生物传感器概述

1、生物传感器概述及应用生物传感器概述及应用概述概述n传感器（传感器（sensorsensor，transducertransducer）n 感受被测量物，转换成输出信号的器件或装置，通常由感受被测量物，转换成输出信号的器件或装置，通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成。组成。n按检测对象划分按检测对象划分传感器物理传感器化学传感器生物传感器感受器为非生命物质感受器为生命物质生物传感器定义n生物传感器是以固定化的生物材料作为生物传感器是以固定化的生物材料作为敏感元件敏感元件，与适当的，与适当的转换元件转换元件结合所结合所构成的一类传感器。构成的一类传感器。酶具有识别特定分子的能力酶具有识别

2、特定分子的能力1962年，年， L.C.Clark酶与电极结合起来测定酶的底物酶与电极结合起来测定酶的底物葡萄糖电极葡萄糖电极1967年，年，Updike和和Hicks第一个酶电极第一个酶电极使用溶解性酶，难重复固定化葡萄糖氧化酶（固定化葡萄糖氧化酶（GODGOD）氧电极）氧电极生物传感器原理配体干扰酶酶辅酶辅酶维 生 素维 生 素抗原抗原抗体抗体生物功能膜（酶、微生物、细胞器、组织、生物功能膜（酶、微生物、细胞器、组织、细胞、抗原、抗体）细胞、抗原、抗体）待测物质扩散作用固定化生物敏感膜层分子识别生物学反应电信号换能器分类识别元件微生物传感器细胞传感器酶传感器免疫传感器组织传感器换能器光生物

3、传感器热生物传感器生物电极传感器半导体传感器压电晶体传感器检测方法生物传感器的信号处理方法生物传感器的信号处理方法由生物活性元件引起的变化由生物活性元件引起的变化（生物学反应信息）（生物学反应信息）信号处理方法信号处理方法（换能器的选择）（换能器的选择）电极活性物质的生成或消耗电极活性物质的生成或消耗电流检测电极法电流检测电极法离子性物质的生成或消耗离子性物质的生成或消耗电位检测电极法电位检测电极法膜或电极电荷状态的变化膜或电极电荷状态的变化膜电位法、电极电位法膜电位法、电极电位法质量变化质量变化压电元件法压电元件法阻抗变化阻抗变化电导率法电导率法热变化（热效应）热变化（热效应）热敏电阻法热敏

4、电阻法光谱特性变化（光效应）光谱特性变化（光效应）光纤和光电倍增管光纤和光电倍增管生物传感器分子识别机理1 1、酶促反应、酶促反应2 2、免疫化学反应、免疫化学反应 3 3、微生物反应、微生物反应4 4、生物学反应中的物理量变化、生物学反应中的物理量变化酶促反应E + S ES E + P免疫化学反应 抗体抗体Ab 抗原抗原Ag 微生物反应微生物反应微生物呼吸或代谢产生一些产生一些电活性物质电活性物质消耗溶液中消耗溶液中的的溶解氧溶解氧检测生物学反应中的物理量变化生物学反应中的物理量变化n（1 1）热焓热焓变化变化根据热力学第二定律，一个能自发进行的反应，总伴随着自由能的降低。根据热力学第二定

5、律，一个能自发进行的反应，总伴随着自由能的降低。 G GH HTTS S 酶促反应和微生物反应常常释放出可观的热量，根据焓变可定量测定底物酶促反应和微生物反应常常释放出可观的热量，根据焓变可定量测定底物的浓度。的浓度。n（2 2）生物）生物发光发光 生物发光是由于某些生物体内的一些特殊物质（如荧光素）的氧化而产生的生物发光是由于某些生物体内的一些特殊物质（如荧光素）的氧化而产生的现象。（现象。（细菌发光其强度取决于积累的还原型细菌发光其强度取决于积累的还原型FMNFMN的量。的量。）生物学反应中的物理量变化生物学反应中的物理量变化n（4 4）阻抗变化阻抗变化n（3 3）颜色反应颜色反应生物体内

6、产生色素酶与底物作用后产生有颜色物质培养基中的电惰性物质培养基中的电惰性物质电活性产电活性产物物微生物代谢培养液的导电性增培养液的导电性增大，阻抗降低大，阻抗降低生物传感器应用领域食品工业 n食品鲜度食品鲜度鱼鲜度传感器鱼鲜度传感器 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经酶解依次形经酶解依次形成成ADP、AMP、IMP、肌苷、次黄嘌呤和尿酸。、肌苷、次黄嘌呤和尿酸。n肉鲜度传感器肉鲜度传感器 肉类在腐败过程中会产生各种胺类，故肉类在腐败过程中会产生各种胺类，故胺类胺类测定能反映肉类的新鲜程度。测定能反映肉类的新鲜程度。

7、用腐胺氧化酶与过氧化氢电极构成多胺生物传感器，或用单胺氧化酶膜和氧用腐胺氧化酶与过氧化氢电极构成多胺生物传感器，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。电极组成的酶传感器测定肉在贮藏过程中的鲜度。环境监测n水体检测水体检测 生化需氧量（生化需氧量（BODBOD） 通过微生物吸收有机物时消耗氧而引起电极电流的变化来测定通过微生物吸收有机物时消耗氧而引起电极电流的变化来测定BODBOD。n大气检测大气检测 NHNH3 3 ，SOSO2 2通过氧电极和硝化菌，氧电极和肝微粒体通过氧电极和硝化菌，氧电极和肝微粒体( ( 含亚硫酸盐氧化酶含亚硫酸盐氧化酶) )来测定传感器来测定传

8、感器周围氧气浓度变化。周围氧气浓度变化。发酵工业n微生物检测微生物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。检测。n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。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。n还用于微生物细胞数目的测定。还用于微生物细胞数目的测定。n利用这种电化学微生物细胞数传感器可以实现菌体浓度连续、在线的测定。利用这种电化学微生物细胞数传感器可以实现菌体浓度连续、在线的测定。医学领域n临床医学临床医学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酶电极是最早研制且应用

9、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。生物代替酶，可制成微生物传感器。胆固醇测定胆固醇测定用胆固醇氧化酶和辣根过氧化物制备酶修饰电极，用胆固醇氧化酶和辣根过氧化物制备酶修饰电极，催化胆固醇生成催化胆固醇生成 H H2 2O O2 2，而生成的而生成的 H2O2 H2O2在辣根过氧化物酶的作用下被氧化，释放出氧化电流在辣根过氧化物酶的作用下被氧化，释放出氧化电流目前市场上的主流仪器n德国研发的环境废水德国研发的环境废水BODBOD分析仪（市场上以德国和日本的仪器占主导）分析仪（市场上以德国和日本的仪器占主导）手掌型葡萄糖(glucose)分析仪SBA-50型单

10、电极生物传感分析仪n葡萄糖葡萄糖/ /乳酸乳酸/ /谷氨酸谷氨酸/ /乙醇生物传感分析仪乙醇生物传感分析仪全自动发酵系统最新进展n新型凝胶材料：让电路能自主修复新型凝胶材料：让电路能自主修复美国得克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员，开发出第一种不需要外部的刺美国得克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员，开发出第一种不需要外部的刺激即可自我修复的凝胶材料，材料本身还具备极强的导电性。这项突破将给生激即可自我修复的凝胶材料，材料本身还具备极强的导电性。这项突破将给生物传感器等设备的研制提供帮助。物传感器等设备的研制提供帮助。无创血糖测量n香港理工大学应用物理学系成功研发极灵敏的晶体管生物传感器，能针对性香港理工大学应用物理学系成功研发极灵敏的晶体管生物传感器，能针对性地反映唾液中的糖分水平，只须小量唾液即可反映其中的糖分水平，更属全地反映唾液中的糖分水平，只须小量唾液即可反映其中的糖分水平，更属全球首项同类成功研究。球首项同类成功研究。n利兹大学的研究团队声称，他们也开发出了一款无创血糖检测设备。目前这利兹大学的研究团队声称，他们也开发出了一款无创血糖检测设备。目前这项技术已经授权给项技术已经授权给GlucosenseGlucosense。这项检测设备目前没有命名，研发团队也没。这项检测设