13生物傳感器學(xué)習(xí)課程

1、Outline：第1頁/共111頁第一頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。一、一、what is biosensor?1、概述 傳感器是一種信息獲取與處理的裝置。 對物質(zhì)成分傳感的器件就是化學(xué)傳感器，它是一種小型化的、能專一和可逆地對某種化學(xué)成分進(jìn)行應(yīng)答反應(yīng)的器件，并能產(chǎn)生與該成分濃度成比例的可測信號。第2頁/共111頁第二頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。生物傳感器是一類特殊的化學(xué)傳感器，它是以生物活性單元(如酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜、微生物、細(xì)胞等)作為識(shí)別元件，將生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成可定量的物理、化學(xué)信號，從而能夠進(jìn)行生命物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)檢測和監(jiān)控的裝置。第3頁/共111頁第三頁，編

2、輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。生物傳感器的發(fā)展史生物傳感器的發(fā)展史(1)(1) 最先問世的生物傳感器是最先問世的生物傳感器是酶電極酶電極，ClarkClark和和LyonsLyons最先提出組成酶電極的最先提出組成酶電極的設(shè)想。設(shè)想。 7070年代中期，人們注意到酶電極的年代中期，人們注意到酶電極的壽命一般都比較短，提純的酶價(jià)格也壽命一般都比較短，提純的酶價(jià)格也較貴，而各種酶多數(shù)都來自微生物或較貴，而各種酶多數(shù)都來自微生物或動(dòng)植物組織，因此自然地就啟發(fā)人們動(dòng)植物組織，因此自然地就啟發(fā)人們研究研究酶電極的衍生型酶電極的衍生型：微生物電極、：微生物電極、細(xì)胞器電極、動(dòng)植物組織電極以及細(xì)胞器電極、動(dòng)植

3、物組織電極以及免疫電極等新型生物傳感器，使生免疫電極等新型生物傳感器，使生物傳感器的類別大大增多；物傳感器的類別大大增多； 進(jìn)入本世紀(jì)進(jìn)入本世紀(jì)8080年代之后，隨著離子年代之后，隨著離子敏 場 效 應(yīng) 晶 體 管 的 不 斷 完 善 ， 于敏 場 效 應(yīng) 晶 體 管 的 不 斷 完 善 ， 于19801980年年CarasCaras和和JanafaJanafa率率先研制成功先研制成功可測定青霉素的可測定青霉素的酶酶FETFET。 年代年代 特點(diǎn)特點(diǎn) 研究內(nèi)容研究內(nèi)容 6060 生物傳生物傳感器初期感器初期 酶電極酶電極7070 發(fā)展時(shí)發(fā)展時(shí)期期 微生物傳感器，微生物傳感器，免疫傳感器，免疫傳

4、感器，細(xì)胞類脂質(zhì)傳細(xì)胞類脂質(zhì)傳感器，組織傳感器，組織傳感器，生物親感器，生物親和傳感器和傳感器8080進(jìn)入生物進(jìn)入生物電子學(xué)傳電子學(xué)傳感器時(shí)期感器時(shí)期酶酶FETFET酶光二極管酶光二極管第4頁/共111頁第四頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。生物傳感器發(fā)展的整體劃生物傳感器發(fā)展的整體劃分分: : 第一代生物傳感器以第一代生物傳感器以將生物成分截留在膜上或結(jié)合在將生物成分截留在膜上或結(jié)合在膜上膜上為基礎(chǔ)，這類器件由透析器為基礎(chǔ)，這類器件由透析器( (膜膜) )、反應(yīng)器、反應(yīng)器( (膜膜) )和電和電化學(xué)轉(zhuǎn)換器所組成，其實(shí)驗(yàn)設(shè)備相當(dāng)簡單?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)換器所組成，其實(shí)驗(yàn)設(shè)備相當(dāng)簡單。 第二代生物傳感器是指

5、將第二代生物傳感器是指將生物成分直接吸附或共價(jià)結(jié)生物成分直接吸附或共價(jià)結(jié)合在轉(zhuǎn)換器的表面合在轉(zhuǎn)換器的表面上，從而可略去非活性的基質(zhì)膜。上，從而可略去非活性的基質(zhì)膜。 第三代生物傳感器是第三代生物傳感器是把生物成分直接固定在電子元把生物成分直接固定在電子元件上件上，例如，例如FETFET的柵極上，它可直接感知和放大界的柵極上，它可直接感知和放大界面物質(zhì)的變化，從而將生物識(shí)別和電信號處理集合面物質(zhì)的變化，從而將生物識(shí)別和電信號處理集合在一起。這種放大器可采用差分方式以消除干擾。在一起。這種放大器可采用差分方式以消除干擾。生物傳感器的發(fā)展史(2)第5頁/共111頁第五頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分

6、?？焖倨咸烟欠治鰞x快速葡萄糖分析儀第6頁/共111頁第六頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。血糖乳酸自動(dòng)分析儀血糖乳酸自動(dòng)分析儀第7頁/共111頁第七頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。2 2、生物傳感器與傳統(tǒng)的分析方、生物傳感器與傳統(tǒng)的分析方法相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)：法相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)：1）.生物傳感器是由選擇性好的生物材料構(gòu)成的分子識(shí)別元件，因此一般不需要樣品的預(yù)處理，樣品中的檢測組分的分離和檢測同時(shí)完成，且測定時(shí)一般不需加入其它試劑；2）.由于它的體積小，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測； 第8頁/共111頁第八頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。3）.響應(yīng)快，樣品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以

7、反復(fù)多次使用；4）.傳感器連同測定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀器，便于推廣普及。第9頁/共111頁第九頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。二、生物傳感器分類二、生物傳感器分類1 1、根據(jù)傳感器輸出信號的產(chǎn)生、根據(jù)傳感器輸出信號的產(chǎn)生 方式：方式：生物親和型生物傳感器（affinitybiosensoraffinitybiosensor） 代謝型生物傳感器催化型生物傳感器第10頁/共111頁第十頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。2 2、根據(jù)生物傳感器中生物分子識(shí)、根據(jù)生物傳感器中生物分子識(shí) 別元件上的敏感物質(zhì)分：別元件上的敏感物質(zhì)分：酶傳感器（enzymesensorenzymesensor） 微生

8、物傳感器（microbialsensormicrobialsensor） 組織傳感器（tis-suesensortis-suesensor） 基因傳感器細(xì)胞傳感器（organallsensororganallsensor） 免疫傳感器（immunolsensorimmunolsensor）第11頁/共111頁第十一頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。生物傳感器分類示意圖生物傳感器分類示意圖生物傳感器按生物分子識(shí)別元件敏感物質(zhì)分類組織傳感器固定化微生物微生物傳感器固定化酶免疫傳感器酶傳感器固定化抗體生物組織切片固定化寡鏈核苷酸生物分子識(shí)別元件基因傳感器第12頁/共111頁第十二頁，編輯于星期四：二

9、十二點(diǎn) 九分。3 3、根據(jù)生物傳感器的信號轉(zhuǎn)化器、根據(jù)生物傳感器的信號轉(zhuǎn)化器 分：分：電化學(xué)生物傳感器 （bioelectrodebioelectrode） 半導(dǎo)體生物傳感器（semiconductbiosensorsemiconductbiosensor） 測熱型生物傳感（calorimetricbiosensorcalorimetricbiosensor） 測光型生物傳感器（opticalbiosensoropticalbiosensor） 壓電晶體生物傳感器（piezoelectricbiosensorpiezoelectricbiosensor） 第13頁/共111頁第十三頁，編輯于星

10、期四：二十二點(diǎn) 九分。三、生物傳感器結(jié)構(gòu)和原理三、生物傳感器結(jié)構(gòu)和原理轉(zhuǎn)換器（換能器transducer ）分子識(shí)別元件即感受器，具有分子識(shí)別能力的生物活性物質(zhì)（如組織切片、細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞膜、酶、抗體、核酸、有機(jī)物分子等）； 主要有電化學(xué)電極（如電位、電流的測量）、光學(xué)檢測元件、熱敏電阻、場效應(yīng)晶體管、壓電石英晶體及表面等離子共振器件等，從而達(dá)到分析監(jiān)測的目的。第14頁/共111頁第十四頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 生物傳感器的選擇性取決于它的生物敏感元件，而生物傳感器的其他性能則和它的整體組成有關(guān)。第15頁/共111頁第十五頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。生物傳感器的傳感原理生物

11、傳感器的傳感原理電信號電極、半導(dǎo)體等熱敏電阻 光纖、光度計(jì) 壓電晶體等 表面等離子共振信號轉(zhuǎn)換器生物功能性膜分子識(shí)別化學(xué)物質(zhì) 熱 光 質(zhì)量 介電性質(zhì) 第16頁/共111頁第十六頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。四、生物傳感器中的信四、生物傳感器中的信 號轉(zhuǎn)換器號轉(zhuǎn)換器1.電化學(xué)型信號轉(zhuǎn)換器 電化學(xué)電極（固體電極、離子選擇性電極、氣敏電極等）作為信號轉(zhuǎn)換器已廣泛用于酶傳感器、微生物傳感器及其他類型的生物傳感器中?；瘜W(xué)反應(yīng)與電荷變化密切相關(guān)，將待測物質(zhì)以適當(dāng)形式置于電化學(xué)反應(yīng)池，測量其電化學(xué)性質(zhì)（如電位、電流和電容等）變化可實(shí)現(xiàn)物質(zhì)含量的測定。第17頁/共111頁第十七頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn)

12、九分。1.1基本電化學(xué)概念（1）固體電極的相間電位將金屬電極插入電解質(zhì)溶液中，從外表看，似乎不起什么變化。但實(shí)際上，金屬晶格上原子被水分子極化、吸引，最終有可能脫離晶格以水合離子形式進(jìn)入溶液。同樣，溶液中金屬離子也有被吸附到金屬表面的，最終二者達(dá)到一個(gè)平衡。第18頁/共111頁第十八頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 由于核電粒子在界面間的凈轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生了一定的界面電位差。該類電位主要產(chǎn)生于金屬為基體的電極，它與金屬本性、溶液性質(zhì)、濃度等有關(guān)。 固體電極的相間電位第19頁/共111頁第十九頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。（2 2）液體接界電位）液體接界電位（濃差電位）（濃差電位） 其產(chǎn)生的條件

13、是相互接觸的兩液存在濃差梯度，同時(shí)擴(kuò)散的離子其淌度不同。界面兩側(cè)HCl濃度不同，左側(cè)的H+和Cl-不斷向右側(cè)擴(kuò)散，同時(shí)由于H+的淌度比Cl-淌度大，最終界面右側(cè)將分布過剩正電荷，左側(cè)有相應(yīng)的負(fù)電荷，形成了液體接界電位。液體接界電位（濃差電位）第20頁/共111頁第二十頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。（3）膜電極電位 一個(gè)離子選擇性膜與兩側(cè)溶液相接觸，膜相中離子I+與溶液中I+發(fā)生交換反應(yīng)，最終在兩個(gè)界面處會(huì)形成兩個(gè)液體接界電位（即道南電位1和2）由于膜較厚，膜相內(nèi)也會(huì)存在不同離子擴(kuò)散所產(chǎn)生的擴(kuò)散電位d，因此整個(gè)膜電位m=D1+D2+d第21頁/共111頁第二十一頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九

14、分。1.2 1.2 基本電化學(xué)信號測量技術(shù)基本電化學(xué)信號測量技術(shù) （1）電位信號測量方法 對于一個(gè)選擇性膜電極，當(dāng)其他外界條件固定時(shí)，膜電位與溶液中待測離子活度（或濃度）的對數(shù)值呈線性關(guān)系，即符合能斯特關(guān)系式。由于單個(gè)電極電位值是無法測量的，通常將待測電極與一個(gè)參比電極組成一個(gè)電池，測量其電位差值。采用的參比電極處理可使用標(biāo)準(zhǔn)氫電極外常常使用甘汞電極和銀-氯化銀電極（結(jié)構(gòu)如下圖）。第22頁/共111頁第二十二頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。生物傳感器中常涉及用電位法測量H+NH3、CO2的濃度。1.電引線2.電極帽3.甘汞芯4.玻璃外殼5.飽和KCl6.多孔陶瓷塞7.KCl補(bǔ)液口 甘汞電極第

15、23頁/共111頁第二十三頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。（2 2）電流信號測量方法）電流信號測量方法物質(zhì)在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)與其自身的電極電位相關(guān)，控制電極電位可以有選擇地使溶液中某成分發(fā)生氧化或還原反應(yīng)。當(dāng)電路中有電流通過時(shí)電極將發(fā)生極化現(xiàn)象，使得電極電位偏離平衡電位值。為了有效的測量和控制研究電極的電位，通?？刹捎萌姌O測量體系如圖所示。用于電流測量的三電極測量體系第24頁/共111頁第二十四頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 電解回路由工作電極和對電極構(gòu)成，電位的測量和控制由參比電極與工作電極回路實(shí)現(xiàn)。測量時(shí)采用線性掃描法、恒電位法等方式，測量的電流信號與發(fā)生電極氧化（或還原）的

16、物質(zhì)濃度相關(guān)。 生物傳感器中常涉及用電流法測量O2、H2O2等其他活性物質(zhì)濃度。第25頁/共111頁第二十五頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。1.3 1.3 特點(diǎn)與應(yīng)用特點(diǎn)與應(yīng)用 電化學(xué)電極及相關(guān)的電化學(xué)測試技術(shù)具有性能穩(wěn)定、適用范圍廣、易微型化特點(diǎn)，已在酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、DNA傳感器中得到應(yīng)用。 目前，微電極技術(shù)也已應(yīng)用于探討細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能、腦神經(jīng)系統(tǒng)的在體研究（如多巴胺、去甲腎上腺素在體測量）等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。第26頁/共111頁第二十六頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。直按產(chǎn)生電信號方式的生物傳感器 例：Cass 等提出一種測定葡萄糖的傳感器，是用二茂絡(luò)鐵二茂絡(luò)鐵為電子

17、傳遞體。G G、GLGL代表葡萄糖和葡萄糖內(nèi)脂，代表葡萄糖和葡萄糖內(nèi)脂，GODGODoxox和和GODGODredred為氧化型和還原型為氧化型和還原型的葡萄糖氧化酶，而的葡萄糖氧化酶，而FeFecp2cp2R R和和FeFecp2cp2R R+ +則為還原型和氧化型二茂絡(luò)鐵。則為還原型和氧化型二茂絡(luò)鐵。葡萄糖被葡萄糖被GODGOD氧化的同時(shí)，氧化的同時(shí)，GODGOD被還原成被還原成GODGODredred，氧化型的電子傳遞體，氧化型的電子傳遞體2Fe2Fecp2cp2R R+ +可將可將GODredGODred再氧化成再氧化成GODGODoxox反應(yīng)直接在電極表面上發(fā)生反應(yīng)直接在電極表面上發(fā)

18、生第27頁/共111頁第二十七頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。葡萄糖傳感器葡萄糖傳感器 工作原理工作原理 測量氧消耗量的葡萄糖傳感器測量氧消耗量的葡萄糖傳感器 測測2 22 2生成量的葡萄糖傳感器生成量的葡萄糖傳感器第28頁/共111頁第二十八頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。工作原理 故葡萄糖濃度測試方法有三種：故葡萄糖濃度測試方法有三種：測耗量測耗量 測測生成量生成量 測由葡萄糖酸而產(chǎn)生的變化。測由葡萄糖酸而產(chǎn)生的變化。 葡萄糖氧化酶（）葡萄糖氧化酶（）葡萄糖葡萄糖+H2O葡萄糖酸葡萄糖酸第29頁/共111頁第二十九頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。測量氧消耗量的葡萄糖傳感器測量氧消耗量

19、的葡萄糖傳感器第30頁/共111頁第三十頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。測量氧消耗量的葡萄糖傳感器測量氧消耗量的葡萄糖傳感器1.氧電極構(gòu)成：由氧電極構(gòu)成：由b陽極和陽極和t陰極浸入堿溶液，陰極浸入堿溶液，陰極表面用氧穿透葡萄糖（基質(zhì)）膜覆蓋陰極表面用氧穿透葡萄糖（基質(zhì)）膜覆蓋特氟隆，厚特氟隆，厚約約m2.氧電極測氧電極測O2原理：原理：利用氧在陰極上首先被還原的特性。利用氧在陰極上首先被還原的特性。溶液中的溶液中的O2穿過特氟隆膜到達(dá)穿過特氟隆膜到達(dá)Pt陰極上，當(dāng)陰極上，當(dāng)外加一外加一個(gè)直流電壓為氧的極化電壓個(gè)直流電壓為氧的極化電壓(如如0.7V)時(shí)，則氧分子在時(shí)，則氧分子在Pt陰極上得電子

20、，被還原陰極上得電子，被還原:其電流值與含其電流值與含O2濃度成比濃度成比例。例。 2+2+e= 第31頁/共111頁第三十一頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。聚四氟乙烯膜（作用） 它避免了電極與被測液直接相接觸，防止了電極毒化；如電極它避免了電極與被測液直接相接觸，防止了電極毒化；如電極PtPt為開放式，它浸為開放式，它浸入含蛋白質(zhì)的介質(zhì)中，蛋白質(zhì)會(huì)沉淀在電極表面上從而減小電極有效面積，使電入含蛋白質(zhì)的介質(zhì)中，蛋白質(zhì)會(huì)沉淀在電極表面上從而減小電極有效面積，使電流下降，使傳感器受到毒化。流下降，使傳感器受到毒化。第32頁/共111頁第三十二頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。測測22生成量的葡萄

21、糖傳感器生成量的葡萄糖傳感器1.1.PtPt陽極陽極2.2.聚四氟乙烯膜（作用）聚四氟乙烯膜（作用）3.3.固相酶膜固相酶膜4.4.半透膜多孔層半透膜多孔層5.5.半透膜致密層半透膜致密層第33頁/共111頁第三十三頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 葡萄糖氧化產(chǎn)生葡萄糖氧化產(chǎn)生，而，而通過選擇通過選擇性透氣膜，在性透氣膜，在PtPt電極上氧化，產(chǎn)生陽極電流。電極上氧化，產(chǎn)生陽極電流。葡萄糖含量與電流成正比，由此可測出葡萄糖溶葡萄糖含量與電流成正比，由此可測出葡萄糖溶液濃度。液濃度。 在在t t電極上加電極上加0.6V0.6V電壓時(shí)，則產(chǎn)生的陽極電壓時(shí)，則產(chǎn)生的陽極電流為：電流為： 葡萄糖氧化

22、酶（）葡萄糖氧化酶（）葡萄糖葡萄糖+H2O葡萄糖酸葡萄糖酸H2O2 O2+2H+2e第34頁/共111頁第三十四頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。2.2.離子敏場效應(yīng)晶體管型信號轉(zhuǎn)器離子敏場效應(yīng)晶體管型信號轉(zhuǎn)器ion sensitive effect transistor，簡稱簡稱ISFET第35頁/共111頁第三十五頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 場效應(yīng)晶體管（FET）有四個(gè)末端，當(dāng)柵極與基-片P-Si短路時(shí)，源極與漏極之間的電流為漏電流。如果施加外電壓，同時(shí)柵極電壓對基片為正，電子便被吸引到柵極下面，促進(jìn)了源極和漏極兩個(gè)n區(qū)導(dǎo)通。因此柵極電壓變化將控制溝道區(qū)導(dǎo)電性能-漏電流的相應(yīng)變化。

23、因此只要設(shè)法利用生物反應(yīng)過程所產(chǎn)生的物質(zhì)來影響柵極電壓，便可設(shè)計(jì)出半導(dǎo)體生物傳感器。氫離子敏的FET是常用的信號轉(zhuǎn)換器。第36頁/共111頁第三十六頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 將生物活性物質(zhì)如酶固定在柵極氫離子敏感膜（SiO2水化層）表面，樣品溶液中的待測底物擴(kuò)散進(jìn)入酶膜。假設(shè)是檢測酶催化后的產(chǎn)物（反應(yīng)速率取決于底物濃度），產(chǎn)物向離子選擇性膜擴(kuò)散的分子濃度不斷積累增加，并在酶膜和離子選擇性膜界面達(dá)到衡定。第37頁/共111頁第三十七頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 通常，酶-FET傳感器都含有雙柵極，一只柵極涂有酶膜，作為指示用FET，另一支涂上非活性酶膜或清蛋白膜作為參比FET，兩

24、個(gè)FET制作在同一芯片上，對pH和溫度以及外部溶液電場變化具有同樣的敏感性，也就是說，如果兩支FET漏電流出現(xiàn)了差 值，那只能是酶FET中催化反應(yīng)所致，而與環(huán)境溫度pH加樣體積和電場噪聲等無關(guān)，故其差值與被測產(chǎn)物的濃度呈比例關(guān)系。第38頁/共111頁第三十八頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。2.22.2特點(diǎn)與應(yīng)用特點(diǎn)與應(yīng)用FET的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，便于批量制作，成本低：屬于固態(tài)傳感器，機(jī)械性能好、耐震動(dòng)、壽命長；輸出阻抗低，與檢測器的連接線甚至不用屏蔽，不受外來電場干擾，測試電路簡化；第39頁/共111頁第三十九頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分?？稍谕还杵霞啥喾N傳感器，對樣品中不同

25、成分同時(shí)進(jìn)行測量分析。FET的應(yīng)用： 離子敏場效應(yīng)晶體管可作為酶（水解酶）、微生物傳感器中的信號轉(zhuǎn)換器。第40頁/共111頁第四十頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。3.3.熱敏電阻型信號轉(zhuǎn)換器熱敏電阻型信號轉(zhuǎn)換器 熱敏電阻是由鐵、鎳、鈷、鈦等金屬氧化物構(gòu)成的半導(dǎo)體。從外形上分類有珠型、片型、棒型、厚膜型、薄膜型與觸點(diǎn)型等。凡有生物體反應(yīng)的地方，大都可觀察到放熱或吸熱反應(yīng)的熱量變化（焓變化）。第41頁/共111頁第四十一頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 熱敏電阻生物傳感器就是以測定生化反應(yīng)焓（enthalpy)變化作為測定基礎(chǔ)。若測量系統(tǒng)是一個(gè)絕熱系統(tǒng)，借助于熱敏電阻，可根據(jù)對系統(tǒng)溫度變化的測

26、量實(shí)現(xiàn)試樣中待測成分的測定。第42頁/共111頁第四十二頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。酶熱敏電阻的測量系統(tǒng)第43頁/共111頁第四十三頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。3.23.2特點(diǎn)與應(yīng)用特點(diǎn)與應(yīng)用作為溫度傳感器的熱敏電阻具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：1.靈敏度高，溫度系數(shù)為-4.5%/K，靈敏度約為金屬的10倍；2.因體積很小故熱容量小、響應(yīng)速度快；3.穩(wěn)定性好，使用方便，價(jià)格便宜。第44頁/共111頁第四十四頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 因?yàn)閷τ谠S多生物體反應(yīng)都可觀察到放熱或吸熱反應(yīng)的熱量變化（焓變化），所以酶熱敏電阻生物傳感器測量對象范圍廣泛，使用于的分子識(shí)別元件包括酶、抗原、抗體、細(xì)胞

27、器、微生物、動(dòng)物細(xì)胞、植物細(xì)胞、組織等。第45頁/共111頁第四十五頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 在檢測時(shí)，由于識(shí)別元件的催化作用或因構(gòu)造和物性變化引起焓變化，可借助熱敏電阻把其變換為電信號輸出。現(xiàn)已在醫(yī)療、發(fā)酵、食品、環(huán)境、分析測量等很多方面得到應(yīng)用，如在發(fā)酵生化生產(chǎn)過程中，廣泛用于測定青霉素、頭孢菌素、酒精、糖類和苦杏仁等。第46頁/共111頁第四十六頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。4.4.壓電晶體信號轉(zhuǎn)換器壓電晶體信號轉(zhuǎn)換器4.1 結(jié)構(gòu)與原理 壓電晶體型信號轉(zhuǎn)換器是基于石英晶體的壓電效應(yīng)。在一定方向上施加機(jī)械力時(shí)石英晶體產(chǎn)生變形，就會(huì)引起它們內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對位移而產(chǎn)生極化，從

28、而導(dǎo)致其兩個(gè)相對表面（極化面）上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，當(dāng)外力消失后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當(dāng)外力發(fā)生變化時(shí)表面電荷極性隨之改變，這種現(xiàn)象物理學(xué)稱為（順）壓電效應(yīng)。第47頁/共111頁第四十七頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 若對石英晶體施加電場作用時(shí)，同樣會(huì)引起內(nèi)部正、負(fù)電荷中心的相對位移而導(dǎo)致石英晶體變形，且應(yīng)變與外電場強(qiáng)度成正比；外電場方向改變，石英晶體形變方向也隨之改變。當(dāng)外加電場的振蕩頻率與石英晶體固有振蕩頻率一致時(shí)，石英晶體處于諧振狀態(tài)。通常使用的是AT切割型石英晶體（頻率溫度系數(shù)最?。⒃谄鋬擅嬲婵諊婂円粚訉?dǎo)電用的金屬電極。第48頁/共111頁第四十八頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn)

29、 九分。 采用TTL-IC振蕩電路驅(qū)使石英晶體諧振于其固有的頻率，圖是壓電石英晶體圖是壓電石英晶體傳感器的工作系統(tǒng)。傳感器的工作系統(tǒng)。第49頁/共111頁第四十九頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 當(dāng)石英晶體便面附著層的質(zhì)量改變時(shí)其頻率隨之改變，用Sauerbrey方程來描述。即F =KF2 m /A，式中， F 是晶體吸附外表物質(zhì)后振動(dòng)頻率（Hz）的變化；K為常數(shù)；F為壓電晶體的基礎(chǔ)頻率（MHz）； m 為附著層物質(zhì)的質(zhì)量變化。通常可檢測低至10-10g/cm2級的痕量物質(zhì)，因此常稱之為石英晶體微天平。第50頁/共111頁第五十頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。4.24.2特點(diǎn)與應(yīng)用特點(diǎn)與應(yīng)

30、用壓電石英晶體傳感器的特點(diǎn)：1.儀器裝置簡單、成本低廉；2.靈敏度高、易自動(dòng)化、使用范圍廣；3.可發(fā)展一類非標(biāo)記的親和型生物傳感器檢測方法。第51頁/共111頁第五十一頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 在免疫學(xué)、微生物學(xué)、基因檢測、血液流變、藥理研究以及環(huán)境等科學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值和開發(fā)前景。第52頁/共111頁第五十二頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。5.5.光纖光學(xué)型信號轉(zhuǎn)換器光纖光學(xué)型信號轉(zhuǎn)換器 5.15.1結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)與原理 光纖是用來傳輸光波能量的。在傳播過程中，光波的導(dǎo)波參量會(huì)發(fā)生變化，如振幅、相位、偏振度、強(qiáng)度、波長、頻率等，尤其是外界因素（如壓力、溫度、振動(dòng)、濃度）對光纖

31、的作用 更會(huì)引起上述參量發(fā)生較大的變化。第53頁/共111頁第五十三頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 光纖生物傳感信號轉(zhuǎn)換器主要由光纖和生物敏感膜組成。分析測試時(shí)將傳感器端插入待測溶液中，當(dāng)光通過光纖達(dá)到傳感端時(shí)，由于傳感膜中生物活性成分和待測組分之間的相互作用引起傳感層光學(xué)性質(zhì)變化。第54頁/共111頁第五十四頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 將酶、輔酶、生物的受體、抗原、抗體、核酸、動(dòng)植物組織或細(xì)胞、微生物等敏感膜安裝在光纖、平面波導(dǎo)或毛細(xì)血管波導(dǎo)面上，對樣品中的待測物質(zhì)進(jìn)行選擇性的分子識(shí)別，再轉(zhuǎn)換成各種光信息，如紫外光、可見光及紅外光的吸收與反射，熒光、磷光、化學(xué)發(fā)光和生物發(fā)光、拉曼

32、輻射、光聲和表面等離子體共振等信號輸出。第55頁/共111頁第五十五頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 組成感受器和換能器的可以是同一物質(zhì)或不同物質(zhì)構(gòu)成的單層膜，也可以是不同物質(zhì)構(gòu)成的雙層膜。大多數(shù)情況下，光纖只起光的傳輸作用，也有傳感器是基于被測物質(zhì)能直接影響光纖的波導(dǎo)性質(zhì)（如張力和折射率的變化）來進(jìn)行化學(xué)或生物傳感的。第56頁/共111頁第五十六頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。5.25.2特點(diǎn)與應(yīng)用特點(diǎn)與應(yīng)用 光纖生物傳感器具有如下獨(dú)特特點(diǎn)： 輕、細(xì)長、小，很細(xì)小的光纖探 針可應(yīng)用于生物體內(nèi)研究； 抗電磁干擾強(qiáng)，適用于在強(qiáng)電磁干擾、高溫高壓、易燃易爆和強(qiáng)放射性等惡劣環(huán)境中應(yīng)用，使遠(yuǎn)距離遙

33、測成為現(xiàn)實(shí)； 第57頁/共111頁第五十七頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 應(yīng)用范圍廣，成本低且操作方便；可應(yīng)用于多波長和時(shí)間分辨測量技術(shù)，從而改進(jìn)分析結(jié)果的重現(xiàn)性，大大提高方法的選擇性。第58頁/共111頁第五十八頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。6.6.表面等離子體共振型信號轉(zhuǎn)換器表面等離子體共振型信號轉(zhuǎn)換器surface plasmon resonance,SPR6.1結(jié)構(gòu)與原理 在SPR中，光入射在金屬薄膜上，產(chǎn)生衰減場。如果在金屬薄膜一側(cè)加上一層待測物質(zhì)，試樣與金屬薄膜的偶聯(lián)影響了結(jié)構(gòu)的折射率，從而影響了反射光、衰減波以及等離子體共振。電磁場沿著金屬表面?zhèn)鞑?，其衰減場按指數(shù)規(guī)律衰減

34、。第59頁/共111頁第五十九頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 SPR傳感器的敏感機(jī)制有兩種：一是SPR的電磁場效應(yīng)；二是生物大分子相互作用對介電性質(zhì)的影響。傳感器原理示意如下光電信號檢測與分析傳感器電磁場（反射光波、衰減波）變化敏感層介電性質(zhì)（介電常數(shù)、折射率）變化生物大分子相互作用第60頁/共111頁第六十頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。6.26.2特點(diǎn)與應(yīng)用特點(diǎn)與應(yīng)用 SPR傳感系統(tǒng)使用面非常廣。在微生物檢測、藥物篩選、血液分析、DNA分析、抗原/抗體分析、有毒氣體檢測等方面都有不俗的表現(xiàn)，對于環(huán)境污染的控制、醫(yī)學(xué)診斷、食品及藥物檢測、工業(yè)遙感等方面將是有力的工具。第61頁/共111

35、頁第六十一頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 SPR型傳感器的發(fā)展趨勢：微型化，即在敏感元件上集成更多的器件；多組分同時(shí)測定，同一敏感器件可以測量不同的生化成分，一方面提高儀器的使用效率，另一方面也完善了SPR測量機(jī)理，這一要求也是對于通用生化分析儀器的共同要求；第62頁/共111頁第六十二頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 SPR型傳感器呈現(xiàn)多元化發(fā)展，不同的場合對于SPR儀器性能要求也不同，在微電子技術(shù)、光纖技術(shù)、生物膜技術(shù)的支持下，各種SPR型傳感器將被開發(fā)出來。第63頁/共111頁第六十三頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。五、微生物傳感器五、微生物傳感器 微生物傳感器由固定化微生物、換

36、能器和信號輸出裝置組成，利用固定化微生物代謝消耗溶液中的溶解氧或產(chǎn)生一些電活性物質(zhì)并放出光或熱的原理實(shí)現(xiàn)待測物質(zhì)的定量測定。第64頁/共111頁第六十四頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。根據(jù)微生物的種類分類可分為 發(fā)光微生物(1uminous microbes)傳感器， 硝化細(xì)菌(nitrifying bacteria)傳感器， 假單胞茵屬(Pseudomonas)與大腸桿菌屬(Escherichia)傳感器， 藍(lán)細(xì)菌(cyanobacteria)與藻類(algae)傳感器 酵母傳感器。 第65頁/共111頁第六十五頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 發(fā)光微生物傳感器具有一些顯著優(yōu)點(diǎn)：操作無需

37、嚴(yán)格無菌；發(fā)光變化先于基本代謝變化因而對毒性更為敏感；與光電檢測手段相結(jié)合，自動(dòng)化程度高、結(jié)果客觀、人為誤差少。第66頁/共111頁第六十六頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 硝化細(xì)菌傳感器利用細(xì)菌對污染物毒性十分敏感的特性，根據(jù)污染物抑制細(xì)胞酶類(如氨單加氧酶、羥氨氧化酶、亞硝酸氧還酶)而干擾硝化過程的原理來檢測污染物。第67頁/共111頁第六十七頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 基于氧化還原介質(zhì)的傳感器選用的假單胞菌株有洋假單胞菌(Pseudomonas cepacia)和惡臭假單胞菌(Pseudomonas putida)等。檢測的污染物有氯芬磷、氯氰菊酯、溴氫菊酯、樂果、硫丹等，毒物

38、可顯著抑制工作電極上電流的產(chǎn)生。第68頁/共111頁第六十八頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 目前，有兩種類型藍(lán)細(xì)菌、藻類傳感器：一類是檢測毒物對光合作用產(chǎn)物生成的影響；另一類是檢測毒物對葉綠素?zé)晒獍l(fā)生強(qiáng)度的影響，毒物通過阻斷光合作用的電子傳遞鏈導(dǎo)致葉綠素的熒光強(qiáng)度增高，增加的幅度與污染物濃度相關(guān)。第69頁/共111頁第六十九頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。酵母作為一種真核生物傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)增殖速度快，可利用的底物廣泛； (2)細(xì)胞為真核結(jié)構(gòu)，可以檢出真核毒性污染物，結(jié)果對哺乳動(dòng)物更有意義； (3)對酸堿度、溫度、離子強(qiáng)度等變化的適應(yīng)能力強(qiáng)于細(xì)菌。第70頁/共111頁第七十頁

39、，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 現(xiàn)在多通過檢測耗氧量、酸度(因代謝產(chǎn)物使pH 降低)而分析酵母的活性。污染物可抑制其正常代謝過程的進(jìn)行。因?yàn)槿藗儗︶劸平湍傅纳砩匦砸延猩钊肓私猓Ｓ闷渥鳛閭鞲衅鞯拿舾胁牧稀５?1頁/共111頁第七十一頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。甲酸傳感器甲酸傳感器(H2電極厭氣性微生物傳感器電極厭氣性微生物傳感器)1.1. 圓環(huán)圓環(huán)2.2. 液體連接面液體連接面3.3. 電解液電解液(100mol/m(100mol/m3 3磷酸磷酸緩沖液緩沖液) )4.4. AgAg2 2O O2 2電極電極( (陰極陰極) )5.5. PtPt電極電極( (陽極陽極) )6.6

40、. 聚四氟乙烯膜聚四氟乙烯膜第72頁/共111頁第七十二頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。甲酸傳感器甲酸傳感器原理 將產(chǎn)生氫的將產(chǎn)生氫的酪酸梭狀芽菌酪酸梭狀芽菌固定在低溫膠凍膜上，并把它固定在低溫膠凍膜上，并把它固定在固定在燃料電池燃料電池PtPt電極電極上；上； 當(dāng)傳感器浸入含有甲酸的溶液時(shí)，甲酸通過聚四氟當(dāng)傳感器浸入含有甲酸的溶液時(shí)，甲酸通過聚四氟乙烯膜向酪酸梭狀芽菌擴(kuò)散，被乙烯膜向酪酸梭狀芽菌擴(kuò)散，被資化后資化后產(chǎn)生產(chǎn)生H H2 2, ,而而H H2 2又穿過又穿過PtPt電極表面上的聚四氟乙烯膜與電極表面上的聚四氟乙烯膜與PtPt電極產(chǎn)生電極產(chǎn)生氧氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生電流化還原反應(yīng)而產(chǎn)生

41、電流，此電流與微生物所產(chǎn)生的，此電流與微生物所產(chǎn)生的H H2 2含含量成正比，而量成正比，而H H2 2量又與待測甲酸濃度有關(guān)，因此傳感量又與待測甲酸濃度有關(guān)，因此傳感器能測定發(fā)酵溶液中的甲酸濃度。器能測定發(fā)酵溶液中的甲酸濃度。第73頁/共111頁第七十三頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。六、生物傳感器的固定方法固定方法固定化技術(shù)：把生物活性材料與固定化技術(shù)：把生物活性材料與載體載體固定化成固定化成為生物敏感膜。為生物敏感膜。1.1.物理方法：夾心法、吸附法、包埋法；物理方法：夾心法、吸附法、包埋法；2.2. 化學(xué)方法化學(xué)方法: : 共價(jià)連接法、交聯(lián)法；共價(jià)連接法、交聯(lián)法；3.3. 近年來近年

42、來, , 由于半導(dǎo)體生物傳感器迅速發(fā)展由于半導(dǎo)體生物傳感器迅速發(fā)展, , 因而又出現(xiàn)了采用集成電路工藝制膜技術(shù)。因而又出現(xiàn)了采用集成電路工藝制膜技術(shù)。第74頁/共111頁第七十四頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。夾心法 將生物活性材料將生物活性材料封閉在雙層濾膜封閉在雙層濾膜之間，形象地稱之間，形象地稱為夾心法。為夾心法。 這 種 方 法 的 特 點(diǎn)這 種 方 法 的 特 點(diǎn)是 操 作 簡 單 ， 不是 操 作 簡 單 ， 不需 要 任 何 化 學(xué) 處需 要 任 何 化 學(xué) 處理 ， 固 定 生 物 量理 ， 固 定 生 物 量大，響應(yīng)速度快，大，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好。重復(fù)性好。第75頁/共1

43、11頁第七十五頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。吸附法 用非水溶性固相載體物理吸附或用非水溶性固相載體物理吸附或離子結(jié)合，使蛋白質(zhì)分子固定化離子結(jié)合，使蛋白質(zhì)分子固定化的方法。的方法。 載體種類較多，如活性炭、高嶺載體種類較多，如活性炭、高嶺土、硅膠、玻璃、纖維素、離子土、硅膠、玻璃、纖維素、離子交換體等。交換體等。第76頁/共111頁第七十六頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。包埋法 把生物活性材料包埋并把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三固定在高分子聚合物三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基質(zhì)中。維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基質(zhì)中。 此方法的特點(diǎn)是一般不產(chǎn)此方法的特點(diǎn)是一般不產(chǎn)生化學(xué)修飾，對生物分子生化學(xué)修飾，對生物分

44、子活性影響較??；缺點(diǎn)是分活性影響較小；缺點(diǎn)是分子量大的底物在凝膠網(wǎng)格子量大的底物在凝膠網(wǎng)格內(nèi)擴(kuò)散較固難。內(nèi)擴(kuò)散較固難。第77頁/共111頁第七十七頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 A. A. 單體氧化劑配比為單體氧化劑配比為1 1：2 B. 2 B. 單體氧化劑配比為單體氧化劑配比為1 1：4 4C. 單體氧化劑配比為1：5 D. 單體氧化劑配比為1：6 E E聚合反應(yīng)時(shí)間為聚合反應(yīng)時(shí)間為1515分鐘分鐘 F. F. 聚合反應(yīng)時(shí)間為聚合反應(yīng)時(shí)間為2525分鐘分鐘G. G. 聚合反應(yīng)時(shí)間為聚合反應(yīng)時(shí)間為3535分鐘分鐘 第78頁/共111頁第七十八頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。共價(jià)連接共價(jià)

45、連接法法 使生物活性分子通過使生物活性分子通過共價(jià)鍵共價(jià)鍵與固相載體結(jié)與固相載體結(jié)合固定的方法。合固定的方法。 此方法的特點(diǎn)是結(jié)此方法的特點(diǎn)是結(jié)合牢固，生物活性合牢固，生物活性分子不易脫落，載分子不易脫落，載體不易被生物降解，體不易被生物降解，使用壽命長；使用壽命長； 缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)固定化麻缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)固定化麻煩，酶活性可能因發(fā)煩，酶活性可能因發(fā)生化學(xué)修飾而降低。生化學(xué)修飾而降低。第79頁/共111頁第七十九頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。交聯(lián)法 依靠雙功能團(tuán)試劑依靠雙功能團(tuán)試劑使蛋白質(zhì)結(jié)合到惰使蛋白質(zhì)結(jié)合到惰性載體或蛋白質(zhì)分性載體或蛋白質(zhì)分子彼此交聯(lián)成網(wǎng)狀子彼此交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 這種方法廣

46、泛用于這種方法廣泛用于酶膜和免疫分子膜酶膜和免疫分子膜制備，操作簡單。制備，操作簡單。第80頁/共111頁第八十頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。七、生物傳感器的應(yīng)用七、生物傳感器的應(yīng)用1 1、在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用、在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用 環(huán)境監(jiān)測對于環(huán)境保護(hù)很重要。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法有很多缺點(diǎn)：分析速度慢、操作復(fù)雜、且需要昂貴儀器，無法進(jìn)行現(xiàn)場快速監(jiān)測和連續(xù)在線分析。生物傳感器的發(fā)展和應(yīng)用為其提供了新的手段。利用環(huán)境中的微生物細(xì)胞如細(xì)菌、酵母、真菌用作識(shí)別元件，這些微生物通常可從活性泥狀沉積物、河水、瓦礫和土壤中分離出來。第81頁/共111頁第八十一頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 生物傳感器在環(huán)境

47、監(jiān)測中應(yīng)用最多的是水質(zhì)分析。例如，在河流中放入特制的傳感器及其附件可進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。一個(gè)典型應(yīng)用是測定生化需氧量BOD。第82頁/共111頁第八十二頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 傳統(tǒng)方法測BOD需5天，且操作復(fù)雜。BOD的微生物傳感器，只需15min即能測出結(jié)果。國內(nèi)外已研制出許多不同的微生物BOD傳感器以及其他用于水污染監(jiān)測的微生物傳感器，如基于重金屬離子對微生物新陳代謝的抑制來檢測重金屬離子污染物。第83頁/共111頁第八十三頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 大氣污染是一個(gè)全球性的嚴(yán)重問題，微生物傳感器也可監(jiān)測CO2、NO2、NH3、CH4之類的氣體。一種利用噬硫桿菌的微生物傳感器被

48、研制出來，噬硫桿菌被固定在兩片硝化纖維薄膜之間，當(dāng)微生物新陳代謝增加時(shí)，溶解氧濃度下降，氧電極響應(yīng)改變，從而測出亞硫酸物含量，具有良好的應(yīng)用前景。第84頁/共111頁第八十四頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 又如:檢測NOx的生物傳感器。它利用氧電極和一種特殊的硝化細(xì)菌，此硝化細(xì)菌以亞硝酸物作唯一能源。當(dāng)亞硝酸物存在時(shí)，硝化桿菌的呼吸作用增加，氧電極中溶解氧濃度下降，從而測出NO2-含量。第85頁/共111頁第八十五頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。2.2.用于農(nóng)藥和抗生素殘留量的分析用于農(nóng)藥和抗生素殘留量的分析 隨著科學(xué)的發(fā)展，不斷有新 的農(nóng)藥和抗生素用于農(nóng)牧業(yè)，它們在給人類帶來富足的同時(shí)

49、，也給人類健康帶來了危害。所以對農(nóng)藥和抗生素殘留量的測定，各國政府一向都非常重視。第86頁/共111頁第八十六頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 近些年，人們就生物傳感器在該領(lǐng)域中的應(yīng)用也做了一些有益的探索。如Starodub等分別用乙酰膽堿酯酶ACh E和丁酰膽堿酯酶BCh E為敏感材料，制作了離子敏場效應(yīng)晶體管酶傳感器，兩種生物傳感器均可用于蔬菜等樣品中有機(jī)磷農(nóng)藥DDVP和伏殺磷等的測定，檢測限為10-7-10-5mol/L。第87頁/共111頁第八十七頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。3.3.食品分析食品分析 生物傳感器可廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)生產(chǎn)中，如對食品原料、半成品和產(chǎn)品質(zhì)量的檢測，發(fā)

50、酵生產(chǎn)中在線監(jiān)測等。利用氨基酸氧化酶傳感器可測定各種氨基酸（包括谷氨酸、 L-天冬氨酸、L-精氨酸等十幾種氨基酸）?？蓽y定食品添加劑甜味劑、酸味劑、抗氧化劑等。 第88頁/共111頁第八十八頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 鮮度是評價(jià)食品品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，通常用人的感官檢驗(yàn)，但感官檢驗(yàn)主觀性強(qiáng)，個(gè)體差異大，故人們一直在尋找客觀的理化指標(biāo)來代替。Volpe等曾以黃嘌呤氧化酶為生物敏感材料，結(jié)合過氧化氫電極，通過測定魚降解過程中產(chǎn)生的一磷酸肌苷IMP，肌苷HXP和次黃嘌呤HX的濃度，從未評價(jià)魚的鮮度。黃嘌呤氧化酶催化的是如下反應(yīng)： 次黃嘌呤 + H2O + O2 黃嘌呤 + H2O2 黃嘌呤

51、+ H2O + O2 尿酸 + H2O2 黃嘌呤 + H2O + 2O2 尿酸 + 2O2-（超氧陰離子） + 2H+（氫離子） 第89頁/共111頁第八十九頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。4.生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 1）.基礎(chǔ)研究 生物傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測生物大分子之間相互作用。借助于這一技術(shù)動(dòng)態(tài)觀察抗原、抗體之間結(jié)合和解離的平衡關(guān)系，可較為準(zhǔn)確地測定抗體的親和力及識(shí)別抗原表位，幫助人們了解單克隆抗體特性，有目的的篩選各種具有最佳應(yīng)用潛力的單克隆抗體，而且較常規(guī)方法省時(shí)、省力，結(jié)果也更為客觀可信，在生物醫(yī)學(xué)研究方面已有較廣泛的應(yīng)用。如用生物傳感器測定重組人腫瘤壞死因子單克隆抗體的抗原

52、識(shí)別表位及其親和常數(shù)。第90頁/共111頁第九十頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 2）.臨床應(yīng)用 用酶、免疫傳感器等生物傳感器來檢測體液中的各種化學(xué)成分，為醫(yī)生的診斷提出依據(jù)。如美國YSI公司推出一種固定化酶型生物傳感器，利用它可以測定出運(yùn)動(dòng)員鍛煉后血液中存在的乳酸水平或糖尿病患者的葡萄糖水平。還可預(yù)知疾病發(fā)作。如癲癇患者可戴著一個(gè)微小傳感器，使用頭皮上電極，預(yù)感癲癇發(fā)作，平均可以在7min之前預(yù)知癲癇發(fā)作到來。發(fā)覺之后可以從植入的藥泵中釋放藥物，成功制止癲癇發(fā)作。第91頁/共111頁第九十一頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 3）.生物醫(yī)藥 利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)藥物時(shí)，將生物傳感器用于生化

53、反應(yīng)的監(jiān)視，可以迅速的獲取各種數(shù)據(jù)，有效的加強(qiáng)生物工程產(chǎn)品的質(zhì)量管理。生物傳感器已在癌癥藥物的研制方面發(fā)揮了重要的作用。如將癌癥患者的癌細(xì)胞取出培養(yǎng)，然后利用生物傳感器準(zhǔn)確的測試癌細(xì)胞對各種致癌藥物的反應(yīng)，經(jīng)過這種試驗(yàn)就可以快速地篩選出一種最有效的致癌藥物。第92頁/共111頁第九十二頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 （圖片來源：密歇根大學(xué)）利用該裝置，無需顯微鏡即可測量出細(xì)菌的生長過程及藥敏特征?？茖W(xué)家將這種裝置稱為“異步磁珠轉(zhuǎn)動(dòng)（AMBR）傳感器”，它采用了一種可以在磁場中異步旋轉(zhuǎn)的磁性小珠，任何附著到這種磁珠的物質(zhì)都會(huì)降低其轉(zhuǎn)速。在這項(xiàng)研究中，研究人員將桿狀大腸桿菌附著在磁珠上，然后用

54、AMBR傳感器進(jìn)行檢測。第93頁/共111頁第九十三頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分?！爱?dāng)單個(gè)細(xì)菌附著上去后，將極大地阻礙磁珠，使磁珠旋轉(zhuǎn)速率減慢到原來的四分之一”，領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Raoul Kopelman教授解釋，“若細(xì)菌再長大一點(diǎn)點(diǎn)，阻礙力將持續(xù)增大，轉(zhuǎn)速也將隨之變化，因而我們可測量出細(xì)菌的這種納米級生長變化”。 異步磁珠的原理：第94頁/共111頁第九十四頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 利用同樣的原理，該裝置也可用于檢測細(xì)菌的藥敏性。當(dāng)細(xì)菌受到藥物影響停止持續(xù)生長，進(jìn)而使得磁珠轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，于是研究人員便能在數(shù)分鐘內(nèi)知道藥物是否對細(xì)菌產(chǎn)生了作用。 “采用這種方法，我們可以檢測到小至

55、80納米程度的細(xì)菌生長變化，遠(yuǎn)比一臺(tái)光學(xué)顯微鏡管用顯微鏡的解析度也就大約250納米”，文章作者Paivo Kinnunen說，“這種方法可以應(yīng)用到任何微米級或納米級的大小變化檢測中”。 研究人員表示，這種新型生物傳感裝置或?qū)⒂兄诩涌旒?xì)菌感染治療。第95頁/共111頁第九十五頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 5.軍事上的運(yùn)用 現(xiàn)代戰(zhàn)爭往往是在核武器、化學(xué)武器、生物武器威脅下進(jìn)行的戰(zhàn)爭。偵檢、鑒定和監(jiān)測是整個(gè)“三防”醫(yī)學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，是進(jìn)行有效化學(xué)戰(zhàn)和生物戰(zhàn)防護(hù)的前提。由于具有高度特異性、靈敏性和能迅速的探測化學(xué)戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑（包括病毒、細(xì)菌和毒素等）的特性，生物傳感器將是最重要的一類化學(xué)戰(zhàn)劑

56、和生物戰(zhàn)劑偵檢器材。第96頁/共111頁第九十六頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。 1981年，Taylor 等人成功地發(fā)展了兩種受體生物傳感器：煙堿乙酰膽堿受體生物傳感器和某種麻醉劑受體生物傳感器，它們能在10s內(nèi)偵檢出10-9（十億分之一）濃度級的生化戰(zhàn)劑，包括委內(nèi)瑞拉馬腦炎病毒、黃熱病毒、炭疽病毒、流感病毒等。近年來，美國陸軍醫(yī)學(xué)研究和發(fā)展部研制的酶免疫生物傳感器具有初步鑒定多達(dá)22種不同生物戰(zhàn)劑的能力。美國海軍研究出DNA探針生物傳感器，在海灣沙漠風(fēng)暴作戰(zhàn)中用于檢測生物戰(zhàn)劑。第97頁/共111頁第九十七頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。生物傳感器的發(fā)展趨勢生物傳感器的發(fā)展趨勢 發(fā)展生物傳感器最初的目的是為了利用生化反應(yīng)的專一性，高選擇性的分析目標(biāo)物。但是，由于生物單元的引入，生物結(jié)構(gòu)固有的不穩(wěn)定性、易變性，生物傳感器實(shí)用化還存在著不少問題。因此，人們作出了一些努力與設(shè)想來提高生物傳感器的性能。第98頁/共111頁第九十八頁，編輯于星期四：二十二點(diǎn) 九分。（1）選擇性 主要可從兩方面提高生物傳感器的選擇性：改善生物單元與信號轉(zhuǎn)換器之間的聯(lián)系以減少干擾；選擇、設(shè)計(jì)新的活性單元以增加其