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？,實驗室中的傳感器： 石蕊試紙——顯色反應(yīng) PH試紙——混合指示劑 PH計——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)換成可測量信 號（一般指電信號）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（細胞、細胞器、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Clark教授和L

3、yons教授報道了用葡萄糖氧化酶與氧電極相結(jié)合檢測葡萄糖的結(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)，輸出信號為電流。他們的這一實驗可認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)于對生化需氧量（BOD）進行快速測定的微生物傳感器的報告，并在微生物傳感器對發(fā)酵過程的控制方面作了詳細報導(dǎo)，正式提出了對生物傳感器的命名。,,,,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YSI公司（維賽儀器公司），血糖測試用酵素電極。1988年，美國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，成為生物傳感器業(yè)的盟主。目前，全球每天有250萬人使用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)分子識別組件，換能器的選用則朝向更多元化，如場效應(yīng)半導(dǎo)體、光纖、壓電晶體等。組織、微生物、免疫和細胞器等傳感器。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，Lab On a Chip；定位在更具有便攜式、自動化、智能化和實時測定功能。,,無論是哪種類型的生物傳感器，其探頭均由兩部分組成，一是生物識別元件，它是由對被檢測物質(zhì)具有高選擇性分子識別功能的膜構(gòu)成；二是換能器，它能把膜上進行的生化反應(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，最后把所得的信號經(jīng)過電子技術(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,,,,生物識別元件 生物識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，一把鑰匙只能開一把鎖。生物識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 在生物識別元件內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過程中，必然會消耗或產(chǎn)生一些化學(xué)物質(zhì)，或者產(chǎn)生光和熱等物理信號，這些信號都必須先轉(zhuǎn)變成電信號，然后經(jīng)過電子技術(shù)的處理后才能從儀表上顯示或記錄下來。 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。,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方式分類,1.生物親合型傳感器（Bioaffinity Sensors） 被測物質(zhì)與分子識別元件上的敏感物質(zhì)具有生物親合作用，同時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、出信號方式分類,2.生物催化型傳感器（Biocatalytic Sensors） 被測物質(zhì)與分子識別元件上的敏感物質(zhì)相互作用并生成產(chǎn)物，信號轉(zhuǎn)換器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變成輸出信號，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別元件上的敏感物

11、質(zhì)分類,生物傳感器中生物識別元件上所用的敏感物質(zhì)有酶、微生物、動植物組織、細胞器、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傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、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轉(zhuǎn)換器分類,生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器有：電化學(xué)電極、離子敏場效應(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、測熱型生物傳感器、測光行生物傳

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，如酶傳感器又分為酶電極、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)變成為電信號再記錄下來。,（一）酶傳感器（Enzyme Sensor）,,,酶促反應(yīng)的動力學(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,實例1：葡萄糖氧化酶傳感器 （正常血糖濃度3.9~6.7mmol/L） C6H12O6+2H2O+O2 C6H12O7+2H2O2生物分子識別元件：葡萄糖氧化酶膜可用的測量量：O2的減少量，葡萄糖酸或者H2O2的產(chǎn)生量信號轉(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,實例2：乙醇傳感器 (1) C2H5OH+O2 CH3CHO+H2O 生物分子識別元件：乙醇氧化酶膜 信號轉(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：酶極易被分離，貯存較容易，目前被廣泛應(yīng)用。缺點：1.特異性不高；2.酶在測試過程中極易

15、被消耗而需要不斷更換。,以動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，其實也是一種酶傳感器。因為酶都是從動植物器官、組織中提取出來，經(jīng)過純化成為單一的酶。,,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生物分子識別元件：豬腎組織（谷氨酰胺水解酶）信號轉(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生物分子識別元件：花椰菜膜（抗壞血酸氧化酶）信號轉(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：酶處于天然、理想狀

17、態(tài)，穩(wěn)定性高、功效高；有些沒有了解的反應(yīng)途徑或無條件擬合的體系，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，類似酶傳感器；（2）利用微生物對有機物的同化作用； （a）呼吸機能型微生物傳感器 （b）代謝機能型微生物傳感器,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，因此可分別用來制備葡萄糖傳感器和乙醇傳感器。這兩種細菌在同化底物時均消耗溶液中的氧，因此可用氧電極來測定。,,,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。無脊椎動物不產(chǎn)生免疫球蛋白。魚有IgM，兩棲類有IgM和IgG；除人有5種免疫球蛋白外，大多數(shù)哺乳動物只有IgG， IgA， IgM和IgE四種免疫球蛋白。 抗原是一種進入機體后能刺激機體產(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，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發(fā)生電位變化，進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：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)： 因為發(fā)酵過程中常存在對酶的干擾物質(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)酵自動控制提供了新的基礎(chǔ)平臺,,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檢測食品中營養(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)開發(fā)出來的酶電極型生物傳感器可用來分析白酒、蘋果汁、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定食品中的亞硫酸鹽含量；還有用于檢測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)揮著越來越重要的作用。臨床上用于檢測體液中的各種化學(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，對生物毒素的及時快速檢驗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

23、多種細菌、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： 環(huán)保問題已引起了全球的廣泛關(guān)注，用于環(huán)境監(jiān)測的專業(yè)儀器市場也越來越大。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)測中去。 生物傳感器因其具有快速、連續(xù)在線監(jiān)測的優(yōu)點，相信