生物傳感器概述及應(yīng)用

1、生物傳感器概述及應(yīng)用,一、概述,,傳感器（sensor，transducer） ——能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。,按檢測對象劃分,傳感器,物理傳感器,化學(xué)傳感器,生物傳感器,,,感受器為非生命物質(zhì),感受器為生命物質(zhì),,二、生物傳感器定義,生物傳感器是以固定化的生物材料作為敏感元件，與適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換元件結(jié)合所構(gòu)成的一類傳感器。,酶具有識別特定分子的能力,1962年，

2、 L.C.Clark,酶與電極結(jié)合起來測定酶的底物,,生物傳感器是用生物成分作為感受器的傳感器。,固定化葡萄糖氧化酶（GOD）＋氧電極,葡萄糖電極,1967年，Updike和Hicks,,,,第一個酶電極,,使用溶解性酶，難重復(fù),1956, L.C. Clark : oxygen electrode􀂄 1962, L.C. Clark : biosensor concept (electrochemical sens

3、or + enzyme transducers as membrane = enzyme electrode),oxygen electrode 　　　　　　　　　　enzyme electrode,三、生物傳感器原理,,,酶輔酶維生素抗原抗體,生物功能膜（酶、微生物、細(xì)胞器、組織、細(xì)胞、抗原、抗體）,待測物質(zhì),,擴(kuò)散作用,固定化生物敏感膜層,分子識別,,生物學(xué)反應(yīng),,,電信號,換能器,,（一）生物分子特異性識別（生物感受器）,

4、生物分子經(jīng)固定化后形成的一種膜結(jié)構(gòu)，對被測定的物質(zhì)有選擇性的分子識別能力。,生物傳感器的分子識別元件,（二）信號轉(zhuǎn)換與處理,生物傳感器的信號處理方法,將識別元件上進(jìn)行的生化反應(yīng)中消耗或生成的化學(xué)物質(zhì)，或產(chǎn)生的光或熱等轉(zhuǎn)換為可用信號，并呈現(xiàn)一定的比例關(guān)系。,,,,換能器感知固定化配基與待測物結(jié)合產(chǎn)生的微小變化，其質(zhì)量好壞決定了傳感器的靈敏度。,,,,,,,,,,,,,感受器是生物傳感器的心臟。制備分兩方面工作，一是選擇最佳載體材料（需活化

5、）；二是在載體表面固定化親和配基（非共價和共價）,,（三）生物傳感器分子識別機(jī)理,1、酶促反應(yīng)2、免疫化學(xué)反應(yīng) 3、生物反應(yīng)中的物理量變化4、微生物反應(yīng),1、酶促反應(yīng),,E + S → ES → E + P,,2、免疫化學(xué)反應(yīng),抗體Ab 抗原Ag,,3、微生物反應(yīng),微生物,,呼吸或代謝,產(chǎn)生一些電活性物質(zhì),消耗溶液中的溶解氧,,檢測,,,（1）熱焓變化 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一個能自發(fā)進(jìn)行

6、的反應(yīng)，總伴隨著自由能的降低。 △G＝△H－T·△S 酶促反應(yīng)和微生物反應(yīng)常常釋放出可觀的熱量，根據(jù)焓變可定量測定底物的濃度。,4、生物學(xué)反應(yīng)中的物理量變化,,（2）生物發(fā)光 生物發(fā)光是由于某些生物體內(nèi)的一些特殊物質(zhì)（如熒光素）的氧化而產(chǎn)生的現(xiàn)象。,FMNH(OOH) · E+RCHO→FMN+R·CO2H+E+H2O+hυ,細(xì)菌發(fā)光其強(qiáng)度取決于積累的還原型FMN的量。,

7、FMNH2+E+O2 →FMNH(OOH) · E,,（3）顏色反應(yīng),,生物體內(nèi)產(chǎn)生色素,酶與底物作用后產(chǎn)生有顏色物質(zhì),,培養(yǎng)基中的電惰性物質(zhì),電活性產(chǎn)物,,微生物代謝,培養(yǎng)液的導(dǎo)電性增大，阻抗降低,,（4）阻抗變化,五、生物傳感器的種類：,（１）按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分類（２）按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分類?。ǎ常┌凑諅鞲衅髌骷z測的原理分類,,,,六、生物傳感器特點(diǎn),(1)測定過程簡單。生物傳感器使用時一般不

8、需要樣品的預(yù)處理，樣品中的被測組分的分離和檢測同時完成，且測定時一般不需加入其它試劑。(2)體積小、攜帶方便，可實現(xiàn)連續(xù)檢測、在線檢測。(3)響應(yīng)快，樣品用量少，敏感材料是固定化的，看反復(fù)多次使用。 (4)準(zhǔn)確度和靈敏度高。一般相對誤差不超過1％。(5)專一性強(qiáng)，只對特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響。(6)成本低。,七、生物傳感器應(yīng)用領(lǐng)域,,1、食品工業(yè) 　　生物傳感器在食品分析中的應(yīng)用包括食品成分、食品添加劑、有

9、害毒物及食品鮮度等的測定分析。,食品鮮度魚鮮度傳感器 在日本、加拿大等國廣泛用于魚類鮮度的測定。魚死后體內(nèi)ATP經(jīng)酶解依次形成ADP、AMP、IMP、肌苷、次黃嘌呤和尿酸。鮮度可用K值表示：,魚死后5～20h，ATP，ADP和AMP已分解盡，超過24h，鮮度主要取決于IMP--肌苷--次黃嘌呤--尿酸。 將這三個步驟的三種酶（5’－核苷酸酶、核苷磷酸化酶、黃嘌呤氧化酶）固定在氧電極上，制成魚鮮度測定儀。 當(dāng)K＜

10、20時，魚極新鮮，可供生食。 K在20～40之間為新鮮，必須熟食。 K大于40，不新鮮，不宜食用。,肉鮮度傳感器,肉類在腐敗過程中會產(chǎn)生各種胺類，故胺類測定能反映肉類的新鮮程度。 用腐胺氧化酶與過氧化氫電極構(gòu)成多胺生物傳感器，或用單胺氧化酶膜和氧電極組成的酶傳感器測定肉在貯藏過程中的鮮度。,污染微生物及病原菌的檢測,1 通過免疫學(xué)方法，即獲得相應(yīng)的特異性抗原和抗體進(jìn)行分析和檢測。,(1)將適宜的酶與抗原或抗體結(jié)

11、合在一起。制成酶標(biāo)抗體（或酶標(biāo)抗原 ）；(2)將酶標(biāo)抗體（或酶標(biāo)抗原）與樣品中的待測抗原（或抗體）混合，通過免疫反應(yīng)二者即可特異性地結(jié)合在一起，形成酶－抗體－抗原復(fù)合物。(3)通過酶催化反應(yīng)的速度即可測定復(fù)合物中酶的含量，進(jìn)而測出樣品中的待測抗原（或抗體）的量。,酶聯(lián)免疫測定,,2、環(huán)境監(jiān)測,德國研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀,,3、發(fā)酵工業(yè) 微生物傳感器具有成本低、設(shè)備簡單、不受發(fā)酵液混濁程度的限制、可能消除發(fā)酵過程中干擾

12、物質(zhì)的干擾等特點(diǎn)。 微生物傳感器可用于測量發(fā)酵工業(yè)中的原材料和代謝產(chǎn)物。還用于微生物細(xì)胞數(shù)目的測定。利用這種電化學(xué)微生物細(xì)胞數(shù)傳感器可以實現(xiàn)菌體濃度連續(xù)、在線的測定。,生物傳感在線分析系統(tǒng)，為發(fā)酵自動控制提供了新的基礎(chǔ)平臺,發(fā)酵罐,主機(jī),計算機(jī),,4、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 在臨床醫(yī)學(xué)中，酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器。在軍事醫(yī)學(xué)中，對生物毒素的及時快速檢測是防御

13、生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測多種細(xì)菌、病毒及其毒素。,SBA-50型單電極生物傳感分析儀,谷氨酸(乳酸)-葡萄糖雙功能分析儀,SBA-70型血糖乳酸自動分析儀,手掌型葡萄糖(glucose)分析儀,,班氏尿糖估計法確定胰島素用量,在葡萄糖傳感器問世之前，患者需采用所謂“班氏試驗?zāi)蛱枪烙嫹ā眮碇笇?dǎo)胰島素注射量。這一方法相當(dāng)煩瑣，需備酒精燈一個、試管一支、吸管一支、班氏劑一瓶。每次注射胰島素前，取班氏試劑2毫升放入試管中，置酒