生物傳感器概述及應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容

生物傳感器概述及應(yīng)用二、生物傳感器定義

生物傳感器是以固定化的生物材料作為敏感元件，與適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換元件結(jié)合所構(gòu)成的一類(lèi)傳感器。

酶具有識(shí)別特定分子的能力1962年，L.C.Clark酶與電極結(jié)合起來(lái)測(cè)定酶的底物生物傳感器是用生物成分作為感受器的傳感器。固定化葡萄糖氧化酶（GOD）＋氧電極葡萄糖電極1967年，Updike和Hicks第一個(gè)酶電極使用溶解性酶，難重復(fù)生命科學(xué)學(xué)院1956,L.C.Clark:oxygenelectrode1962,L.C.Clark:biosensorconcept(electrochemicalsensor+enzymetransducersasmembrane=enzymeelectrode)oxygenelectrodeenzymeelectrode生命科學(xué)學(xué)院三、生物傳感器原理

生命科學(xué)學(xué)院酶輔酶維生素抗原抗體生物功能膜（酶、微生物、細(xì)胞器、組織、細(xì)胞、抗原、抗體）待測(cè)物質(zhì)擴(kuò)散作用固定化生物敏感膜層分子識(shí)別生物學(xué)反應(yīng)電信號(hào)換能器生命科學(xué)學(xué)院（一）生物分子特異性識(shí)別（生物感受器）

生物分子經(jīng)固定化后形成的一種膜結(jié)構(gòu)，對(duì)被測(cè)定的物質(zhì)有選擇性的分子識(shí)別能力。生物傳感器的分子識(shí)別元件

分子識(shí)別元件生物活性單元酶膜各種酶類(lèi)全細(xì)胞膜細(xì)菌、真菌、動(dòng)植物細(xì)胞組織膜動(dòng)植物組織切片細(xì)胞器膜線(xiàn)粒體、葉綠體免疫功能膜抗體、抗原、酶標(biāo)抗原等生命科學(xué)學(xué)院（二）信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理

生物傳感器的信號(hào)處理方法由生物活性元件引起的變化（生物學(xué)反應(yīng)信息）信號(hào)處理方法（換能器的選擇）電極活性物質(zhì)的生成或消耗電流檢測(cè)電極法離子性物質(zhì)的生成或消耗電位檢測(cè)電極法膜或電極電荷狀態(tài)的變化膜電位法、電極電位法質(zhì)量變化壓電元件法阻抗變化電導(dǎo)率法熱變化（熱效應(yīng)）熱敏電阻法光譜特性變化（光效應(yīng)）光纖和光電倍增管將識(shí)別元件上進(jìn)行的生化反應(yīng)中消耗或生成的化學(xué)物質(zhì)，或產(chǎn)生的光或熱等轉(zhuǎn)換為可用信號(hào)，并呈現(xiàn)一定的比例關(guān)系。生命科學(xué)學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院換能器感知固定化配基與待測(cè)物結(jié)合產(chǎn)生的微小變化，其質(zhì)量好壞決定了傳感器的靈敏度。感受器是生物傳感器的心臟。制備分兩方面工作，一是選擇最佳載體材料（需活化）；二是在載體表面固定化親和配基（非共價(jià)和共價(jià)）生命科學(xué)學(xué)院（三）生物傳感器分子識(shí)別機(jī)理1、酶促反應(yīng)2、免疫化學(xué)反應(yīng)

3、生物反應(yīng)中的物理量變化

4、微生物反應(yīng)

生命科學(xué)學(xué)院1、酶促反應(yīng)E+S→ES→E+P生命科學(xué)學(xué)院2、免疫化學(xué)反應(yīng)

抗體Ab抗原Ag

生命科學(xué)學(xué)院3、微生物反應(yīng)微生物呼吸或代謝產(chǎn)生一些電活性物質(zhì)消耗溶液中的溶解氧檢測(cè)生命科學(xué)學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院（1）熱焓變化根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一個(gè)能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，總伴隨著自由能的降低?！鱃＝△H－T·△S酶促反應(yīng)和微生物反應(yīng)常常釋放出可觀(guān)的熱量，根據(jù)焓變可定量測(cè)定底物的濃度。4、生物學(xué)反應(yīng)中的物理量變化生命科學(xué)學(xué)院（2）生物發(fā)光生物發(fā)光是由于某些生物體內(nèi)的一些特殊物質(zhì)（如熒光素）的氧化而產(chǎn)生的現(xiàn)象。FMNH(OOH)·E+RCHO→FMN+R·CO2H+E+H2O+hυ

細(xì)菌發(fā)光其強(qiáng)度取決于積累的還原型FMN的量。H＋+NADH+FMNFMNH2+NAD氧化還原酶FMNH2+E+O2→FMNH(OOH)·E生命科學(xué)學(xué)院（3）顏色反應(yīng)生物體內(nèi)產(chǎn)生色素酶與底物作用后產(chǎn)生有顏色物質(zhì)生命科學(xué)學(xué)院培養(yǎng)基中的電惰性物質(zhì)電活性產(chǎn)物微生物代謝培養(yǎng)液的導(dǎo)電性增大，阻抗降低（4）阻抗變化生命科學(xué)學(xué)院五、生物傳感器的種類(lèi)：

（１）按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類(lèi)型分類(lèi)（２）按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分類(lèi)（３）按照傳感器器件檢測(cè)的原理分類(lèi)

生命科學(xué)學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院分類(lèi)方式分類(lèi)依據(jù)傳感器名稱(chēng)生物敏感物質(zhì)相互作用的類(lèi)型1、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。2、底物（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)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?hào)。1、生物親和性傳感器2、代謝型或催化型傳感器分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)1、酶與底物作用2、微生物代謝3、組織代謝4、細(xì)胞代謝5、抗原抗體反應(yīng)6、核酸雜交1、酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器3、組織傳感器4、細(xì)胞器傳感器5、免疫傳感器6、DNA生物傳感器信號(hào)換能器1、電化學(xué)電極2、離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管3、熱敏電阻4、壓電晶體5、光電器件6、聲學(xué)裝置1、電化學(xué)傳感器2、離子敏場(chǎng)效應(yīng)傳感器3、熱敏電阻傳感器4、壓電晶體傳感器5、光電傳感器6、聲學(xué)傳感器生命科學(xué)學(xué)院六、生物傳感器特點(diǎn)(1)測(cè)定過(guò)程簡(jiǎn)單。生物傳感器使用時(shí)一般不需要樣品的預(yù)處理，樣品中的被測(cè)組分的分離和檢測(cè)同時(shí)完成，且測(cè)定時(shí)一般不需加入其它試劑。(2)體積小、攜帶方便，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測(cè)、在線(xiàn)檢測(cè)。(3)響應(yīng)快，樣品用量少，敏感材料是固定化的，看反復(fù)多次使用。

(4)準(zhǔn)確度和靈敏度高。一般相對(duì)誤差不超過(guò)1％。(5)專(zhuān)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。(6)成本低。生命科學(xué)學(xué)院七、生物傳感器應(yīng)用領(lǐng)域生命科學(xué)學(xué)院1、食品工業(yè)

生物傳感器在食品分析中的應(yīng)用包括食品成分、食品添加劑、有害毒物及食品鮮度等的測(cè)定分析。

生命科學(xué)學(xué)院食品鮮度魚(yú)鮮度傳感器

在日本、加拿大等國(guó)廣泛用于魚(yú)類(lèi)鮮度的測(cè)定。魚(yú)死后體內(nèi)ATP經(jīng)酶解依次形成ADP、AMP、IMP、肌苷、次黃嘌呤和尿酸。鮮度可用K值表示：K=肌苷+次黃嘌呤ATP+ADP+AMP+IMP+肌苷+次黃嘌呤+尿酸生命科學(xué)學(xué)院魚(yú)死后5～20h，ATP，ADP和AMP已分解盡，超過(guò)24h，鮮度主要取決于IMP--肌苷--次黃嘌呤--尿酸。將這三個(gè)步驟的三種酶（5’－核苷酸酶、核苷磷酸化酶、黃嘌呤氧化酶）固定在氧電極上，制成魚(yú)鮮度測(cè)定儀。當(dāng)K＜20時(shí)，魚(yú)極新鮮，可供生食。K在20～40之間為新鮮，必須熟食。K大于40，不新鮮，不宜食用。生命科學(xué)學(xué)院肉鮮度傳感器

肉類(lèi)在腐敗過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種胺類(lèi)，故胺類(lèi)測(cè)定能反映肉類(lèi)的新鮮程度。用腐胺氧化酶與過(guò)氧化氫電極構(gòu)成多胺生物傳感器，或用單胺氧化酶膜和氧電極組成的酶?jìng)鞲衅鳒y(cè)定肉在貯藏過(guò)程中的鮮度。生命科學(xué)學(xué)院污染微生物及病原菌的檢測(cè)1通過(guò)免疫學(xué)方法，即獲得相應(yīng)的特異性抗原和抗體進(jìn)行分析和檢測(cè)。生命科學(xué)學(xué)院(1)將適宜的酶與抗原或抗體結(jié)合在一起。制成酶標(biāo)抗體（或酶標(biāo)抗原）；(2)將酶標(biāo)抗體（或酶標(biāo)抗原）與樣品中的待測(cè)抗原（或抗體）混合，通過(guò)免疫反應(yīng)二者即可特異性地結(jié)合在一起，形成酶－抗體－抗原復(fù)合物。(3)通過(guò)酶催化反應(yīng)的速度即可測(cè)定復(fù)合物中酶的含量，進(jìn)而測(cè)出樣品中的待測(cè)抗原（或抗體）的量。酶聯(lián)免疫測(cè)定

生命科學(xué)學(xué)院2、環(huán)境監(jiān)測(cè)

德國(guó)研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀生命科學(xué)學(xué)院3、發(fā)酵工業(yè)

微生物傳感器具有成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、不受發(fā)酵液混濁程度的限制、可能消除發(fā)酵過(guò)程中干擾物質(zhì)的干擾等特點(diǎn)。微生物傳感器可用于測(cè)量發(fā)酵工業(yè)中的原材料和代謝產(chǎn)物。還用于微生物細(xì)胞數(shù)目的測(cè)定。利用這種電化學(xué)微生物細(xì)胞數(shù)傳感器可以實(shí)現(xiàn)菌體濃度連續(xù)、在線(xiàn)的測(cè)定。

生命科學(xué)學(xué)院生物傳感在線(xiàn)分析系統(tǒng)，為發(fā)酵自動(dòng)控制提供了新的基礎(chǔ)平臺(tái)發(fā)酵罐主機(jī)計(jì)算機(jī)生命科學(xué)學(xué)院4、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域在臨床醫(yī)學(xué)中，酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器。在軍事醫(yī)學(xué)中，對(duì)生物毒素的及時(shí)快速檢測(cè)是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測(cè)多種細(xì)菌、病毒及其毒素。

生命科學(xué)學(xué)院SBA-50型單電極生物傳感分析儀谷氨酸(乳酸)-葡萄糖雙功能分析儀生命科學(xué)學(xué)院SBA-70型血糖乳酸自動(dòng)分析儀生命科學(xué)學(xué)院手掌型葡萄糖(glucose)分析儀生命科學(xué)學(xué)院

班氏試劑顏色磚紅橘紅黃綠藍(lán)胰島素增減量(單位)＞＋16＋12＋8＋40或-4班氏尿糖估計(jì)法確定胰島素用量在葡萄糖傳感器問(wèn)世之前，患者需采用所謂“班氏試驗(yàn)?zāi)蛱枪烙?jì)法”來(lái)指導(dǎo)胰島素注射量。這一方法相當(dāng)煩瑣，需備酒精燈一個(gè)、試管一支、吸管一支、班氏劑一瓶。每次注射胰島素前，取班氏試劑2毫升放入試管中，置酒精燈上燒開(kāi)，開(kāi)后試劑保持藍(lán)色不變，說(shuō)明試劑有效，加入病人尿液3滴，再置酒精燈上燒開(kāi)，根據(jù)試劑的變色情況決定胰島素用量的增減.生命科學(xué)學(xué)院葡萄糖