• 缺点是实现固定化麻烦，酶 活性可能因发生化学修饰而 降低。
酶生物传感器
交联法
• 使生物活性分子通过共价键 与固相载体结合固定的方法。
• 此方法的特点是结合牢固， 生物活性分子不易脱落，载 体不易被生物降解，使用寿 命长。
• 缺点是实现固定化麻烦，酶 活性可能因发生化学修饰而 降低。
德国研发的环境废水BOD分析仪
生物传感器的分类
• 按分子识别元件分类 • 按换能器分类
按分子元件识别分类
酶传感器
固定化酶
微生物 传感器
固定化 微生物
分子识别 元件
固定化免疫物质
免疫传感器
固定化细胞器
细胞器传感器
生物组织切片
组织传感器
按换能器分类
生物电极 光生物传感器
电化学电极 介体
介体生物传感器
光学换能器 半导体 换能器 压电晶体
手掌型葡萄糖(glucose) 分析仪
SBA-50型单电极生物传感分析仪
SBA-70型血糖乳酸自动分析仪
瓶颈与展望
酶生物传感器的研制过程有诸多难点： • 如何高效地筛分出高活性的酶； • 为了使传感器具有令人满意的灵敏度，关键是保 证有足够量高活性酶尽可能牢固地固定在半导体
片上。同时，为了缩短传感器的响应时间及延长
酶生物传感器
酶生物传感器是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、 化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应所产生的 与目标物浓度成比例关系的可测信号，实现对目标物定量测 定的分析仪器。 与传统分析方法相比，酶生物传感器是由固定化的生物 敏感膜和与之密切结合的换能系统组成，它把固化酶和电化 学传感器结合在一起，因而具有独特的优点。它既有不溶性 酶体系的优点，又具有电化学电极的高灵敏度。由于酶的专 属反应性，使其具有高的选择性，能够直接在复杂试样中进 行测定。
寿命，在工艺上将基膜做得尽可能的薄。 • 如何改进传感器对应用条件的适应性与稳定性
展望
探索与合成更有效的电子介体和性能更优异的聚 合物载体材料
寻找方便、高效的酶固定化方法 研制开发响应快速、稳定性好、信号可靠的第二 代酶生物传感器
深入阐明酶生物传感器的电子传递机理及寻找更 有效的方法，实现更多酶的直接电化学制备性能 优越的第三代酶生物传感器。
压电晶体生物传感器 半导体生物 传感器
传递系统 热敏电阻
热生物传感器
换能器
生物传感器的特点
（1）采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以 重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析
繁琐复杂的缺点。
（2）专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度 的影响。 （3）分析速度快，可以在一分钟得到结果。 （4）准确度高，一般相对误差可以达到1％ （5）操作系统比较简单 ，容易实现自动分析 （6）成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。 （7）有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧 状况和副产物的产生。同时它们还指明了增加产物得率的方 向。
反应结果，O2浓度减小，H2O2浓度增大。
酶生物传感器
第二代酶生物传感器
即介体型酶生物传感器，它是基于介体的电催化反应：
第二代生物传感器采用了含有电子媒介体的化学修饰层。此化 学修饰层不仅能促进电子传递过程，使得响应的线性范围拓宽， 电极的工作电位降低，同时，噪声、背景电流及干扰信号均小， 且由于排除了过氧化氢，使得酶生物传感器的工作寿命延长。
生物传感器的定义及说明
• 传感器是一种信息获取和处理的装置，获取被测量对象的 信息，把获取的信息进行转换，将其转换成一种与被测量
有对应关系的便于输出处理的信号的装置。
• IUPAC（国际纯粹与应用化学联合会）的定义 • 将化学信息转换成有用的分析信号的装置。
生物传感器的定义及说明
• 定义：
生物传感器是指有一中占有非常重要的地位。
酶生物传感器
• 固定化酶和电化学传感器的结合。 • 优点： • ①既有不溶性酶体系的优点，又具有电化学电极的高灵敏 度； • ②酶的专一反应性，使其具有较高的选择性，能够直接在
复杂试样中进行测定。
酶生物传感器
基本结构
酶生物传感器的基本结构单元是由物质识别元件（固定化 酶膜）和信号转换器（基体电极）组成。当酶膜上发生酶 促反应时，产生的电活性物质由基体电极对其响应。基体 电极的作用是使化学信号转变为电信号，从而加以检测。 基体电极可采用碳质电极、石墨电极、玻碳电极、碳糊电 极 、Pt电极及相应的修饰电极。
酶生物传感器
原则
（1）必须注意维持酶的构象，特别是活性中心的构象 （2）酶与载体必须有一定的结合程度 （3）固定化应有利于自动化、机械化操作。 （4）固定化酶应有最小的空间位阻。
（5）固定化酶应有最大的稳定性。
（6）固定化酶的成本适中
酶生物传感器
生物传感器的固定方法
固定化技术：把生物活性材料与载体固定化成为生物敏感膜。 1. 物理方法：夹心法、吸附法、包埋法； 2. 化学方法: 共价连接法、交联法； 3. 近年来, 由于半导体生物传感器迅速发展, 因而又出现了 采用集成电路工艺制膜技术。
酶生物传感器
分类
电位型：酶电极与参比电极间输出的电位信号，它与被
测物质之间服从能斯特关系。
电流型：以酶促反应所引起的物质量的变化转变成电流 信号输出，输出电流大小直接与底物浓度有关。
酶生物传感器
发展 第一代酶生物传感器
第一代酶生物传感器是以氧为中继体的电催化，以葡萄糖氧 化酶（GOD）催化葡萄糖为例：
生物传感器的工作原理
生物传感器的基本组成和工作原理
生物传感器的工作原理
1. 2. 3. 4. 将化学变化转变成电信号（间接型） 将热变化转换为电信号（间接型） 将光效应转变为电信号（间接型） 直按产生电信号方式（直接型） 生 物 敏 感 膜
被测 物质
物理或化学 量的变化
换 能 器
可定量加 工的电信 号
年代 60 特点 生物传感 器初期 研究内容 酶电极
70
发展时期
微生物传感器， 免疫传感器， 细胞类脂质传 感器，组织传 感器，生物亲 和传感器
80
进入生物 电子学传 感器时期
酶FET 酶光二极管
生物传感器的发展史（2）
生物传感器发展的整体划分:
• 第一代生物传感器以将生物成分截留在膜上或结合在膜 上为基础，这类器件由透析器(膜)、反应器(膜)和电化 学转换器所组成，其实验设备相当简单。 • 第二代生物传感器是指将生物成分直接吸附或共价结合 在转换器的表面上，从而可略去非活性的基质膜。 • 第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子元件上， 例如FET的栅极上，它可直接感知和放大界面物质的变化， 从而将生物识别和电信号处理集合在一起。这种放大器 可采用差分方式以消除干扰。
酶生物传感器
夹心法
• 将生物活性材料封闭在双层 滤膜之间，形象地称为夹心 法。 • 这种方法的特点是操作简单， 不需要任何化学处理，固定 生物量大，响应速度快，重 复性好。
酶生物传感器
吸附法
• 用非水溶性固相载体物理吸 附或离子结合，使蛋白质分 子固定化的方法。 • 载体种类较多，如活性炭、 高岭土、硅胶、玻璃、纤维 素、离子交换体等。
生物传感器
目 录
生物传感器的发展史 生物传感器定义及说明 生物传感器的基本组成和工作原理
生物传感器的分类
酶生物传感器
生物传感器的发展史（1）
• 最先问世的生物传感器是酶电极， Clark和Lyons最先提出组成酶电极的 设想。 • 70年代中期，人们注意到酶电极的寿 命一般都比较短，提纯的酶价格也较 贵，而各种酶多数都来自微生物或动 植物组织，因此自然地就启发人们研 究酶电极的衍生型：微生物电极、细 胞器电极、动植物组织电极以及免疫 电极等新型生物传感器，使生物传感 器的类别大大增多； • 进入本世纪80年代之后，随着离子 敏场效应晶体管的不断完善，于1980 年Caras和Janafa率先研制成功可测 定青霉素的酶FET。
酶生物传感器
包埋法
• 把生物活性材料包埋并固定 在高分子聚合物三维空间网 状结构基质中。
• 此方法的特点是一般不产生 化学修饰，对生物分子活性 影响较小；缺点是分子量大 的底物在凝胶网格内扩散较 固难。
酶生物传感器
共价连接法
• 使生物活性分子通过共价键 与固相载体结合固定的方法。
• 此方法的特点是结合牢固， 生物活性分子不易脱落，载 体不易被生物降解，使用寿 命长。
生物传感器的基本组成和工作原理
生物传感器的分子识别元件
分子识别元件 酶膜 全细胞膜 组织膜 细胞器膜 免疫功能膜
生物活性材料 各类酶类 细菌，真菌，动植物细胞 动植物组织切片 线粒体，叶绿体 抗体，抗原，酶标抗原等
生物传感器的基本组成和工作原理
生物传感器基本构成示意图
生物传感器的基本组成和工作原理
酶生物传感器
第三代酶生物传感器
第三代酶生物传感器是酶与电极间进行直接电子传递， 是生物传感器构造中的理想手段。这种传感器与氧或其它电 子受体无关，无需媒介体，即所谓无媒介体传感器。
到目前为止，只发现辣根过氧化物酶、葡萄糖氧化酶、酪氨 酸酶、细胞色素c过氧化物酶、超氧化物歧化酶、黄嘌呤氧 化酶、微过氧化物酶等少数物质能在合适的电极上进行直接 电催化。
酶生物传感器
信号变换方式
(1)电位法 电位法是通过不同离子生成在不同感受体，从测得膜电 位去计算与酶反应有关的各种离子的浓度。一般采用铵离 子电极（氨气电极）、氢离子电极、氧化碳电极等； (2)电流法 电流法是从与酶反应有关的物质的电极反应得到的电流 值来计算被测物质的方法。电化学装置采用的是氧电极。 燃料电池型电极和过氧化氢电极等。 酶电极：酶传感器由固定酶和基础电极组成，酶电极的设 计主要考虑酶催化过程产生或消耗的电极活性物质，如一 个酶催化反应是耗O2过程，就可以使用O2电极或H2O2电极； 若酶催化反应过程产生酸，即可使用pＨ电极。