生物傳感器(兼容)概要

生物傳感器魏銘7130070鄭棋月71300692014.3.14第一頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。目錄一.生物傳感器的發(fā)展歷史二.生物傳感器的基本概念三.生物傳感器的基本原理四.生物傳感器的分類五.生物傳感器在食品工業(yè)中的應用六.生物傳感器的發(fā)展現狀七.生物傳感器的發(fā)展趨勢和展望第二頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。一.生物傳感器的發(fā)展歷史 第一階段：20世紀60一70年代，為起步階段，以Clark傳統酶電極為代表。

第二階段：20世紀70年代末期到80年代，大量的學科交叉出現各種不同原理和技術的生物傳感器，尤其80年代中期是生物傳感器發(fā)展的第一個高潮時期，其代表之一是介體酶電極，它不僅開辟了酶電子學的新研究方向，還為酶傳感器的商品化奠定了重要基礎。

第三階段：20世紀90年代以后，有兩個象征：一是生物傳感器的市場開發(fā)獲得顯著成績；二是生物親和傳感器的技術突破，以表面等離子體和生物芯片為代表，成為生物傳感器發(fā)展的第二個高潮。第三頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。一.生物傳感器的發(fā)展歷史1962年，Clark教授→酶電極1967年，Updike,Hicks→酶傳感器1975年，C.Divis提出用完整的微生物活細胞取代純酶制作的傳感器1977年，美國A.Rchnitz研制出檢測精氨酸的微生物電極1979年，A.Rchnitz成功研制出了測定谷氨酰胺的組織傳感器20世紀80年代，牛津出版社《生物傳感器：基礎與應用》1990年，在新加坡召開了“首屆世界生物傳感器學術大會”第四頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。一.生物傳感器的發(fā)展歷史

生物傳感器是一個非?；钴S的研究和工程技術領域，它與生物信息學、生物芯片、生物控制論、仿生學、生物計算機等學科一起，處在生命科學和信息科學的交叉區(qū)域。它們的共同特征是：探索和揭示出生命系統中信息的產生、存儲、傳輸、加工、轉換和控制等基本規(guī)律，探討應用于人類經濟活動等的基本方法。 生物傳感器技術的研究重點是：廣泛地應用各種生物活性材料與傳感器的結合，研究和開發(fā)具有識別功能的換能器，并成為制造新型的分析儀器和分析方法的原創(chuàng)技術，研究和開發(fā)它們的應用。生物傳感器中應用的生物活性材料對象范圍包括：生物大分子、細胞、細胞器、組織、器官等，以及人工合成的分子印跡聚合物。目前，研究DNA分子或蛋白質分子的識別技術已形成生物芯片獨立學科領域。第五頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。二.傳感器的基本概念1.生物傳感器(biosensor)： 是指對生物物質敏感,并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。生物傳感器的組成主要分為兩個部分：分子識別元件（生物敏感膜）和換能器（一次儀表）。第六頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。二.傳感器的基本概念1.1分子識別元件 是指固定化的生物敏感材料，是生物傳感器的關鍵元件，直接決定傳感器的功能與質量。依生物敏感膜所選材料不同，其組成可以是酶、核酸、免疫物質、全細胞、組織、細胞器或它們的不同組合。第七頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。二.傳感器的基本概念1.2換能器

換能器的作用是將各種生物的、化學的和物理的信息轉變成電信號。生物學反應過程產生的信息是多元化的，微電子學和傳感技術的現代成果為檢測這些信息提供了豐富的手段，使得研究者在設計生物傳感器時對換能器的選擇有足夠的回旋余地。 主要的換能器包括氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等。第八頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。二.傳感器的基本概念1.3生物功能物質的固定化

概念：將具有分子識別能力的生物功能物質，包藏或吸附于某些高分子材料，生物高分子或無機材料，如分子篩內制備成感應器，稱為生物功能物質的固定化。 常用固定化方法：夾心法（隔離法）、包埋法、吸附法、共價結合法、交聯法、微膠囊法。第九頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。二.傳感器的基本概念1.3.1夾心法 是將生物活性材料封閉在雙層濾膜之間。依生物材料的不同而選擇各種孔徑的濾膜。

尤其適用于微生物和組織膜的制作。商品BOD傳感器的膜就是用這種方法制作的。用于酶膜制作時穩(wěn)定性較差。

濾膜的選擇生物組分膜孔徑膜類型酶10~300A°超濾膜、透析膜組織0.5~10μm微濾膜微生物0.05~10μm微濾膜第十頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。二.傳感器的基本概念1.3.2吸附法 是用非水溶性載體物理吸附或離子結合，使蛋白質分子固定化的方法。 載體種類繁多，如活性炭、高嶺土、羥基石灰石、鋁粉、硅膠、玻璃、膠原、磷酸鈣凝膠、纖維素和離子交換器等。 吸附法主要用于制備酶和免疫膜，吸附過程一般不需要化學試劑，對蛋白質分子活性影響較小，使蛋白質分子容易脫落，特別在環(huán)境條件改變時。故常常與其它固定化方法結合使用，如吸附交聯法。第十一頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。二.傳感器的基本概念1.3.3包埋法 將酶分子或細胞包埋并固定在高分子聚合物三維空間網狀結構基質中。 包埋法的特點是一般不產生化學修飾，對生物分子活性影響較小，膜的孔徑和幾何形狀可任意控制，被包埋物質不易滲漏，底物分子可以在膜中任意擴散，缺點是分子量大的底物在凝膠網格內擴散較困難，因此，不適合大分子底物的測定。第十二頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。二.傳感器的基本概念1.3.4共價結合法 是生物活性分子通過共價鍵與不溶性載體結合而固定的方法。蛋白質分子中能與載體形成共價鍵的基團有游離氨基、羧基、巰基、酚基和羥基等。有機載體如纖維素及其衍生物、葡聚糖、瓊脂粉、骨膠原等，無機載體使用較少，主要有多孔玻璃、石墨等。 根據酶與載體之間的結合形式可以有重氮法、肽鍵法、烷化法等，以重氮法較為多用。 共價結合法多用于酶膜和免疫分子膜的制作。第十三頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。二.傳感器的基本概念1.3.5交聯法

此法借助雙功能試劑使蛋白質結合到惰性載體或蛋白質分子彼此交聯呈網狀結構。 交聯法廣泛用于酶膜和免疫分子膜制備，操作簡單，結合牢固，在酶源困難時常常需要加入數倍酶的惰性蛋白質作為基質。本法存在的問題是在進行固定化時需要嚴格控制pH，一般在蛋白質的等電點附近操作。在交聯反應中，酶分子不可避免地會部分失活。第十四頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。三.生物傳感器的基本原理被分析物擴散進入固定化生物敏感膜層，經分子識別，發(fā)生生物學反應，產生的信息繼而被相應的化學換能器或物理換能器轉變成可定量和可處理的電信號，再經二次儀表(檢測放大器)放大并輸出，便可知道待測物濃度。第十五頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。三.生物傳感器的基本原理與傳統的分析方法相比，生物傳感器這種新的檢測手段具有如下的優(yōu)點：①生物傳感器是由選擇性好的生物材料構成的分子識別元件，因此一般不需要樣品的預處理，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他試劑；②由于它的體積小，可以實現連續(xù)在線監(jiān)測；③響應快，樣品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反復多次使用；④傳感器連同測定儀的成本遠低于大型的分析儀器，便于推廣普及。第十六頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。三.生物傳感器的基本原理

生物傳感器的優(yōu)點可現場檢測靈敏度高快捷可微型化可操作性強測定簡便選擇性好便于攜帶第十七頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。四.生物傳感器的分類31、根據生物傳感器中生物分子識別元件上的敏感物質分：核酸傳感器分子印跡生物傳感器√√√第十八頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。四.生物傳感器的分類4.1.1分子印跡生物傳感器 通過對抗原抗體、酶和底物反應原理的研究和理解,科學家大膽提出了通過化學反應合成模擬抗體的設想,開創(chuàng)了一項嶄新的技術—分子印跡技術(molecularimprintingtechnique,MIT)。通過MIT合成的分子印跡聚合物(molecularlyimprintedpolymers,MIPs)被稱為“塑料抗體”,科學家因此實現了不依賴生物活體獲得“抗體”的宿愿,以此“塑料抗體”取代生物分子作為識別元件研制分子印跡仿生傳感器(MIPs仿生傳感器)的工作,在20世紀90年代后逐漸成為傳感器領域的研究熱點。第十九頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。四.生物傳感器的分類分子印跡聚合物的制備包括3個步驟:(1)通過共價鍵或/和非共價鍵使模板或印跡分子(即待測分子)與功能單體形成官能團和空間結構互補的復合物,所用的功能單體須帶有能與印跡分子發(fā)生作用的功能基。常用的功能單體有丙烯酸、甲基丙烯酸、三氟甲基丙烯酸及苯乙烯等;(2)加入交聯劑,在印跡分子-功能單體復合物周圍產生聚合反應,將官能團和空間結構互補的形式固定在聚合物中。常用的交聯劑有:雙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)從聚合物中除去模板,形成能特異識別、結合模板的空穴,這個聚合物即MIPs。第二十頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。四.生物傳感器的分類4.1.2組織傳感器

是利用動植物組織中的酶，特異性的催化底物，產生生物活性物質，引起基礎電極的響應。第一支組織電極是用動物組織牛肝在美Rechnitz實驗室于1978年面世，1981年開創(chuàng)了植物組織電極的研制。其工作原理類似于酶傳感器，是酶傳感器的衍生性電極。第二十一頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。四.生物傳感器的分類組織傳感器的優(yōu)點：1、組織電極中酶活性比酶電極所用的離析酶的活性高

2、酶的穩(wěn)定性增強。因為組織中的酶除了處于最適宜的環(huán)境，同時又相當于被固定化了3、組織電極用的生物材料，如動物的肝，腎，腸、肌肉，植物的葉、莖、花、果等易于獲得，可代替昂貴的酶試劑4、不清楚是什么酶的催化反應，或對生物催化途徑不清楚的反應系統，無法用酶電極，只有用組織電極第二十二頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。四.生物傳感器的分類4.1.3免疫傳感器基本原理：免疫反應。利用固定化抗體（或抗原）膜與相應的抗原（或抗體）的特異反應，使得生物敏感膜的電位發(fā)生變化。抗原或抗體一經固定于膜上，就形成具有識別免疫反應強烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纖維素膜上進行固定化，由于蛋白質為雙極性電解質，（正負電極極性隨ＰＨ值而變）所以抗原固定化膜具有表面電荷。其膜電位隨膜電荷要變化。故根據抗體膜電位的變化，可測知抗體的附量。第二十三頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。四.生物傳感器的分類4.1.3免疫傳感器免疫傳感器的結構：第二十四頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。四.生物傳感器的分類2、根據傳感器輸出信號的產生方式分：生物親和型生物傳感器、代謝型生物傳感器、催化型生物傳感器4.2.1生物親和型生物傳感器 是利用分子間特異的親和性，即生物活性物質對底物的親和或鍵合作用而建立起來的，如免疫傳感器、受體傳感器和DNA傳感器等，根據生物反應產生信息的物理或化學性質，可采用電化學、光譜、熱、壓電和表面聲波等技術進行檢測。第二十五頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。四.生物傳感器的分類3、根據生物傳感器的信號轉化器分：電化學生物傳感器（bioelectrode）半導體生物傳感器（semiconductbiosensor）測熱型生物傳感（calorimetricbiosensor）測光型生物傳感器（opticalbiosensor）壓電晶體生物傳感器（piezoelectricbiosensor）

√第二十六頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。四.生物傳感器的分類4.3.1壓電晶體生物傳感器 利用壓電石英晶體對表面電極區(qū)附著質量的敏感性，并結合生物功能分子(如抗原和抗體)之間的選擇特異性，使壓電晶體表面產生微小的壓力變化，引起其振動頻率改變可制成壓電生物傳感器。 它主要由壓電晶體、振蕩電路、差頻電路、頻率計數器及計算機等部分組成。 常用壓電晶體材料：石英（SiO2）、鉭酸鋰（LiTaO3） 晶體振動兩種類型：體聲波(bulkacousticwave,BAW)表面聲波(Surfaceacousticwave,SAW)第二十七頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。五.生物傳感器的在食品工業(yè)的應用第二十八頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。食品工業(yè)中應用ACB4.1食品品質檢測4.2食品成分分析4.3

食品安全檢測五.生物傳感器的在食品工業(yè)的應用第二十九頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。4.1食品品質檢測

新鮮度檢測

例如畜禽肉、魚肉和牛乳新鮮度的評定。食品滋味及熟度的檢測

例如醬鹵肉制品及骨湯類制品。五.生物傳感器的在食品工業(yè)的應用第三十頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。4.1食品品質檢測例：畜禽肉生物傳感器肉類在腐敗過程中會產生各種胺類,故測定胺類也能反映肉類的新鮮程度。用腐胺氧化酶與過氧化氫電極構成多胺生物傳感器,即肉鮮度傳感器,測定魚肉在貯藏過程上的鮮度,響應時間40s,測定腐胺線性范圍為3×10

-8～3×10

-6mol/L。

有些肉鮮度傳感器是通過測定葡萄糖濃度來評價肉類食品的新鮮度。五.生物傳感器的在食品工業(yè)的應用第三十一頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。4.1食品品質檢測待分析物識別元件化學變化

換能器可定量分析的電信號5’－核苷酸酶核苷磷酸化酶黃嘌呤氧化酶電化學元件氧電極

例：魚鮮度傳感器魚死后體內ATP→ADP→AMP→IMP→肌苷→次黃嘌呤→尿酸五.生物傳感器的在食品工業(yè)的應用第三十二頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。4.1食品品質檢測例：牛乳鮮度傳感器

牛乳鮮度傳感器實際上是一個菌數測定儀。探頭是一種燃燒電池，它包括一個鉑陰極和一個Ag2O2陽極，兩極間用陽離子交換膜隔開。被測定樣品與陽極接觸，樣品中的細菌可在陽極氧化，加入電子傳遞介質，如亞甲基藍、二氯酚靛酚等可加快電極反應速度，增大電流。電流值與樣品中的細菌濃度成比例，菌數越多，表明牛乳越不新鮮。牛乳放置過程中，受細菌作用而產生乳酸，因此乳酸含量可表示牛乳的鮮度.此外，也可從牛乳放置過程脂解作用產生的短鏈脂肪酸的含量來判斷牛乳及其制品的新鮮度。五.生物傳感器的在食品工業(yè)的應用第三十三頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。用于食品鮮度檢測以及微生物和生物毒素測定的傳感器類型表1表2五.生物傳感器的在食品工業(yè)的應用第三十四頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。4.2食品成分分析蛋白質和氨基酸檢測

有機酸和醇類物質檢測例如乳酸、醋酸、乙醇、甲醇等。

糖含量的檢測例如果汁、果醬、水果等含糖食品中葡萄糖含量。五.生物傳感器的在食品工業(yè)的應用第三十五頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。4.2食品成分分析例：乙醇生物傳感器在與乙醇相關的食品成分分析中直接使用乙醇生物傳感器,簡便快捷,結果準確,并且適用于現場在線分析。天津商業(yè)大學利用核微孔酶膜制造乙醇生物傳感器已經獲得了專利,該技術既可以快速檢測乙醇又可以用于乙醇類產品的發(fā)酵控制、質量控制等,無需很大的設備和廠房投資。五.生物傳感器的在食品工業(yè)的應用第三十六頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。4.2食品成分分析例：蘋果成熟度（葡萄糖含量測定)待分析物生物敏感膜化學變化換能器可定量分析的電信號葡萄糖氧化酶膜電化學元件H2O2電極五.生物傳感器的在食品工業(yè)的應用第三十七頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。4.3食品安全檢測食品中微生物檢測例如：沙門氏菌、大腸桿菌、金黃葡萄球菌等。食品中生物毒素檢測例如：黃曲霉毒素殘留農藥檢測食品添加劑的檢測例如：甜蜜素、亞硝酸鹽、磷酸等。

五.生物傳感器的在食品工業(yè)的應用第三十八頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。4.3食品安全檢測食品中微生物的檢測食品中病原性微生物的存在會給消費者的健康帶來極大的危害，食品中毒素不僅種類很多而且毒性大，大多有致癌、致畸、致突變作用，因此，加強對食品中的病原性微生物及毒素的檢測至關重要。五.生物傳感器的在食品工業(yè)的應用第三十九頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。4.3食品安全檢測食品中微生物的檢測食用牛肉很容易被大腸桿菌0157.H7.所感染，因此需要快速靈敏的方法來檢測和防御大腸桿菌0157.H7一類的細菌。Kramerr等人研究的光纖生物傳感器可以在幾分鐘內檢測出食物中的病原體(如大腸桿菌0157.H7.)，而傳統的方法則需要幾天。這種生物傳感器從檢測出病原體到從樣品中重新獲得病原體并使它在培養(yǎng)基上獨立生長總共只需1天時間，而傳統方法需要4天。五.生物傳感器的在食品工業(yè)的應用第四十頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。4.3食品安全檢測食品中生物毒素的檢測王飛報道了國外采用枯草桿菌制成的微生物傳感器對黃曲霉毒素B1的檢出限為0.8ug/ml。

R.A.Ogert采用光纖傳感器測定了食品中的肉毒桿菌毒素A，檢測下限達5ng/mL，1min內可完成測定。此外，應用生物傳感器對蓖麻毒素、肉毒桿菌毒素B、葡萄球菌毒素、沙蠶毒素的檢測也有報道。五.生物傳感器的在食品工業(yè)的應用第四十一頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。4.3食品安全檢測殘留農藥的檢測目前，關于生物傳感器對農藥殘留的檢測報道較多，利用農藥對目標酶（如乙酰膽堿酯酶）活性的抑制作用研制的酶傳感器，以及利用農藥與特異性抗體結合反應研制的免疫傳感器，在食品殘留農藥的檢測中得到廣泛的研究。五.生物傳感器的在食品工業(yè)的應用第四十二頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。4.3食品安全檢測例：熟肉制品、泡菜等中亞硝酸鹽含量測定待分析物

識別元件光學變化換能器可定量分析的電信號

亞硝酸鹽還原酶光學元件光纖五.生物傳感器的在食品工業(yè)的應用第四十三頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。六.生物傳感器的發(fā)展現狀第四十四頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。第一代生物傳感器(如葡萄糖傳感器)由固定了生物成分的非活性基質膜(透析膜或反應膜)和電化學電極所組成。第二代生物傳感器(如SPR傳感器)是將生物成分直接吸附或共價結合到轉換器的表面,而無需非活性的基質膜,測定時不必向樣品中加入其他試劑?？贵w或受體蛋白作為分子識別組件。第三代生物傳感器(如硅片與生命材料相結合制成的生物芯片)是把生物成分直接固定在電子元件上,它們可以直接感知和放大界面物質的變化,從而把生物識別和信號的轉換處理結合在一起,結構更為緊湊。六.生物傳感器的發(fā)展現狀第四十五頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。生物傳感器具有選擇性好、快速、靈敏等特點,既可簡單應用于日常食品購買,又可被生產者、檢測部門應用于大規(guī)模食品檢測。維生素Ｃ傳感器六.生物傳感器的發(fā)展現狀第四十六頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。SBA-40型谷氨酸-葡萄糖雙功能分析儀進樣帽位于反應池上部?？梢詮拇颂幾⑷霕悠坊驑藴室簝x器處在隨時通電狀態(tài)，測定時按一下開關六.生物傳感器的發(fā)展現狀第四十七頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。發(fā)酵罐主機計算機SBA-60型生物傳感器乳酸在線分析系統六.生物傳感器的發(fā)展現狀第四十八頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。一種葡萄糖傳感器-GlucowatchGlucosepulledthroughtheskinbychargedmoleculesTheionsmigratetotheanode(+)andcathode(-)GlucosereactswithglucoseoxidasetoformhydrogenperoxideThereactionproducesanelectrochemicalmeasuredbytheAutoSensor六.生物傳感器的發(fā)展現狀第四十九頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。SPR生物傳感器六.生物傳感器的發(fā)展現狀第五十頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。三個難點首先是如何高效地篩分出高活性的酶；其次是如何在工藝上將基膜做的盡可能的??；最后是如何改進傳感器對應用條件的適應性和穩(wěn)定性。七.生物傳感器的發(fā)展趨勢和展望第五十一頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。應用范例快速分析葡萄糖、谷氨酸、乳酸鹽、乳糖、半乳糖等成分的多功能生物傳感器(2)測量大氣中乙醇、硫、胺、二氧化碳、二氧化氮和其他化學成分含量的電子鼻,它在食品與飲料制造業(yè)中已大量用于監(jiān)測有害微生物的污染程度以及各種食品的保鮮程度

(3)通過生物傳感器測量生物肌體內三磷酸腺苷(ATP)的變化而實現了魚肉新鮮度快速測量七.生物傳感器的發(fā)展趨勢和展望第五十二頁，編輯于星期六：二十二點五十五分。未來趨勢近年來，隨著生物科學、信息科學和材料科