生物传感器

生物传感器,1,提纲,一、生物传感器的定义二、生物传感器的发展历程三、生物传感器的工作原理四、生物传感器的分类五、几种主要的生物传感器六、生物传感器的应用,一、生物传感器的定义,什么是传感器？,实验室中的传感器： 石蕊试纸显色反应 PH试纸混合指示剂 PH计电化学装置,一、生物传感器的定义,一、生物传感器的定义,什么是传感器？,人体中的传感器：耳朵、眼睛、手指、鼻子和舌头,定义：,传感器：能感受（或响应）一种信息并转换成可测量信 号（一般指电信号）的装置。生物传感器：将生物体的成分（酶、抗原、抗体、激素） 或生物体本身（细胞、细胞器、组织）固定化在一器件 上作为敏感元件的传感器；通常待检测的物质也是生物 物质。,一、生物传感器的定义,二、生物传感器的发展历程,第一代生物传感器 1962年，美国Clark教授和Lyons教授报道了用葡萄糖氧化酶与氧电极相结合检测葡萄糖的结果。他们用透析膜将葡萄糖氧化酶包埋在氧电极表面，氧浓度下降与溶液中的葡萄糖浓度相关，输出信号为电流。他们的这一实验可认为最早提出了生物传感器的原理。,二、生物传感器的发展历程,第一代生物传感器 1969年，美国学者G.G. Guilbault 和 J.G. Montalvo研究了电位型酶电极，他们将脲酶固定在氨电极上测定尿素。以后，出现了一批类似结构的酶电极，用于糖类、氨基酸类物质的测定。,二、生物传感器的发展历程,第一代生物传感器 1977年，铃木周一等发表了关于对生化需氧量（BOD）进行快速测定的微生物传感器的报告，并在微生物传感器对发酵过程的控制方面作了详细报导，正式提出了对生物传感器的命名。,二、生物传感器的发展历程,第一代生物传感器 上市产品：1979年，美国YSI公司（维赛仪器公司），血糖测试用酵素电极。1988年，美国Medisense公司（1996，雅培），电化学法血糖仪，席卷70%以上的第一代产品市场，成为生物传感器业的盟主。目前，全球每天有250万人使用Medisense的血糖仪。,二、生物传感器的发展历程,第二代生物传感器 定义为使用抗体或受体蛋白当分子识别组件，换能器的选用则朝向更多元化，如场效应半导体、光纤、压电晶体等。组织、微生物、免疫和细胞器等传感器。上市产品：如瑞典Pharmacia公司推出的BIAcore与BIAlite两项产品（1991年）。,二、生物传感器的发展历程,第三代生物传感器将生物技术和集成电路技术结合起来，Lab On a Chip；定位在更具有便携式、自动化、智能化和实时测定功能。,无论是哪种类型的生物传感器，其探头均由两部分组成，一是生物识别元件，它是由对被检测物质具有高选择性分子识别功能的膜构成；二是换能器，它能把膜上进行的生化反应中消耗或生成的化学物质，或产生的光、热等转变成电信号，最后把所得的信号经过电子技术的处理，在仪器上记录并显示。,生物传感器模型：,三、生物传感器的结构和工作原理,生物识别元件 生物识别元件又称生物敏感膜（biosensitive membrane）,是生物传感器的关键元件。它能够识别相应的生物分子，具有很高的选择性，犹如钥匙和锁的关系，一把钥匙只能开一把锁。生物识别元件直接决定传感器的功能与质量。,三、生物传感器的结构和工作原理,生物识别元件的作用：,三、生物传感器的结构和工作原理,生物识别元件的分类及材料构成：,三、生物传感器的结构和工作原理,换能器 在生物识别元件内发生的化学反应过程中，必然会消耗或产生一些化学物质，或者产生光和热等物理信号，这些信号都必须先转变成电信号，然后经过电子技术的处理后才能从仪表上显示或记录下来。 换能器的作用是将各种生物的、化学的和物理的信息转变成电信号。,三、生物传感器的结构和工作原理,换能器的种类：,三、生物传感器的结构和工作原理,四、生物传感器的分类,（一）根据生物传感器的输出信号方式分类,1.生物亲合型传感器（Bioaffinity Sensors） 被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，同时造成生物分子形状改变或引起诸如荷电、厚度、质量、热量或光等物理量的变化。 反应式可表示为： S（底物）+ R（受体）=SR,四、生物传感器的分类,（一）根据生物传感器的输出信号方式分类,2.生物催化型传感器（Biocatalytic Sensors） 被测物质与分子识别元件上的敏感物质相互作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变成输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型传感器。 反应式可表示为： S（底物）+ R（受体）=P（生成物）,四、生物传感器的分类,（二）根据生物传感器中生物识别元件上的敏感物质分类,生物传感器中生物识别元件上所用的敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原、抗体等。根据所用的敏感物质，可将生物传感器分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。,四、生物传感器的分类,（三）根据生物传感器中的信号转换器分类,生物传感器的信号转换器有：电化学电极、离子敏场效应晶体管、热敏电阻、光电转换器等；据此又可将生物传感器分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光行生物传感器等。,以上后两种分类方法之间还可以相互交叉，因而生物传感器的类别就更加丰富，如酶传感器又分为酶电极、酶热敏电阻、酶光极等。,五、几种主要的生物传感器,利用酶在生化反应中特殊的催化作用，可使糖类、醇类、有机酸、氨基酸、激素等生物分子，在常温下迅速被分解或氧化。反应过程中消耗或产生的化学物质即可转变成为电信号再记录下来。,（一）酶传感器（Enzyme Sensor）,酶促反应的动力学影响因素：1.酶的浓度2.环境PH值3.环境温度4.抑制剂和激活剂,五、几种主要的生物传感器,实例1：葡萄糖氧化酶传感器 （正常血糖浓度3.96.7mmol/L） C6H12O6+2H2O+O2 C6H12O7+2H2O2生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜可用的测量量：O2的减少量，葡萄糖酸或者H2O2的产生量信号转化元件：氧电极、PH电极及H2O2电极,葡萄糖氧化酶,五、几种主要的生物传感器,实例2：乙醇传感器 (1) C2H5OH+O2 CH3CHO+H2O 生物分子识别元件：乙醇氧化酶膜 信号转化元件：氧电极,乙醇氧化酶,五、几种主要的生物传感器,五、几种主要的生物传感器,优点：酶极易被分离，贮存较容易，目前被广泛应用。缺点：1.特异性不高；2.酶在测试过程中极易被消耗而需要不断更换。,以动物或植物组织薄片材料作为生物敏感膜的生物传感器。 组织传感器利用天然组织中酶的催化作用，其实也是一种酶传感器。因为酶都是从动植物器官、组织中提取出来，经过纯化成为单一的酶。,五、几种主要的生物传感器,（二）组织传感器（Tissue Sensor）,五、几种主要的生物传感器,实例1：猪肾组织L-谷氨酰胺电极 L-谷氨酰胺+H2O 谷氨酸+NH3生物分子识别元件：猪肾组织（谷氨酰胺水解酶）信号转化元件：PH电极,谷氨酰胺水解酶,五、几种主要的生物传感器,实例2：花椰菜膜抗坏血酸组织电极 抗坏血酸+O2 脱氢抗坏血酸+H2O生物分子识别元件：花椰菜膜（抗坏血酸氧化酶）信号转化元件：氧电极,抗坏血酸氧化酶,五、几种主要的生物传感器,特点：酶处于天然、理想状态，稳定性高、功效高；有些没有了解的反应途径或无条件拟合的体系，可直接用组织代替；组织可直接切成膜，便于固定；组织酶源广。,五、几种主要的生物传感器,以微生物作为生物敏感膜的生物传感器。按工作原理可分为两类：（1）利用微生物体内酶的生物活性，类似酶传感器；（2）利用微生物对有机物的同化作用； （a）呼吸机能型微生物传感器 （b）代谢机能型微生物传感器,五、几种主要的生物传感器,（三）微生物传感器（Microorganism Sensor）,五、几种主要的生物传感器,五、几种主要的生物传感器,例： 荧光假单胞菌可同化葡萄糖，芸苔丝孢酵母可同化乙醇，因此可分别用来制备葡萄糖传感器和乙醇传感器。这两种细菌在同化底物时均消耗溶液中的氧，因此可用氧电极来测定。,利用抗原（Antigen）、抗体（Antibody）具有高灵敏度、高选择性的结合作为分子识别手段的生物传感器。,五、几种主要的生物传感器,（四）免疫传感器,抗体是一种免疫球蛋白。免疫球蛋白有5种，分别命名为IgG， IgA， IgM， IgD和IgE。无脊椎动物不产生免疫球蛋白。鱼有IgM，两栖类有IgM和IgG；除人有5种免疫球蛋白外，大多数哺乳动物只有IgG， IgA， IgM和IgE四种免疫球蛋白。 抗原是一种进入机体后能刺激机体产生免疫反应的物质，它可能是生物体（如各种微生物），也可能是非生物体（各种异类蛋白、多糖等）。,原理：抗体和抗原的结合具有高度选择性，两者结合时，蛋白质分子发生各种性质变化，如携带的大量电荷会发生电位变化，进而引起事先固定了抗体的各种转换元件电化学或者物理参数的改变。 特点：由于抗原和抗体结合具有很高的特异性，因此这类传感器干扰较小、准确性高、检测范围也很大。,五、几种主要的生物传感器,（四）免疫传感器,六、生物传感器的应用,（一）发酵工业： 因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且发酵液往往不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰，并且不受发酵液浑浊程度的限制。,生物传感器在线分析系统为发酵自动控制提供了新的基础平台,六、生物传感器的应用,（一）发酵工业：,（二）食品工业： 生物传感器可以用来检测食品中营养成分和有害成分的含量、食品添加剂 含量、农药和抗生素残留量、微生物和生物毒素、食品的新鲜程度等。如已经开发出来的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖含量；采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电极可用于测定食品中的亚硫酸盐含量；还有用于检测色素和乳化剂的生物传感器。,六、生物传感器的应用,（三）医学领域： 生物传感器在医学领域也发挥着越来越重要的作用。临床上用于检测体液中的各种化学成分（葡萄糖、抗坏血酸、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等），为医生提供诊断的依据；在军事医学中，对生物毒素的及时快速检验是防御生化武器的有效措施；生物传感器已应用于