生物傳感器專(zhuān)題知識(shí)市公開(kāi)課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

1、生物傳感器第1頁(yè)是一門(mén)由生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等各種學(xué)科相互滲透成長(zhǎng)起來(lái)高新技術(shù)。應(yīng)用領(lǐng)域：環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品分析、生物醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)換器敏感元件待測(cè)物第2頁(yè)第3頁(yè)開(kāi)端于20世紀(jì)60年代。1962年克拉克等人報(bào)道了用葡萄糖氧化酶與氧電極組合檢測(cè)葡萄糖結(jié)果, 最早提出了生物傳感器(酶?jìng)鞲衅?原理。1967年實(shí)現(xiàn)了酶固定化技術(shù),研制成功酶電極,這被認(rèn)為是世界上第一個(gè)生物傳感器20世紀(jì)70年代中期，生物傳感器技術(shù)成功主要集中在對(duì)生物活性物質(zhì)探索、活性物質(zhì)固定化技術(shù)、生物電信息轉(zhuǎn)換以及生物傳感器等研究，如Divies首先提出用固定化細(xì)胞與氧電極配合，組成對(duì)醇類(lèi)進(jìn)行檢測(cè)所謂“微生物電極”。1977年，鈐木

2、周一等發(fā)表了關(guān)于對(duì)生化需氧量(BOD)進(jìn)行快速測(cè)定微生物傳感器匯報(bào)，并在微生物傳感器對(duì)發(fā)酵過(guò)程控制等方面作了詳細(xì)報(bào)導(dǎo)，正式提出了對(duì)生物傳感器命名。第4頁(yè)生物傳感器(biosensor)是利用一些生物活性物質(zhì)所含有高度選擇性來(lái)識(shí)別待測(cè)化學(xué)物質(zhì)一類(lèi)傳感器。生物傳感器通常是指由一個(gè)生物敏感部件和轉(zhuǎn)化器緊密結(jié)合，對(duì)特定種類(lèi)化學(xué)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)含有選擇性和可逆響應(yīng)分析裝置。它是對(duì)物質(zhì)在分子水平上進(jìn)行快速和微量分析方法。第5頁(yè)1.原理生物傳感器結(jié)構(gòu)普通是在基礎(chǔ)傳感器(如電化學(xué)裝置）上再耦合一個(gè)生物敏感膜（稱(chēng)為感受器或敏感元件）。生物敏感膜緊貼在探頭表面上，再用一個(gè)半滲透膜與被測(cè)溶液隔開(kāi)。當(dāng)待測(cè)溶液中成份

3、透過(guò)半透膜有選擇地附著于敏感物質(zhì)上時(shí)，形成復(fù)合體，隨之進(jìn)行生化和電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生普通電化學(xué)裝置能感知O2、H2、NH4+、CO2等或光聲等信號(hào)，并經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。第6頁(yè)第7頁(yè)生物敏感膜利用生物體內(nèi)含有特殊功效物質(zhì)制成膜與被測(cè)物質(zhì)接觸時(shí)伴有物理、化學(xué)改變生化反應(yīng)能夠進(jìn)行分子識(shí)別。生物敏感膜是生物傳感器關(guān)鍵元件，它直接決定著傳感器功效與質(zhì)量。第8頁(yè)第9頁(yè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器信號(hào)轉(zhuǎn)換器是將分子識(shí)別元件進(jìn)行識(shí)別時(shí)所產(chǎn)生化學(xué)或物理改變轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)裝置。生物傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換器已經(jīng)有許各種，其中到當(dāng)前為止用得最多且比較成熟是電化學(xué)電極，用它組成生物傳感器稱(chēng)為電化學(xué)生物傳感器。第10頁(yè)將化學(xué)改變轉(zhuǎn)變成電信

4、號(hào)以酶?jìng)鞲衅鳛槔复呋囟ǖ孜锇l(fā)生反應(yīng)，從而使特定生成物量有所增減。用能把這類(lèi)物質(zhì)量改變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)裝置和固定化酶耦合，即組成酶?jìng)鞲衅?。慣用轉(zhuǎn)換裝置有氧電極、過(guò)氧化氫電極。第11頁(yè)將熱改變轉(zhuǎn)換成電信號(hào)固定化生物材料與對(duì)應(yīng)被測(cè)物作用時(shí)常伴有熱改變。比如大多數(shù)酶反應(yīng)熱焓改變量在25-100kJ/mol范圍。這類(lèi)生物傳感器工作原理是把反應(yīng)熱效應(yīng)借熱敏電阻轉(zhuǎn)換為阻值改變,后者經(jīng)過(guò)有放大器電橋輸入到統(tǒng)計(jì)儀中。第12頁(yè)將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)比如，過(guò)氧化氫酶能催化過(guò)氧化氫/魯米諾體系發(fā)光，所以如設(shè)法將過(guò)氧化氫酶膜附著在光纖或光敏二極管前端，再和光電流測(cè)定裝置相連,即可測(cè)定過(guò)氧化氫含量。還有很多細(xì)菌能與特定底

5、物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生熒光，也能夠用這種方法測(cè)定底物濃度。第13頁(yè)2.生物傳感器特點(diǎn)操作簡(jiǎn)單，需用樣品少，能在短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)定。普通不需進(jìn)行樣品預(yù)處理，它利用本身具備優(yōu)異選擇性把樣品中被測(cè)組分分離和檢測(cè)統(tǒng)一為一體，測(cè)定時(shí)普通不需另加其它試劑,使測(cè)定過(guò)程簡(jiǎn)便快速，輕易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析?？蛇M(jìn)入生物體內(nèi)，進(jìn)行活體分析。對(duì)被檢測(cè)物質(zhì)含有極好選擇性，噪音低。經(jīng)固定化處理后，可保持長(zhǎng)久生物活性，傳感器可重復(fù)使用。傳感器連同測(cè)定儀成本遠(yuǎn)低于大型分析儀，因而便于推廣普及。主要缺點(diǎn)是壽命較短。第14頁(yè)3.生物傳感器分類(lèi)依據(jù)傳感器輸出信號(hào)產(chǎn)生方式,可分為生物親合型生物傳感器、代謝型或催化型生物傳感器。依據(jù)生物傳感器中生物分

6、子識(shí)別元件上敏感材料可分為酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、基因傳感器、細(xì)胞及細(xì)胞器傳感器。依據(jù)生物傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換器可分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測(cè)熱型生物傳感器、測(cè)光型生物傳感器、測(cè)聲型生物傳感器等。第15頁(yè)生物親合型傳感器 被測(cè)物質(zhì)與分子識(shí)別元件上敏感物質(zhì)含有生物親合作用，即二者能特異地相結(jié)合，同時(shí)引發(fā)敏感材料分子結(jié)構(gòu)和/或固定介質(zhì)發(fā)生改變，如電荷、溫度、光學(xué)性質(zhì)等改變。反應(yīng)式可表示為： S（底物）+ R（受體） = SR第16頁(yè)代謝型或催化型傳感器 底物（被測(cè)物）與分子識(shí)別元件上敏感物質(zhì)相作用并生成產(chǎn)物，信號(hào)轉(zhuǎn)換器將底物消耗或產(chǎn)物增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?hào)，這類(lèi)傳感器稱(chēng)

7、為代謝型傳感器，其反應(yīng)形式可表示為： S（底物）R（受體）= SR P（生成物） 第17頁(yè)第18頁(yè)第19頁(yè)第20頁(yè)生物活性材料固定化技術(shù)使用生物活性材料作為生物敏感膜，必須研究怎樣使用生物活性材料固定在載體（或稱(chēng)基質(zhì)）上，這種結(jié)合技術(shù)稱(chēng)為固定化技術(shù)。在研制傳感器時(shí)，關(guān)鍵是把生物活性材料與載體固定化成為生物敏感膜。固定化生物敏感膜應(yīng)該含有特點(diǎn)：對(duì)被測(cè)物質(zhì)選擇性好、專(zhuān)一性好性能穩(wěn)定能夠重復(fù)使用，長(zhǎng)久保持其生理活性使用方便第21頁(yè)慣用載體：丙烯酰胺聚合物、甲基丙烯系聚合物等合成高分子膠原、右旋糖酐、纖維素、淀粉等天然高分子陶瓷、不銹鋼、玻璃等無(wú)機(jī)物慣用固定化方法：夾心法、吸附法、包埋法、共價(jià)連接法、

8、交聯(lián)法第22頁(yè)1)酶生物傳感器酶?jìng)鞲衅魇怯擅競(jìng)鞲衅骱碗娀瘜W(xué)器件組成。因?yàn)槊甘堑鞍踪|(zhì)組成生物催化劑，能催化許多生物化學(xué)反應(yīng)。酶催化效率極高，而且含有高度專(zhuān)一性，即能對(duì)待測(cè)生物量（底物）進(jìn)行選擇性催化，而且有化學(xué)放大作用。所以利用酶特征能夠制造出高靈敏度、選擇性好傳感器。第23頁(yè)第24頁(yè)第25頁(yè)第26頁(yè)第27頁(yè)葡萄糖酶?jìng)鞲衅鞴ぷ髟砼c檢測(cè)過(guò)程當(dāng)測(cè)量時(shí)，葡萄糖酶?jìng)鞲衅鞑迦氲奖粶y(cè)葡萄糖溶液中，因?yàn)槊复呋饔枚a(chǎn)生耗氧(過(guò)氧化氫)，其反應(yīng)式為 葡萄糖氧化酶葡萄糖H2OO2 葡萄糖酸H2O2在Pt陽(yáng)極上加0.6V電壓，則H2O2在Pt電極上產(chǎn)生氧化電流為 0.6V Pt H2O2 O22H+2e-式中，2

9、e-為形成電流電子。第28頁(yè)不一樣酶?jìng)鞲衅鳈z測(cè)物質(zhì)機(jī)理是不一樣。有些酶對(duì)物質(zhì)含有催化轉(zhuǎn)化能力(如酪氨酸酶對(duì)酚類(lèi))，有些物質(zhì)對(duì)酶活性有特異性抑制作用(如有機(jī)磷酸酯類(lèi)對(duì)乙酰膽堿酯酶)或作為調(diào)整、輔助因子對(duì)酶活性進(jìn)行修飾（如Mn()對(duì)辣根過(guò)氧化酶）。檢測(cè)酶反應(yīng)所產(chǎn)生信號(hào)，能夠間接測(cè)定物質(zhì)含量。因?yàn)閱蚊競(jìng)鞲衅髦荒軠y(cè)定數(shù)目有限環(huán)境污染物，能夠在一個(gè)生物傳感器上偶聯(lián)幾個(gè)酶促反應(yīng)來(lái)增加可測(cè)分析物數(shù)目。多酶?jìng)鞲衅骼又痪褪翘窃姿峄概c一個(gè)堿性磷酸酶變旋酶葡萄糖氧化酶相結(jié)合以測(cè)定無(wú)機(jī)磷酸鹽。結(jié)合各種酶之后，分析物數(shù)目就能夠增加，如共固定酪氨酸酶和漆酶之后就能檢測(cè)各種酚類(lèi)化合物。第29頁(yè)2)微生物傳感器細(xì)胞除

10、含有各種酶外，還含有輔酶及酶促反應(yīng)其它必要成份，它們存在于細(xì)胞內(nèi)，直接參加酶促反應(yīng)，在使用中不需純化，亦不需添加其它成份。可直接用活細(xì)胞代替純酶用于生物傳感器。微生物傳感器分為兩類(lèi)：利用微生物在同化底物時(shí)消耗氧呼吸作用利用不一樣微生物含有不一樣酶。第30頁(yè)裝置由適合微生物電極與氧電極組成。原理：利用微生物同化作用耗氧,經(jīng)過(guò)測(cè)量氧電極電流改變量來(lái)測(cè)量氧氣降低許,從而到達(dá)測(cè)量底物濃度目標(biāo)。比如，熒光假單胞菌能同化葡萄糖；蕓苔絲孢酵母可同化乙醇，所以可分別用來(lái)制備葡萄糖和乙醇傳感器，這兩種細(xì)菌在同化底物時(shí)，均消耗溶液中氧，所以可用氧電極來(lái)測(cè)定。第31頁(yè)第32頁(yè)微生物反應(yīng)特點(diǎn)微生物反應(yīng)過(guò)程是利用生長(zhǎng)微

11、生物進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。也就是說(shuō)，微生物反應(yīng)是將微生物作為催化劑進(jìn)行反應(yīng)。酶在微生物反應(yīng)中起最基本催化作用。微生物反應(yīng)與酶促反應(yīng)共同點(diǎn)同屬生化反應(yīng)，都在溫和條件下進(jìn)行；凡是酶能催化反應(yīng)，微生物也能夠催化；催化速度靠近，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型近似。第33頁(yè)3)免疫傳感器抗原：含有能夠引發(fā)免疫反應(yīng)物質(zhì);抗體：由抗原刺激機(jī)體產(chǎn)生特異性免疫功效球蛋白，又稱(chēng)免疫球蛋白。抗原抗體反應(yīng):選擇性強(qiáng),靈敏度高免疫傳感器利用抗體對(duì)對(duì)應(yīng)抗原含有識(shí)別和結(jié)合雙重功效，將抗體或抗原和換能器組合而成裝置。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)分子(抗體或抗原)攜帶有大量電荷、發(fā)色基團(tuán)等,當(dāng)抗原抗體結(jié)合時(shí),會(huì)產(chǎn)生電學(xué)、化學(xué)、光學(xué)等改變,經(jīng)過(guò)適當(dāng)傳感器可檢測(cè)這

12、些參數(shù)，從而組成不一樣免疫傳感器。第34頁(yè)基本原理 采取抗原與抗體特異反應(yīng)將待測(cè)物與酶連接，然后經(jīng)過(guò)酶與底物產(chǎn)生顏色反應(yīng)，用于定量測(cè)定。在這種測(cè)定方法中有3種必要試劑： 固相抗原或抗體（免疫吸附劑） 酶標(biāo)識(shí)抗原或抗體（標(biāo)識(shí)物） 酶作用底物（顯色劑）第35頁(yè)第36頁(yè)4)生物組織傳感器生物組織傳感器是以活動(dòng)植物組織細(xì)胞切片作為識(shí)別元件，并與對(duì)應(yīng)變換元件組成生物組織傳感器。生物組織含有豐富酶類(lèi)，這些酶在適宜自然環(huán)境中，能夠得到相當(dāng)穩(wěn)定酶活性，許多組織傳感器工作壽命比對(duì)應(yīng)酶?jìng)鞲衅鲏勖L(zhǎng)很多；在所需要酶難以提純時(shí)，直接利用生物組織能夠得到足夠高酶活性；組織識(shí)別元件制作簡(jiǎn)便，普通不需要采取固定化技術(shù)。第3

13、7頁(yè)第38頁(yè)第39頁(yè)肝組織電極 動(dòng)物肝組織中含有豐富H2O2酶，可與氧電極組成測(cè)定H2O2及其它過(guò)氧化物組織電極1981年Mascini等研究了數(shù)種哺乳動(dòng)物和其它動(dòng)物（鳥(niǎo)、魚(yú)、龜）肝組織電極，報(bào)道了基于牛肝組織H2O2電極。 牛肝-H2O2電極 取0.1mm厚牛肝一片，覆蓋于氧電極特氟隆膜上，用“O”型橡皮圈固定，即成牛肝組織電極。 在pH6.8緩沖液中，使電極與空氣中氧平衡，然后加入底物，底物為濃度大于1O-5molL H2O2溶液反應(yīng)產(chǎn)生氧氣抵達(dá)氧電極特氟隆膜時(shí)，使電極輸出增加在110-4mol/L底物濃度時(shí)，1.5min即可取得穩(wěn)定電流。 第40頁(yè) 若向溶液中通以氮?dú)?，以降低氧溶解度，?/p>

14、低空氣平衡溶液中氧殘余電流（約10A）至十分之幾微安，檢測(cè)下限可降低至110-5molL，相關(guān)系數(shù)R=0.997 (n9)。第41頁(yè)5)核酸傳感器依據(jù)生物體內(nèi)核苷酸次序相對(duì)穩(wěn)定,核苷酸堿基次序互補(bǔ)原理而設(shè)計(jì)出核酸探針傳感器，即基因傳感器。基因傳感器普通有1030個(gè)核苷酸單鏈核酸分子,能夠?qū)Ｒ坏嘏c特定靶序列進(jìn)行雜交從而檢測(cè)出特定目標(biāo)核酸分子。第42頁(yè)生物傳感器主要應(yīng)用領(lǐng)域第43頁(yè)（1）食品工業(yè)生物傳感器在食品分析中應(yīng)用包含食品成份、食品添加劑、有害毒物及食品鮮度等測(cè)定分析。食品成份分析：在食品工業(yè)中，葡萄糖含量是衡量水果成熟度和貯藏壽命一個(gè)主要指標(biāo)。已開(kāi)發(fā)酶電極型生物傳感器可用來(lái)分析白酒、蘋(píng)果汁

15、、果醬和蜂蜜中葡萄糖等。食品添加劑分析：亞硫酸鹽通慣用作食品工業(yè)漂白劑和防腐劑，采取亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料制成電流型二氧化硫酶電極可用于測(cè)定食品中亞硫酸含量。第44頁(yè)第45頁(yè)第46頁(yè)第47頁(yè)第48頁(yè)（2）環(huán)境監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)：二氧化硫是酸雨酸霧形成主要原因，傳統(tǒng)檢測(cè)方法很復(fù)雜。將亞細(xì)胞類(lèi)脂類(lèi)固定在醋酸纖維膜上，和氧電極制成安培型生物傳感器，可對(duì)酸雨酸霧樣品溶液進(jìn)行檢測(cè)。 第49頁(yè)硫化物測(cè)定硫化物測(cè)定是用從硫鐵礦附近酸性土壤中分離篩選得到專(zhuān)性、自養(yǎng)、好氧性氧化硫硫桿菌制成微生物傳感器。在pH=2.5、31時(shí)一周測(cè)量200余次，活性保持不變，兩周后活性降低20%。傳感器壽命為7天，其設(shè)備簡(jiǎn)單，成

16、本低，操作方便。 第50頁(yè)乙酰膽堿在乙酰膽堿酯酶催化下能夠分解為乙酸和膽堿：CH3COO(CH2)2N+(CH3)3Cl- + H2O CH3OOH + HO（CH2）2N+ (CH3)3Cl- 在水溶液中，乙酸電離，從而使溶液pH值發(fā)生改變：CH3COOH CH3COO- + H+有機(jī)磷農(nóng)藥或氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥能夠有效地結(jié)合到乙酰膽堿酯酶活性位點(diǎn)上，抑制酶活性，降低pH值改變。經(jīng)過(guò)檢測(cè)這種微小改變，便能夠測(cè)得溶液中有機(jī)磷農(nóng)藥含量。第51頁(yè)陰離子表面活性劑傳感器生活污水中烷基苯磺酸(LAS)這類(lèi)陰離子表面活性劑比較多，它們自然降解性差，在水面產(chǎn)生不易消失泡沫，并消耗溶解氧，甚至能改變污水處理裝置

17、中活性污泥微生物生態(tài)系統(tǒng)。用LAS降解細(xì)菌制成生物傳感器，利用當(dāng)LAS存在時(shí)，LAS降解菌呼吸作用增強(qiáng)，引發(fā)溶解氧改變，從而造成氧電極電流改變來(lái)測(cè)定LAS濃度。第52頁(yè)德國(guó)研發(fā)環(huán)境廢水BOD分析儀第53頁(yè)BOD測(cè)定傳統(tǒng)稀釋法：在(20土1) 培養(yǎng)5d，分別測(cè)定樣品培養(yǎng)前后溶解氧，二者之差即為5d生化需氧量B0D。這種方法操作繁雜，重現(xiàn)性差，不能及時(shí)反應(yīng)水質(zhì)情況和反饋信息，不適合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。生物傳感器測(cè)BOD只包括到初始氧化速率，二者之間相關(guān)性能夠經(jīng)過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)定來(lái)取得。這就能夠?qū)y(cè)定時(shí)間縮短到15 min左右，且重現(xiàn)性提升。第54頁(yè)原理 將微生物電極浸入空氣飽和磷酸鹽緩沖液，因?yàn)楣潭ㄔ陔姌O上微

18、生物內(nèi)呼吸作用，電流響應(yīng)值稍有下降（圖中曲線A段）；將樣品S（葡萄糖-谷氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液或?qū)嶋H廢水樣品）加入到緩沖溶液中，因?yàn)楣潭ɑ⑸锖难踅到馊芤褐杏袡C(jī)物，消耗了溶解氧，電極電流響應(yīng)值急劇下降(圖中曲線B段）直至到達(dá)穩(wěn)態(tài)(圖中曲線C段)；當(dāng)用磷酸鹽樣品溶液替換樣品溶液后，電極電流響應(yīng)為D。微生物傳感器在曲線平臺(tái)A和C間電極電流響應(yīng)差值用于計(jì)算BOD值。 用于BOD微生物傳感器微生物有假單胞菌、異常江遜酵母、活性淤泥菌、絲孢酵母菌、枯草芽孢桿菌等。第55頁(yè)甲烷傳感器在空氣中甲烷含量在5-14之間時(shí)會(huì)含有爆炸性。從自然界中分離并純培養(yǎng)甲烷氧化細(xì)菌，如鞭毛甲基單胞菌利用甲烷作為惟一碳源進(jìn)行呼吸。將鞭

19、毛甲基單胞菌用瓊脂固定在醋酸纖維膜上，制備出固定化微生物傳感器（每個(gè)反應(yīng)器固定有300mg細(xì)胞）。當(dāng)含有甲烷氣體傳輸?shù)焦潭ɑ?xì)菌池時(shí)，甲烷被微生物吸收同時(shí)微生物耗氧，使反應(yīng)池中溶解氧濃度降低，電流下降，當(dāng)微生物消耗氧和氧從樣品氣體到固定化細(xì)菌擴(kuò)散之間到達(dá)平鵆時(shí)，電流下降到達(dá)平鵆，穩(wěn)態(tài)電流大小取決于甲烷濃度。當(dāng)空氣經(jīng)過(guò)反應(yīng)池時(shí)，傳感器電流在1min內(nèi)恢復(fù)至初始狀態(tài)。第56頁(yè)硝酸鹽微生物傳感器 硝基芳香族化合物類(lèi)污染物（硝基酚、苦味酸、三硝基甲苯等）經(jīng)微生物降解主要產(chǎn)物之一是亞硝酸鹽。因?yàn)镹itrobacter sp.含有亞硝酸氧化還原酶，在兼性培養(yǎng)過(guò)程中對(duì)亞硝酸鹽含有很高選擇性和靈敏度，可用于構(gòu)

20、建硝酸鹽微生物傳感器。Larsen等發(fā)展了測(cè)定硝酸鹽微型微生物傳感器。他們將假單胞菌Pseudomonas固定在毛細(xì)管中，置于N2O微小電化學(xué)傳感器前端，固定化菌將NO3-轉(zhuǎn)化為N2O，隨即N2O在傳感器探頭部位銀陰極表面還原。該傳感器對(duì)10400mol/L范圍NO3-濃度響應(yīng)呈線性關(guān)系，介質(zhì)中呈渦流或靜止?fàn)顟B(tài)對(duì)結(jié)果影響不大，唯一干擾是NO2-和N2O ，高濃度硫化物會(huì)使傳感器永久失活。第57頁(yè)（3）發(fā)酵工業(yè)微生物傳感器含有成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、不受發(fā)酵液混濁程度限制、能消除發(fā)酵過(guò)程中干擾物質(zhì)干擾等特點(diǎn)。所以，在發(fā)酵工業(yè)中廣泛地采取微生物傳感器作為一個(gè)有效測(cè)量工具。微生物傳感器可用于原材料如糖蜜、

21、乙酸等測(cè)定，代謝產(chǎn)物如頭孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇類(lèi)、青霉素、乳酸等測(cè)定。測(cè)量原理基本上都是用適合微生物電極與氧電極組成，利用微生物同化作用耗氧，經(jīng)過(guò)測(cè)量氧電極電流改變量來(lái)測(cè)量氧氣降低許，從而到達(dá)測(cè)量底物濃度目標(biāo)。第58頁(yè)第59頁(yè)發(fā)酵中葡萄糖測(cè)定過(guò)去用操作繁瑣時(shí)間長(zhǎng)還原糖方法只能近似地預(yù)計(jì)葡萄糖改變?，F(xiàn)在提供了快速而準(zhǔn)確固定化酶測(cè)定方法，發(fā)酵中可依據(jù)糖消耗確定微生物生長(zhǎng)速率，觀察是否染菌，隨時(shí)與產(chǎn)物產(chǎn)生一起估算轉(zhuǎn)化率，確定補(bǔ)料效果和及時(shí)判斷發(fā)酵結(jié)束時(shí)間。發(fā)酵過(guò)程或設(shè)備異?，F(xiàn)象經(jīng)過(guò)葡萄糖分析得到及時(shí)預(yù)報(bào)。在發(fā)酵控制方面，一直需要直接測(cè)定細(xì)胞數(shù)目標(biāo)簡(jiǎn)單而連續(xù)方法。人們發(fā)覺(jué)在陽(yáng)極表面，細(xì)菌能夠直

22、接被氧化并產(chǎn)生電流。這種電化學(xué)系統(tǒng)已應(yīng)用于細(xì)胞數(shù)目標(biāo)測(cè)定，其結(jié)果與傳統(tǒng)菌斑計(jì)數(shù)法測(cè)細(xì)胞數(shù)是相同。第60頁(yè)（4）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域第61頁(yè)手掌型葡萄糖(glucose)分析儀第62頁(yè)一個(gè)葡萄糖傳感器-GlucowatchGlucose pulled through the skin by charged molecules The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxideThe reaction produces an electro

23、chemical measured by the AutoSensor第63頁(yè)乙醇生物傳感器在乙醇氧化酶、水和氧存在情況下，乙醇被氧化成乙醛和過(guò)氧化氫反應(yīng)過(guò)程以下： 由固定化酶膜和過(guò)氧化氫電極能夠組合組成乙醇生物傳感器。第64頁(yè)6)生物芯片 生物芯片是生物傳感器陣列和集成化。 生物芯片是指包被在硅片、尼龍膜等固相支持物上高密度組織、細(xì)胞、蛋白質(zhì)、核酸、糖類(lèi)以及其它生物組分微點(diǎn)陣。芯片與標(biāo)識(shí)樣品進(jìn)行雜交，經(jīng)過(guò)檢測(cè)雜交信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品分析。第65頁(yè)第66頁(yè)第67頁(yè)生物芯片與普通分子雜交比較生物芯片Southern等信息通量高，幾千-幾十萬(wàn)點(diǎn)/cm2低自動(dòng)化程度高低研究速度快慢試驗(yàn)結(jié)果平行性好低第68頁(yè)基因芯片是含有相當(dāng)集成度（通常每平方厘米點(diǎn)陣密度高于400）核酸探針陣列，經(jīng)過(guò)將大量寡核苷酸片斷或已知基因片段有序地固定于固相支持物上用作核酸探針，然后與標(biāo)識(shí)樣品分子雜交，便可依據(jù)堿基互補(bǔ)匹配原理，以及各位點(diǎn)探針?lè)肿与s交信號(hào)強(qiáng)度來(lái)確定樣品分子數(shù)量和序列信息?；蛐酒赏瑫r(shí)對(duì)大量核酸分子進(jìn)行檢測(cè)分析，已應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、生物分子學(xué)、人類(lèi)基因組研究和醫(yī)學(xué)臨床診療領(lǐng)域。 （1）基因芯片第69頁(yè)第70頁(yè)光刻技術(shù)在基因芯片制備過(guò)程中，使用了半導(dǎo)體領(lǐng)域微加工技術(shù)（如光刻技術(shù)）。第71頁(yè)第72頁(yè)基因芯片分析普通流程 大量探針?lè)肿庸潭ㄓ谥С治锷虾?，利用DNA雙鏈互補(bǔ)堿基之間氫鍵作用