講義生物傳感器

生物傳感器簡(jiǎn)介一、概論生物傳感器(化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)…..)

生物傳感器是利用生物關(guān)聯(lián)物質(zhì)選擇分子的功能的化學(xué)傳感器（敏感元件：生物材料，轉(zhuǎn)換元件：電極）（生物感應(yīng)元件的專一性/能夠產(chǎn)生和待測(cè)物濃度成比例的信號(hào)傳導(dǎo)器/與其它傳感器不同的是生物傳感器是以生物學(xué)組件作為主要功能性元件，能夠感受規(guī)定的被測(cè)量

/是基于它的生物敏感材料來(lái)自生物體。生物傳感器的工作原理主要決定于生物敏感元件與待測(cè)物質(zhì)之間的相互作用，主要有化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、將熱變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、將光效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、直接產(chǎn)生電信號(hào)方式等方式

特點(diǎn)：選擇性好、噪聲低、重復(fù)性好、能以電信號(hào)直接輸出

測(cè)量范圍：低分子—高分子：酶、微生物、免疫體、復(fù)雜蛋白質(zhì)等現(xiàn)有傳感器：酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、免疫傳感器、半?dǎo)體生物傳感器、熱生物傳感器、光生物傳感器、壓電生物傳感器生物傳感器的分類1：按識(shí)別功能膜分類按信號(hào)轉(zhuǎn)換分類按材料按識(shí)別對(duì)象生物傳感器的分類2：根據(jù)被測(cè)物與分子識(shí)別元件相互作用產(chǎn)生傳感器輸出信號(hào)的方式分類：

1）生物親和型生物傳感器

被測(cè)物與分子識(shí)別元件上敏感物質(zhì)具有生物親和作用。即二者間能特異地相結(jié)合，同時(shí)引起敏感材料上生物分子的結(jié)構(gòu)和固定介質(zhì)發(fā)生物理變化，例如電荷、厚度、溫度、光學(xué)性質(zhì)(顏色或熒光)等變化。這類傳感器稱為生物親和型生物傳感器。

2）代謝型或催化型生物傳感器

被測(cè)物與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)相作用并產(chǎn)生產(chǎn)物，信號(hào)換能器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?hào)，這類傳感器稱為代謝型或催化型生物傳感器。二、生物傳感器的工作原理

1、生物識(shí)別功能

生物體內(nèi)具有各種選擇性地識(shí)別特定化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)受體

化學(xué)受體：分子識(shí)別部位或信號(hào)轉(zhuǎn)換部位識(shí)別功能物質(zhì)：酶高選擇性、起催化作用氧化還原酶水解酶（葡萄糖氧化酶）（尿素酶）

抗體與免疫有關(guān)

激素受體、結(jié)合蛋白質(zhì)微生物特殊酶活性的小器官

2、生物信號(hào)轉(zhuǎn)換方式

1）化學(xué)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式

酶與被識(shí)別分子發(fā)生特異反應(yīng)，產(chǎn)生特定物質(zhì)的增減，并將特定物質(zhì)的增減量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)

2）熱轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式

進(jìn)行分子識(shí)別時(shí)產(chǎn)生熱變化，并將熱變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)

3）光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式很多酶進(jìn)行分子識(shí)別時(shí)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，并將光變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)

4）直接誘導(dǎo)式電信號(hào)進(jìn)行分子識(shí)別時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)變化

3、換能器

感知分子識(shí)別時(shí)的變化，轉(zhuǎn)變成可以記錄的信號(hào)

4、固定化技術(shù)酶、抗體、微生物通常是水溶性的，與適當(dāng)?shù)妮d體結(jié)合變成不溶于水的并制成傳感器用的識(shí)別功能膜，這種技術(shù)成為固定化技術(shù)。

5、電極與測(cè)量方式

1）電極：氧電極O2、H2O2電極、PH電極

CO2電極、NH3電極、NH4+電極

2）測(cè)量方式（被測(cè)物濃度變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)方式）：電流法生化反應(yīng)消耗或生成的電極活性物質(zhì)的電極板反應(yīng)產(chǎn)生電流氧電極O2、H2O2電極電壓法生化反應(yīng)的粒子在識(shí)別功能膜上產(chǎn)生的膜電位

CO2電極、NH3電極、NH4+電極

3）靜態(tài)測(cè)量法：生物傳感器插入試液，邊攪拌邊測(cè)量

動(dòng)態(tài)測(cè)量法：生物傳感器插入試液池，讓緩沖液連續(xù)流過(guò)測(cè)量池，在一定時(shí)間內(nèi)將試液注入測(cè)量。

4）例：(1)酶電極

葡萄糖氧化酶(GOD)電極，GOD的催化,葡萄糖(C6H12O6)被氧化生成葡萄糖酸(C6H12O7)和過(guò)氧化氫。通過(guò)氧電極(測(cè)氧的消耗)、過(guò)氧化氫電極(測(cè)H2O2的產(chǎn)生)和pH電極(測(cè)酸度變化)來(lái)間接測(cè)定葡萄糖的含量。因此只要將GOD固定在上述電極表面即可構(gòu)成測(cè)葡萄糖的GOD傳感器。(2)微生物電極

將微生物(常用的主要是細(xì)菌和酵母菌)作為敏感材料固定在電極表面。工作原理：其一,利用微生物體內(nèi)含有的酶(單一酶或復(fù)合酶)系來(lái)識(shí)別分子,這種類型與酶電極類似;其二,利用微生物對(duì)有機(jī)物的同化作用,通過(guò)檢測(cè)其呼吸活性(攝氧量)的提高,即通過(guò)氧電極測(cè)量體系中氧的減少間接測(cè)定有機(jī)物的濃度;其三,通過(guò)測(cè)定電極敏感的代謝產(chǎn)物間接測(cè)定一些能被厭氧微生物所同化的有機(jī)物。

(3)電化學(xué)免疫電極

將抗體或抗原直接固定在電極表面上。

傳感器與相應(yīng)的抗體或抗原發(fā)生結(jié)合的同時(shí)產(chǎn)生電勢(shì)改變直接轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。

診斷早期妊娠的hCG免疫;診斷原發(fā)性肝癌的甲胎蛋白(AFP或αFP);測(cè)定人血清蛋白(HSA、胰島素等等。(4)電化學(xué)DNA電極

利用單鏈DNA(ssDNA)或基因探針作為敏感元件固定在固體電極表面

固定在電極表面的某一特定序列的ssDNA與溶液中的同源序列的特異識(shí)別作用(分子雜交)形成雙鏈DNA(dsDNA)(電極表面性質(zhì)改變),同時(shí)借助一能識(shí)別ssDNA和dsDNA的雜交指示劑改變電流響應(yīng)

檢測(cè)基因及一些能與DNA發(fā)生特殊相互作用的物質(zhì)

6、生物傳感器的工作原理被測(cè)溶液中待測(cè)物質(zhì)—擴(kuò)散進(jìn)入生物功能膜---功能膜中敏感物質(zhì)進(jìn)行分子識(shí)別或生物學(xué)反應(yīng)---基于化學(xué)、物理原理轉(zhuǎn)變成相應(yīng)比例電信號(hào)---輸出

三、常用生物傳感器

1、酶?jìng)鞲衅?/p>

原理：被測(cè)物質(zhì)固定化酶膜催化化學(xué)反應(yīng)生成消耗電極活性物質(zhì)（O2、H2O2、CO2、NH3等)電化測(cè)量裝置（電極）電信號(hào)

2、葡萄糖傳感器

原理：葡萄糖（被測(cè)物）葡萄糖氧化酶（GOD敏感膜）氧化氧減少氧電極（隔膜型Pt陰電極浸入NaOH溶液)氧穿過(guò)隔膜到達(dá)Pt被還原形成陰極電流C6H12O6+O2C6H10O6+H2O2

O2+2H2O+4e4OH-3、微生物傳感器

原理：有機(jī)化合物溶液（被測(cè)物）微生物膜攝取（敏感膜）吸入氧氣放出二氧化碳剩余氧氣到達(dá)氧電極陰極電流

4、半導(dǎo)體符合模式傳感器

生物場(chǎng)效應(yīng)晶體管

離子感應(yīng)膜或生物功能膜代替柵極金屬膜

檢測(cè)對(duì)象被吸附在功能膜受體上只是磨點(diǎn)位發(fā)生變化，漏電流發(fā)生變化。

酶FET:

免疫FET5、酶光電二極管催化發(fā)光反應(yīng)酶檢測(cè)過(guò)氧化氫6、壓電晶體復(fù)合模式傳感器復(fù)著物的變化影響石英晶體的振動(dòng)諧振頻率四、生物傳感器的發(fā)展

未來(lái)生物傳感器特點(diǎn)

：

功能多樣化：未來(lái)的生物傳感器將進(jìn)一步涉及醫(yī)療保健、疾病診斷、食品檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、發(fā)酵工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。目前,

生物傳感器研究中的重要內(nèi)容之一就是研究能代替生物視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等感覺(jué)器官的生物傳感器,即仿生傳感器。

微型化：隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)步，生物傳感器將不斷地微型化和各種便攜式生物傳感器的出現(xiàn)使人們?cè)诩抑羞M(jìn)行疾病診斷