《传感器原理及应用》课件-第14章+生物传感器

第14章生物传感器传感器原理与应用14.1概述14.2酶传感器14.3免疫传感器14.4微生物传感器14.5其他常见生物传感器及应用目录

传感器原理与应用第14章生物传感器14.1概述生物传感器（Biosensor）起源于20世纪60年代，在20世纪80年代得到了公认与发展，并作为传感器的一个分支应用于食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面。生物传感器利用酶、抗体、微生物等作为敏感材料，并将其产生的物理量、化学量的变化转化为电信号，用以检测与识别生物体内的化学成分。将生物敏感材料固定在高分子人工膜等载体上，被识别的生物分子作用于人工膜（生物传感器）时，将会产生变化的信号（电、热、光等）输出，然后采用电化学法、热测量法或光测量法等测出输出信号。具有选择性好、灵敏度高、响应速度快、成本低廉、能在复杂的体系中进行在线连续监测等特点

传感器原理与应用第14章生物传感器14.1概述发展历程：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”

传感器原理与应用第14章生物传感器14.1.1生物传感器的工作原理工作原理：被测物质经扩散进入生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应（物理、化学变化），产生物理、化学现象或产生新的化学物质，由相应的敏感元件转换成可定量、可传输处理的电信号。生物传感器敏感膜（分子识别元件）敏感元件（信号转换元件）图14-1生物传感器的基本工作原理

传感器原理与应用第14章生物传感器14.1.1生物传感器的工作原理图14-2

敏感膜对生物分子的选择性作用生物敏感膜——又称分子识别元件利用生物体内具有奇特功能的物质制成的膜与被测物质相接触时会伴有物理、化学反应选择性地“捕捉”自己感兴趣的物质生物敏感膜生物活性材料酶膜各种每类全细胞膜细菌、真菌、动植物细胞组织膜动植物组织切片免疫膜抗体、抗原、酶标抗原等细胞器膜线粒体、叶绿体具有生物亲和力的物质膜配体、受体核酸膜寡聚核苷酸模拟酶膜高分子聚合物表14-1生物传感器的生物敏感膜14.1.1生物传感器的工作原理

根据生物敏感膜选材的不同，可以制成酶膜、全细胞膜、组织膜、免疫膜、细胞器膜、复合膜等

生物分子识别元件与换能器的不同组合，可以构建出适用于不同用途的生物传感器类型。14.1.1生物传感器的工作原理14.1.2生物传感器的分类（1）根据生物识别元件进行分类14.1.2生物传感器的分类（2）根据换能器信号转换的方式进行分类14.1.3生物传感器的特点应用范围较广由具有高度选择性的生物材料构成敏感（识别）元件的，一般情况下，检测时不需要另加其他试剂，也不需要进行样品的预处理体积小、分析速度快、准确度高，容易实现在线检测和自动分析操作相对简单、成本低、易于推广应用制造工艺上较难，使用寿命较短生物传感器的主要应用领域生物传感器在全国应用数量和地理分布东北46华北93华东148台湾2华南31华中58西部2514.2酶传感器

酶传感器是利用被测物质与各种生物活性酶在化学反应中产生或消耗的物质量，通过电化学装置转换成电信号，从而选择性地测出某种成分的器件。操作简单体积小便于携带现场测试

广泛应用于检测血糖、血脂、氨基酸、青霉素、尿素等物质的含量

酶是由生物体内产生并具有催化活性的一类蛋白质，也成为生物催化剂。14.2.1酶的特性与一般催化剂作比较，相同点：仅能影响化学反应的速度，而不改变反应的平衡点不同点：（1）酶的催化效率比一般催化剂要高106~1013倍；（2）酶催化反应常温常压条件下即可进行；（3）酶的催化具有高度的专一性，即一种酶只能作用于一种或一类物质，产生一定产物，而非酶催化剂对作用物没有如此严格的选择性。（4）酶的催化过程是一种化学放大，即物质通过酶的催化作用能产生大量产物。14.2.2酶传感器的结构及原理酶传感器——也称为“酶电极”，由生物酶膜和各种电极（如：离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极等）组合而成。图14-7电化学酶传感器的基本原理示意图工作原理——被测物质与各种生物活性酶在化学反应中产生或消耗的物质量，通过电化学装置（电极）转换成电信号，从而选择性地测出某种成分。14.2.2酶传感器的结构及原理酶传感器电流输出型电压输出型由与酶催化反应有关物质电极反应所得到的电流来确定反应物质的浓度，一般采用氧电极、H2O2电极等；通过测量敏感膜的电位来确定与催化反应有关的各种物质的浓度，一般采用NH3电极、CO2电极、H2电极等14.2.2酶传感器的结构及原理检测方式被测物质酶检测物质电流型氧检测方式葡萄糖过氧化氢尿酸胆固醇葡萄糖氧化酶过氧化氢酶尿酸氧化酶胆固醇氧化酶O2过氧化氢检测方式葡萄糖L-氨基酸葡萄糖氧化酶L-氨基酸氧化酶H2O2电位型离子检测方式尿素L-氨基酸D-氨基酸天门冬酰胺L-酪氨酸L-谷氨酸青霉素尿素酶L-氨基酸氧化酶D-氨基酸氧化酶天门冬酰胺酶酪氨酸脱羧酶谷氨酸脱羧酶青霉素酶NH4+NH4+NH4+NH4+CO2NH4+H+表14-2酶传感器的分类14.2.3酶的固化技术酶的固定是酶生物传感器研究的关键环节能保持生物活性单元的固有特性，避免自由活性单元应用上的缺陷目前，已有的固化技术有吸附法、化学交联法、共价键合法、物理包埋法图14-8酶的固定化技术（a）吸附法（b）化学交联法（c）共价键合法（d）物理包埋法14.2.4酶传感器的应用（1）Clark氧电极Clark氧电极是使用最广泛的液相氧传感器，用以测定溶液中溶解氧的含量。由一个阳极和一个阴极电极浸入溶液所构成氧通过一个通透膜扩散进入电极表面，在阳极减少，并产生一个可测量电流。酶促反应以及微生物呼吸链中的氧化磷酸化使得电子流入氧，并被氧电极所测量。采用一个特氟龙（Tefolon）膜将电极部分与反应腔隔离，它可以使氧分子穿透并到达阴极，在那里电解并消耗氧，产生的电流电位可以被仪器所记录。图14-9Clark氧电极14.2.4酶传感器的应用(2)葡萄糖酶电极传感器的测量由酶膜和Clark氧电极（或过氧化氢电极）组成将葡萄糖酶传感器插入被测葡萄糖溶液中，葡萄糖发生氧化反应，消耗氧，生成葡萄糖酸和过氧化氢H2O2H2O2通过选择性透气膜，使电极表面的氧化量减少，相应电极的还原电流减少，从而可以通过电流值的变化来确定葡萄糖的浓度葡萄糖浓度越高，消耗的氧就越多，生成的过氧化氢也越多14.2.4酶传感器的应用通过区分氧电极、过氧化氢电极，是以是否使用电子转移媒介体，可以将葡萄糖酶电极区分为以下两个不同的类型：(2)葡萄糖酶电极传感器的测量①

氧电极葡萄糖传感器②

过氧化氢电极葡萄糖传感器以铂电极（-0.6V）作为阴极，Ag/AgCl电极（+0.6V）作为阳极，电极对氧响应产生电流铂电极（-0.6V）作为阳极，Ag/AgCl（+0.6V）作为阴极，电极对过氧化氢响应产生电流14.3免疫传感器14.3.1免疫传感器的基本原理抗体——是由机体B淋巴细胞和血浆细胞分泌产生，可对外界（非自身）物质产生反应的一种血清蛋白。抗原——外界物质因其能引发机体免疫反应，也称为免疫原。

由于具有高的亲和常数和低的交叉反应，抗原抗体反应被认为有很强的特异性14.3免疫传感器14.3.1免疫传感器的基本原理免疫传感器的基本原理是免疫反应——即利用抗体能识别抗原并与抗原结合的功能的生物传感器利用固定化抗体（或抗原）膜与相应的抗原（或抗体）的特异反应，反应的结果使生物敏感膜的电位发生变化；分析灵敏度高、特异性强、使用简便广泛应用到临床诊断、微生物检测、环境监测及食品分析等诸多领域非标识免疫传感器标识免疫传感器免疫传感器14.3免疫传感器（1）

非标识免疫传感器也称直接免疫传感器利用抗原或抗体在水溶液中两性解离本身带电的特性，将其中一种固定在电极表面或膜上，当另一种与之结合形成抗原抗体复合物时，原有的膜电荷密度将发生改变，从而引起膜的Donnan电位和离子迁移的变化，最终导致膜电位改变。14.3免疫传感器（1）

非标识免疫传感器（a）一种是在膜的表面结合抗体（或抗原），用传感器测定抗原抗体反应前后的膜电位；（b）另一种是在金属电极的表面直接结合抗体（或抗原）作为感受器，测定与抗原抗体反应相关电极的电位变化14.3免疫传感器间接免疫传感器利用酶的标识剂来增加免疫传感器的检测灵敏度该类传感器将免疫的专一性和酶的灵敏性融为一体，可对低浓度底物进行检测常用的标记酶有：辣根过氧化物酶、葡萄糖氧化酶、碱性磷酸酶和脲酶（2）

标识免疫传感器14.3免疫传感器（2）

标识免疫传感器

无论是电位型还是电流型酶标记的免疫传感器，都可归结为是对还原型辅酶I（NADH）、苯酚、O2、H2O2和NH3等电活性物质的检出。14.3免疫传感器（2）

标识免疫传感器

在用过氧化氢酶作为标识酶时，标识酶的活性是在给定的过氧化氢中根据每单位时间内所生成的氧量而求出的，即：将清除游离抗原后的酶免疫传感器放在H2O2溶液中浸渍抗体膜表面结合的标识酶催化H2O2，分解成水和氧氧经扩散透入抗体膜及Clark氧电极的透气膜，到达铂阴极，得到了与生成的氧量相对应的电流从电流量可求出在膜上结合的标识酶的量使用该方法可以测定人的血清白蛋白（HSA）及人绒毛膜促性腺激素（HCG）14.3免疫传感器（3）

抗体的固定

免疫生物传感器制备过程中一个非常重要的步骤是将抗体或抗原固定在传感器表面，这样才能检测相应的抗原或抗体。制备方法：

直接法：吸附法、包埋法、交联法、共价结合法

间接法：生物素-亲和素体系和自组装单层膜、戊二醛交联法、蛋白A等其他间接固定14.3免疫传感器（4）

免疫传感器的应用梅毒抗体传感器1为基准容器2为测试容器3为抗原容器参考膜（不含抗原的乙酰纤维素膜）与抗原膜由容器1和容器3分开血清注入容器2中，抗原膜作为带电膜工作若血清中存在抗体，则抗体被吸附于抗原表明形成复合体抗体带正电荷，所以膜的负电荷减少，引起膜电位的变化，最终通过测量两个电极间的电位差，来判断血清中是否存在梅毒抗体14.4微生物传感器14.4.1工作原理

微生物主要包括原核微生物（如细菌）、真核微生物（如真菌

、藻类和原虫）和无细胞生物（如病毒）等几大类微生物传感器也成为微生物电极，它属于酶电极的衍生电极，除了生物活性物质不同外（用微生物替代酶），两者之间有相似的结构和工作原理。14.4微生物传感器

微生物传感器根据对氧气的反应情况分为呼吸机能型微生物传感器和代谢机能型微生物传感器14.4.1工作原理（a）呼吸机能型（b）代谢机能型14.4微生物传感器（1）呼吸机能型由好氧型微生物固定化膜和氧电极（或CO2电极）组合而成测定时以微生物的呼吸活性为基础当微生物传感器插入溶解氧保持饱和状态的试液中时，试液中的有机化合物受到微生物的同化作用，微生物的呼吸加强，在电极上扩散的氧减少，电流值急剧下降。14.4微生物传感器（2）代谢机能型以微生物的代谢活性为基础当微生物摄取有机化合物，生成的各种代谢产物中含有电极活性物质时，用安培计可测得氢、甲酸和各种还原型辅酶等代谢物，而用电位计则可测得CO2、有机酸（H＋）等代谢物。由此可以得到有机化合物的浓度信息。14.4微生物传感器微生物传感器的结构与酶传感器相比，所不同的是将酶传感器的固定化酶膜改换为固定化的微生物膜也可采用吸附、包埋、交联或共价结合的方法目前常用的方法是通过离心、过滤或混合培养，使微生物附着在如醋酸纤维素膜、滤纸或尼龙等膜上，此种方法包埋微生物灵敏度高14.4.2微生物的固化14.4微生物传感器14.4.3微生物传感器的应用（1）BOD微生物传感器BOD的含义——在微生物作用下，将单位体积水样中有机物氧化所消耗的溶解氧质量，单位是mol/L采用固定有微生物的合成膜作为生物识别元件生物氧化进程通过一个溶解性的O2电极进行记录1-电解液2-O形环3-阳极4-聚四氟乙烯膜5-微生物膜6-尼龙网7-阴极14.4微生物传感器微生物BOD传感器结构示意图（1）BOD微生物传感器14.4微生物传感器电流型BOD生物传感器检测原理铁氰化钾K3[Fe(CN)6](HCF(III))作为电活性分子利用脱氢酶、细胞色素、辅酶Q等对有机分子进行氧化将铁氰化钾加入之后，它可充当一个电子受体，在有机分子氧化时被优先还原为亚铁氰化钾K4[Fe(CN)6](HCF(II))被还原的铁氰化钾能在工作电极（阴极）表面被重新氧化，期间能产生足够高的电位改变（1）BOD微生物传感器14.4微生物传感器（2）甲酸传感器图14-21甲酸传感器的结构图1-圆环；2-液体连接面；3-电解液；4-Ag2O2电极（阴极）5-Pt电极（阳极）；6-聚四氟乙烯膜属于代谢性微生物传感器由Pt电极、Ag2O2电极、电解液（0.1mol/L磷酸缓冲液）以及液体连接面组成当传感器进入含有甲酸的溶液时，甲酸通过聚四氟乙烯膜向酪酸梭牙菌扩散，被资化后产生H2H2又穿过Pt电极表面上的聚四氟乙烯膜与Pt电极产生氧化还原反应电流此电流与微生物所产生的H2含量成正比，H2的含量由于待测甲酸溶液浓度有关因此该传感器可以用来测定发酵溶液中的甲酸浓度。14.5其他常见生物传感器及应用国内外得到应用的生物传感器主要包括：1.测定水质的BOD(BiochemicalOxygenDemand)

分析仪:在市场上有日本和德国产品供应。水中的溶解氧（DO）、生物需氧量（BOD）高，说明浮游生物种类和数量多。2.手掌型血糖分析器:已形成规模化生产，年销售量约为十亿美元；3.固定化酶传感分析仪：国外以美国的YSI公司和德国BST公司为代表，都有系列分析仪产品，它们主要用于环境监测和食品分析。德国研发的环境废水BOD分析仪早期的血糖速测仪

手掌型葡萄糖(glucose)分析仪胰岛素泵固定化酶生物传感分析仪BOD生物传感器SPR生物传感器14.5其他常见生物传感器及应用14.5.1血糖测试仪血液中的糖分称为血糖正常人的空腹血糖浓度为3.9~6.1mmol/L，空腹血糖高于6.1mmol/L称为高血糖，低于3.9mmol/L称为低血糖。图14-22各种便携式血糖仪商品14.5其他常见生物传感器及应用14.5.1血糖测试仪血糖测试仪根据检测原理分为两种，光化学法和电化学法（1）光化学法——基于血液和试剂产生的反应测试血糖试条吸光度的变化值GOD-葡萄糖氧化酶POD-过氧化物酶；OP-燃料AH-产物光化学法的血糖仪必须经常清洁光孔，否则污染后将导致测试结果产生偏差光化学法原理比电化学原理的血糖仪测试时需要的血样多14.5其他常见生物传感器及应用14.5.1血糖测试仪（2）电化学法——通过测定铂金电极上过氧化氢的氧化分解而产生的电流变化，来测算出溶液中因氧的消耗导致的氧分压下降值，进而测得葡萄糖的浓度，20世纪70年代Williams等采用分子导电介质铁氰化钾代替氧分子进行氧化还原反应的电子传递，实现了血糖的电化学测定，其反应原理如下：14.5其他常见生物传感器及应用血糖测试仪的硬件结构图14.5.1血糖测试仪14.5其他常见生物传感器及应用14.5.2水源监测光纤阵列传感器利用载体分别将对重金属离子特别敏感的试剂覆