生物传感器课件

1、主要内容：,1.生物传感器的发展历程简述 2.生物传感器的定义和基本原理 3.常见类型的生物传感器 4.生物传感器的发展与应用,1.生物传感器的发展历程简述,最先问世的生物传感器是酶电极，Clark和Lyons最先提出组成酶电极的设想。 70年代中期，人们注意到酶电极的寿命一般都比较短，提纯的酶价格也较贵，而各种酶多数都来自微生物或动植物组织，因此自然地就启发人们研究酶电极的衍生型：微生物电极、细胞器电极、动植物组织电极以及免疫电极等新型生物传感器，使生物传感器的类别大大增多； 进入本世纪80年代之后，随着离子敏场效应晶体管的不断完善，于1980年Caras和Janafa率先研制成功可测定青霉

2、素的酶FET。,生物传感器发展的整体划分:,第一代生物传感器以将生物成分截留在膜上或结合在膜上为基础，这类器件由透析器(膜)、反应器(膜)和电化学转换器所组成，其实验设备相当简单。 第二代生物传感器是指将生物成分直接吸附或共价结合在转换器的表面上，从而可略去非活性的基质膜。 第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子元件上，例如FET的栅极上，它可直接感知和放大界面物质的变化，从而将生物识别和电信号处理集合在一起。这种放大器可采用差分方式以消除干扰。,1.生物传感器的发展历程简述,生物传感器定义及说明,生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定实现测量，主要由两大部分组成：一为功能识别物质（

3、分子识别元件），由其对被测物质进行特定识别；其二是电、光信号转换装置（换能器），由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。,2.生物传感器的概念和基本原理,生物传感器基本构成示意图,2.生物传感器的概念和基本原理,2.生物传感器的概念和基本原理,生物传感器的分子识别元件,2.生物传感器的概念和基本原理,将化学变化转变成电信号（间接型） 将热变化转换为电信号（间接型） 将光效应转变为电信号（间接型） 直按产生电信号方式（直接型）,2.生物传感器的概念和基本原理,被测物质,生物敏感膜,物理化学反应,化学物质声 光热,电化学器件声敏元件光敏元件热敏元件,电信号,生物传感器基本原理图

4、,2.生物传感器的概念和基本原理,将化学变化转变成电信号的生物传感器,2.生物传感器的概念和基本原理,热辐射 热传导,将热变化转换为电信号的生物传感器,2.生物传感器的概念和基本原理,将光效应转变为电信号的生物传感器,固定化酶,h,光检测器,被测物质,电信号,2.生物传感器的概念和基本原理,生物传感器的分类： 按分子识别元件分类和按换能器类型分类,生物敏感元件的固定方法 固定化技术：把生物活性材料与载体固定化成为生物敏感膜。 物理方法：夹心法、吸附法、包埋法； 化学方法: 共价连接法、交联法； 近年来, 由于半导体生物传感器迅速发展, 因而又出现了采用集成电路工艺制膜技术。,2.生物传感器的概

5、念和基本原理,夹心法 将生物活性材料封闭在双层滤膜之间，形象地称为夹心法。 这种方法的特点是操作简单，不需要任何化学处理，固定生物量大，响应速度快，重复性好。,2.生物传感器的概念和基本原理,吸附法 用非水溶性固相载体物理吸附或离子结合，使蛋白质分子固定化的方法。 载体种类较多，如活性炭、高岭土、硅胶、玻璃、纤维素、离子交换体等。,2.生物传感器的概念和基本原理,包埋法 把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。 此方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；缺点是分子量大的底物在凝胶网格内扩散较固难。,2.生物传感器的概念和基本原理,共价连接法 使生物活性分子

6、通过共价键与固相载体结合固定的方法。 此方法的特点是结合牢固，生物活性分子不易脱落，载体不易被生物降解，使用寿命长； 缺点是实现固定化麻烦，酶活性可能因发生化学修饰而降低。,2.生物传感器的概念和基本原理,交联法 依靠双功能团试剂使蛋白质结合到惰性载体或蛋白质分子彼此交联成网状结构。 这种方法广泛用于酶膜和免疫分子膜制备，操作简单。,2.生物传感器的概念和基本原理,3.常见类型的生物传感器,酶电极传感器 微生物传感器 免疫传感器 基因传感器,酶传感器 酶是生物体内产生的具有催化作用的蛋白质，它的主要特性是催化作用。 酶传感器是最早问世的生物传感器，应用固定化酶作为敏感器件。 根据信号转换器的类

7、别，酶传感器大致分为酶电极传感器、酶场效应晶体管传感器、酶热敏电阻传感器等我们主要介绍酶电极传感器,3.常见类型的生物传感器,酶电极生物传感器的原理及分类 酶电极生物传感器主要由固定化酶膜与电化学电极系统复合而成。 它即具有酶的分子识别功能和选择催化功能，又具有电化学电极响应速度快、操作简单的优点。,3.常见类型的生物传感器,酶电极传感器的基本构成图,根据酶电极的输出信号方式，酶电极的传感器可以分为电流型和电位型。 电流型酶电极是从与催化反应有关物质的电极反应所得到的电流来确定反应物浓度的，一般有氧电极、燃料电池型电极、H2O2电极等。 电位型酶电极通过测量酶膜电位来确定与催化反应有关的各种离

8、子浓度。一般采用铵离子电极（氨气电极）、氢离子电极、二氧化碳电极等；,3.常见类型的生物传感器,酶传感器的典型应用 葡萄糖酶传感器 葡萄糖氧化酶电极是研究最早、最成熟的酶电极，它由葡萄糖氧化酶（GOD）膜和电化学电极组成。 C6H12O6+O2 C6H12O6+H2O2 依据反应中消耗的氧、生成的葡萄糖酸内脂及过氧化氢的量，应用氧电极、PH电极及H2O2电极来测定，从而测的葡萄糖浓度。,GOD,3.常见类型的生物传感器,测量氧消耗量的葡萄糖传感器,3.常见类型的生物传感器,测量氧消耗量的葡萄糖传感器,氧电极构成：由b（铅）阳极和t（铂）阴极浸入碱溶液，阴极表面用氧穿透葡萄糖（基质）膜覆盖特氟隆

9、，厚约m 氧电极测O2原理：利用氧在阴极上首先被还原的特性。溶液中的O2穿过特氟隆膜到达Pt阴极上，在施加一定电位的情况下，氧电极的还原电流减小，通过测量电流值的变化就可以测定葡萄糖浓度。 2+2+e ,3.常见类型的生物传感器,测H2O2生成量的葡萄糖酶传感器,Pt阳极 聚四氟乙烯膜（防止电极毒化） 固相酶膜 半透膜多孔层 半透膜致密层,3.常见类型的生物传感器,葡萄糖氧化产生H2O2，而H2O2通过选择性透气膜，在Pt电极上氧化，产生阳极电流。葡萄糖含量与电流成正比，由此可测出葡萄糖溶液浓度。 在Pt电极上加0.6V电压时，则产生的阳极电流为：,葡萄糖氧化酶葡萄糖+H2OO2 葡萄糖酸H2

10、O2,3.常见类型的生物传感器,微生物传感器 微生物传感器由分子识别元件（微生物敏感膜）和信号转换器组成。在不损坏微生物机能的前提下，应用固定化技术将微生物固定到载体上，从而制得微生物敏感膜，通常情况下采用的载体是多孔醋酸纤维膜和胶原膜。信号转换器可采用电化学电极、场效应晶体管等。 微生物传感器的分类 其从工作原理上可以分为两大类：呼吸机能型和代谢机能型。,3.常见类型的生物传感器,呼吸机能性微生物传感器 呼吸机能性生物传感器是由固定有好气性微生物的膜和氧电极（也可用二氧化碳电极）组成。 被测物质中的有机化合物扩散至微生物固化膜内被微生物同化，微生物呼吸作用在同化后会有所提高，这样扩散到氧探头

11、的氧就会减少，电流值降低，被测溶液中氧的扩散速度与微生物的耗氧量达到平衡，向电极扩散的氧量趋于恒定，得到一个恒定的电流，此电流与试液中的有机化合物含量之间存在着一定的关系，由此可以测出被微生物同化的有机物含量。,微生物固定化膜,封闭式氧电极或CO2电极,被测物质,电信号,氧消耗变化,（呼吸机能）,呼吸技能微生物传感器原理示意图,3.常见类型的生物传感器,呼吸机能性微生物传感器,电解液 O型环 Pb阴极 聚四氟乙烯 固化微生物膜 尼龙网 Pt阳极,3.常见类型的生物传感器,代谢技能型微生物传感器 代谢技能型微生物传感器是以厌气微生物作为敏感材料，把微生物敏感膜与离子选择性电极（或者燃料电池型电极

12、）相结合而构成的一种生物传感器。,微生物固定化膜,电化学敏感电极,被测物质,电信号,新陈代谢变化（代谢机能）,厌气性微生物传感器原理示意图,3.常见类型的生物传感器,代谢机能微生物传感器原理 将产生氢的产氢菌固定在低温胶冻膜上，并把它固定在燃料电池Pt电极上； 当传感器浸入含有有机化合物的溶液时，有机化合物通过聚四氟乙烯膜向产氢菌扩散，被同化后产生H2,而H2又穿过Pt电极表面上的聚四氟乙烯膜，在Pt电极上被氧化而产生电流，此电流与扩散来的H2含量成正比，而H2量又与待测有机化合物浓度有关，因此传感器能测定发酵溶液中的有机化合物浓度。,3.常见类型的生物传感器,微生物传感器的应用及特点 生物化

13、学耗氧量（BOD）的测量是微生物传感器的一个典型应用。生物化学耗氧量是废水的污浊指标之一，生物化学耗氧量微生物传感器可以快速的测出结果，对环境保护有很大实用意义。 苯丙氨酸测量 苯丙氨酸传感器采用代谢机能型微生物传感器进行测量，利用此种传感器可以方便快捷的测出未知浓度的苯丙氨酸试液。 微生物传感器和酶传感器相比价格便宜、性能稳定、使用寿命长，但其响应时间较长、重复性较差。微生物传感器尤其适合于发酵过程的测定，因为在发酵过程中常存在对酶的干扰物质，应用微生物传感器很可能排除这些干扰。 目前微生物传感器以成功的应用于发酵工业和环境测量中。,3.常见类型的生物传感器,免疫传感器 免疫是机体对病原生物

14、感染的抵抗能力。免疫传感器就是基于抗原抗体反应的高亲和性和分子识别的特点而制备的传感器。 免疫传感器具有三元复合物的结构，即分子识别元件（感受器）、信号转换器（换能器）和电子放大器。在感受元件中的抗体与抗原选择性结合，产生的信号敏感地传送给分子识别元件。抗体与被分析物的亲和性结合具有高度的特异性。免疫传感器的优劣取决于抗体与被检测物结合的选择性亲和力。,3.常见类型的生物传感器,免疫传感器的工作原理 基本原理是免疫反应。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

15、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。,3.常见类型的生物传感器,免疫传感器的结构,3.常见类型的生物传感器,3室注入含有抗体的盐水,抗体与固定化抗原膜上的抗体相结合,膜表面吸附抗体,膜带电状态变化,1、2室内的电极产生电位差,免疫传感器结构原理,免疫传感器的分类 根据检测抗体结合反应的两种基本方法，免疫传感器可分成非标记免疫传感器和标记免疫传感器两类。 标记免疫传感器 标记免疫传感器（也称间接免疫传感器）以酶、红细胞、核糖体、放射性同位素、稳定的游离基、金属、脂质体

16、等为标记物。 同时为了增大其灵敏度，使用标记酶对其进行化学放大。此类传感器的选择性依赖抗体的识别功能，其灵敏度依赖于酶的放大作用。一个酶分子每半分钟就可以使103106个底物分子转变为产物，因此标记免疫传感器的灵敏度很高。,3.常见类型的生物传感器,非标记免疫传感器 非标记免疫传感器（也称直接免疫传感器）不用任何标记物，在抗体与其相应的抗原结合时，会产生若干电化学和电学变化，从而导致相关参数如介电常数、电导率、膜电位、离子通透性、离子浓度等的变化，这些都是可测信号，从而测的免疫反应的发生及被测量（抗原）的多少。 非标记传感器的特点： 优点：不需要额外试剂，仪器要求简单，操作容易，响应快。 缺点

17、：灵敏度较低，样品需求量较大。,3.常见类型的生物传感器,免疫传感器的应用及发展 免疫传感器和其他生物生物传感器一样，在医学上已经得到了很好的应用， 例如测量人体胰岛素含量以及人绒毛膜促性腺激素的测定等等 尽管免疫传感器有很多的有点，但免疫传感器的发展仍然有很多的问题急待解决。 例如：来自于基体和共存物的干扰，抗体敏感性和可逆性等等。,3.常见类型的生物传感器,基因传感器 基因传感器也称DNA或核酸生物传感器，是一种能将目的DNA的存在转变为可检测的电、光、声等信号的传感装置。 基因传感器也主要由两部分组成，即分子识别器(DNA)和换能器。识别器主要用来感知样品中是否含有(或含有多少)待测物质

18、，转换器则将识别器感知的信号转化为可以观察记录的信号如电流大小、频率变化、荧光和光吸收的强度等。在待测物、识别器以及转换器之间由一些生物、化学、生化作用或物理作用过程彼此联系。,3.常见类型的生物传感器,设计原理 其设计原理：在电极上固定一条含有十几到上千个核苷酸的单链DNA，通过DNA 分子杂交，对另一条含有互补碱基序列的DNA进行识别，结合成双链DNA。杂交反应在敏感元件上直接完成，换能器将杂交过程所产生的变化转变成电信号，根据杂交前后电信号的变化量，推断出被检测DNA的量。基因传感器不仅能测定DNA的浓度，还能识别部分碱基的排列顺序，可确定微生物的种属，这是一般生物传感器所不具备的特性

19、。按换能器转换信号的不同，可以将基因传感器分为DNA电化学传感器、DNA压电传感器、DNA光学传感器等类别。,3.常见类型的生物传感器,DNA电化学传感器 DNA电化学传感器是利用单链DNA作为敏感元件，通过共价键合或化学吸附固定在固体电极表面，加上识别杂交信息的电活性指示剂(称为杂交指示剂)共同构成的检测特定基因的装置。,3.常见类型的生物传感器,DNA电化学传感器原理 其工作原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的ssDNA与溶液中的互补序列DNA的特异识别作用(分子杂交)形成双链DNA(dsDNA)，同时借助一能识别ssDNA和dsDNA 的杂交指示剂的电化学响应信号的改变来确定被检测基

20、因是否存在，达到定性的目的。 同时，当互补序列DNA 的浓度发生改变时，指示剂嵌入后的响应信号也会发生相应变化。一定范围内指示剂的响应信号与待测DNA物质的量浓度成线性关系，从而得以检测基因含量，达到定量的目的。,3.常见类型的生物传感器,光学生物传感器 光学方法是最成熟和最好的生物敏感技术，因为它有两个最重要的优点：非破坏性和高度灵敏度。根据光学和所选检测材料的不同，光学基因传感器可以分为许多种类： SPR(表面等离子共振）基因传感器 该传感器以表面等离子共振作为信号转换器，其对基因敏感的原理如电化学基因传感器一样，只不过检测的信号是光学信号。 SPR基因传感器的特点： 优点：不采用标记物，

21、简化分子杂交的检测过程，检测时所需的时间较短（几分钟），测定快速、安全，传感器重复利用度较高。 缺点：该方法选择性较差，难以排除非特异性吸附的干扰，且需要DNA嵌合剂，所用的仪器复杂且价格昂贵。,3.常见类型的生物传感器,发光基因传感器 发光基因传感器的发光机理有荧光、电化学发光和化学发光三种。 下图为一种单分子显微荧光基因传感器：该传感器单链DNA包含A、B两部分，B为待测的靶序列，A则与载体上的固定序列A1互补，利用互补单链DNA之间的特异性相互作用，通过A将被测单链DNA固定后，再利用与序列B互补的探针B1进行检测。固定序列和探针序列上分别标记具有不同发射波长的荧光素F1和F2，结合成像技术，在F1的发射波长能看到的亮点为固定DNA序列，在F2的发射波长能看到的亮点为探针DNA分子。由此可以判断：被检测DNA分子中哪些是非特异性吸附的，哪些是通过杂交结合在载体表面的。,单分子显微荧光基因传感器,3.常见类型的生物传感器,压电晶体基因传感器 压电晶体基因传感技术的理论基石是石英晶体振荡器表面质量的变化与频率的变化成负相关关系。将单链的DNA探针固定到电极表面上，然后浸入含有被测目标单链DNA分子的溶液中，当电极上的单链DNA探针与溶液中的互补序列的目标单链DNA分子杂交形成双链DNA时，石英晶