《传感器与检测技术》课件 第十三章 生物传感器

控制科学与工程学院-专业基础课程2026年3月传感器与检测技术授课人：联系方式手机/微信：****，邮箱：****课程资源网站：教材：一流本科专业一流本科课程建设第十三章生物传感器OPTICALBIOSENSOR概述13.1免疫传感器13.2酶传感器13.3酶联免疫分析仪柔性生物传感器血糖检测仪第十三章13.1光生物传感器1.1.1什么是传感器13.1.1生物传感器的定义概述生物传感器是利用各种生物或生物物质（如酶、抗体、微生物等）作为敏感材料，并将其产生的物理量、化学量的变化转换为电信号的一类传感器。生物传感器通常将生物敏感材料固定在高分子人工膜等载体上，当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。第十三章13.1光生物传感器1.1.1什么是传感器13.1.2生物传感器的工作原理概述生物传感器的基本工作原理如下图所示，主要由敏感膜（分子识别元件）和敏感元件（信号转换元件）两部分构成。待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、可传输与处理的电信号。生物传感器的基本工作原理第十三章13.1光生物传感器1.1.1什么是传感器13.1.2生物传感器的工作原理概述生物敏感膜又称分子识别元件，是利用生物体内具有奇特功能的物质制成的膜，它与待测物质相接触时会伴有物理、化学反应，可以进行分子识别，即选择性地“捕捉”自己感兴趣的物质，如右图所示。当生物传感器上的敏感膜与待测物质相接触时，敏感膜上的某种功能性或生物活性物质就会从众多的化合物中挑选出自己喜欢的分子并产生作用。正是由于这种特殊的作用，生物传感器具有选择性识别能力。敏感膜对生物分子的选择作用第十三章13.1光生物传感器1.1.1什么是传感器13.1.3生物传感器的分类1.根据分子识别元件进行分类生物传感器可以分为酶传感器、免疫传感器、细胞传感器、微生物传感器、组织传感器和

传感器等，如下图所示。生物传感器按分子识别元件进行分类第十三章13.1光生物传感器1.1.1什么是传感器13.1.3生物传感器的分类2.根据换能器的工作原理进行分类按照换能器的工作原理，生物传感器又可分为电化学生物传感器、介体生物传感器、热生物传感器、压电晶体生物传感器、半导体生物传感器、光生物传感器等，如下图所示。在本章后续内容中，若不加特殊说明，讨论的生物传感器均为电化学生物传感器。生物传感器按照换能器工作原理分类第十三章13.1光生物传感器1.1.1什么是传感器13.1.4生物传感器的特点概述与传统的分析检测手段相比，生物传感器具有以下特点。根据分子识别特征的多样性，生物传感器应用范围较广；生物传感器是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；生物传感器体积小、分析速度快、准确度高，容易实现在线检测和自动分析；生物传感器在制造工艺上较难，并且使用的是具有生物活性的酶等材料，其使用寿命较短。第十三章13.1光生物传感器1.1.1什么是传感器13.1.4生物传感器的特点概述目前，随着生物技术与微电子技术的不断发展，生物传感器已经进入全面应用时期，各种微型化、集成化、智能化的生物传感器与系统越来越多。如下图所示，生物传感器主要应用于食品工业、环境监测、发酵工业和医疗检验等几大领域。生物传感器的主要应用第十三章13.2

免疫传感器1.1.1什么是传感器13.2.1定义概述免疫传感器是利用抗体对抗原的识别和结合功能，高选择性地测量蛋白质、多糖类等高分子化合物的传感器。根据免疫反应，免疫传感器可分为非标识免疫传感器和标识免疫传感器两大类。第十三章13.2

免疫传感器1.1.1什么是传感器13.2.2免疫传感器工作原理概述抗体，是由机体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。外界物质因其能引发机体免疫反应，故称为免疫原，即抗原。由于具有高的亲和常数和低的交叉反应，因此抗原抗体反应被认为有很强的特异性，如下与所示。抗原抗体特异性结合示意图第十三章13.2

免疫传感器1.1.1什么是传感器13.2.2免疫传感器工作原理概述免疫传感器的基本原理是免疫反应。免疫传感器：利用抗体能识别抗原并与抗原结合的功能的生物传感器。它利用固定化抗体（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。由于免疫传感器具有分析灵敏度高、特异性强、使用简便等优点，目前它已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。免疫传感器一般可以分为非标识免疫传感器和标识免疫传感器。抗原抗体特异性结合示意图第十三章13.2

免疫传感器1.1.1什么是传感器13.2.2免疫传感器工作原理1.非标识免疫传感器非标识免疫传感器也称为直接免疫传感器。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，从而引起膜的电位和离子迁移的变化，最终导致膜电位改变。第十三章13.2

免疫传感器1.1.1什么是传感器13.2.2免疫传感器工作原理1.非标识免疫传感器如下图所示，非标识免疫传感器有两种方案。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；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。非标识免疫传感器的基本原理第十三章13.2

免疫传感器1.1.1什么是传感器13.2.2免疫传感器工作原理1.非标识免疫传感器在检测抗原时，抗体膜为感受器；而在检测抗体时，抗原膜则成了感受器。当抗原膜或抗体膜与不同浓度的电解质溶液（如溶液）相接触时，膜电位取决于膜的电荷密度、电解质浓度、浓度比和膜相离子的输送率等因素。因此，在抗原或抗体膜表面发生抗原抗体结合反应时，膜电位将产生明显的变化。早期的研究利用此原理测定了人体血清中的梅毒抗体、人体血清白蛋白，并完成了血清鉴定。非标识免疫传感器的基本原理第十三章13.2

免疫传感器1.1.1什么是传感器13.2.2免疫传感器工作原理1.非标识免疫传感器非标识免疫传感器的优点是不需要额外试剂、仪器要求简单、操作容易、响应快。不足之处在于其灵敏度较低、样品需求量较大、非特异性吸附容易造成假阳性结果。第十三章13.2

免疫传感器1.1.1什么是传感器13.2.2免疫传感器工作原理2.标识免疫传感器固定化的抗原或抗体在与相应的抗体或抗原结合时，自身的生物结构发生变化，但这个变化是比较小的。为使抗原抗体结合时产生明显的化学量改变，通常利用酶的化学放大作用。即：标识免疫传感器是利用酶的标识剂来增加免疫传感器的检测灵敏度，标识免疫传感器也称为间接免疫传感器。第十三章13.2

免疫传感器1.1.1什么是传感器13.2.2免疫传感器工作原理2.标识免疫传感器酶标识免疫传感器属于间接型免疫电化学传感器，这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。另外，无论是电位型还是电流型酶标记免疫传感器，都可归结为是对、苯酚、和等电活性物质的检出。酶标识免疫传感器如右图所示。酶标识免疫传感器第十三章13.2

免疫传感器1.1.1什么是传感器13.2.2免疫传感器工作原理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溶液中浸渍。抗体膜表面结合的标识酶催化，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。利用这种传感器曾成功地测定了人的血清白蛋白及人绒毛膜促性腺激素。第十三章13.2

免疫传感器1.1.1什么是传感器13.2.2免疫传感器工作原理2.标识免疫传感器下图所示为梅毒抗体传感器的结构原理图，它由三个容器构成，其中，容器1为基准容器，容器2为测试容器，容器3为抗原容器。梅毒抗体传感器使用脂质抗菌素原固定化膜，将乙酰纤维素和抗原溶于二氯乙烷与乙醇混合液中，然后将它摊在玻璃板上，形成厚度为的膜。将抗原在膜中进行包裹固定化，干燥后将膜剥离，通过支持物将它固定在容器中。梅毒抗体传感器的结构示意图第十三章13.2

免疫传感器1.1.1什么是传感器13.2.2免疫传感器工作原理2.标识免疫传感器参考膜（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面形成复合体。因为抗体带正电荷，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。可见，该类梅毒抗体传感器属于非标识免疫传感器，是不需要额外试剂的。梅毒抗体传感器的结构示意图第十三章13.3

酶传感器1.1.1什么是传感器13.3.1定义概述酶传感器是最早研发出来的生物传感器，20世纪80年代就有了一次性酶传感器，这揭开了无试剂分析的序幕。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。酶传感器具有操作简单、体积小、便于携带和现场测试等优点。目前，产品化酶传感器已有200余种，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。第十三章13.3

酶传感器1.1.1什么是传感器13.3.1定义概述酶是由生物体内产生并具有催化活性的一类蛋白质，此类蛋白质表现出特异的催化功能，因此，酶也称为生物催化剂。酶在生命活动中起着极其重要的作用，它参与新陈代谢过程中的所有生化反应，并以极高的速度维持生命的代谢活动，包括生长、发育、繁殖与运动等。目前，已鉴定出来的酶有2000余种。酶与一般催化剂有相同之处，即相对浓度较低时，仅能影响化学反应的速度，而不改变反应的平衡点。第十三章13.3

酶传感器1.1.1什么是传感器13.3.2酶传感器的工作原理概述酶传感器是由生物酶膜与各种电极（如：离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极等）组合而成，或将酶膜直接固定在基体电极上制成的一类生物传感器，也可称为“酶电极”。其工作原理是通过电化学装置（电极），把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转换成电信号，从而选择性地测出某种成分。电化学酶传感器的基本原理示意图第十三章13.3

酶传感器1.1.1什么是传感器13.3.2酶传感器的工作原理概述酶具有分子识别和催化反应的功能，选择性高，能够有效放大信号。电极测定具有响应速度快、操作简单的优点，因此，酶传感器能够快速测定样品中某一特定样品目标的浓度，并且只需要很少的样品量。酶传感器的基本原理示意图如右图所示。电化学酶传感器的基本原理示意图第十三章13.3

酶传感器1.1.1什么是传感器13.3.3酶传感器的应用1.Clark氧电极商业上最成功的生物传感器是基于安培法的葡萄糖传感器，在市场上有许多不同的样式，如葡萄糖测试笔及葡萄糖显示器等。历史上最早的葡萄糖生物传感器实验是由开始的。右图为使用铂（）电极进行氧的检测。氧电极（Clark电极）是液相溶解氧测定的常用传感器。其基本结构为：阳极（Ag/AgCl）与阴极（Pt或Au）共同浸入电解液，并被一层特氟龙（PTFE）透气膜覆盖。氧电极第十三章13.3

酶传感器1.1.1什么是传感器13.3.3酶传感器的应用1.Clark氧电极溶解氧透过膜扩散到阴极表面，在阴极上被还原，同时在阳极发生银的氧化。该氧化还原回路产生与氧分压成正比的扩散电流，经仪器放大记录即可求得溶解氧浓度。酶促反应或微生物呼吸链中电子最终传递给氧，同样可用此法监测耗氧速率。测量时需配备磁力搅拌器，以消除电极膜外的静止液层，确保扩散通量稳定，使电流与溶解氧浓度保持线性比例关系。氧电极第十三章13.3

酶传感器1.1.1什么是传感器13.3.3酶传感器的应用2.葡萄糖酶电极传感器的测量葡萄糖酶电极传感器由酶膜和氧电极（或过氧化氢电极）组成。如右图所示，测量时，将葡萄糖酶电极传感器插入被测葡萄糖溶液中，在葡萄糖氧化酶（GlucoseOxidase,GOD）的作用下，葡萄糖发生氧化反应，消耗氧后生产葡萄糖酸和过氧化氢，上述过程可以用下式表示通过葡萄糖酶电极传感器测量葡萄糖第十三章13.3

酶传感器1.1.1什么是传感器13.3.3酶传感器的应用2.葡萄糖酶电极传感器的测量由上式可知，葡萄糖氧化时会产生，而通过选择性透气膜，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。氧的消耗及过氧化氢的生成均可被铂电极所检测，因此，该方法可以作为测量葡萄糖浓度的方法。通过区分氧电极、过氧化氢电极，以及是否使用电子转移媒介体，可将葡萄糖酶电极分为以下几个类型。第十三章13.3

酶传感器1.1.1什么是传感器13.3.3酶传感器的应用2.葡萄糖酶电极传感器的测量电流型葡萄糖氧化酶传感器若使用氧电极作为葡萄糖检测换能器，以铂电极作为阴极，电极作为阳极，电极对氧响应产生电流，该电极