng) 酶的固定方法酶的固定方法 4. 4. 酶?jìng)鞲衅鞯姆诸惷競(jìng)鞲?/p>

45、器的分類 生物傳感器按換生物傳感器按換 能方式可分為電化學(xué)能方式可分為電化學(xué) 生物傳感器和光化學(xué)生物傳感器和光化學(xué) 生物傳感器生物傳感器2 2種。下種。下 面來(lái)集中介紹一下電面來(lái)集中介紹一下電 化學(xué)酶?jìng)鞲衅骱凸饣瘜W(xué)酶?jìng)鞲衅骱凸饣?學(xué)酶?jìng)鞲衅?。學(xué)酶?jìng)鞲衅鳌?38 5. 5. 電化學(xué)酶?jìng)鞲衅麟娀瘜W(xué)酶?jìng)鞲衅?基于電子媒介體的葡萄糖傳感器，具有響應(yīng)速度快、靈敏基于電子媒介體的葡萄糖傳感器，具有響應(yīng)速度快、靈敏 度高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)，尤為受到重度高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)，尤為受到重 視。二茂鐵由于有不溶于水、氧化還原可逆性好、電子傳遞速視。二茂鐵由于有不溶于水、氧

46、化還原可逆性好、電子傳遞速 率高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的研究和應(yīng)用。目前研究的重點(diǎn)是防率高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的研究和應(yīng)用。目前研究的重點(diǎn)是防 止二茂鐵等電子媒介體的流失，從而提高生物傳感器的穩(wěn)定性止二茂鐵等電子媒介體的流失，從而提高生物傳感器的穩(wěn)定性 和壽命。和壽命。 6. 6. 光化學(xué)酶?jìng)鞲衅鞴饣瘜W(xué)酶?jìng)鞲衅?7. 7. 酶?jìng)鞲衅髦袘?yīng)用的新技術(shù)酶?jìng)鞲衅髦袘?yīng)用的新技術(shù) 納米技術(shù)納米技術(shù) 固定化酶時(shí)引入納米顆粒能夠增加酶的催化活性固定化酶時(shí)引入納米顆粒能夠增加酶的催化活性, ,提高電極的響應(yīng)電提高電極的響應(yīng)電 流值。孟憲偉等首次研究了二氧化硅和金或鉑組成的復(fù)合納米顆粒對(duì)流值。孟憲偉等首次研究了二氧化硅

47、和金或鉑組成的復(fù)合納米顆粒對(duì) 葡萄糖生物傳感器電流響應(yīng)的影響葡萄糖生物傳感器電流響應(yīng)的影響, ,其效果明顯優(yōu)于這其效果明顯優(yōu)于這3 3種納米顆粒單種納米顆粒單 獨(dú)使用時(shí)對(duì)葡萄糖生物傳感器的增強(qiáng)作用獨(dú)使用時(shí)對(duì)葡萄糖生物傳感器的增強(qiáng)作用, ,復(fù)合納米顆粒可以顯著增強(qiáng)復(fù)合納米顆?？梢燥@著增強(qiáng) 傳感器的電流響應(yīng)。傳感器的電流響應(yīng)。 (2)(2)基因重組技術(shù)基因重組技術(shù) 周亞鳳等將黑曲霉周亞鳳等將黑曲霉GODGOD基因重組進(jìn)大腸桿菌、酵母穿梭質(zhì)?；蛑亟M進(jìn)大腸桿菌、酵母穿梭質(zhì)粒, ,轉(zhuǎn)化甲轉(zhuǎn)化甲 基營(yíng)養(yǎng)酵母基營(yíng)養(yǎng)酵母, ,構(gòu)建出構(gòu)建出GODGOD的高產(chǎn)酵母工程菌株。重組酵母的高產(chǎn)酵母工程菌株。重組酵母G

48、ODGOD比活力達(dá)比活力達(dá) 426.63 u/mg426.63 u/mg蛋白蛋白, ,是商品黑曲霉是商品黑曲霉GODGOD的的1.61.6倍倍, ,催化效率更高。重組酵母催化效率更高。重組酵母 GODGOD的高活力特性可有效提高葡萄糖傳感器的線性檢測(cè)范圍。的高活力特性可有效提高葡萄糖傳感器的線性檢測(cè)范圍。 (3) (3) 提高傳感器綜合性能的其他技術(shù)提高傳感器綜合性能的其他技術(shù) 提高固定化酶活力的根本方法是保持酶的空間構(gòu)象不發(fā)生改變。提高固定化酶活力的根本方法是保持酶的空間構(gòu)象不發(fā)生改變。 9.3.2 9.3.2 微生物傳感器微生物傳感器 1.1.微生物的特征微生物的特征 微生物有三大特征：體

49、積小，繁殖快，分布廣。微生物有三大特征：體積小，繁殖快，分布廣。 2. 2. 微生物傳感器的類型微生物傳感器的類型 微生物傳感器是以活的微生物作為敏感材料，利用其體微生物傳感器是以活的微生物作為敏感材料，利用其體 內(nèi)的各種酶系及代謝系統(tǒng)來(lái)測(cè)定和識(shí)別相應(yīng)底物。它是由固內(nèi)的各種酶系及代謝系統(tǒng)來(lái)測(cè)定和識(shí)別相應(yīng)底物。它是由固 定化微生物膜和電化學(xué)裝置組成的。定化微生物膜和電化學(xué)裝置組成的。 微生物傳感器的種類很多，可以從不同的角度分類。根微生物傳感器的種類很多，可以從不同的角度分類。根 據(jù)微生物與底物作用原理的不同，微生物傳感器可分為測(cè)定據(jù)微生物與底物作用原理的不同，微生物傳感器可分為測(cè)定 呼吸活性型

50、微生物傳感器和測(cè)定代謝物質(zhì)型微生物傳感器根呼吸活性型微生物傳感器和測(cè)定代謝物質(zhì)型微生物傳感器根 據(jù)測(cè)量信號(hào)的不同，微生物傳感器可分為電流型微生物傳感據(jù)測(cè)量信號(hào)的不同，微生物傳感器可分為電流型微生物傳感 器和電位型微生物傳感器：換能器輸出的是電位信號(hào)，電位器和電位型微生物傳感器：換能器輸出的是電位信號(hào)，電位 值的大小與被測(cè)物的活度有關(guān)，二者呈能斯特響應(yīng)?；谏现档拇笮∨c被測(cè)物的活度有關(guān)，二者呈能斯特響應(yīng)?；谏?述分類方法，常見(jiàn)的微生物傳感器有電化學(xué)微生物傳感器、述分類方法，常見(jiàn)的微生物傳感器有電化學(xué)微生物傳感器、 燃料電池型微生物傳感器、壓電高頻阻抗型微生物傳感器、燃料電池型微生物傳感器、壓電

51、高頻阻抗型微生物傳感器、 熱敏電阻型微生物傳感器、光微生物傳感器等。熱敏電阻型微生物傳感器、光微生物傳感器等。 微生物傳感器及其特性微生物傳感器及其特性 傳感器檢測(cè)傳感器檢測(cè) 對(duì)象對(duì)象 微生物微生物 固定法固定法 電化學(xué)器件電化學(xué)器件 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 （d） 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 （min） 測(cè)量范圍測(cè)量范圍 （mg/L） 葡萄糖葡萄糖 P.fluoresc ens 包埋法包埋法 O2電極電極 14以上以上 10 520 脂化糖脂化糖 B.lactofer mentem 吸附法吸附法 O2電極電極 20 10 20200 甲醇甲醇 未鑒定菌未鑒定菌 吸附法吸附法 O2電極電極 30 10 520 乙

52、醇乙醇 T.brassica e 吸附法吸附法 O2電極電極 30 10530 醋酸醋酸 T.brassica e 吸附法吸附法 O2電極電極 20 1010100 蟻酸蟻酸 C.butyricu m 包埋法包埋法 燃料電池燃料電池 30 301300 谷酰胺酸谷酰胺酸 E.Coli 吸附法吸附法 CO2電極電極 20 510800 已胺酸已胺酸 E.Coli 吸附法吸附法 CO2電極電極 14以上以上 510100 谷胺酸谷胺酸 S.flara 吸附法吸附法 O2電極電極 14以上以上 5201000 3. 3. 電化學(xué)微生物傳感器電化學(xué)微生物傳感器 4. 4. 壓電高頻阻抗型微生物傳感器壓

53、電高頻阻抗型微生物傳感器 壓電高頻阻抗型微生物傳感器是基于高頻壓電晶體頻率對(duì)壓電高頻阻抗型微生物傳感器是基于高頻壓電晶體頻率對(duì) 溶液介質(zhì)性質(zhì)變化具有靈敏的響應(yīng)特性制成的。微生物在生長(zhǎng)溶液介質(zhì)性質(zhì)變化具有靈敏的響應(yīng)特性制成的。微生物在生長(zhǎng) 過(guò)程中與外界溶液進(jìn)行物質(zhì)能量的交換，改變培養(yǎng)液的化學(xué)成過(guò)程中與外界溶液進(jìn)行物質(zhì)能量的交換，改變培養(yǎng)液的化學(xué)成 分，使得培養(yǎng)液的阻抗發(fā)生變化，導(dǎo)致培養(yǎng)液的電導(dǎo)率和介電分，使得培養(yǎng)液的阻抗發(fā)生變化，導(dǎo)致培養(yǎng)液的電導(dǎo)率和介電 常數(shù)改變。常數(shù)改變。 5. 5. 燃料電池型微生物傳感器燃料電池型微生物傳感器 微生物傳感器在發(fā)展初期，其應(yīng)用一直被限定于間接的方微生物傳感器

54、在發(fā)展初期，其應(yīng)用一直被限定于間接的方 式，即微生物作為生物催化劑起到一個(gè)敏感式，即微生物作為生物催化劑起到一個(gè)敏感“元件元件”的作用，的作用， 再與信號(hào)轉(zhuǎn)換器相結(jié)合成為完整的微生物傳感器。而燃料電再與信號(hào)轉(zhuǎn)換器相結(jié)合成為完整的微生物傳感器。而燃料電 池型微生物傳感器能直接給出電信號(hào)。池型微生物傳感器能直接給出電信號(hào)。 微生物在呼吸代謝過(guò)程中可產(chǎn)生電子，直接在陽(yáng)極上放電，微生物在呼吸代謝過(guò)程中可產(chǎn)生電子，直接在陽(yáng)極上放電， 產(chǎn)生電信號(hào)。但是微生物在電極上放電的能力很弱，往往需要產(chǎn)生電信號(hào)。但是微生物在電極上放電的能力很弱，往往需要 加入電子傳遞的媒介物加入電子傳遞的媒介物介體，起到增大電流的作

55、用。介體，起到增大電流的作用。 微生物可作為燃料電池中的生物催化劑它在對(duì)有機(jī)微生物可作為燃料電池中的生物催化劑它在對(duì)有機(jī) 物發(fā)生同化作用的同時(shí)，呼吸代謝作用增強(qiáng)并產(chǎn)生電子，物發(fā)生同化作用的同時(shí)，呼吸代謝作用增強(qiáng)并產(chǎn)生電子， 通過(guò)介體放大電流作為介體的氧化通過(guò)介體放大電流作為介體的氧化- -還原電對(duì)試劑可以把微還原電對(duì)試劑可以把微 生物的呼吸過(guò)程直接有效地同電極聯(lián)系起來(lái)。生物的呼吸過(guò)程直接有效地同電極聯(lián)系起來(lái)。 微生物燃料電池信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理圖微生物燃料電池信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理圖 44 電化學(xué)氧化過(guò)程產(chǎn)生的流動(dòng)電子，用電流或其他方法進(jìn)電化學(xué)氧化過(guò)程產(chǎn)生的流動(dòng)電子，用電流或其他方法進(jìn) 行測(cè)量，在適當(dāng)條件下此信

56、號(hào)即成為檢測(cè)底物的依據(jù)?；谛袦y(cè)量，在適當(dāng)條件下此信號(hào)即成為檢測(cè)底物的依據(jù)?；?這一原理，已研制出多種燃料電池型微生物傳感器。燃料電這一原理，已研制出多種燃料電池型微生物傳感器。燃料電 池型微生物傳感器是生物傳感器新技術(shù)，這種新技術(shù)響應(yīng)時(shí)池型微生物傳感器是生物傳感器新技術(shù)，這種新技術(shù)響應(yīng)時(shí) 間較短，其敏感機(jī)理是信號(hào)的傳遞，即電與微生物分解代謝間較短，其敏感機(jī)理是信號(hào)的傳遞，即電與微生物分解代謝 的早期步驟相聯(lián)系，這就避免在間接法中對(duì)分析物響應(yīng)過(guò)程的早期步驟相聯(lián)系，這就避免在間接法中對(duì)分析物響應(yīng)過(guò)程 微生物要達(dá)到傳代穩(wěn)定狀態(tài)的需要。微生物要達(dá)到傳代穩(wěn)定狀態(tài)的需要。 6. 6. 其他類型的微生物

57、傳感器其他類型的微生物傳感器 光微生物傳感器：其原理是利用具有光合作用的微生物早光光微生物傳感器：其原理是利用具有光合作用的微生物早光 照作用下將待測(cè)物轉(zhuǎn)變成電極敏感物質(zhì)或者微生物本身釋放照作用下將待測(cè)物轉(zhuǎn)變成電極敏感物質(zhì)或者微生物本身釋放 氧的性質(zhì)，將微生物固化后結(jié)合氧電極，氫電極實(shí)現(xiàn)對(duì)某種氧的性質(zhì)，將微生物固化后結(jié)合氧電極，氫電極實(shí)現(xiàn)對(duì)某種 物質(zhì)的測(cè)定。物質(zhì)的測(cè)定。 酶酶- -微生物混合性傳感器：為了使敏感膜的性能更加完善，微生物混合性傳感器：為了使敏感膜的性能更加完善， 可以使用由酶和微生物混合構(gòu)成的敏感材料?？梢允褂糜擅负臀⑸锘旌蠘?gòu)成的敏感材料。 利用細(xì)胞表層物質(zhì)的傳感器：此類傳感器

58、是根據(jù)細(xì)胞表層上利用細(xì)胞表層物質(zhì)的傳感器：此類傳感器是根據(jù)細(xì)胞表層上 的糖原、膜結(jié)合蛋白等物質(zhì)對(duì)抗體、離子、糖等的選擇性識(shí)的糖原、膜結(jié)合蛋白等物質(zhì)對(duì)抗體、離子、糖等的選擇性識(shí) 別作用，將其與細(xì)胞的電極反應(yīng)相結(jié)合，研制出新型的傳感別作用，將其與細(xì)胞的電極反應(yīng)相結(jié)合，研制出新型的傳感 器，諸如變異反應(yīng)傳感器、識(shí)別革蘭陰性菌和革蘭陽(yáng)性菌的器，諸如變異反應(yīng)傳感器、識(shí)別革蘭陰性菌和革蘭陽(yáng)性菌的 傳感器等。傳感器等。 7.7.微生物傳感器在環(huán)境中的應(yīng)用實(shí)例微生物傳感器在環(huán)境中的應(yīng)用實(shí)例 在環(huán)境監(jiān)測(cè)生物傳感器中，一般將整個(gè)微生物細(xì)胞如細(xì)菌、在環(huán)境監(jiān)測(cè)生物傳感器中，一般將整個(gè)微生物細(xì)胞如細(xì)菌、 酵母、真菌用做

59、識(shí)別元件。這些微生物通常從活性泥狀沉積酵母、真菌用做識(shí)別元件。這些微生物通常從活性泥狀沉積 物、河水、瓦礫和土壤中分離出術(shù)。利用微生物的新陳代謝物、河水、瓦礫和土壤中分離出術(shù)。利用微生物的新陳代謝 機(jī)能發(fā)展的微生物傳感器可進(jìn)行污染物的檢定和分析。機(jī)能發(fā)展的微生物傳感器可進(jìn)行污染物的檢定和分析。 （1 1）BODBOD微生物傳感器：該傳感器有氧電極和微生物固定微生物傳感器：該傳感器有氧電極和微生物固定 膜組成。當(dāng)加入有機(jī)物時(shí)，固定化的微生物分解有機(jī)物，膜組成。當(dāng)加入有機(jī)物時(shí)，固定化的微生物分解有機(jī)物， 致使微生物呼吸作用增加，從而導(dǎo)致溶解氧減少，因而使致使微生物呼吸作用增加，從而導(dǎo)致溶解氧減少，

60、因而使 氧電極電流響應(yīng)下降，直到被測(cè)溶液向固化微生物膜擴(kuò)散氧電極電流響應(yīng)下降，直到被測(cè)溶液向固化微生物膜擴(kuò)散 的氧量與微生物呼吸消耗的氧量之間達(dá)到平衡，使得到相的氧量與微生物呼吸消耗的氧量之間達(dá)到平衡，使得到相 應(yīng)的穩(wěn)定電流值應(yīng)的穩(wěn)定電流值 （2 2）藻類污染的監(jiān)測(cè)：一種名叫查頓埃勒的浮游生物是引）藻類污染的監(jiān)測(cè)：一種名叫查頓埃勒的浮游生物是引 起赤潮的重要物種，國(guó)外已研究出監(jiān)測(cè)這種浮游生物的生起赤潮的重要物種，國(guó)外已研究出監(jiān)測(cè)這種浮游生物的生 物傳感器。原理為檢測(cè)這種生物或共代謝產(chǎn)物產(chǎn)生的化學(xué)物傳感器。原理為檢測(cè)這種生物或共代謝產(chǎn)物產(chǎn)生的化學(xué) 發(fā)光。發(fā)光。 （3 3）硫化物微生物傳感器：常用