生物傳感器課件

第13章生物傳感器傳感器原理與應(yīng)用13.1概述13.2酶傳感器13.3免疫傳感器13.4微生物傳感器13.5其他常見生物傳感器及應(yīng)用目錄

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.1概述生物傳感器〔Biosensor〕起源于20世紀(jì)60年代，在20世紀(jì)80年代得到了公認(rèn)與開展，并作為傳感器的一個(gè)分支應(yīng)用于食品、制藥、化工、臨床檢驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等方面。生物傳感器利用酶、抗體、微生物等作為敏感材料，并將其產(chǎn)生的物理量、化學(xué)量的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，用以檢測與識(shí)別生物體內(nèi)的化學(xué)成分。將生物敏感材料固定在高分子人工膜等載體上，被識(shí)別的生物分子作用于人工膜〔生物傳感器〕時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生變化的信號(hào)〔電、熱、光等〕輸出，然后采用電化學(xué)法、熱測量法或光測量法等測出輸出信號(hào)。具有選擇性好、靈敏度高、響應(yīng)速度快、本錢低廉、能在復(fù)雜的體系中進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測等特點(diǎn)

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.1概述開展歷程：1962年，Clark教授→酶電極1967年，Updike，Hicks→酶傳感器1975年，C.Divis提出用完整的微生物活細(xì)胞取代純酶制作的傳感器1977年，美國A.Rchnitz研制出檢測測精氨酸的微生物電極1979年，A.Rchnitz成功研制出了測定谷氨酰胺的組織傳感器20世紀(jì)80年代，牛津出版社?生物傳感器：根底與應(yīng)用?1990年，在新加坡召開了“首屆世界生物傳感器學(xué)術(shù)大會(huì)〞

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.1.1生物傳感器的工作原理工作原理：被測物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入生物敏感膜層，經(jīng)分子識(shí)別，發(fā)生生物學(xué)反響〔物理、化學(xué)變化〕，產(chǎn)生物理、化學(xué)現(xiàn)象或產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)，由相應(yīng)的敏感元件轉(zhuǎn)換成可定量、可傳輸處理的電信號(hào)。生物傳感器敏感膜〔分子識(shí)別元件〕敏感元件〔信號(hào)轉(zhuǎn)換元件〕圖13-1生物傳感器的根本工作原理

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.1.1生物傳感器的工作原理圖13-2

敏感膜對(duì)生物分子的選擇性作用生物敏感膜——又稱分子識(shí)別元件利用生物體內(nèi)具有奇特功能的物質(zhì)制成的膜與被測物質(zhì)相接觸時(shí)會(huì)伴有物理、化學(xué)反響選擇性地“捕捉〞自己感興趣的物質(zhì)

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器生物敏感膜生物活性材料酶膜各種每類全細(xì)胞膜細(xì)菌、真菌、動(dòng)植物細(xì)胞組織膜動(dòng)植物組織切片免疫膜抗體、抗原、酶標(biāo)抗原等細(xì)胞器膜線粒體、葉綠體具有生物親和力的物質(zhì)膜配體、受體核酸膜寡聚核苷酸模擬酶膜高分子聚合物表13-1生物傳感器的生物敏感膜13.1.1生物傳感器的工作原理

根據(jù)生物敏感膜選材的不同，可以制成酶膜、全細(xì)胞膜、組織膜、免疫膜、細(xì)胞器膜、復(fù)合膜等

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生物分子識(shí)別元件與換能器的不同組合，可以構(gòu)建出適用于不同用途的生物傳感器類型。13.1.1生物傳感器的工作原理

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.1.2生物傳感器的分類〔1〕根據(jù)生物識(shí)別元件進(jìn)行分類

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.1.2生物傳感器的分類〔2〕根據(jù)換能器信號(hào)轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行分類

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.1.3生物傳感器的特點(diǎn)應(yīng)用范圍較廣由具有高度選擇性的生物材料構(gòu)成敏感〔識(shí)別〕元件的，一般情況下，檢測時(shí)不需要另加其他試劑，也不需要進(jìn)行樣品的預(yù)處理體積小、分析速度快、準(zhǔn)確度高，容易實(shí)現(xiàn)在線檢測和自動(dòng)分析操作相對(duì)簡單、本錢低、易于推廣應(yīng)用制造工藝上較難，使用壽命較短

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器生物傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域生物傳感器在全國應(yīng)用數(shù)量和地理分布東北46華北93華東148臺(tái)灣2華南31華中58西部25

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.2酶傳感器酶傳感器是利用被測物質(zhì)與各種生物活性酶在化學(xué)反響中產(chǎn)生或消耗的物質(zhì)量，通過電化學(xué)裝置轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而選擇性地測出某種成分的器件。操作簡單體積小便于攜帶現(xiàn)場測試廣泛應(yīng)用于檢測血糖、血脂、氨基酸、青霉素、尿素等物質(zhì)的含量

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酶是由生物體內(nèi)產(chǎn)生并具有催化活性的一類蛋白質(zhì)，也成為生物催化劑。13.2.1酶的特性與一般催化劑作比較，相同點(diǎn)：僅能影響化學(xué)反響的速度，而不改變反響的平衡點(diǎn)不同點(diǎn)：〔1〕酶的催化效率比一般催化劑要高106~1013倍；〔2〕酶催化反響常溫常壓條件下即可進(jìn)行；〔3〕酶的催化具有高度的專一性，即一種酶只能作用于一種或一類物質(zhì)，產(chǎn)生一定產(chǎn)物，而非酶催化劑對(duì)作用物沒有如此嚴(yán)格的選擇性?！?〕酶的催化過程是一種化學(xué)放大，即物質(zhì)通過酶的催化作用能產(chǎn)生大量產(chǎn)物。

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.2.2酶傳感器的結(jié)構(gòu)及原理酶傳感器——也稱為“酶電極〞，由生物酶膜和各種電極〔如：離子選擇電極、氣敏電極、氧化復(fù)原電極等〕組合而成。圖13-7電化學(xué)酶傳感器的基本原理示意圖工作原理——被測物質(zhì)與各種生物活性酶在化學(xué)反響中產(chǎn)生或消耗的物質(zhì)量，通過電化學(xué)裝置〔電極〕轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而選擇性地測出某種成分。

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.2.2酶傳感器的結(jié)構(gòu)及原理酶傳感器電流輸出型電壓輸出型由與酶催化反響有關(guān)物質(zhì)電極反響所得到的電流來確定反響物質(zhì)的濃度，一般采用氧電極、H2O2電極等；通過測量敏感膜的電位來確定與催化反響有關(guān)的各種物質(zhì)的濃度，一般采用NH3電極、CO2電極、H2電極等

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.2.2酶傳感器的結(jié)構(gòu)及原理檢測方式被測物質(zhì)酶檢測物質(zhì)電流型氧檢測方式葡萄糖過氧化氫尿酸膽固醇葡萄糖氧化酶過氧化氫酶尿酸氧化酶膽固醇氧化酶O2過氧化氫檢測方式葡萄糖L-氨基酸葡萄糖氧化酶L-氨基酸氧化酶H2O2電位型離子檢測方式尿素L-氨基酸D-氨基酸天門冬酰胺L-酪氨酸L-谷氨酸青霉素尿素酶L-氨基酸氧化酶D-氨基酸氧化酶天門冬酰胺酶酪氨酸脫羧酶谷氨酸脫羧酶青霉素酶NH4+NH4+NH4+NH4+CO2NH4+H+表13-2酶傳感器的分類

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.2.3酶的固化技術(shù)酶的固定是酶生物傳感器研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)能保持生物活性單元的固有特性，防止自由活性單元應(yīng)用上的缺陷目前，已有的固化技術(shù)有吸附法、化學(xué)交聯(lián)法、共價(jià)鍵合法、物理包埋法圖13-8酶的固定化技術(shù)〔a〕吸附法〔b〕化學(xué)交聯(lián)法〔c〕共價(jià)鍵合法〔d〕物理包埋法

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.2.4酶傳感器的應(yīng)用〔1〕Clark氧電極Clark氧電極是使用最廣泛的液相氧傳感器，用以測定溶液中溶解氧的含量。由一個(gè)陽極和一個(gè)陰極電極浸入溶液所構(gòu)成氧通過一個(gè)通透膜擴(kuò)散進(jìn)入電極外表，在陽極減少，并產(chǎn)生一個(gè)可測量電流。酶促反響以及微生物呼吸鏈中的氧化磷酸化使得電子流入氧，并被氧電極所測量。采用一個(gè)特氟龍〔Tefolon〕膜將電極局部與反響腔隔離，它可以使氧分子穿透并到達(dá)陰極，在那里電解并消耗氧，產(chǎn)生的電流電位可以被儀器所記錄。圖13-9Clark氧電極

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.2.4酶傳感器的應(yīng)用(2)葡萄糖酶電極傳感器的測量由酶膜和Clark氧電極〔或過氧化氫電極〕組成將葡萄糖酶傳感器插入被測葡萄糖溶液中，葡萄糖發(fā)生氧化反響，消耗氧，生成葡萄糖酸和過氧化氫H2O2H2O2通過選擇性透氣膜，使電極外表的氧化量減少，相應(yīng)電極的復(fù)原電流減少，從而可以通過電流值的變化來確定葡萄糖的濃度葡萄糖濃度越高，消耗的氧就越多，生成的過氧化氫也越多

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.2.4酶傳感器的應(yīng)用通過區(qū)分氧電極、過氧化氫電極，是以是否使用電子轉(zhuǎn)移媒介體，可以將葡萄糖酶電極區(qū)分為以下兩個(gè)不同的類型：(2)葡萄糖酶電極傳感器的測量①

氧電極葡萄糖傳感器②

過氧化氫電極葡萄糖傳感器以鉑電極〔-0.6V〕作為陰極，Ag/AgCl電極〔+0.6V〕作為陽極，電極對(duì)氧響應(yīng)產(chǎn)生電流鉑電極〔-0.6V〕作為陽極，Ag/AgCl〔+0.6V〕作為陰極，電極對(duì)過氧化氫響應(yīng)產(chǎn)生電流

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.3免疫傳感器13.3.1免疫傳感器的根本原理抗體——是由機(jī)體B淋巴細(xì)胞和血漿細(xì)胞分泌產(chǎn)生，可對(duì)外界〔非自身〕物質(zhì)產(chǎn)生反響的一種血清蛋白。抗原——外界物質(zhì)因其能引發(fā)機(jī)體免疫反響，也稱為免疫原。

由于具有高的親和常數(shù)和低的交叉反響，抗原抗體反響被認(rèn)為有很強(qiáng)的特異性

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.3免疫傳感器13.3.1免疫傳感器的根本原理免疫傳感器的根本原理是免疫反響——即利用抗體能識(shí)別抗原并與抗原結(jié)合的功能的生物傳感器利用固定化抗體〔或抗原〕膜與相應(yīng)的抗原〔或抗體〕的特異反響，反響的結(jié)果使生物敏感膜的電位發(fā)生變化；分析靈敏度高、特異性強(qiáng)、使用簡便廣泛應(yīng)用到臨床診斷、微生物檢測、環(huán)境監(jiān)測及食品分析等諸多領(lǐng)域非標(biāo)識(shí)免疫傳感器標(biāo)識(shí)免疫傳感器免疫傳感器

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.3免疫傳感器〔1〕非標(biāo)識(shí)免疫傳感器也稱直接免疫傳感器利用抗原或抗體在水溶液中兩性解離本身帶電的特性，將其中一種固定在電極外表或膜上，當(dāng)另一種與之結(jié)合形成抗原抗體復(fù)合物時(shí)，原有的膜電荷密度將發(fā)生改變，從而引起膜的Donnan電位和離子遷移的變化，最終導(dǎo)致膜電位改變。

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.3免疫傳感器〔1〕非標(biāo)識(shí)免疫傳感器〔a〕一種是在膜的外表結(jié)合抗體〔或抗原〕，用傳感器測定抗原抗體反響前后的膜電位；〔b〕另一種是在金屬電極的外表直接結(jié)合抗體〔或抗原〕作為感受器，測定與抗原抗體反響相關(guān)電極的電位變化

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.3免疫傳感器間接免疫傳感器利用酶的標(biāo)識(shí)劑來增加免疫傳感器的檢測靈敏度該類傳感器將免疫的專一性和酶的靈敏性融為一體，可對(duì)低濃度底物進(jìn)行檢測常用的標(biāo)記酶有：辣根過氧化物酶、葡萄糖氧化酶、堿性磷酸酶和脲酶〔2〕標(biāo)識(shí)免疫傳感器

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.3免疫傳感器〔2〕標(biāo)識(shí)免疫傳感器無論是電位型還是電流型酶標(biāo)記的免疫傳感器，都可歸結(jié)為是對(duì)復(fù)原型輔酶I〔NADH〕、苯酚、O2、H2O2和NH3等電活性物質(zhì)的檢出。

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.3免疫傳感器〔2〕標(biāo)識(shí)免疫傳感器

在用過氧化氫酶作為標(biāo)識(shí)酶時(shí)，標(biāo)識(shí)酶的活性是在給定的過氧化氫中根據(jù)每單位時(shí)間內(nèi)所生成的氧量而求出的，即：將去除游離抗原后的酶免疫傳感器放在H2O2溶液中浸漬抗體膜外表結(jié)合的標(biāo)識(shí)酶催化H2O2，分解成水和氧氧經(jīng)擴(kuò)散透入抗體膜及Clark氧電極的透氣膜，到達(dá)鉑陰極，得到了與生成的氧量相對(duì)應(yīng)的電流從電流量可求出在膜上結(jié)合的標(biāo)識(shí)酶的量使用該方法可以測定人的血清白蛋白〔HSA〕及人絨毛膜促性腺激素〔HCG〕

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.3免疫傳感器〔3〕抗體的固定免疫生物傳感器制備過程中一個(gè)非常重要的步驟是將抗體或抗原固定在傳感器外表，這樣才能檢測相應(yīng)的抗原或抗體。制備方法：直接法：吸附法、包埋法、交聯(lián)法、共價(jià)結(jié)合法間接法：生物素-親和素體系和自組裝單層膜、戊二醛交聯(lián)法、蛋白A等其他間接固定

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.3免疫傳感器〔4〕免疫傳感器的應(yīng)用梅毒抗體傳感器1為基準(zhǔn)容器2為測試容器3為抗原容器參考膜〔不含抗原的乙酰纖維素膜〕與抗原膜由容器1和容器3分開血清注入容器2中，抗原膜作為帶電膜工作假設(shè)血清中存在抗體，那么抗體被吸附于抗原說明形成復(fù)合體抗體帶正電荷，所以膜的負(fù)電荷減少，引起膜電位的變化，最終通過測量兩個(gè)電極間的電位差，來判斷血清中是否存在梅毒抗體

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.4微生物傳感器13.4.1工作原理微生物主要包括原核微生物〔如細(xì)菌〕、真核微生物〔如真菌、藻類和原蟲〕和無細(xì)胞生物〔如病毒〕等幾大類微生物傳感器也成為微生物電極，它屬于酶電極的衍生電極，除了生物活性物質(zhì)不同外〔用微生物替代酶〕，兩者之間有相似的結(jié)構(gòu)和工作原理。

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.4微生物傳感器微生物傳感器根據(jù)對(duì)氧氣的反響情況分為呼吸機(jī)能型微生物傳感器和代謝機(jī)能型微生物傳感器13.4.1工作原理〔a〕呼吸機(jī)能型〔b〕代謝機(jī)能型

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.4微生物傳感器〔1〕呼吸機(jī)能型由好氧型微生物固定化膜和氧電極〔或CO2電極〕組合而成測定時(shí)以微生物的呼吸活性為根底當(dāng)微生物傳感器插入溶解氧保持飽和狀態(tài)的試液中時(shí)，試液中的有機(jī)化合物受到微生物的同化作用，微生物的呼吸加強(qiáng)，在電極上擴(kuò)散的氧減少，電流值急劇下降。

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.4微生物傳感器〔2〕代謝機(jī)能型以微生物的代謝活性為根底當(dāng)微生物攝取有機(jī)化合物，生成的各種代謝產(chǎn)物中含有電極活性物質(zhì)時(shí)，用安培計(jì)可測得氫、甲酸和各種復(fù)原型輔酶等代謝物，而用電位計(jì)那么可測得CO2、有機(jī)酸〔H＋〕等代謝物。由此可以得到有機(jī)化合物的濃度信息。

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.4微生物傳感器微生物傳感器的結(jié)構(gòu)與酶傳感器相比，所不同的是將酶傳感器的固定化酶膜改換為固定化的微生物膜也可采用吸附、包埋、交聯(lián)或共價(jià)結(jié)合的方法目前常用的方法是通過離心、過濾或混合培養(yǎng)，使微生物附著在如醋酸纖維素膜、濾紙或尼龍等膜上，此種方法包埋微生物靈敏度高13.4.2微生物的固化

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.4微生物傳感器13.4.3微生物傳感器的應(yīng)用〔1〕BOD微生物傳感器BOD的含義——在微生物作用下，將單位體積水樣中有機(jī)物氧化所消耗的溶解氧質(zhì)量，單位是mol/L采用固定有微生物的合成膜作為生物識(shí)別元件生物氧化進(jìn)程通過一個(gè)溶解性的O2電極進(jìn)行記錄1-電解液2-O形環(huán)3-陽極4-聚四氟乙烯膜5-微生物膜6-尼龍網(wǎng)7-陰極

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.4微生物傳感器微生物BOD傳感器結(jié)構(gòu)示意圖〔1〕BOD微生物傳感器

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.4微生物傳感器電流型BOD生物傳感器檢測原理鐵氰化鉀K3[Fe(CN)6](HCF(III))作為電活性分子利用脫氫酶、細(xì)胞色素、輔酶Q等對(duì)有機(jī)分子進(jìn)行氧化將鐵氰化鉀參加之后，它可充當(dāng)一個(gè)電子受體，在有機(jī)分子氧化時(shí)被優(yōu)先復(fù)原為亞鐵氰化鉀K4[Fe(CN)6](HCF(II))被復(fù)原的鐵氰化鉀能在工作電極〔陰極〕外表被重新氧化，期間能產(chǎn)生足夠高的電位改變〔1〕BOD微生物傳感器

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.4微生物傳感器〔2〕甲酸傳感器圖13-21甲酸傳感器的結(jié)構(gòu)圖1-圓環(huán)；2-液體連接面；3-電解液；4-Ag2O2電極〔陰極〕5-Pt電極〔陽極〕；6-聚四氟乙烯膜屬于代謝性微生物傳感器由Pt電極、Ag2O2電極、電解液〔0.1mol/L磷酸緩沖液〕以及液體連接面組成當(dāng)傳感器進(jìn)入含有甲酸的溶液時(shí)，甲酸通過聚四氟乙烯膜向酪酸梭牙菌擴(kuò)散，被資化后產(chǎn)生H2H2又穿過Pt電極外表上的聚四氟乙烯膜與Pt電極產(chǎn)生氧化復(fù)原反響電流此電流與微生物所產(chǎn)生的H2含量成正比，H2的含量由于待測甲酸溶液濃度有關(guān)因此該傳感器可以用來測定發(fā)酵溶液中的甲酸濃度。

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.5其他常見生物傳感器及應(yīng)用國內(nèi)外得到應(yīng)用的生物傳感器主要包括：1.測定水質(zhì)的BOD(BiochemicalOxygenDemand)分析儀:在市場上有日本和德國產(chǎn)品供給。水中的溶解氧〔DO〕、生物需氧量〔BOD〕高，說明浮游生物種類和數(shù)量多。2.手掌型血糖分析器:已形成規(guī)?；a(chǎn)，年銷售量約為十億美元；3.固定化酶傳感分析儀：國外以美國的YSI公司和德國BST公司為代表，都有系列分析儀產(chǎn)品，它們主要用于環(huán)境監(jiān)測和食品分析。德國研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀早期的血糖速測儀

手掌型葡萄糖(glucose)分析儀胰島素泵固定化酶生物傳感分析儀BOD生物傳感器SPR生物傳感器

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.5其他常見生物傳感器及應(yīng)用13.5.1血糖測試儀血液中的糖分稱為血糖正常人的空腹血糖濃度為3.9~6.1mmol/L，空腹血糖高于6.1mmol/L稱為高血糖，低于3.9mmol/L稱為低血糖。圖13-22各種便攜式血糖儀商品

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.5其他常見生物傳感器及應(yīng)用13.5.1血糖測試儀血糖測試儀根據(jù)檢測原理分為兩種，光化學(xué)法和電化學(xué)法〔1〕光化學(xué)法——基于血液和試劑產(chǎn)生的反響測試血糖試條吸光度的變化值GOD-葡萄糖氧化酶POD-過氧化物酶；OP-燃料AH-產(chǎn)物光化學(xué)法的血糖儀必須經(jīng)常清潔光孔，否那么污染后將導(dǎo)致測試結(jié)果產(chǎn)生偏差光化學(xué)法原理比電化學(xué)原理的血糖儀測試時(shí)需要的血樣多

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.5其他常見生物傳感器及應(yīng)用13.5.1血糖測試儀〔2〕電化學(xué)法——通過測定鉑金電極上過氧化氫的氧化分解而產(chǎn)生的電流變化，來測算出溶液中因氧的消耗導(dǎo)致的氧分壓下降值，進(jìn)而測得葡萄糖的濃度，20世紀(jì)70年代Williams等采用分子導(dǎo)電介質(zhì)鐵氰化鉀代替氧分子進(jìn)行氧化復(fù)原反響的電子傳遞，實(shí)現(xiàn)了血糖的電化學(xué)測定，其反響原理如下：

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.5其他常見生物傳感器及應(yīng)用血糖測試儀的硬件結(jié)構(gòu)圖13.5.1血糖測試儀

傳感與檢測技術(shù)第13章生物傳感器13.5其他常見生物傳感器及應(yīng)用13.5.2