生物傳感器概述

生物傳感器概述第1頁/共25頁概述傳感器（sensor，transducer）——感受被測量物，轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。按檢測對(duì)象劃分傳感器物理傳感器化學(xué)傳感器生物傳感器感受器為非生命物質(zhì)感受器為生命物質(zhì)第2頁/共25頁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(shí)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)固定化葡萄糖氧化酶（GOD）＋氧電極第3頁/共25頁生物傳感器原理配體干擾第4頁/共25頁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(shí)別生物學(xué)反應(yīng)電信號(hào)換能器第5頁/共25頁分類識(shí)別元件微生物傳感器細(xì)胞傳感器酶傳感器免疫傳感器組織傳感器換能器光生物傳感器熱生物傳感器生物電極傳感器半導(dǎo)體傳感器壓電晶體傳感器第6頁/共25頁檢測方法

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)）光纖和光電倍增管第7頁/共25頁生物傳感器分子識(shí)別機(jī)理1、酶促反應(yīng)2、免疫化學(xué)反應(yīng)3、微生物反應(yīng)4、生物學(xué)反應(yīng)中的物理量變化

第8頁/共25頁酶促反應(yīng)E+S→ES→E+P第9頁/共25頁免疫化學(xué)反應(yīng)抗體Ab抗原Ag

第10頁/共25頁微生物反應(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第11頁/共25頁生物學(xué)反應(yīng)中的物理量變化（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。

△G＝△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。（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。（細(xì)菌發(fā)光其強(qiáng)度取決于積累的還原型FMN的量。）第12頁/共25頁生物學(xué)反應(yīng)中的物理量變化（4）阻抗變化（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)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，阻抗降低第13頁/共25頁生物傳感器應(yīng)用領(lǐng)域第14頁/共25頁食品工業(yè)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。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。第15頁/共25頁環(huán)境監(jiān)測水體檢測

生化需氧量（BOD）通過微生物吸收有機(jī)物時(shí)消耗氧而引起電極電流的變化來測定BOD。大氣檢測

NH3

，SO2

通過氧電極和硝化菌，氧電極和肝微粒體(含亞硫酸鹽氧化酶)來測定傳感器周圍氧氣濃度變化。第16頁/共25頁發(fā)酵工業(yè)微生物檢測

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。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。第17頁/共25頁醫(yī)學(xué)領(lǐng)域臨床醫(yī)學(xué)

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。

膽固醇測定 用膽固醇氧化酶和辣根過氧化物制備酶修飾電極，催化膽固醇生成H2O2，而生成的H2O2在辣根過氧化物酶的作用下被氧化，釋放出氧化電流第18頁/共25頁目前市場上的主流儀器德國研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀（市場上以德國和日本的儀器占主導(dǎo)）第19頁/共25頁手掌型葡萄糖(glucose)分析儀第20頁/共25頁SBA-50型單電極生物傳感分析儀葡萄糖/乳酸/谷氨酸/乙醇生物傳感分析儀第21頁/共25頁全自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng)第22頁/共25頁最新進(jìn)展新型凝膠材料：讓電路能自主修復(fù) 美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員，開發(fā)出第一種不需要外部的刺激即可自我修復(fù)的凝膠材料，材料本身還具備極強(qiáng)的導(dǎo)電性。這項(xiàng)突破將給生物傳感器等設(shè)備的研制提供幫助。第23頁/共25頁無創(chuàng)血糖測量香港理工大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)系成功研發(fā)極靈敏的晶體管生物傳感器，能針對(duì)性地反映唾液中的糖分水平，只須小量唾液即可反映其中的糖分水平，更屬全球首項(xiàng)同類成功研究。利茲大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)聲稱，他們也開發(fā)出了一款無創(chuàng)血糖檢測設(shè)備。目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)授權(quán)給Glucosense。這項(xiàng)檢測設(shè)備目前