《感测技术应用》PPT课件.ppt

生物传感器简介生物传感器简介 制作人制作人 生活中生物传感器的应用生活中生物传感器的应用 生物信息学生物信息学 生物芯片生物芯片 生物控制论生物控制论 仿生学仿生学 生物计算机生物计算机 生物传感器中应用的生物活性材生物传感器中应用的生物活性材 料对象料对象 大分子（蛋白质等）大分子（蛋白质等） 细胞细胞 细胞器细胞器 器官器官 人工合成的分子印迹聚合物人工合成的分子印迹聚合物 等等 一：一： 生物传感器简介生物传感器简介 概述 u1生物传感器的定义 用生物功能物质（固定化的生物体成分：如 酶、抗原、抗体、激素等，或生物体本身：细胞 、细胞体、动植物组织）作为敏感元件的传感器 ，称为分子生物传感器，简称生物传感器（ Biosensor）。 uu2 2生物传感器生物传感器的特点的特点 (1) 测定范围广泛。 (2)生物传感器使用时一般不需要样品的预处理，样品 中的被测组分的分离和检测同时完成，且测定时一般 不需加入其它试剂。 (3) 采用固定化生物活性物质作敏感基元（催化剂）， 价值昂贵的试剂可以重复多次使用。 (4)测定过程简单迅速。 (5) 准确度和灵敏度高。一般相对误差不超过1。 (6)由于它的体积小，可以实现连续在线监测，容 易实现自动分析。 (7) 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。 (8)可进入生物体内。 (9)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪 器，便于推广普及。 3 3生物传感器的发展历史生物传感器的发展历史 1967年S.J.乌普迪克等制出了第一个生物传感器葡萄 糖传感器。将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以 固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成 了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜，便 可制得检测其对应物的其他传感器。固定感受膜的方法有 直接化学结合法；高分子载体法；高分子膜结合法。现已 发展了第二代生物传感器（微生物、免疫、酶免疫和细胞 器传感器），研制和开发第三代生物传感器，将系统生物 技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器，90年代开 启了微流控技术，生物传感器的微流控芯片集成为药物筛 选与基因诊断等提供了新的技术前景。 u4生物传感器的基本结构 图1 生物传感器的基本结构 生物传感器组成部分生物传感器组成部分 一是生物分子识别元件(感受器),是具有分子识别能 力的生物活性物质(如组织切片、细胞、细胞器、 细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等); 二是信号转换器(换能器),主要有电化学电极(如电 位、电流的测量)、光学检测元件、热敏电阻、场 效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件 等，当待测物与分子识别元件特异性结合后,所产 生的复合物(或光、热等)通过信号转换器变为可以 输出的电信号、光信号等,从而达到分析检测的目 的。 u5生物传感器的分类 大致分为以下几种： l（1）基于构成传感器的生物活性材料的分 类方法，如酶传感器、微生物传感器、免 疫传感器、组织传感器和细胞传感器。 l（2）着眼于测量对象物质的分类方法，如 葡萄糖传感器、胆甾醇传感器。 l（3）基于信号变换原理的分类方法，如光 生物传感器、热生物传感器、压电晶体生 物传感器等。 二：生物传感器的工作原理二：生物传感器的工作原理 工作原理：待测物质经扩散作用进入 固定生物膜敏感层，经分子识别而发 生生物学作用，产生的信息如光、热 、音等被相应的信号转换器变为可定 量和处理的电信号，再经二次仪表放 大并输出，以电极测定其电流值或电 压值，从而换算出被测物质的量或浓 度。 生物传感器的原理图如图2所示。它主要由两 大部分构成，一是生物功能物质的分子识 别部分；二是变换部分。 图2 生物传感器原理图 三： 生物传感器的应用 目前已经问世或正在研究的生物传感 器大致有这样几类：酶传感器、微生物传 感器、免疫传感器、有机物传感器、生物 电子学传感器等。下面主要介绍酶传感器 的结构和应用。 u1酶传感器的结构 酶传感器酶传感器 酶的本质和特征酶的本质和特征 产生于生物体内 具有催化活性 分子量巨大（1万百万） 高效催化性（常温、方向性明显、速度极 高） 高度专一性（物质、产物） u2酶传感器的分类 酶传感器按照所测电极参数的不同，一般可 分为电位型和电流型两大类。 u3酶传感器的应用 （1）葡萄糖传感器 在葡萄糖氧化酶（GOD）膜的作用下 ，葡萄糖发生氧化反应，消耗氧而生成葡 萄糖酸内脂和过氧化氢。被消耗的氧或生 成的过氧化氢可以用上述的电极检测到。 快速葡萄糖(glucose)分析仪 （2）尿素传感器 尿素传感器是酶传感器中比较成熟的 一种。 在医学临床检查中，定量分析患者 的血清和体液中的尿素对于肾功能的诊断 是很重要的。对慢性肾衰竭的患者进行人 工透析，在确定人工透析次数和透析时间 时，尿素的定量分析也是比不可少的。 （3）酶热敏传感器 这类生物传感器的测量原理是：由于 大多数酶反应是放热性的，采用识别元件 的催化作用或因构造和物性的变化，将引 起热焓变化（通常热焓的变化范围在5 100kJ/mol），因此反应中产生的总热 量与克分子的热焓成正比。借助于热敏电 阻可将其转换为电信号输出。这样热敏电 阻检测出的温度变化与反应混合物中热焓 的总变化是有关系的。 （4）生物组织电极传感器 这类传感器主要利用生物组织中的酶 与被分析物产生复杂的系列反应，使氨基 酸和其他重要的生物分子产生响应。例： 用得蕉浆测多巴胺，用玉米测丙酮酸，用 黄瓜叶测半光氨酸，用甜菜测酷氨酸，用 兔肝测鸟嘌呤，用兔肌肉粉测一磷酸腺苷 等。这类传感器的主要优点是原料易取得 ，灵敏度也很高，但生物组织的成分很复 杂，可能有负反应干扰以及反应慢、不易 保存和使用寿命短等缺点。 在食品分析的应用在食品分析的应用 食品成分分析 食品添加剂的分析 农药和抗生素残留量分析 微生物和生物毒素的检验 食品鲜度的检测 水质分析：一个典型应用是测定生化需氧量（ BOD），传统方法测BOD需5天，且操作复杂。 1977年Karube等首次报道了BOD微生物传感器， 只需15分钟即能测出结果,连续使用寿命达17天； 废气或环境大气的监测 ：可用于测定空气中SO2 、NOX、CO2、NH3、CH4等的含量； 农药和抗生素残留量的分析 ：用乙酰胆碱酯酶 和丁酰胆碱酯酶为敏感材料制作的离子敏场效应 晶体管酶传感器可用于蔬菜等样品中有机磷农药 DDVP和伏杀磷等的测定 在环境监测中的应用在环境监测中的应用 基础研究：生物传感器可实时监测生物大分子之间 的相互作用。借助于这一技术动态观察抗原、抗体 之间结合与解离的平衡关系，可较为准确地测定抗 体的亲和力及识别抗原表位，帮助人们了解单克隆 抗体特性，有目的地筛选各种具有最佳应用潜力的 单克隆抗体 。 临床应用：用酶、免疫传感器等生物传感器来检测 体液中的各种化学成分，为医生的诊断提出依据。 生物医药： 利用生物工程技术生产药物时，将生物 传感器用于生化反应的监视，可以迅速地获取各种 数据，有效地加强生物工程产品的质量管理。 在生物医学上的应用在生物医学上的应用 现代战争往往是在核武器、化学武器、生 物武器威胁下进行的战争。侦检、鉴定和检测 是进行有效化学战和生物战防护的前提。由于 具有高度特异性、灵敏性