生物传感器及其应用

生物传感器

及其在食品中的应用

2021/5/91一、什么是生物传感器二、生物传感器的构成三、生物传感器的分类四、各类生物传感器的原理五、生物传感器的应用2021/5/92一、什么是生物传感器传感器（电极或探头）：能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用信号的器件或装置，它通常由敏感元件、转化元件（换能器）及相应的机械结构和线路组成。2021/5/93生物传感器：是利用生物物质作为敏感材料，将所感受的生物信息转换成电信号进行检测的传感器。某生物参数

感受器

电、热、光

换能器

电信号处理器数字量2021/5/94生物传感器的特点：不要求样品的清晰度，检测样品一般不需要预处理,也不需另加其他试剂。样品中被测组分的分离和检测可以同时完成；选择性高、分析速度快、操作简易；响应快,样品用量少,并且可反复多次使用；灵敏度高：可检测0.1~1.0ppm浓度的物质，最小极限为10-10g/mL。稳定性相对较差：检测结果易受物理和化学环境因素的影响。可进行活体分析；可以实现连续在线监测,容易实现自动化测量。2021/5/95二、生物传感器的构成由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的物理、化学换能结构器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成。2021/5/96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，产生的信息如分子浓度、光、电、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。2021/5/97生物膜的成膜固定技术与传感器器件技术是生物传感器的两大关键支撑，决定生物传感器的检测质量。2021/5/98生物膜的成膜技术分为物理或化学方法：物理方法有物理吸附与物理包埋。化学方法有离子交换剂法、共价结合法、胶联共聚法等，通过化学作用结合固定生物分子。2021/5/99传感器器件技术：是将生物的特异关联反应中所伴随的物理或化学变化通过热、电、光、声等信息载体转换成电信号，通过放大或其他方式，传递到处理系统从而显示被检测物质的量或质。2021/5/910（一）根据换能器分类

换能器：主要是电化学或光学检测元件(如：电流、电位测量电极、热敏电阻、场效应晶体管、压电晶体及光纤等)。三、生物传感器的类型及原理2021/5/911信号转换器生物反应产生的信号电极式各种电极活性物质，如O2、CO2、H+、NH4+等热敏电阻式热光电纤维式光半导体式电场压电晶体式气体等离子体共振式磁场2021/5/912（1）将化学变化转变成电信号

以酶传感器为例,酶催化特定底物发生反应,从而使特定生成物的量有所增减，用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合,即构成酶传感器。常用转换装置有氧电极、过氧化氢。2021/5/913（2）将热变化转换成电信号

固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化，例如大多数酶反应的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围。这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化,后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。2021/5/914（3）将光信号转变为电信号

例如，过氧化氢酶,能催化过氧化氢/鲁米诺体系发光,因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端,再和光电流测定装置相连,即可测定过氧化氢含量。还有很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧光，也可以用这种方法测定底物浓度。2021/5/915上述三类生物传感器共同点：都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应,将反应后所产生的化学或物理变化再通过信号转换器转变为电信号进行测量,这种方式统称为间接测量方式。2021/5/916（4）直接产生电信号方式这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用)在电极表面上发生，根据所得的电流量即可得底物浓度。这种方法受环境因素影响小，更稳定。2021/5/917（一）根据感受器的生物敏感物质分类感受器（分子识别元件）：由具有分子识别能力的生物功能物质(如：酶、动植物组织切片、微生物、抗原、抗体和核酸等)构成。2021/5/918酶传感器各种酶微生物传感器微生物细胞细胞器传感器细胞膜、线粒体、电子传递体、微粒体等细胞器组织传感器细胞组织免疫传感器抗原、抗体基因（DNA）传感器核酸（DNA、RNA）2021/5/9191.酶电极传感器电极式生物传感器

电极式生物传感器的组成：2021/5/920电极活性物质

电极被测物质膜生物催化剂酶、微生物抗体、抗原细胞器、细胞组织输出电信号电化学反应电极式生物传感器原理示意图

2021/5/921电极式生物传感器原理模式：被测物质

固定化生物催化剂膜

电极活性物质

电极

电信号

生物化学反应电化学反应2021/5/922以葡萄糖氧化酶(GOD)电极为例简述其工作原理：在GOD的催化下,葡萄糖被氧化生成葡萄糖酸和过氧化氢。C6H12O6+O2C6H12O7+H2O2根据上述反应,可通过氧电极(测氧的消耗)、过氧化氢电极(测H2O2的产生)和pH电极(测酸度变化)来间接测定葡萄糖的含量。2021/5/923

葡萄糖传感器组成：葡萄糖氧化酶聚丙烯酰胺凝胶

包埋法葡萄糖氧化酶膜氧电极葡萄糖传感器2021/5/924葡萄糖传感器示意图

PbPt记录仪空气被测溶液电解质溶液聚四氟乙稀膜固定化葡萄糖氧化酶膜氧电极葡萄糖

酶催化反应

电极旁O2浓度↓电化学反应电流值↓→葡萄糖浓度

酶膜上氧电极上

主要性能：测量范围：1~500mg/L

响应时间：10~30s

使用寿命：60~100day2021/5/925最重要的酶有二类：即氧化还原酶和水解酶。前者可以催化用氧气或NAD进行氧化的物质，后者可以催化物质的水解反应，酶催化反应过程中通常伴随有质子、离子、热量、光信号、电信号或质量的变化。大部分生物传感器都将酶作为识别响应的复合系统。2021/5/926某些酶传感器一览表待测物质固定化酶转换器测量范围(mg/L)响应时间（min）稳定性(day)葡萄糖葡萄氧化酶铂电(H2O2)氧电极(O2)1~5×1031~5×10215(S)10(S)60~100100各种糖蔗糖酶、变旋酶葡萄糖氧化酶氧电极(O2)100~5000514乳酸乳酸脱氢酶燃料电极(NADH)~100030(S)14乙醇乙醇脱氢酶乙醇氧化酶原电池铂电极(H2O2)<46000~30%(V)4020(S)>1430尿素尿酶铵电极(NH4+)氨电极(NH3)10~100010~10000.5~12~42130青霉素青霉素酶玻璃电极(H+)10~10000.5~27~14L-酪氨酸酪氨酸脱羧酶CO2电极(CO2)10~1041~2202021/5/9272.微生物传感器在酶传感器制造中，首先遇到的困难就是酶的提取与精制。微生物膜作为分子识别元件利用：①利用微生物细胞内单一或多个酶的机能——类似于酶传感器；②利用微生物的生理机能——呼吸活性、代谢产物等。2021/5/928（1）微生物传感器的原理与分类酶活性测定型——以微生物酶催化反应的活性为指标；（类似于酶传感器）呼吸活性测定型——以微生物呼吸活性为指标；电极活性物质测定型——以微生物代谢产物为指标。2021/5/929①呼吸活性测定型——必须是好气性微生物氧浓度↓氧电极电流值↓

CO2生成CO2电极电位值↑

氧

微生物利用的被测物质好气微生物膜2021/5/930②电极活性物质测定型——包括厌氧和好氧微生物待测物质固定化微生物膜

CO2CO2电极电位式

H2

铂阳极，Ag2O2阴极电流式

NH3

氨电极电位式

H+

玻璃电极电位式还原型辅酶燃料电极电流式2021/5/931（2）微生物传感器特点微生物较酶易获得，价格相对较低；稳定性好，连续使用时间可达一个月左右；响应时间比酶传感器长，多数在10分钟左右；特异性较酶传感器差。

2021/5/932（3）微生物传感器实例例1：谷氨酸传感器谷氨酸脱羧酶催化谷氨酸的反应为：

HOOC-(CH2)2-CHNH2-COOH谷氨酸脱羧酶

HOOC-(CH2)2-CH2NH2+CO22021/5/933①传感器制备大肠杆菌细胞↓冷冻干燥↓用水调匀↓涂布于尼龙网（60目，ф7mm）两面↓置于CO2电极上↓外用赛璐酚膜盖住↓谷氨酸传感器电极膜（硅橡胶膜）细胞尼龙网(大肠杆菌)赛璐酚膜

CO2

电极2021/5/934②测定原理③主要性能

A．响应时间：5min左右；

B．测量范围：10~800mg/L；

C．使用寿命：20day。在无氧条件下

2021/5/935④专一性：

A．对谷氨酰胺有响应，对其它氨基酸的作用可忽略。

B．葡萄糖<7.9g/L、醋酸<0.2g/L时，无影响。

C．无机离子影响可忽略。2021/5/936例2：氨传感器①测定原理硝化菌氧化铵的反应要消耗氧：NH4++O2

硝酸菌

NO2―NO2―+O2

硝化细菌

NO3―

NH4+

微生物反应电极旁O2浓度↓电化学反应电流值↓→推算NH4+浓度

硝化菌膜上

氧电极上2021/5/937②传感器制备活性污泥↓分离

硝化菌↓固定于乙酸纤维素膜↓安装于氧电极上↓测定铵（氨）微生物传感器

氧电极

Pt乙酸纤维素膜(硝化菌)透气膜聚四氟乙烯膜2021/5/938③主要特性响应时间：2min(pH=10的缓冲溶液中)测量范围：1～42mg/L相对误差：<4%使用时间：20day2021/5/9393.免疫传感器

（1）动物的防疫机制：2021/5/940动物的防卫系统动物防卫系统清除有害因子外界:病原体体内:异常细胞维持内环境稳定2021/5/941动物的免疫防线：第一道防线（非特异性）物理生化屏障：皮肤、粘膜、皮肤及粘膜分泌物、胃酸第二道防线（非特异性）吞噬细胞、体液中抗菌蛋白、炎症应答第三道防线（特异性）细胞免疫、体液免疫（抗原抗体反应）2021/5/942抗原与抗体抗原(antigen,Ag)是一类能诱导免疫系统发生免疫应答，并能与免疫应答的产物(抗体或效应细胞)发生特异性结合的物质。性质：抗原具有免疫原性和反应原性两种性质。

2021/5/943免疫原性是指抗原刺激机体后，机体免疫系统能形成免疫应答的产物的特异性免疫反应。反应原性是指产生的免疫应答的产物与抗原进行特异性结合的免疫反应。

2021/5/944化学本质：抗原一般是蛋白质或脂多糖，存在于细胞、病毒、细菌和真菌的表面及血液和组织液中，外源性DNA、RNA也可视为抗原物质。抗原可分外源性抗原和内源性抗原半抗原或不全抗原：没有免疫原性，但有免疫反应性，与载体蛋白结合后有抗原性。吗啡2021/5/945常见外源性抗原2021/5/946抗体免疫系统受抗原刺激后，由被激活的淋巴细胞（浆细胞）产生能与抗原发生特异性结合的球蛋白，这类球蛋白称为抗体。占血浆蛋白的20%。2021/5/947抗原抗体反应：抗体与抗原能够在动物体内或体外发生特异性的紧密结合。免疫电极传感器就是利用抗原、抗体在体外的特异性结合反应。2021/5/9482021/5/949（2）免疫电极传感器免疫电极(immunobioelectrode)是以免疫物质（抗原或抗体）作为敏感元件的电化学生物传感器。免疫物质的高特异性识别使免疫电极具有很高的特异性。

根据测定过程是否需要标记物可分为直接免疫电极（directimmunoelectrode）和间接免疫电极（indirectimmunoelectrode）。

2021/5/950①直接免疫电极——不用任何标记物

例如（设抗体为被测物）：抗体电信号（电压）电化学或电学变化膜电压变化特点：不需额外试剂，仪器要求简单，操作容易，响应快；缺点：灵敏度低，因而难以作为标准检测方法。2021/5/951（2）间接免疫电极

——需要制备酶标抗体或酶标抗原结合物

▲利用标记物将免疫反应的信号放大后间接测定抗原或抗体，这类电极称为间接免疫电极，亦称酶联免疫测定法（ELISA法）（enzymelinkedimmunoassay）。2021/5/952例如（设抗体为被测物）：推测试样中抗体浓度

抗体↓固定化酶标抗原膜抗体与酶标抗原结合↓

改变酶标抗原存在状态↓固定化酶标抗原膜←底物状态改变的酶标抗原催化底物反应↓反应速度与试样中抗体浓度有关↓2021/5/9532021/5/9544.DNA传感器DNA测定主要指靶DNA的检测、DNA序列测定和DNA杂交测定。DNA测定在分子生物学及其基因操作研究、临床诊断、反恐侦检、食品安全、检疫等方面应用广泛。传统的DNA检测主要依靠膜上分子杂交和电泳，其特点是技术要求高，时间长、成本高、效率低。近年来DNA传感器和DNA列阵的出现，使DNA的检测大大减化。2021/5/955（1）DNA传感器的特点①特异性好。②稳定性好—离体DNA比蛋白质（酶）分子稳定。③制备简单，DNA可用仪器批量合成。④DNA的操作方法具有通用性，容易标准化。⑤结合芯片技术，可制备DNA列阵，实现高通量测定。⑥灵敏度高，可以达到10-11mol/L以上。⑦用途极其广泛。2021/5/956（2）DNA传感器的分类★按转换器的不同可分为电极型（电化学型）、光学型和质量型等。其中应用最广泛的电极型DNA传感器，根据其作用原理的不同可分为五大类：A.直接DNA电化学型（directDNAelectrochemistry）B.间接DNA电化学型（indirectDNAelectrochemistry）C.特异性氧化还原指示剂型（specificredoxindicator）D.DNA介导的带电输出型（DNA-mediatedchargetransport）E.纳米颗粒电化学放大型（nanoparticleselectrochemicalenhancing）2021/5/957（3）DNA电化学传感器原理DNA电化学传感器通常由已知序列的单链DNA（ssDNA，通常称为探针）分子和电极组成。样品中互补的ssDNA固定化ssDNA

dsDNA电极表面

电信号变化识别和测定靶基因杂交反应结构变化电化学反应2021/5/9585.组织电极与细胞器电极传感器直接采用动植物组织薄片作为敏感元件的电化学传感器称组织电极传感器,其原理是利用动植物组织中的酶,优点是酶活性及其稳定性均比离析酶高,材料易于获取,制备简单,使用寿命长等。但在选择性、灵敏度、响应时间等方面还存在不足。

2021/5/959动物组织电极主要有:肾组织电极、肝组织电极、肠组织电极、肌肉组织电极、胸腺组织电极等。测定对象主要有:谷氨酰胺、葡萄糖胺6磷酸盐、D氨基酸、H2O2、地高辛、胰岛素、腺苷、AMP等。植物组织电极敏感元件的选材范围很广,包括不同植物的根、茎、叶、花、果等。植物组织电极制备比动物组织电极更简单,成本更低并易于保存。

2021/5/960细胞器电极传感器是利用动植物细胞器作为敏感元件的传感器。细胞器是指存在于细胞内的被膜包围起来的微小“器官”,如线粒体、微粒体、溶酶体、过氧化氢体、叶绿体、氢化酶颗粒、磁粒体等等。其原理是利用细胞器内所含的酶(往往是多酶体系)。2021/5/961五、生物传感器的应用在发酵工业中的应用在食品分析中的应用在环境监测中的应用在生物医学上的应用在军事上的应用2021/5/962参数传感器参数传感器温度热电偶，热敏电阻，铂电阻温度计DCO2CO2电极，膜管传感器罐压隔膜式压力表醇类物质浓度膜管传感器，生物传感器气体流量热质量流量计基质和代谢物浓度生物传感器搅拌转速转速传感器NH4+铵离子电极，氨电极，生物传感器搅拌功率应变计金属离子浓度离子选择性电极料液量测力传感器排气中氧分压热磁氧分析仪气泡接触电极排气中CO2分压红外气体分析仪流加物料流量转速传感器，测力传感器浊度或菌体浓度光导纤维法。