生物传感器
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生物传感器
主要内容： 1、生物传感器的发展史 2、生物传感器的定义和结构 3、生物传感器的工作原理 4、生物传感器的分类 5、生物传感器的应用及实例 6、生物传感器的优点及展望
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。 2、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
生物传感器的发展趋势:
1) 更加灵敏、准确、快速和简便是分析科学技术发展趋
势的共同特征。 2) 生物芯片使高通量、多参数的同步测定成为可能 3) 挑战性需求包括体内测定、细胞内测定、单分子分 析、在线测定等。为了满足这些要求，基因技术，纳米 技术，各种单分子荧光技术，仿生技术或生物模拟技术 得到发展。
动植物组织切片
生 物 传 感 器 定 义 、 结 构
具有亲和能力 的物质
配体、受体
模拟酶 高分子聚合物
表1 生物传感器的生物敏感膜（分子识别元件）
生物传感器定义、结构 换能器(transducer)
又称为传感器(sensor),其作用是将各种生物的、化 学的和物理的信息转变成电信号生物反应过程产生的信 息是多元化的，微电子和传感技术的现代成果为检测这
生物传感器工作原理
化学物质 声 热
光 被 检 测 物 质 （ 分 子生 识物 别敏 感感 受膜 器 ） 物理、化学反应
换 能 器
目 标 信 号
生物传感器模型
感受器是生物传感器的 心脏。制备分两方面工 作，一是选择最佳载体 材料（需活化）；二是 在载体表面固定化亲和 配基（非共价和共价）
换能器感知固定 化配基与待测物 结合产生的微小 变化，其质量好 坏决定了传感器 的灵敏度。
料不同，其组成可以是酶、DNA、免疫物质全细胞、组织、
细胞器或它们的组合，近年还引入了高分子聚合物模拟 酶，使分子识别元件的概念进一步延伸。
生物敏感膜
生物活性材料
生物敏感膜 全细胞
生物活性材料
酶
各种酶类
细菌、真菌、动植物 细胞
免疫物质
抗体、抗原、酶 标抗原 寡聚核苷酸
细胞器 组织
线粒体、叶绿体
DNA
SBA-70型血糖乳酸自动分析仪
手掌型葡萄糖(glucose)分析仪
用电化学葡萄糖传感器测定人体血糖 • 葡萄糖传感器传感 器的响应原理: • 葡萄糖氧化酶 （GOD）参与的酶 促反应
葡萄糖+H2O+O2
葡萄糖酸+H O
GOD
2
2
葡萄糖酶传感器原理
葡萄糖酶传感器插入到被测葡萄糖溶液中，由于酶的催化
生物传感器
污染微生物及病原菌的检测 通过免疫学方法，即获得相应的特异性抗原 和抗体进行分析和检测。
生物传感器的应用 酶联免疫测定
(1)将适宜的酶与抗原或抗体结合在一起。制成酶标抗体（或 酶标抗原 ）； (2)将酶标抗体（或酶标抗原）与样品中的待测抗原（或抗体） 混合，通过免疫反应二者即可特异性地结合在一起，形成酶 －抗体－抗原复合物。 (3)通过酶催化反应的速度即可测定复合物中酶的含量，进而 测出样品中的待测抗原（或抗体）的量。
人工智能胰腺
生物传感器的优点
(1) 可重复使用 采用固定化生物活性物质作催化剂，价格昂贵的 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(选择性高、特异性强) 如：酶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 可以在几分钟得到结果。 (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。
生物传感器定义、结构
生物传感器的结构(组成)
根据定义，包括两部分： 1、生物活性材料(也叫生物敏感膜、分子识别元件)。
2、物理换能器(也叫传感器)
生物传感器定义、结构 生物敏感膜(biosensitive membrane)
又称为分子识别元件 是生物传感器的关键元件(表1)， 直接决定传感器的功能与质量。依生物敏感膜所选用材
谢 谢
观 赏
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传感器定义
生物传感器(biosensor)是用生物活性材料(酶、蛋 白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)与物理换能器有机 结合的器械或装置，是发展生物技术必不可少的一种先 进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、 微量分析方法。
离子选择性电极 阻抗计、电导仪 场效应晶体管 气敏电极 热敏电阻、热电偶
光学变化 颜色变化 质量变化 力变化 振动频率变化
光纤、光敏管 光纤、光敏管 压电晶体等 微悬臂梁 表面等离子共振
表2 生物学反应信息和换能器的选择
生物传感器原理
待测物质
扩散作用
固定化生物敏感膜层 电信号
分子识别
换能器
生 物 学 反 应
生物传感器的应用
• 鱼死后5～20h，ATP，ADP和AMP已分解尽，超过24h，鲜
度主要取决于IMP--肌苷--次黄嘌呤--尿酸。
• 将这三个步骤的三种酶（5’－核苷酸酶、核苷磷 酸化酶、黄嘌呤氧化酶）固定在氧电极上，制成鱼鲜度
测定仪。
• • • 当K＜20时，鱼极新鲜，可供生食。 K在20～40之间为新鲜，必须熟食。 K大于40，不新鲜，不宜食用。
些信息提供了丰富的手段，使得研究者在设计生物传感
器时对换能器的选择有足够的回旋余地。设计的成功与 否主要取决于设计方案的科学性和经济性，可供制作生
物传感器的基本换能器如下表2
生物传感器定义、结构
生物学反应信息 换能器选择 生物学反应信息 换能器选择
离子变化 电阻、电导变化 质子变化 气体分压变化 热焓变化
作用而产生耗氧(过氧化氢H202),其反应式为
葡萄糖+H2O+O2 GOD 葡萄糖酸+H2O2
（GOD为葡萄糖氧化酶） 葡萄糖氧化时产生H2O2，而H2O2通过选择性透气膜，在Pt电极上氧化， 产生阳极电流。葡萄糖含量与电流成正比，由此可测出葡萄糖溶液的浓 度。
装置由三部分组成：血糖传感 器、供药泵、胰岛素药源。传 感器、泵与病人的血液三者构 成一个闭环控制系统。 传感器将测定的信号变为对供 药泵开启与关闭的指令，使糖 尿病病人能像正常人一样保持 最恰当的血糖含量 。
或用单胺氧化酶膜和氧电极组成的酶传感器测定肉在贮 藏过程中的鲜度。
生物传感器的应用 食品鲜度 鱼鲜度传感器 在日本、加拿大等国广泛用于鱼类鲜度的测定。 鱼死后体内ATP经酶解依次形成ADP、AMP、IMP、肌
苷、次黄嘌呤和尿酸。鲜度可用K值表示：
K= 肌苷+次黄嘌呤 ATP +ADP+AMP+IMP +肌苷+次黄嘌呤+尿酸
连续、在线的测定。
生物传感器的应用
4、医学领域 在临床医学中，酶电极是最早研制且应用最多 的一种传感器。利用具有不同生物特性的微生物代 替酶，可制成微生物传感器。在军事医学中，对生
物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。
生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。
SBA-50型单电极生物传感分析仪 谷氨酸(乳酸)-葡萄糖双功能分析仪
生物传感器的应用
2、环境监测 德国研发的环境废水BOD分析仪
生物传感器的应用
3、发酵工业 微生物传感器具有成本低、设备简单、不受发 酵液混浊程度的限制、可能消除发酵过程中干扰物 质的干扰等特点。 微生物传感器可用于测量发酵工业中的原材料 和代谢产物。还用于微生物细胞数目的测定。利用 这种电化学微生物细胞数传感器可以实现菌体浓度
生物传感器的分类
按分子识别元件分类和按换能器类型分类。
生物传感器应用领域
生物传感器的应用 1、食品工业 生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、 食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析。 肉鲜度传感器
• 肉类在腐败过程中会产生各种胺类，故胺类测定能反映
肉类的新鲜程度。
•
用腐胺氧化酶与过氧化氢电极构成多胺生物传感器，
的类别大大增多；
3、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。
生物传感器的发展史
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