华科大传感器与自动检测技术课件第16章 生物传感器

第16章生物传感器(Biosensors)

§16.1概述

一、生物传感器的定义一般定义：使用固定化的生物分子(immobilizedbiomolecules)结合换能器，用来侦测生物体内或生物体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置。Gronow定义：一种含有固定化生物物质(如酶、抗体、全细胞、细胞器或其联合体)并与一种合适的换能器紧密结合的分析工具或系统，它可以将生化信号转化为数量化的电信号。

二、生物传感器的特点

(1)测定范围广泛。(2)生物传感器使用时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它试剂。(3)采用固定化生物活性物质作敏感基元（催化剂），价值昂贵的试剂可以重复多次使用。(4)测定过程简单迅速。(5)

准确度和灵敏度高。一般相对误差不超过1％。(6)由于它的体积小，可以实现连续在线监测，容易实现自动分析。(7)

专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。(8)可进入生物体内。(9)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。三、生物传感器的发展概念（Concept）--LelandClark(1956)尿传感器（UreaSensor）--Guibault&Montalvo(1969)葡萄糖分析器（GlucoseAnalyser）--YellowSpringsInstr.Co.(1973)酶热调节器（EnzymeThermistor）–Mosbach(1974)微生物电极（MicrobialElectrodes）–Divis(1975)光纤氧传感器（Fibre-OpticOxygenSensor）–Lubbers&Opitz(1975)Biostator–Clemensetal.(1976)免疫传感器（Immnosensor）–Liedbergetal.(1982)酶电极（EnzymeElectrode）–MediSenseInc.(1987)BIAcore–Pharmacia,Sweden(1991)纳米传感器（NanoSensor）–Vo-Dinh(2000)1、测定水质的BOD分析仪、在市场上有以日本和德国为代表产品供应。2、采用丝网印刷和微电子技术的手掌型血糖分析器，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，国内到目前为主只有山东省科学院生物研究所的系列化产品在市场得到应用。4、SPR生物传感器，在日、美、德、瑞典等国得到了开发和初步应用。目前，极大多数同类其它研究还都处在探索性阶段。

国内外得到应用的生物传感器主要包括：1.微型化2.阵列化3.多功能化生物传感器的发展方向§16.2生物传感器的基本原理

换能器（Transducer）感受器（Receptor）测量信号（MeasurableSignal）=分析物（Analyte）溶液（Solution）选择性膜（Thinselectivemembrane）识别元件（RECOGNITION）生物传感器工作机理一、生物分子特异性识别（生物感受器）

生物感受器是一种可以识别目标分析物的生物材料。

表16－1生物传感器的分子识别元件分子识别元件生物活性单元酶膜各种酶类全细胞膜细菌、真菌、动植物细胞组织膜动植物组织切片细胞器膜线粒体、叶绿体免疫功能膜抗体、抗原、酶标抗原等二、生物放大

生物放大作用:指模拟和利用生物体内的某些生化反应，通过对反应过程中产量大、变化大或易检测物质的分析来间接确定反应中产量小、变化小、不易检测物质的(变化)量的方法。通过生物放大原理可以大幅度提高分析测试的灵敏度。生物传感器常用的生物放大作用:酶催化放大酶溶出放大酶级联放大脂质体技术聚合酶链式反应和离子通道放大等。三、信号转换与处理表16-2生物传感器的信号处理方法由生物活性元件引起的变化（生物学反应信息）信号处理方法（换能器的选择）电极活性物质的生成或消耗电流检测电极法离子性物质的生成或消耗电位检测电极法膜或电极电荷状态的变化膜电位法、电极电位法质量变化压电元件法阻抗变化电导率法热变化（热效应）热敏电阻法光谱特性变化（光效应）光纤和光电倍增管

§16.3生物传感器的分类

一、生物传感器的分类

分类方式分类依据传感器名称传感器输出信号1、被测物与分子识别元件上敏感物质具有生物亲和作用。2、底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并产生产物，信号换能器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号。1、生物亲和性传感器2、代谢型或催化型传感器分子识别元件上的敏感物质1、酶与底物作用2、微生物代谢3、组织代谢4、细胞代谢5、抗原抗体反应6、核酸杂交1、酶传感器2、微生物传感器3、组织传感器4、细胞器传感器5、免疫传感器6、DNA生物传感器信号换能器1、电化学电极2、离子敏场效应晶体管3、热敏电阻4、压电晶体5、光电器件6、声学装置1、电化学传感器2、离子敏场效应传感器3、热敏电阻传感器4、压电晶体传感器5、光电传感器6、声学传感器二、几种主要的生物传感器

1、酶传感器(EnzymeSensor)

测定项目酶固定化方法使用电极稳定性／天测定范围（mg/ml）葡萄糖葡萄糖氧化酶共价氧电极1001～5×102胆固醇胆固醇酯酶共价铂电极3010～5×103青霉素青霉素酶包埋PH电极7～1410～1×103尿素尿素酶交联铵离子电极6010～1×103磷脂磷脂酶共价铂电极30102～5×103乙醇乙醇氧化酶交联氧电极12010～5×103尿酸尿酸酶交联氧电极12010～1×103L一谷氨酸谷氨酸脱氨酶吸附铵离子电极210～1×104L一谷酰胺谷酰胺酶吸附铵离子电极210～1×104L一酪氨酸L一酪氨酸脱羧酶吸附二氧化碳电极2010～1×104优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛的应用。缺点：1.酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差异的梭曼与沙林。2.酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。酶传感器的特点：

2、组织传感器(TissueSensor)

测定项目组织膜基础电极稳定性／天线性范围谷氨酸木瓜CO272×10-4～1.3×10-2mol/L尿素夹克豆CO2943.4×10-5～1.5×10-3mol/LL一谷氨酰胺肾NH3301×10-4～1.1×10-2mol/L多巴胺香蕉O214

丙酮酸玉米芯CO278×10-5～3×10-3mol/L过氧化氢肝O2145×10-3～2.5×10-1U/mL3、微生物传感器(MicroorganismSensor)

测定项目微生物测定电极检测范围（mg/L）葡萄糖荧光假单胞菌O25～200乙醇芸苔丝孢酵母O25～300亚硝酸盐硝化菌O251～200维生素B12大肠杆菌O2

谷氨酸大肠杆菌CO28～800赖氨酸大肠杆菌CO210～100维生素B1发酵乳杆菌燃料电池0.01～10甲酸梭