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)成的一類傳感器。

酶具有識別特定分子的能力1962年，L.C.Clark酶與電極結(jié)合起來測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）待測物質(zhì)擴(kuò)散作用固定化生物敏感膜層分子識別生物學(xué)反應(yīng)電信號換能器生命科學(xué)學(xué)院（一）生物分子特異性識別（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)，對被測定的物質(zhì)有選擇性的分子識別能力。生物傳感器的分子識別元件

分子識別元件生物活性單元酶膜各種酶類全細(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）信號轉(zhuǎn)換與處理

生物傳感器的信號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電極法離子性物質(zhì)的生成或消耗電位檢測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，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)常常釋放出可觀的熱量，根據(jù)焓變可定量測定底物的濃度。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：

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

生命科學(xué)學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院分類方式分類依據(jù)傳感器名稱生物敏感物質(zhì)相互作用的類型1、被測物與分子識別元件上敏感物質(zhì)具有生物親和作用。2、底物（被測物）與分子識別元件上的敏感物質(zhì)相作用并產(chǎn)生產(chǎn)物，信號換能器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘枴?、生物親和性傳感器2、代謝型或催化型傳感器分子識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、酶傳感器2、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生物傳感器信號換能器1、電化學(xué)電極2、離子敏場效應(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)測定過程簡單。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)體積小、攜帶方便，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測、在線檢測。(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。一般相對誤差不超過1％。(5)專一性強(qiáng)，只對特定的底物起反應(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定分析。

生命科學(xué)學(xué)院食品鮮度魚鮮度傳感器

在日本、加拿大等國廣泛用于魚類鮮度的測定。魚死后體內(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)院魚死后5～20h，ATP，ADP和AMP已分解盡，超過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，制成魚鮮度測定儀。當(dāng)K＜20時(shí)，魚極新鮮，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

肉類在腐敗過程中會(huì)產(chǎn)生各種胺類，故胺類測定能反映肉類的新鮮程度。用腐胺氧化酶與過氧化氫電極構(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傳感器測定肉在貯藏過程中的鮮度。生命科學(xué)學(xué)院污染微生物及病原菌的檢測1通過免疫學(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。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）與樣品中的待測抗原（或抗體）混合，通過免疫反應(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)通過酶催化反應(yīng)的速度即可測定復(fù)合物中酶的含量，進(jìn)而測出樣品中的待測抗原（或抗體）的量。酶聯(lián)免疫測定

生命科學(xué)學(xué)院2、環(huán)境監(jiān)測

德國研發(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)備簡單、不受發(fā)酵液混濁程度的限制、可能消除發(fā)酵過程中干擾物質(zhì)的干擾等特點(diǎn)。微生物傳感器可用于測量發(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)、在線的測定。

生命科學(xué)學(xué)院生物傳感在線分析系統(tǒng)，為發(fā)酵自動(dòng)控制提供了新的基礎(chǔ)平臺發(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，對生物毒素的及時(shí)快速檢測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世之前，患者需采用所謂“班氏試驗(yàn)?zāi)蛱枪烙?jì)法”來指導(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，開后試劑保持藍(lán)色不變，說明試劑有效，加入病人尿液3滴，再置酒精燈上燒開，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