生物传感器兼容

生物传感器兼容PPT第1页，课件共56页，创作于2023年2月目录一.生物传感器的发展历史二.生物传感器的基本概念三.生物传感器的基本原理四.生物传感器的分类五.生物传感器在食品工业中的应用六.生物传感器的发展现状七.生物传感器的发展趋势和展望第2页，课件共56页，创作于2023年2月一.生物传感器的发展历史 第一阶段：20世纪60一70年代，为起步阶段，以Clark传统酶电极为代表。

第二阶段：20世纪70年代末期到80年代，大量的学科交叉出现各种不同原理和技术的生物传感器，尤其80年代中期是生物传感器发展的第一个高潮时期，其代表之一是介体酶电极，它不仅开辟了酶电子学的新研究方向，还为酶传感器的商品化奠定了重要基础。

第三阶段：20世纪90年代以后，有两个象征：一是生物传感器的市场开发获得显著成绩；二是生物亲和传感器的技术突破，以表面等离子体和生物芯片为代表，成为生物传感器发展的第二个高潮。第3页，课件共56页，创作于2023年2月一.生物传感器的发展历史1962年，Clark教授→酶电极1967年，Updike,Hicks→酶传感器1975年，C.Divis提出用完整的微生物活细胞取代纯酶制作的传感器1977年，美国A.Rchnitz研制出检测精氨酸的微生物电极1979年，A.Rchnitz成功研制出了测定谷氨酰胺的组织传感器20世纪80年代，牛津出版社《生物传感器：基础与应用》1990年，在新加坡召开了“首届世界生物传感器学术大会”第4页，课件共56页，创作于2023年2月一.生物传感器的发展历史

生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。它们的共同特征是：探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律，探讨应用于人类经济活动等的基本方法。 生物传感器技术的研究重点是：广泛地应用各种生物活性材料与传感器的结合，研究和开发具有识别功能的换能器，并成为制造新型的分析仪器和分析方法的原创技术，研究和开发它们的应用。生物传感器中应用的生物活性材料对象范围包括：生物大分子、细胞、细胞器、组织、器官等，以及人工合成的分子印迹聚合物。目前，研究DNA分子或蛋白质分子的识别技术已形成生物芯片独立学科领域。第5页，课件共56页，创作于2023年2月二.传感器的基本概念1.生物传感器(biosensor)： 是指对生物物质敏感,并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。生物传感器的组成主要分为两个部分：分子识别元件（生物敏感膜）和换能器（一次仪表）。第6页，课件共56页，创作于2023年2月二.传感器的基本概念1.1分子识别元件 是指固定化的生物敏感材料，是生物传感器的关键元件，直接决定传感器的功能与质量。依生物敏感膜所选材料不同，其组成可以是酶、核酸、免疫物质、全细胞、组织、细胞器或它们的不同组合。第7页，课件共56页，创作于2023年2月二.传感器的基本概念1.2换能器

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。生物学反应过程产生的信息是多元化的，微电子学和传感技术的现代成果为检测这些信息提供了丰富的手段，使得研究者在设计生物传感器时对换能器的选择有足够的回旋余地。 主要的换能器包括氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等。第8页，课件共56页，创作于2023年2月二.传感器的基本概念1.3生物功能物质的固定化

概念：将具有分子识别能力的生物功能物质，包藏或吸附于某些高分子材料，生物高分子或无机材料，如分子筛内制备成感应器，称为生物功能物质的固定化。 常用固定化方法：夹心法（隔离法）、包埋法、吸附法、共价结合法、交联法、微胶囊法。第9页，课件共56页，创作于2023年2月二.传感器的基本概念1.3.1夹心法 是将生物活性材料封闭在双层滤膜之间。依生物材料的不同而选择各种孔径的滤膜。

尤其适用于微生物和组织膜的制作。商品BOD传感器的膜就是用这种方法制作的。用于酶膜制作时稳定性较差。

滤膜的选择生物组分膜孔径膜类型酶10~300A°超滤膜、透析膜组织0.5~10μm微滤膜微生物0.05~10μm微滤膜第10页，课件共56页，创作于2023年2月二.传感器的基本概念1.3.2吸附法 是用非水溶性载体物理吸附或离子结合，使蛋白质分子固定化的方法。 载体种类繁多，如活性炭、高岭土、羟基石灰石、铝粉、硅胶、玻璃、胶原、磷酸钙凝胶、纤维素和离子交换器等。 吸附法主要用于制备酶和免疫膜，吸附过程一般不需要化学试剂，对蛋白质分子活性影响较小，使蛋白质分子容易脱落，特别在环境条件改变时。故常常与其它固定化方法结合使用，如吸附交联法。第11页，课件共56页，创作于2023年2月二.传感器的基本概念1.3.3包埋法 将酶分子或细胞包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。 包埋法的特点是一般不产生化学修饰，对生物分子活性影响较小，膜的孔径和几何形状可任意控制，被包埋物质不易渗漏，底物分子可以在膜中任意扩散，缺点是分子量大的底物在凝胶网格内扩散较困难，因此，不适合大分子底物的测定。第12页，课件共56页，创作于2023年2月二.传感器的基本概念1.3.4共价结合法 是生物活性分子通过共价键与不溶性载体结合而固定的方法。蛋白质分子中能与载体形成共价键的基团有游离氨基、羧基、巯基、酚基和羟基等。有机载体如纤维素及其衍生物、葡聚糖、琼脂粉、骨胶原等，无机载体使用较少，主要有多孔玻璃、石墨等。 根据酶与载体之间的结合形式可以有重氮法、肽键法、烷化法等，以重氮法较为多用。 共价结合法多用于酶膜和免疫分子膜的制作。第13页，课件共56页，创作于2023年2月二.传感器的基本概念1.3.5交联法

此法借助双功能试剂使蛋白质结合到惰性载体或蛋白质分子彼此交联呈网状结构。 交联法广泛用于酶膜和免疫分子膜制备，操作简单，结合牢固，在酶源困难时常常需要加入数倍酶的惰性蛋白质作为基质。本法存在的问题是在进行固定化时需要严格控制pH，一般在蛋白质的等电点附近操作。在交联反应中，酶分子不可避免地会部分失活。第14页，课件共56页，创作于2023年2月三.生物传感器的基本原理被分析物扩散进入固定化生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的化学换能器或物理换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表(检测放大器)放大并输出，便可知道待测物浓度。第15页，课件共56页，创作于2023年2月三.生物传感器的基本原理与传统的分析方法相比，生物传感器这种新的检测手段具有如下的优点：①生物传感器是由选择性好的生物材料构成的分子识别元件，因此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他试剂；②由于它的体积小，可以实现连续在线监测；③响应快，样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用；④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。第16页，课件共56页，创作于2023年2月三.生物传感器的基本原理

生物传感器的优点可现场检测灵敏度高快捷可微型化可操作性强测定简便选择性好便于携带第17页，课件共56页，创作于2023年2月四.生物传感器的分类31、根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感物质分：核酸传感器分子印迹生物传感器√√√第18页，课件共56页，创作于2023年2月四.生物传感器的分类4.1.1分子印迹生物传感器 通过对抗原抗体、酶和底物反应原理的研究和理解,科学家大胆提出了通过化学反应合成模拟抗体的设想,开创了一项崭新的技术—分子印迹技术(molecularimprintingtechnique,MIT)。通过MIT合成的分子印迹聚合物(molecularlyimprintedpolymers,MIPs)被称为“塑料抗体”,科学家因此实现了不依赖生物活体获得“抗体”的宿愿,以此“塑料抗体”取代生物分子作为识别元件研制分子印迹仿生传感器(MIPs仿生传感器)的工作,在20世纪90年代后逐渐成为传感器领域的研究热点。第19页，课件共56页，创作于2023年2月四.生物传感器的分类分子印迹聚合物的制备包括3个步骤:(1)通过共价键或/和非共价键使模板或印迹分子(即待测分子)与功能单体形成官能团和空间结构互补的复合物,所用的功能单体须带有能与印迹分子发生作用的功能基。常用的功能单体有丙烯酸、甲基丙烯酸、三氟甲基丙烯酸及苯乙烯等;(2)加入交联剂,在印迹分子-功能单体复合物周围产生聚合反应,将官能团和空间结构互补的形式固定在聚合物中。常用的交联剂有:双甲基丙烯酸乙二醇酯、季戊四醇三丙烯酸酯及三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯等;(3)从聚合物中除去模板,形成能特异识别、结合模板的空穴,这个聚合物即MIPs。第20页，课件共56页，创作于2023年2月四.生物传感器的分类4.1.2组织传感器

是利用动植物组织中的酶，特异性的催化底物，产生生物活性物质，引起基础电极的响应。第一支组织电极是用动物组织牛肝在美Rechnitz实验室于1978年面世，1981年开创了植物组织电极的研制。其工作原理类似于酶传感器，是酶传感器的衍生性电极。第21页，课件共56页，创作于2023年2月四.生物传感器的分类组织传感器的优点：1、组织电极中酶活性比酶电极所用的离析酶的活性高

2、酶的稳定性增强。因为组织中的酶除了处于最适宜的环境，同时又相当于被固定化了3、组织电极用的生物材料，如动物的肝，肾，肠、肌肉，植物的叶、茎、花、果等易于获得，可代替昂贵的酶试剂4、不清楚是什么酶的催化反应，或对生物催化途径不清楚的反应系统，无法用酶电极，只有用组织电极第22页，课件共56页，创作于2023年2月四.生物传感器的分类4.1.3免疫传感器基本原理：免疫反应。利用固定化抗体（或抗原）膜与相应的抗原（或抗体）的特异反应，使得生物敏感膜的电位发生变化。抗原或抗体一经固定于膜上，就形成具有识别免疫反应强烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纤维素膜上进行固定化，由于蛋白质为双极性电解质，（正负电极极性随ＰＨ值而变）所以抗原固定化膜具有表面电荷。其膜电位随膜电荷要变化。故根据抗体膜电位的变化，可测知抗体的附量。第23页，课件共56页，创作于2023年2月四.生物传感器的分类4.1.3免疫传感器免疫传感器的结构：第24页，课件共56页，创作于2023年2月四.生物传感器的分类2、根据传感器输出信号的产生方式分：生物亲和型生物传感器、代谢型生物传感器、催化型生物传感器4.2.1生物亲和型生物传感器 是利用分子间特异的亲和性，即生物活性物质对底物的亲和或键合作用而建立起来的，如免疫传感器、受体传感器和DNA传感器等，根据生物反应产生信息的物理或化学性质，可采用电化学、光谱、热、压电和表面声波等技术进行检测。第25页，课件共56页，创作于2023年2月四.生物传感器的分类3、根据生物传感器的信号转化器分：电化学生物传感器（bioelectrode）半导体生物传感器（semiconductbiosensor）测热型生物传感（calorimetricbiosensor）测光型生物传感器（opticalbiosensor）压电晶体生物传感器（piezoelectricbiosensor）

√第26页，课件共56页，创作于2023年2月四.生物传感器的分类4.3.1压电晶体生物传感器 利用压电石英晶体对表面电极区附着质量的敏感性，并结合生物功能分子(如抗原和抗体)之间的选择特异性，使压电晶体表面产生微小的压力变化，引起其振动频率改变可制成压电生物传感器。 它主要由压电晶体、振荡电路、差频电路、频率计数器及计算机等部分组成。 常用压电晶体材料：石英（SiO2）、钽酸锂（LiTaO3） 晶体振动两种类型：体声波(bulkacousticwave,BAW)表面声波(Surfaceacousticwave,SAW)第27页，课件共56页，创作于2023年2月五.生物传感器的在食品工业的应用第28页，课件共56页，创作于2023年2月食品工业中应用ACB4.1食品品质检测4.2食品成分分析4.3

食品安全检测五.生物传感器的在食品工业的应用第29页，课件共56页，创作于2023年2月4.1食品品质检测

新鲜度检测

例如畜禽肉、鱼肉和牛乳新鲜度的评定。食品滋味及熟度的检测

例如酱卤肉制品及骨汤类制品。五.生物传感器的在食品工业的应用第30页，课件共56页，创作于2023年2月4.1食品品质检测例：畜禽肉生物传感器肉类在腐败过程中会产生各种胺类,故测定胺类也能反映肉类的新鲜程度。用腐胺氧化酶与过氧化氢电极构成多胺生物传感器,即肉鲜度传感器,测定鱼肉在贮藏过程上的鲜度,响应时间40s,测定腐胺线性范围为3×10

-8～3×10

-6mol/L。

有些肉鲜度传感器是通过测定葡萄糖浓度来评价肉类食品的新鲜度。五.生物传感器的在食品工业的应用第31页，课件共56页，创作于2023年2月4.1食品品质检测待分析物识别元件化学变化

换能器可定量分析的电信号5’－核苷酸酶核苷磷酸化酶黄嘌呤氧化酶电化学元件氧电极

例：鱼鲜度传感器鱼死后体内ATP→ADP→AMP→IMP→肌苷→次黄嘌呤→尿酸五.生物传感器的在食品工业的应用第32页，课件共56页，创作于2023年2月4.1食品品质检测例：牛乳鲜度传感器

牛乳鲜度传感器实际上是一个菌数测定仪。探头是一种燃烧电池，它包括一个铂阴极和一个Ag2O2阳极，两极间用阳离子交换膜隔开。被测定样品与阳极接触，样品中的细菌可在阳极氧化，加入电子传递介质，如亚甲基蓝、二氯酚靛酚等可加快电极反应速度，增大电流。电流值与样品中的细菌浓度成比例，菌数越多，表明牛乳越不新鲜。牛乳放置过程中，受细菌作用而产生乳酸，因此乳酸含量可表示牛乳的鲜度.此外，也可从牛乳放置过程脂解作用产生的短链脂肪酸的含量来判断牛乳及其制品的新鲜度。五.生物传感器的在食品工业的应用第33页，课件共56页，创作于2023年2月用于食品鲜度检测以及微生物和生物毒素测定的传感器类型表1表2五.生物传感器的在食品工业的应用第34页，课件共56页，创作于2023年2月4.2食品成分分析蛋白质和氨基酸检测

有机酸和醇类物质检测例如乳酸、醋酸、乙醇、甲醇等。

糖含量的检测例如果汁、果酱、水果等含糖食品中葡萄糖含量。五.生物传感器的在食品工业的应用第35页，课件共56页，创作于2023年2月4.2食品成分分析例：乙醇生物传感器在与乙醇相关的食品成分分析中直接使用乙醇生物传感器,简便快捷,结果准确,并且适用于现场在线分析。天津商业大学利用核微孔酶膜制造乙醇生物传感器已经获得了专利,该技术既可以快速检测乙醇又可以用于乙醇类产品的发酵控制、质量控制等,无需很大的设备和厂房投资。五.生物传感器的在食品工业的应用第36页，课件共56页，创作于2023年2月4.2食品成分分析例：苹果成熟度（葡萄糖含量测定)待分析物生物敏感膜化学变化换能器可定量分析的电信号葡萄糖氧化酶膜电化学元件H2O2电极五.生物传感器的在食品工业的应用第37页，课件共56页，创作于2023年2月4.3食品安全检测食品中微生物检测例如：沙门氏菌、大肠杆菌、金黄葡萄球菌等。食品中生物毒素检测例如：黄曲霉毒素残留农药检测食品添加剂的检测例如：甜蜜素、亚硝酸盐、磷酸等。

五.生物传感器的在食品工业的应用第38页，课件共56页，创作于2023年2月4.3食品安全检测食品中微生物的检测食品中病原性微生物的存在会给消费者的健康带来极大的危害，食品中毒素不仅种类很多而且毒性大，大多有致癌、致畸、致突变作用，因此，加强对食品中的病原性微生物及毒素的检测至关重要。五.生物传感器的在食品工业的应用第39页，课件共56页，创作于2023年2月4.3食品安全检测食品中微生物的检测食用牛肉很容易被大肠杆菌0157.H7.所感染，因此需要快速灵敏的方法来检测和防御大肠杆菌0157.H7一类的细菌。Kramerr等人研究的光纤生物传感器可以在几分钟内检测出食物中的病原体(如大肠杆菌0157.H7.)，而传统的方法则需要几天。这种生物传感器从检测出病原体到从样品中重新获得病原体并使它在培养基上独立生长总共只需1天时间，而传统方法需要4天。五.生物传感器的在食品工业的应用第40页，课件共56页，创作于2023年2月4.3食品安全检测食品中生物毒素的检测王飞报道了国外采用枯草杆菌制成的微生物传感器对黄曲霉毒素B1的检出限为0.8ug/ml。

R.A.Ogert采用光纤传感器测定了食品中的肉毒杆菌毒素A，检测下限达5ng/mL，1min内可完成测定。此外，应用生物传感器对蓖麻毒素、肉毒杆菌毒素B、葡萄球菌毒素、沙蚕毒素的检测也有报道。五.生物传感器的在食品工业的应用第41页，课件共56页，创作于2023年2月4.3食品安全检测残留农药的检测目前，关于生物传感器对农药残留的检测报道较多，利用农药对目标酶（如乙酰胆碱酯酶）活性的抑制作用研制的酶传感器，以及利用农药与特异性抗体结合反应研制的免疫传感器，在食品残留农药的检测中得到广泛的研究。五.生物传感器的在食品工业的应用第42页，课件共56页，创作于2023年2月4.3食品安全检测例：熟肉制品、泡菜等中亚硝酸盐含量测定待分析物

识别元件光学变化换能器可定量分析的电信号

亚硝酸盐还原酶光学元件光纤五.生物传感器的在食品工业的应用第43页，课件共56页，创作于2023年2月六.生物传感器的发展现状第44页，课件共56页，创作于2023年2月第一代生物传感器(如葡萄糖传感器)由固定了生物成分的非活性基质膜(透析膜或反应膜)和电化学电极所组成。第二代生物传感器(如SPR传感器)是将生物成分直接吸附或共价结合到转换器的表面,而无需非活性的基质膜,测定时不必向样品中加入其他试剂。抗体或受体蛋白作为分子识别组件。第三代生物传感器(如硅片与生命材料相结合制成的生物芯片)是把生物成分直接固定在电子元件上,它们可以直接感知和放大界面物质的变化,从而把生物识别和信号的转换处理结合在一起,结构更为紧凑。六.生物传感器的发展现状第45页，课件共56页，创作于2023年2月生物传感器具有选择性好、快速、灵敏等特点,既可简单应用于日常食品购买,又可被生产者、检测部门应用于大规模食品检测。维生素Ｃ传感器六.生物传感器的发展现状第46页，课件共56页，创作于2023年2月SBA-40型谷氨酸-葡萄糖双功能分析仪进样帽位于反应池上部。可以从此处注入样品或标准液仪器处在随时通电状态，测定时按一下开关六.生物传感器的发展现状第47页，课件共56页，创作于2023年2月发酵罐主机计算机SBA-60型生物传感器乳酸在线分析系统六.生物传感器的发展现状第48页，课件共56页，创作于2023年2月一种葡萄糖传感器-GlucowatchGlucosepulledthroughtheskinbychargedmoleculesTheionsmigratetotheanode(+)andcathode(-)GlucosereactswithglucoseoxidasetoformhydrogenperoxideThereactionproducesanelectrochemicalmeasuredbytheAutoSensor六.生物传感器的发展现状第49页，课件共56页，创作于2023年2月