生物传感器(兼容)PPT.ppt

1、生物传感器,魏铭7130070 郑棋月7130069 2014.3.14,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,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

2、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。,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

3、学术大会”,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。

4、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。,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）。,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。,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

5、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。,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。,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

6、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,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。,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

7、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。,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。,二

8、.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。,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。,三.生物传感器的基本原理,与传统的

9、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： 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； 由于它的体积小，可以实现连续在线监测； 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； 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.生物传感器的基本原理,四.生物传感器的分类3,1、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,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

10、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(molecular imprinting technique , MIT)。通过MIT合成的分子印迹聚合物(molecularly imprinted polymers , 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。,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

11、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。,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

12、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 。,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,四.生物传感器的分类,4.1.3免疫传感器 基本

13、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。,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：,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

14、，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。,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） ,四.生物传感器的分类,4.3.1压电晶体生物传感器 利用压

15、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(bulk acoustic wave, BAW)表面声波(Surface acoustic wave, SAW),五.生物传感器的在食品工业的应用,五.生物传感器的在食品工业的应用,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

16、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,4.1 食品品质检测,五.生物传感器的在食品工业的应用,4.1 食品品质检测,五.生物传感器的在食品工业的应用,4.1 食品品质检测,五.生物传感器的在食品工业的应用,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,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,4.2 食品成分分析,五.生物传感器的在食品工业的应用,4.2 食品

17、成分分析,例：苹果成熟度（葡萄糖含量测定),五.生物传感器的在食品工业的应用,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,4.3 食品安全检测,五.生物传感器的在食品工业的应用,4.3 食品安全检测,五.生物传感器的在食品工业的应用,4.3 食品安全检测,五.生物传感器的在食品工业的应用,4.3 食品安全检测,五.生物传感器的在食品工业的应用,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,五.生物传感器

18、的在食品工业的应用,六.生物传感器的发展现状,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,生物传感器具有选择性好、快速、灵敏等特点, 既可简单应

19、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。,维生素传感器,六.生物传感器的发展现状,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,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,一种葡萄糖传感器-Glucowatch,Glucose pulled through the skin by charged molecules The ions migrate to the anode (+) and cathode (-)

20、Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxide The reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor,六.生物传感器的发展现状,SPR生物传感器,六.生物传感器的发展现状,三个难点 首先是如何高效地筛分出高活性的酶； 其次是如何在工艺上将基膜做的尽可能的薄； 最后是如何改进传感器对应用条件的适应性和稳定性。,七.生物传感器的发展趋势和展望,应用范例 快速分析葡萄糖、谷氨酸、乳酸盐、乳糖、半乳糖等成分的多功能生物传感器 (2)测量大气中乙醇、硫、胺、二氧化碳、二氧化氮和其他化学成分含量的电子鼻,它在食品与饮料制造业中已大量用于监测有害微生物的污染程度以及各种食品的保鲜程度 (3)通过生物传感器测量生物肌体内三磷酸腺苷(ATP) 的变化而实现了鱼肉新鲜度快速测量,七.生物传感器的发展趋势和展望,未来趋势 近年来，随着生物科学、信息科学和材料科学发展成果的推动，生物传感器技术飞速发展。可以预见，未来的生物传感器将具有以下特点： 1、微型化 随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检测食品成为可能。,七.