講義第六章生物傳感器

1、講義第六章生物傳感器一、概論一、概論生物傳感器生物傳感器(化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué).) 生物傳感器是利用生物關(guān)聯(lián)物質(zhì)選擇分子的功能的化生物傳感器是利用生物關(guān)聯(lián)物質(zhì)選擇分子的功能的化學(xué)傳感器（敏感元件：生物材料，轉(zhuǎn)換元件：電極）學(xué)傳感器（敏感元件：生物材料，轉(zhuǎn)換元件：電極）（生物感應(yīng)元件的專(zhuān)一性生物感應(yīng)元件的專(zhuān)一性/ 能夠產(chǎn)生和待測(cè)物濃度成比例的信號(hào)傳導(dǎo)器能夠產(chǎn)生和待測(cè)物濃度成比例的信號(hào)傳導(dǎo)器 /與其它傳感器不同的是生物傳與其它傳感器不同的是生物傳感器是以生物學(xué)組件作為主要功能性元件，能夠感受規(guī)定的被測(cè)量感器是以生物學(xué)組件作為主要功能性元件，能夠感受規(guī)定的被測(cè)量

2、/是基于它的生物敏感材料來(lái)自是基于它的生物敏感材料來(lái)自生物體。生物傳感器的工作原理主要決定于生物敏感元件與待測(cè)物質(zhì)之間的相互作用，主要有化學(xué)生物體。生物傳感器的工作原理主要決定于生物敏感元件與待測(cè)物質(zhì)之間的相互作用，主要有化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、將熱變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、將光效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、直接產(chǎn)生電信號(hào)方式等方式變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、將熱變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、將光效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、直接產(chǎn)生電信號(hào)方式等方式 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 選擇性好、噪聲低、重復(fù)性好、選擇性好、噪聲低、重復(fù)性好、 能以電信號(hào)直接輸出能以電信號(hào)直接輸出 測(cè)量范圍：測(cè)量范圍： 低分子低分子高分子：酶、微生物、免疫體、復(fù)雜蛋白質(zhì)高分子：酶、微生物

3、、免疫體、復(fù)雜蛋白質(zhì)等等 現(xiàn)有傳感器：現(xiàn)有傳感器： 酶?jìng)鞲衅鳌⑽⑸飩鞲衅?、免疫傳感器、半?dǎo)體生物酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、免疫傳感器、半?dǎo)體生物傳感器、熱生物傳感器、光生物傳感器、壓電生物傳感器傳感器、熱生物傳感器、光生物傳感器、壓電生物傳感器生物傳感器的分類(lèi)生物傳感器的分類(lèi)1：按識(shí)別功能膜分類(lèi)按識(shí)別功能膜分類(lèi)按信號(hào)轉(zhuǎn)換分類(lèi)按信號(hào)轉(zhuǎn)換分類(lèi)按材料按材料按識(shí)別對(duì)象按識(shí)別對(duì)象生物傳感器的分類(lèi)生物傳感器的分類(lèi)2： 根據(jù)被測(cè)物與分子識(shí)別元件相互作用產(chǎn)生傳感器根據(jù)被測(cè)物與分子識(shí)別元件相互作用產(chǎn)生傳感器輸出信號(hào)的方式分類(lèi)：輸出信號(hào)的方式分類(lèi)： 1）生物親和型生物傳感器）生物親和型生物傳感器 被測(cè)物與分子識(shí)別

4、元件上敏感物質(zhì)具有生物親和作用。被測(cè)物與分子識(shí)別元件上敏感物質(zhì)具有生物親和作用。即二者間能特異地相結(jié)合，同時(shí)引起敏感材料上生物分子即二者間能特異地相結(jié)合，同時(shí)引起敏感材料上生物分子的結(jié)構(gòu)和固定介質(zhì)發(fā)生物理變化，例如電荷、厚度、溫度、的結(jié)構(gòu)和固定介質(zhì)發(fā)生物理變化，例如電荷、厚度、溫度、光學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)(顏色或熒光顏色或熒光)等變化。這類(lèi)傳感器稱(chēng)為生物親和等變化。這類(lèi)傳感器稱(chēng)為生物親和型生物傳感器。型生物傳感器。 2）代謝型或催化型生物傳感器）代謝型或催化型生物傳感器 被測(cè)物與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)相作用并產(chǎn)生產(chǎn)被測(cè)物與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)相作用并產(chǎn)生產(chǎn)物，信號(hào)換能器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加

5、轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盼?，信?hào)換能器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?hào)，這類(lèi)傳感器稱(chēng)為代謝型或催化型生物傳感器。號(hào)，這類(lèi)傳感器稱(chēng)為代謝型或催化型生物傳感器。 二、生物傳感器的工作原理二、生物傳感器的工作原理 1、生物識(shí)別功能、生物識(shí)別功能 生物體內(nèi)具有各種選擇性地識(shí)別特定化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)受體生物體內(nèi)具有各種選擇性地識(shí)別特定化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)受體 化學(xué)受體：分子識(shí)別部位或信號(hào)轉(zhuǎn)換部位化學(xué)受體：分子識(shí)別部位或信號(hào)轉(zhuǎn)換部位 識(shí)別功能物質(zhì)：酶識(shí)別功能物質(zhì)：酶 高選擇性、起催化作用高選擇性、起催化作用 氧化還原酶氧化還原酶 水解酶水解酶 （葡萄糖氧化酶）葡萄糖氧化酶） （尿素酶）（尿素酶） 抗體抗體 與免疫有關(guān)與免

6、疫有關(guān) 激素受體激素受體 、結(jié)合蛋白質(zhì)、結(jié)合蛋白質(zhì) 微生物微生物 特殊酶活性的小器官特殊酶活性的小器官 2、生物信號(hào)轉(zhuǎn)換方式、生物信號(hào)轉(zhuǎn)換方式 1）化學(xué)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式）化學(xué)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式 酶與被識(shí)別分子發(fā)生特異反應(yīng)，產(chǎn)生特定物質(zhì)的增減，并將酶與被識(shí)別分子發(fā)生特異反應(yīng)，產(chǎn)生特定物質(zhì)的增減，并將 特定物質(zhì)的增減量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)特定物質(zhì)的增減量轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 2）熱轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式）熱轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式 進(jìn)行分子識(shí)別時(shí)產(chǎn)生熱變化，并將熱變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行分子識(shí)別時(shí)產(chǎn)生熱變化，并將熱變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 3）光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式）光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式 很多酶進(jìn)行分子識(shí)別時(shí)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，并將光變化轉(zhuǎn)換為

7、電很多酶進(jìn)行分子識(shí)別時(shí)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，并將光變化轉(zhuǎn)換為電 信號(hào)信號(hào) 4）直接誘導(dǎo)式電信號(hào)）直接誘導(dǎo)式電信號(hào) 進(jìn)行分子識(shí)別時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)變化進(jìn)行分子識(shí)別時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)變化 3、 換能器換能器 感知分子識(shí)別時(shí)的變化，轉(zhuǎn)變成可以記錄的信號(hào)感知分子識(shí)別時(shí)的變化，轉(zhuǎn)變成可以記錄的信號(hào) 4、固定化技術(shù)、固定化技術(shù) 酶、抗體、微生物通常是水溶性的，與適當(dāng)?shù)妮d體結(jié)合酶、抗體、微生物通常是水溶性的，與適當(dāng)?shù)妮d體結(jié)合變成不溶于水的并制成傳感器用的識(shí)別功能膜，這種技術(shù)變成不溶于水的并制成傳感器用的識(shí)別功能膜，這種技術(shù)成為固定化技術(shù)。成為固定化技術(shù)。 5、電極與測(cè)量方式、電極與測(cè)量方式 1）電極：）電極： 氧電極氧電極O2

8、、 H2O2電極、電極、PH電極電極 CO2電極、電極、NH3電極、電極、NH4+電極電極 2）測(cè)量方式）測(cè)量方式 （被測(cè)物濃度變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)方式）：（被測(cè)物濃度變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)方式）： 電流法電流法 生化反應(yīng)消耗或生成的電極活性生化反應(yīng)消耗或生成的電極活性 物質(zhì)的電極板反應(yīng)產(chǎn)生電流物質(zhì)的電極板反應(yīng)產(chǎn)生電流 氧電極氧電極O2、 H2O2電極電極 電壓法電壓法 生化反應(yīng)的粒子在識(shí)別功能膜上生化反應(yīng)的粒子在識(shí)別功能膜上 產(chǎn)生的膜電位產(chǎn)生的膜電位 CO2電極、電極、NH3電極、電極、NH4+電極電極 3）靜態(tài)測(cè)量法：）靜態(tài)測(cè)量法：生物傳感器插入試液，邊攪拌邊測(cè)生物傳感器插入試液，邊攪拌邊測(cè)量量 動(dòng)

9、態(tài)測(cè)量法：動(dòng)態(tài)測(cè)量法：生物傳感器插入試液池，讓緩沖液生物傳感器插入試液池，讓緩沖液連連 續(xù)流過(guò)測(cè)量池，在一定時(shí)間內(nèi)將試液續(xù)流過(guò)測(cè)量池，在一定時(shí)間內(nèi)將試液 注入測(cè)量。注入測(cè)量。 4）例：）例：(1)酶電極酶電極葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶(GOD)電極，電極，GOD的催化的催化,葡萄糖葡萄糖(C6H12O6)被氧化生被氧化生成葡萄糖酸成葡萄糖酸(C6H12O7)和過(guò)氧化氫。通過(guò)氧電極和過(guò)氧化氫。通過(guò)氧電極(測(cè)氧的消耗測(cè)氧的消耗)、過(guò)氧、過(guò)氧化氫電極化氫電極(測(cè)測(cè)H2O2的產(chǎn)生的產(chǎn)生)和和pH電極電極(測(cè)酸度變化測(cè)酸度變化)來(lái)間接測(cè)定葡萄糖來(lái)間接測(cè)定葡萄糖的含量。因此只要將的含量。因此只要將GOD固定

10、在上述電極表面即可構(gòu)成測(cè)葡萄糖的固定在上述電極表面即可構(gòu)成測(cè)葡萄糖的GOD傳感器。傳感器。(2) 微生物電極微生物電極 將微生物將微生物(常用的主要是細(xì)菌和酵母菌常用的主要是細(xì)菌和酵母菌)作為敏感材料固定在電極表面。作為敏感材料固定在電極表面。工作原理：其一工作原理：其一,利用微生物體內(nèi)含有的酶利用微生物體內(nèi)含有的酶(單一酶或復(fù)合酶單一酶或復(fù)合酶)系來(lái)識(shí)別系來(lái)識(shí)別分子分子,這種類(lèi)型與酶電極類(lèi)似這種類(lèi)型與酶電極類(lèi)似;其二其二,利用微生物對(duì)有機(jī)物的同化作用利用微生物對(duì)有機(jī)物的同化作用,通通過(guò)檢測(cè)其呼吸活性過(guò)檢測(cè)其呼吸活性(攝氧量攝氧量)的提高的提高,即通過(guò)氧電極測(cè)量體系中氧的減少即通過(guò)氧電極測(cè)量體

11、系中氧的減少間接測(cè)定有機(jī)物的濃度間接測(cè)定有機(jī)物的濃度;其三其三,通過(guò)測(cè)定電極敏感的代謝產(chǎn)物間接測(cè)定通過(guò)測(cè)定電極敏感的代謝產(chǎn)物間接測(cè)定一些能被厭氧微生物所同化的有機(jī)物。一些能被厭氧微生物所同化的有機(jī)物。 (3) 電化學(xué)免疫電極電化學(xué)免疫電極 將抗體或抗原直接固定在電極表面上。將抗體或抗原直接固定在電極表面上。 傳感器與相應(yīng)的抗體或抗原發(fā)生結(jié)合的同時(shí)產(chǎn)生電勢(shì)改變傳感器與相應(yīng)的抗體或抗原發(fā)生結(jié)合的同時(shí)產(chǎn)生電勢(shì)改變直接轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。直接轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。 診斷早期妊娠的診斷早期妊娠的hCG免疫免疫;診斷原發(fā)性肝癌的甲胎蛋白診斷原發(fā)性肝癌的甲胎蛋白(AFP或或FP);測(cè)定人血清蛋白測(cè)定人血清蛋白(HSA、胰

12、島素等等、胰島素等等。(4) 電化學(xué)電化學(xué)DNA電極電極 利用單鏈利用單鏈DNA(ssDNA)或基因探針作為敏感元件固定在固或基因探針作為敏感元件固定在固體電極表面體電極表面 固定在電極表面的某一特定序列的固定在電極表面的某一特定序列的ssDNA與溶液中的同與溶液中的同源序列的特異識(shí)別作用源序列的特異識(shí)別作用(分子雜交分子雜交)形成雙鏈形成雙鏈DNA(dsDNA)(電極表面性質(zhì)改變電極表面性質(zhì)改變),同時(shí)借助一能識(shí)別同時(shí)借助一能識(shí)別ssDNA和和dsDNA的雜交指示劑改變電流響應(yīng)的雜交指示劑改變電流響應(yīng)檢測(cè)基因及一些能與檢測(cè)基因及一些能與DNA發(fā)生特殊相互作用的物質(zhì)發(fā)生特殊相互作用的物質(zhì) 6、

13、生物傳感器的工作原理、生物傳感器的工作原理被測(cè)溶液中待測(cè)物質(zhì)被測(cè)溶液中待測(cè)物質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入生物功能膜擴(kuò)散進(jìn)入生物功能膜-功能膜中敏感物質(zhì)進(jìn)行分子識(shí)別或生物學(xué)功能膜中敏感物質(zhì)進(jìn)行分子識(shí)別或生物學(xué)反應(yīng)反應(yīng)-基于化學(xué)、物理原理轉(zhuǎn)變成相應(yīng)比基于化學(xué)、物理原理轉(zhuǎn)變成相應(yīng)比例電信號(hào)例電信號(hào)-輸出輸出 三、常用生物傳感器三、常用生物傳感器 1、酶?jìng)鞲衅?、酶?jìng)鞲衅?原理：被測(cè)物質(zhì)原理：被測(cè)物質(zhì) 固定化酶膜固定化酶膜 催化化學(xué)反應(yīng)催化化學(xué)反應(yīng) 生成消耗電極活性物質(zhì)（生成消耗電極活性物質(zhì)（O2、H2O2、CO2、NH3等等) 電化測(cè)量裝置（電極）電化測(cè)量裝置（電極） 電信號(hào)電信號(hào) 2、葡萄糖傳感器、葡萄糖傳感器 原理

14、：原理： 葡萄糖（被測(cè)物）葡萄糖（被測(cè)物） 葡萄糖氧化酶（葡萄糖氧化酶（GOD敏敏感膜）感膜） 氧化氧化 氧減少氧減少 氧電極（隔膜型氧電極（隔膜型Pt陰電極陰電極 浸浸入入NaOH溶液溶液) 氧穿過(guò)隔膜到達(dá)氧穿過(guò)隔膜到達(dá)Pt被還原被還原 形成陰極形成陰極電流電流 C6H12O6+O2 C6H10O6+H2O2 O2+2H2O+4e 4OH-3、微生物傳感器、微生物傳感器 原理：有機(jī)化合物溶液（被測(cè)物）原理：有機(jī)化合物溶液（被測(cè)物） 微生物膜攝取微生物膜攝取（敏感膜）（敏感膜） 吸入氧氣放出二氧化碳吸入氧氣放出二氧化碳 剩余氧氣到達(dá)氧剩余氧氣到達(dá)氧電極電極 陰極電流陰極電流 4、半導(dǎo)體符合模式

15、傳感器、半導(dǎo)體符合模式傳感器 生物場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物場(chǎng)效應(yīng)晶體管 離子感應(yīng)膜或生物功能膜代替柵極金屬膜離子感應(yīng)膜或生物功能膜代替柵極金屬膜 檢測(cè)對(duì)象被吸附在功能膜受體上只是磨點(diǎn)位發(fā)生變化，檢測(cè)對(duì)象被吸附在功能膜受體上只是磨點(diǎn)位發(fā)生變化，漏電流發(fā)生變化。漏電流發(fā)生變化。 酶酶FET: 免疫免疫FET5、酶光電二極管、酶光電二極管催化發(fā)光反應(yīng)酶催化發(fā)光反應(yīng)酶 檢測(cè)過(guò)氧化氫檢測(cè)過(guò)氧化氫6、壓電晶體復(fù)合模式傳感器、壓電晶體復(fù)合模式傳感器復(fù)著物的變化復(fù)著物的變化影響石英晶體影響石英晶體的振動(dòng)諧振頻的振動(dòng)諧振頻率率四、生物傳感器的發(fā)展四、生物傳感器的發(fā)展 未來(lái)生物傳感器特點(diǎn)未來(lái)生物傳感器特點(diǎn) ： 功能多樣化

16、：未來(lái)的生物傳感器將進(jìn)一步涉及醫(yī)療保健、疾病診功能多樣化：未來(lái)的生物傳感器將進(jìn)一步涉及醫(yī)療保健、疾病診斷、食品檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、發(fā)酵工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。目前斷、食品檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、發(fā)酵工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。目前, 生物傳感器生物傳感器研究中的重要內(nèi)容之一就是研究能代替生物視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等感覺(jué)研究中的重要內(nèi)容之一就是研究能代替生物視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等感覺(jué)器官的生物傳感器器官的生物傳感器,即仿生傳感器。即仿生傳感器。 微型化：隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)步，生物傳感器將不斷微型化：隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)步，生物傳感器將不斷地微型化和各種便攜式生物傳感器的出現(xiàn)使人們?cè)诩抑羞M(jìn)行疾病診斷，地微型化和各種便攜式生物傳感器的出現(xiàn)使人們?cè)诩抑羞M(jìn)行疾病診斷，在市場(chǎng)上直接檢測(cè)食品成為可能。在市場(chǎng)上直接檢測(cè)食品成為可能。 智能化與集成化：未來(lái)的生物傳感器必定與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合，自智能化與集成化：未來(lái)的生物傳感器必定與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，更科學(xué)、更準(zhǔn)確地提供結(jié)果，實(shí)現(xiàn)