生物傳感器

1、生物傳感器,1,提綱,,一、生物傳感器的定義二、生物傳感器的發(fā)展歷程三、生物傳感器的工作原理四、生物傳感器的分類五、幾種主要的生物傳感器六、生物傳感器的應(yīng)用,,一、生物傳感器的定義,,什么是傳感器？,實(shí)驗(yàn)室中的傳感器： 石蕊試紙——顯色反應(yīng) PH試紙——混合指示劑 PH計(jì)——電化學(xué)裝置,一、生物傳感器的定義,,一、生物傳感器的定義,什么是傳感器？,人體中

2、的傳感器：耳朵、眼睛、手指、鼻子和舌頭……,,定義：,傳感器：能感受（或響應(yīng)）一種信息并轉(zhuǎn)換成可測(cè)量信 號(hào)（一般指電信號(hào)）的裝置。生物傳感器：將生物體的成分（酶、抗原、抗體、激素） 或生物體本身（細(xì)胞、細(xì)胞器、組織）固定化在一器件 上作為敏感元件的傳感器；通常待檢測(cè)的物質(zhì)也是生物 物質(zhì)。,一、生物傳感器的定義,,,,二、生物傳感器的發(fā)展歷程,第一代生物傳感器? 1962年，美國(guó)Clark教授和L

3、yons教授報(bào)道了用葡萄糖氧化酶與氧電極相結(jié)合檢測(cè)葡萄糖的結(jié)果。他們用透析膜將葡萄糖氧化酶包埋在氧電極表面，氧濃度下降與溶液中的葡萄糖濃度相關(guān)，輸出信號(hào)為電流。他們的這一實(shí)驗(yàn)可認(rèn)為最早提出了生物傳感器的原理。,,,,二、生物傳感器的發(fā)展歷程,第一代生物傳感器? 1969年，美國(guó)學(xué)者G.G. Guilbault 和 J.G. Montalvo研究了電位型酶電極，他們將脲酶固定在氨電極上測(cè)定尿素。以后，出現(xiàn)了一批類似結(jié)構(gòu)的酶

4、電極，用于糖類、氨基酸類物質(zhì)的測(cè)定。,,,,二、生物傳感器的發(fā)展歷程,第一代生物傳感器? 1977年，鈴木周一等發(fā)表了關(guān)于對(duì)生化需氧量（BOD）進(jìn)行快速測(cè)定的微生物傳感器的報(bào)告，并在微生物傳感器對(duì)發(fā)酵過(guò)程的控制方面作了詳細(xì)報(bào)導(dǎo)，正式提出了對(duì)生物傳感器的命名。,,,,二、生物傳感器的發(fā)展歷程,第一代生物傳感器? 上市產(chǎn)品：1979年，美國(guó)YSI公司（維賽儀器公司），血糖測(cè)試用酵素電極。1988年，美國(guó)Medisen

5、se公司（1996，雅培），電化學(xué)法血糖儀，席卷70%以上的第一代產(chǎn)品市場(chǎng)，成為生物傳感器業(yè)的盟主。目前，全球每天有250萬(wàn)人使用Medisense的血糖儀。,,,,二、生物傳感器的發(fā)展歷程,第二代生物傳感器? 定義為使用抗體或受體蛋白當(dāng)分子識(shí)別組件，換能器的選用則朝向更多元化，如場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體、光纖、壓電晶體等。組織、微生物、免疫和細(xì)胞器等傳感器。上市產(chǎn)品：如瑞典Pharmacia公司推出的BIAcore與BIAlite兩項(xiàng)產(chǎn)品

6、（1991年）。,,,,二、生物傳感器的發(fā)展歷程,第三代生物傳感器?將生物技術(shù)和集成電路技術(shù)結(jié)合起來(lái)，Lab On a Chip；定位在更具有便攜式、自動(dòng)化、智能化和實(shí)時(shí)測(cè)定功能。,,無(wú)論是哪種類型的生物傳感器，其探頭均由兩部分組成，一是生物識(shí)別元件，它是由對(duì)被檢測(cè)物質(zhì)具有高選擇性分子識(shí)別功能的膜構(gòu)成；二是換能器，它能把膜上進(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、熱等轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，最后把所得的信號(hào)經(jīng)過(guò)電子技術(shù)的處理，在儀器

7、上記錄并顯示。,生物傳感器模型：,三、生物傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理,,,,生物識(shí)別元件 生物識(shí)別元件又稱生物敏感膜（biosensitive membrane）,是生物傳感器的關(guān)鍵元件。它能夠識(shí)別相應(yīng)的生物分子，具有很高的選擇性，猶如鑰匙和鎖的關(guān)系，一把鑰匙只能開(kāi)一把鎖。生物識(shí)別元件直接決定傳感器的功能與質(zhì)量。,三、生物傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理,,,,生物識(shí)別元件的作用：,三、生物傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理,,,,生物識(shí)別元件的分

8、類及材料構(gòu)成：?,三、生物傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理,,,,換能器 在生物識(shí)別元件內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，必然會(huì)消耗或產(chǎn)生一些化學(xué)物質(zhì)，或者產(chǎn)生光和熱等物理信號(hào)，這些信號(hào)都必須先轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)電子技術(shù)的處理后才能從儀表上顯示或記錄下來(lái)。 換能器的作用是將各種生物的、化學(xué)的和物理的信息轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。,三、生物傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理,,,,換能器的種類：,三、生物傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理,,,四

9、、生物傳感器的分類,（一）根據(jù)生物傳感器的輸出信號(hào)方式分類,1.生物親合型傳感器（Bioaffinity Sensors） 被測(cè)物質(zhì)與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)具有生物親合作用，同時(shí)造成生物分子形狀改變或引起諸如荷電、厚度、質(zhì)量、熱量或光等物理量的變化。 反應(yīng)式可表示為： S（底物）+ R（受體）=SR,,,,四、生物傳感器的分類,（一）根據(jù)生物傳感器的輸

10、出信號(hào)方式分類,2.生物催化型傳感器（Biocatalytic Sensors） 被測(cè)物質(zhì)與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)相互作用并生成產(chǎn)物，信號(hào)轉(zhuǎn)換器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變成輸出信號(hào)，這類傳感器稱為代謝型或催化型傳感器。 反應(yīng)式可表示為： S（底物）+ R（受體）=P（生成物）,,,,四、生物傳感器的分類,（二）根據(jù)生物傳感器中生物識(shí)別元件上的敏感物

11、質(zhì)分類,生物傳感器中生物識(shí)別元件上所用的敏感物質(zhì)有酶、微生物、動(dòng)植物組織、細(xì)胞器、抗原、抗體等。根據(jù)所用的敏感物質(zhì)，可將生物傳感器分為酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器等。,,,,四、生物傳感器的分類,（三）根據(jù)生物傳感器中的信號(hào)轉(zhuǎn)換器分類,生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器有：電化學(xué)電極、離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管、熱敏電阻、光電轉(zhuǎn)換器等；據(jù)此又可將生物傳感器分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測(cè)熱型生物傳感器、測(cè)光行生物傳

12、感器等。,以上后兩種分類方法之間還可以相互交叉，因而生物傳感器的類別就更加豐富，如酶?jìng)鞲衅饔址譃槊鸽姌O、酶熱敏電阻、酶光極等。,,,五、幾種主要的生物傳感器,利用酶在生化反應(yīng)中特殊的催化作用，可使糖類、醇類、有機(jī)酸、氨基酸、激素等生物分子，在常溫下迅速被分解或氧化。反應(yīng)過(guò)程中消耗或產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)即可轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)再記錄下來(lái)。,（一）酶?jìng)鞲衅鳎‥nzyme Sensor）,,,酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)影響因素：1.酶的濃度2.環(huán)境PH值3.

13、環(huán)境溫度4.抑制劑和激活劑,五、幾種主要的生物傳感器,實(shí)例1：葡萄糖氧化酶?jìng)鞲衅?（正常血糖濃度3.9~6.7mmol/L） C6H12O6+2H2O+O2 C6H12O7+2H2O2生物分子識(shí)別元件：葡萄糖氧化酶膜可用的測(cè)量量：O2的減少量，葡萄糖酸或者H2O2的產(chǎn)生量信號(hào)轉(zhuǎn)化元件：氧電極、PH電極及H2O2電極,,,,,,葡萄糖氧化酶,五、幾種主要

14、的生物傳感器,實(shí)例2：乙醇傳感器 (1) C2H5OH+O2 CH3CHO+H2O 生物分子識(shí)別元件：乙醇氧化酶膜 信號(hào)轉(zhuǎn)化元件：氧電極,,,,,,乙醇氧化酶,五、幾種主要的生物傳感器,,,五、幾種主要的生物傳感器,優(yōu)點(diǎn)：酶極易被分離，貯存較容易，目前被廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)：1.特異性不高；2.酶在測(cè)試過(guò)程中極易

15、被消耗而需要不斷更換。,以動(dòng)物或植物組織薄片材料作為生物敏感膜的生物傳感器。 組織傳感器利用天然組織中酶的催化作用，其實(shí)也是一種酶?jìng)鞲衅?。因?yàn)槊付际菑膭?dòng)植物器官、組織中提取出來(lái)，經(jīng)過(guò)純化成為單一的酶。,,五、幾種主要的生物傳感器,（二）組織傳感器（Tissue Sensor）,,五、幾種主要的生物傳感器,,,實(shí)例1：豬腎組織——L-谷氨酰胺電極 L-谷氨酰胺+H2O

16、 谷氨酸+NH3生物分子識(shí)別元件：豬腎組織（谷氨酰胺水解酶）信號(hào)轉(zhuǎn)化元件：PH電極,谷氨酰胺水解酶,五、幾種主要的生物傳感器,,實(shí)例2：花椰菜膜——抗壞血酸組織電極 抗壞血酸+O2 脫氫抗壞血酸+H2O生物分子識(shí)別元件：花椰菜膜（抗壞血酸氧化酶）信號(hào)轉(zhuǎn)化元件：氧電極,抗壞血酸氧化酶,五、幾種主要的生物傳感器,特點(diǎn)：酶處于天然、理想狀

17、態(tài)，穩(wěn)定性高、功效高；有些沒(méi)有了解的反應(yīng)途徑或無(wú)條件擬合的體系，可直接用組織代替；組織可直接切成膜，便于固定；組織酶源廣。,,五、幾種主要的生物傳感器,,以微生物作為生物敏感膜的生物傳感器。按工作原理可分為兩類：（1）利用微生物體內(nèi)酶的生物活性，類似酶?jìng)鞲衅?；?）利用微生物對(duì)有機(jī)物的同化作用； （a）呼吸機(jī)能型微生物傳感器 （b）代謝機(jī)能型微生物傳感器,五、幾種主要的生物傳感器,（三）微生物

18、傳感器（Microorganism Sensor）,,,五、幾種主要的生物傳感器,,,五、幾種主要的生物傳感器,例： 熒光假單胞菌可同化葡萄糖，蕓苔絲孢酵母可同化乙醇，因此可分別用來(lái)制備葡萄糖傳感器和乙醇傳感器。這兩種細(xì)菌在同化底物時(shí)均消耗溶液中的氧，因此可用氧電極來(lái)測(cè)定。,,,利用抗原（Antigen）、抗體（Antibody）具有高靈敏度、高選擇性的結(jié)合作為分子識(shí)別手段的生物傳感器。,五、幾種主要的生物傳感器,（四）免疫傳感

19、器,抗體是一種免疫球蛋白。免疫球蛋白有5種，分別命名為IgG， IgA， IgM， IgD和IgE。無(wú)脊椎動(dòng)物不產(chǎn)生免疫球蛋白。魚(yú)有IgM，兩棲類有IgM和IgG；除人有5種免疫球蛋白外，大多數(shù)哺乳動(dòng)物只有IgG， IgA， IgM和IgE四種免疫球蛋白。 抗原是一種進(jìn)入機(jī)體后能刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)，它可能是生物體（如各種微生物），也可能是非生物體（各種異類蛋白、多糖等）。,,,原理：抗體和抗原的結(jié)合具有高度選擇性

20、，兩者結(jié)合時(shí)，蛋白質(zhì)分子發(fā)生各種性質(zhì)變化，如攜帶的大量電荷會(huì)發(fā)生電位變化，進(jìn)而引起事先固定了抗體的各種轉(zhuǎn)換元件電化學(xué)或者物理參數(shù)的改變。 特點(diǎn)：由于抗原和抗體結(jié)合具有很高的特異性，因此這類傳感器干擾較小、準(zhǔn)確性高、檢測(cè)范圍也很大。,五、幾種主要的生物傳感器,（四）免疫傳感器,,六、生物傳感器的應(yīng)用,（一）發(fā)酵工業(yè)： 因?yàn)榘l(fā)酵過(guò)程中常存在對(duì)酶的干擾物質(zhì)，并且發(fā)酵液往往不是清澈透明的，不適

21、用于光譜等方法測(cè)定。而應(yīng)用微生物傳感器則極有可能消除干擾，并且不受發(fā)酵液渾濁程度的限制。,生物傳感器在線分析系統(tǒng)為發(fā)酵自動(dòng)控制提供了新的基礎(chǔ)平臺(tái),,六、生物傳感器的應(yīng)用,（一）發(fā)酵工業(yè)：,,（二）食品工業(yè)： 生物傳感器可以用來(lái)檢測(cè)食品中營(yíng)養(yǎng)成分和有害成分的含量、食品添加劑 含量、農(nóng)藥和抗生素殘留量、微生物和生物毒素、食品的新鮮程度等。如已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)的酶電極型生物傳感器可用來(lái)分析白酒、蘋(píng)果汁、果醬和蜂蜜中

22、的葡萄糖含量；采用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料制成的電極可用于測(cè)定食品中的亞硫酸鹽含量；還有用于檢測(cè)色素和乳化劑的生物傳感器。,六、生物傳感器的應(yīng)用,,（三）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域： 生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。臨床上用于檢測(cè)體液中的各種化學(xué)成分（葡萄糖、抗壞血酸、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等），為醫(yī)生提供診斷的依據(jù)；在軍事醫(yī)學(xué)中，對(duì)生物毒素的及時(shí)快速檢驗(yàn)是防御生化武器的有效措施；生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測(cè)

23、多種細(xì)菌、病毒以及多種致癌和致變物質(zhì)，如炭疽芽孢桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒等。,六、生物傳感器的應(yīng)用,,（四）環(huán)境監(jiān)測(cè)： 環(huán)保問(wèn)題已引起了全球的廣泛關(guān)注，用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的專業(yè)儀器市場(chǎng)也越來(lái)越大。目前，已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的生物傳感器投入到大氣（SO2、NOx、CO、CO2、NH3、CH4）和水中（微生物和毒素）各種污染物含量的監(jiān)測(cè)中去。 生物傳感器因其具有快速、連續(xù)在線監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，相信