生物傳感器介紹、分類和應用

1、1生 物 傳 感 器介紹、分類和應用2目錄11.1 簡要介紹11.2 酶傳感器11.3 微生物傳感器11.4 免疫傳感器11.5 半導體生物傳感器11.6 生物傳感器應用與未來本章小結311.1 簡要介紹生物傳感器的發(fā)展史定義及說明生物傳感器的基本組成和工作原理生物傳感器的分類生物傳感器的固定方法生物傳感器的特點4生物傳感器的發(fā)展史(1)最先問世的生物傳感器是酶電極，Clark和Lyons最先提出組成酶電極的設想。70年代中期，人們注意到酶電極的壽命一般都比較短，提純的酶價格也較貴，而各種酶多數(shù)都來自微生物或動植物組織，因此自然地就啟發(fā)人們研究酶電極的衍生型：微生物電極、細胞器電極、動植物組織

2、電極以及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；進入本世紀80年代之后，隨著離子敏場效應晶體管的不斷完善，于1980年Caras和Janafa率先研制成功可測定青霉素的酶FET。 年代 特點 研究內容 60 生物傳感器初期 酶電極70 發(fā)展時期 微生物傳感器，免疫傳感器，細胞類脂質傳感器，組織傳感器，生物親和傳感器80進入生物電子學傳感器時期酶FET酶光二極管5生物傳感器發(fā)展的整體劃分:第一代生物傳感器以將生物成分截留在膜上或結合在膜上為基礎，這類器件由透析器(膜)、反應器(膜)和電化學轉換器所組成，其實驗設備相當簡單。第二代生物傳感器是指將生物成分直接吸附或共價結合在轉換器的表

3、面上，從而可略去非活性的基質膜。第三代生物傳感器是把生物成分直接固定在電子元件上，例如FET的柵極上，它可直接感知和放大界面物質的變化，從而將生物識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。生物傳感器的發(fā)展史(2)6快速葡萄糖分析儀78血糖乳酸自動分析儀9生物傳感器定義及說明生物傳感器利用生物活性物質選擇性的識別和測定實現(xiàn)測量，主要由兩大部分組成：一為功能識別物質（分子識別元件），由其對被測物質進行特定識別；其二是電、光信號轉換裝置（換能器），由其把被測物所產生的化學反應轉換成便于傳輸?shù)碾娦盘柣蚬庑盘枴?10生物傳感器的基本組成和工作原理生物傳感器的基本組成生物傳感器的工作

4、原理分類11生物傳感器基本構成示意圖敏感元件酶、抗體、核酸、細胞等。轉換器電化學電極光學檢測元件場效應晶體管壓電石英晶體酶 (Enzyme)抗體(Antibody)DNA+12生物傳感器的分子識別元件 （敏感元件） 分子識別元件 生物活性材料酶膜全細胞膜組織膜細胞器膜免疫功能膜各類酶類細菌，真菌，動植物細胞動植物組織切片線粒體，葉綠體抗體，抗原，酶標抗原等13生物傳感器的工作原理 待測物質經擴散作用進入固定生物膜敏感層，經分子識別而發(fā)生生物學作用，產生的信息如化學物質、光、熱、質量等被相應的信號轉換器變?yōu)榭啥亢吞幚淼碾?光信號，再經二次儀表放大并輸出，以電極測定其電流值或電壓值，從而換算出被

5、測物質的量或濃度。14生物傳感器的工作原理將化學變化轉變成電信號（間接型）將熱變化轉換為電信號（間接型）將光效應轉變?yōu)殡娦盘枺ㄩg接型）直按產生電信號方式（直接型） 化學物質 物理 熱被測 化學 （產生 光 ） 電信號物質 變化 聲生物敏感膜電化學器件熱敏元件光敏元件聲敏元件 15將化學變化轉變成電信號的生物傳感器16將熱變化轉換為電信號的生物傳感器熱輻射熱傳導17將光效應轉變?yōu)殡娦盘柕纳飩鞲衅?被測物 h 電信號固定化酶光檢測器18直按產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，是用二茂絡鐵為電子傳遞體。 G、GL代表葡萄糖和葡萄糖內脂，GODox和GODred為

6、氧化型和還原型的葡萄糖氧化酶，而Fecp2R和Fecp2R+則為還原型和氧化型二茂絡鐵。 葡萄糖被GOD氧化的同時，GOD被還原成GODred，氧化型的電子傳遞體2Fecp2R+可將GODred再氧化成GODox， 2Fecp2R在陽極上電化學氧化生成2Fecp2R+。反應直接在電極表面上發(fā)生19生物傳感器的特點根據(jù)生物反應的奇異和多樣性，從理論上講可以制造出測定所有生物物質的多種多樣的生物傳感器；這類生物傳感器是在無試劑條件下工作的(緩沖液除外)，比各種傳統(tǒng)的生物學和化學分析法操作簡便、快速、準確；可連續(xù)測量、聯(lián)機操作、直接顯示與讀出測試結果。20生物傳感器的分類按分子識別元件分類按換能器分

7、類21 固定化酶 固定化 微生物 固定化免疫物質 固定化細胞器 生物組織切片微生物傳感器分子識別元件酶傳感器免疫傳感器細胞器傳感器組織傳感器按分子識別元件分類22按器件分類 電化學電極 光學換能器 介體 半導體 傳遞系統(tǒng) 換能器 熱敏電阻 壓電晶體介體生物傳感器換能器半導體生物傳感器生物電極光生物傳感器熱生物傳感器壓電晶體生物傳感器23生物傳感器的固定方法固定化技術：把生物活性材料與載體固定化成為生物敏感膜。物理方法：夾心法、吸附法、包埋法；化學方法: 共價連接法、交聯(lián)法； 近年來, 由于半導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。24夾心法將生物活性材料封閉在雙層濾膜之

8、間，形象地稱為夾心法。這種方法的特點是操作簡單，不需要任何化學處理，固定生物量大，響應速度快，重復性好。25吸附法用非水溶性固相載體物理吸附或離子結合，使蛋白質分子固定化的方法。載體種類較多，如活性炭、高嶺土、硅膠、玻璃、纖維素、離子交換體等。26包埋法把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三維空間網狀結構基質中。此方法的特點是一般不產生化學修飾，對生物分子活性影響較?。蝗秉c是分子量大的底物在凝膠網格內擴散較固難。27 A. 單體氧化劑配比為1:2 B. 單體氧化劑配比為1:4C. 單體氧化劑配比為1:5 D. 單體氧化劑配比為1:6 E聚合反應時間為15分鐘 F. 聚合反應時間為25分鐘G.

9、 聚合反應時間為35分鐘 28共價連接法使生物活性分子通過共價鍵與固相載體結合固定的方法。此方法的特點是結合牢固，生物活性分子不易脫落，載體不易被生物降解，使用壽命長；缺點是實現(xiàn)固定化麻煩，酶活性可能因發(fā)生化學修飾而降低。29交聯(lián)法依靠雙功能團試劑使蛋白質結合到惰性載體或蛋白質分子彼此交聯(lián)成網狀結構。這種方法廣泛用于酶膜和免疫分子膜制備，操作簡單。30 為了獲得高靈敏度和穩(wěn)定性的生物傳感器，應能有效控制酶在電極表面的存在形式，維持高的有序程度。 LB膜技術是很好的模擬生物膜的技術，可用于將酶和其它物質修飾到電極表面。 Langmuir-Blodgett （LB）膜技術31LB膜成膜過程3211

10、.2 酶傳感器酶傳感器信號變換方式葡萄糖傳感器33 酶傳感器：酶敏感膜+電化學器件酶的催化作用是在一定條件下使底物分解，故酶的催化作用實質上是加速底物分解速度。 34信號變換方式(1)電位法 電位法是通過不同離子生成在不同感受體，從測得膜電位去計算與酶反應有關的各種離子的濃度。一般采用銨離子電極（氨氣電極）、氫離子電極、氧化碳電極等；(2)電流法 電流法是從與酶反應有關的物質的電極反應得到的電流值來計算被測物質的方法。電化學裝置采用的是氧電極、燃料電池型電極和過氧化氫電極等； 酶電極：酶傳感器由固定酶和基礎電極組成，酶電極的設計主要考慮酶催化過程產生或消耗的電極活性物質，如一個酶催化反應是耗過

11、程，就可以使用電極或電極；若酶催化反應過程產生酸，即可使用電極。35葡萄糖傳感器工作原理測量氧消耗量的葡萄糖傳感器測22生成量的葡萄糖傳感器36工作原理故葡萄糖濃度測試方法有三種：測耗量測生成量 測由葡萄糖酸而產生的變化。 葡萄糖氧化酶（）葡萄糖+H2O葡萄糖酸37測量氧消耗量的葡萄糖傳感器38測量氧消耗量的葡萄糖傳感器氧電極構成：由b陽極和t陰極浸入堿溶液，陰極表面用氧穿透葡萄糖（基質）膜覆蓋特氟隆，厚約m氧電極測O2原理：利用氧在陰極上首先被還原的特性。溶液中的O2穿過特氟隆膜到達Pt陰極上，當外加一個直流電壓為氧的極化電壓(如0.7V)時，則氧分子在Pt陰極上得電子，被還原:其電流值與含

12、O2濃度成比例。 2+2+e= 39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Pt為開放式，它浸入含蛋白質的介質中，蛋白質會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。40測22生成量的葡萄糖傳感器Pt陽極聚四氟乙烯膜（作用）固相酶膜半透膜多孔層半透膜致密層41葡萄糖氧化產生，而通過選擇性透氣膜，在Pt電極上氧化，產生陽極電流。葡萄糖含量與電流成正比，由此可測出葡萄糖溶液濃度。在t電極上加電壓時，則產生的陽極電流為： 葡萄糖氧化酶（）葡萄糖+H2O葡萄糖酸H2O2 O2+2H+2e4211.3 微生物傳感器分類 好氣性微生物傳感器 厭氣性

13、微生物傳感器 兼性厭氧型微生物（酵母菌） 注： 氣工作原理43好氣性微生物傳感器微生物的呼吸可用氧電極或二氧化碳電極來測定結構被測 氧消耗變化 電信號物質 （呼吸技能）微生物固定化膜封閉式氧電極或CO2電極44O2電極好氣性微生物傳感器電解液O型環(huán)Pb陽極聚四氟乙烯固化微生物膜尼龍網Pt陰極45O2電極好氣性微生物傳感器響應曲線46厭氣性微生物傳感器可測定微生物代謝產物，可用離子選擇電極來測定微生物固定化模電化學敏感電極被測物質新陳代謝變化（代謝機能）電信號47甲酸傳感器(H2電極厭氣性微生物傳感器)圓環(huán)液體連接面電解液(100mol/m3磷酸緩沖液)Ag2O2電極（陰極）Pt電極 （陽極）聚

14、四氟乙烯膜48甲酸傳感器原理將“產氫菌”固定在低溫膠凍膜上，并把它固定在燃料電池Pt電極上； 當傳感器浸入含有甲酸的溶液時，甲酸通過聚四氟乙烯膜向“產氫菌”擴散，被資化（傳感器放入含有有機化合物的被測溶液中，有機物向微生物膜擴散而被微生物攝?。┖螽a生H2,而H2又穿過Pt電極表面上的聚四氟乙烯膜與Pt電極產生氧化還原反應而產生電流，此電流與微生物所產生的H2 含量成正比，而H2量又與待測甲酸濃度有關，因此傳感器能測定發(fā)酵溶液中的甲酸濃度。4911.4 免疫傳感器免疫傳感器的工作原理免疫傳感器的結構50免疫傳感器的工作原理基本原理是免疫反應。利用固定化抗體（或抗原）膜與相應的抗原（或抗體）的特異

15、反應，使得生物敏感膜的電位發(fā)生變化?？乖蚩贵w一經固定于膜上，就形成具有識別免疫反應強烈的分子功能性膜。其膜電位隨膜電荷要變化。故根據(jù)抗體膜電位的變化，可測知抗體的附量。51免疫傳感器的結構3室注入含有抗體的鹽水抗體與固定化抗原膜上的抗原相結合膜表面吸附抗體膜帶電狀態(tài)變化1、2室內的電極產生電位差5211.5 半導體生物傳感器酶光敏二極管酶FET53酶光敏二極管酶光敏二極管由催化發(fā)光反應的酶和光敏二極管(或晶體管)半導體器件構成；在硅光敏二極管的表面透鏡上涂上一層過氧化氫酶膜，即構成了檢測過氧化氫的酶光敏二極管；酶光敏二極管的結構54工作原理： 當二極管表面接觸到過氧化氫時，由于過氧化氫酶的催

16、化作用，加速發(fā)光反應，產生的光子照射到硅光敏二極管pn結點，從而改變了二極管的導通狀態(tài)。即將發(fā)光效應轉換成光敏二極管的光電流，從而檢測出過氧化氫及其濃度大小。55酶FET56結構與工作原理結構：大多數(shù)由以有機物所制作的敏感膜與HFET(氫離子場效應管)組成。制法：去掉FET的柵極金屬，在此處固定生物敏感膜，如氮化硅膜，它易于被離子和水分滲透，而且表面一旦與若干水分溶化在一起時（稱為水合作用），下式中的電位與氫離子濃度倒數(shù)的對數(shù)(即PH值)成比例。57舉例：用電子聚合物將丁酰膽堿脂酶固定在ISFET 電極的敏感柵極上來測定敵敵畏（1） 檢測原理：溶液pH 值變化的減少量(即抑制率) 與農藥的濃度呈相關關系（2）器件設計 電子聚合物生物傳感器陣列單元的MOS場效應管剖面示意圖其中，4是Si3N4 鈍化層，5是電子聚合物層, 6是生物材料層 58場效應管芯片的梳狀結構示意圖 59（3）制備工藝采用標準的MOS工藝制作出MOS場效應管 ；刻蝕去除柵區(qū)的金屬鋁 ；運用PVD法在梳狀柵區(qū)沉積Si3N4鈍化層 （80-150 nm）；采用自組裝法在Si3N4鈍化層上制備厚度為1-2m的電子聚合物層 (PEDOT)；在PEDOT層上沉積23 m的生物活性材