单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,生物传感器简介,生物传感器简介,1,一、概论,生物传感器,(,化学、生物学、物理学、电子学,.),生物传感器是利用生物关联物质选择分子的功能的化学传感器（敏感元件：生物材料，转换元件：电极）,（,生物感应元件的专一性,/,能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器,/,与其它传感器不同的是生物传感器是,以生物学组件作为主要功能性元件,，能够,感受规定的被测量,/,是基于它的,生物敏感材料来自生物体,。生物传感器的工作原理主要决定于生物敏感元件与待测物质之间的相互作用，主要有化学变化,转化,为电信号、将热变化,转化,为电信号、将光效应,转化,为电信号、,直接,产生电信号方式等方式,特点：,选择性好、噪声低、重复性好、,能以电信号直接输出,测量范围：,低分子,高分子：酶、微生物、免疫体、复杂蛋白质等,现有传感器：,酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、半导体生物传感器、热生物传感器、光生物传感器、压电生物传感器,一、概论,2,生物传感器的分类,1,：,按识别功能膜分类,按信号转换分类,按材料,按识别对象,生物传感器的分类1：按识别功能膜分类按信号转换分类按材料按识,3,生物传感器的分类,2,：,根据被测物与分子识别元件相互作用产生传感器输出信号的方式分类：,1,）生物亲和型生物传感器,被测物,与,分子识别元件,上敏感物质具有,生物亲和作用,。即二者间能特异地相结合，同时引起敏感材料上生物分子的结构和固定介质发生物理变化，例如电荷、厚度、温度、光学性质,(,颜色或荧光,),等变化。这类传感器称为生物亲和型生物传感器。,2,）代谢型或催化型生物传感器,被测物,与,分子识别元件,上的敏感物质相作用并,产生产物,，信号,换能器,将底物的消耗或产物的增加,转变,为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型生物传感器。,生物传感器的分类2：根据被测物与分子识别元件相互作用产生传感,4,二、,生物传感器的工作原理,1,、生物识别功能,生物体内,具有各种,选择性,地识别,特定化学物质,的,化学受体,化学受体：分子识别部位,或,信号转换部位,识别功能物质：,酶,高选择性、起催化作用,氧化还原酶 水解酶,（,葡萄糖氧化酶）（尿素酶）,抗体,与免疫有关,激素受体、结合蛋白质,微生物,特殊酶活性的小器官,二、生物传感器的工作原理,5,2,、生物信号转换方式,1,）化学变化转换为电信号方式,酶与被识别分子发生特异反应，产生特定物质的增减，并将,特定物质的增减量转换为电信号,2,）热转换为电信号方式,进行分子识别时产生热变化，并将热变化转换为电信号,3,）光转换为电信号方式,很多酶进行分子识别时产生化学发光，并将光变化转换为电,信号,4,）直接诱导式电信号,进行分子识别时产生电信号变化,2、生物信号转换方式,6,3,、换能器,感知分子识别时的变化，转变成可以记录的信号,4,、固定化技术,酶、抗体、微生物通常是水溶性的，与适当的载体结合变成不溶于水的并制成传感器用的识别功能膜，这种技术成为固定化技术。,3、换能器,7,5,、电极与测量方式,1,）电极：,氧电极,O,2,、,H,2,O,2,电极、,PH,电极,CO,2,电极、,NH,3,电极、,NH,4+,电极,2,）测量方式,（被测物浓度变化转换成电信号方式）：,电流法 生化反应消耗或生成的电极活性,物质的电极板反应产生电流,氧电极,O,2,、,H,2,O,2,电极,电压法 生化反应的粒子在识别功能膜上,产生的膜电位,CO,2,电极、,NH,3,电极、,NH,4+,电极,5、电极与测量方式,8,3,）静态测量法：,生物传感器插入试液，边搅拌边测量,动态测量法：,生物传感器插入试液池，让缓冲液连,续流过测量池，在一定时间内将试液,注入测量。,3）静态测量法：生物传感器插入试液，边搅拌边测量,9,4,）例：,(1),酶电极,葡萄糖氧化酶,(GOD),电极，,GOD,的催化,葡萄糖,(C6H12O6),被氧化生成葡萄糖酸,(C6H12O7),和过氧化氢。通过氧电极,(,测氧的消耗,),、过氧化氢电极,(,测,H2O2,的产生,),和,pH,电极,(,测酸度变化,),来间接测定葡萄糖的含量。因此只要,将,GOD,固定在上述电极表面,即可构成测葡萄糖的,GOD,传感器。,(2),微生物电极,将微生物,(,常用的主要是细菌和酵母菌,),作为敏感材料固定在电极表面,。工作原理：其一,利用微生物体内含有的酶,(,单一酶或复合酶,),系来识别分子,这种类型与酶电极类似,;,其二,利用微生物对有机物的同化作用,通过检测其呼吸活性,(,摄氧量,),的提高,即通过氧电极测量体系中氧的减少间接测定有机物的浓度,;,其三,通过测定电极敏感的代谢产物间接测定一些能被厌氧微生物所同化的有机物。,4）例：,10,(3),电化学免疫电极,将抗体或抗原直接固定在电极表面上。,传感器与相应的抗体或抗原发生结合的同时产生电势改变直接转变成电信号。,诊断早期妊娠的,hCG,免疫,;,诊断原发性肝癌的甲胎蛋白,(AFP,或,FP);,测定人血清蛋白,(HSA,、胰岛素等等,。,(4),电化学,DNA,电极,利用单链,DNA(ssDNA),或基因探针作为敏感元件固定在固体电极表面,固定在电极表面的某一特定序列的,ssDNA,与溶液中的同源序列的特异识别作用,(,分子杂交,),形成双链,DNA(dsDNA)(,电极表面性质改变,),同时借助一能识别,ssDNA,和,dsDNA,的杂交指示剂改变电流响应,检测基因及一些能与,DNA,发生特殊相互作用的物质,(3)电化学免疫电极 将抗体或抗原直接固定在电极表面上。,11,6,、生物传感器的工作原理,被测溶液中,待测物质,扩散进入,生物功能膜,-,功能膜中敏感物质进行,分子识别,或生物学反应,-,基于化学、物理原理,转变,成相应比例电信号,-,输出,6、生物传感器的工作原理,12,三、常用生物传感器,1,、酶传感器,原理：被测物质 固定化酶膜 催化化学反应 生成消耗电极活性物质（,O,2,、,H,2,O,2,、,CO,2,、,NH,3,等,),电化测量装置（电极）电信号,三、常用生物传感器,13,2,、葡萄糖传感器,原理：葡萄糖（被测物）葡萄糖氧化酶（,GOD,敏感膜）氧化 氧减少 氧电极（隔膜型,Pt,阴电极 浸入,NaOH,溶液,),氧穿过隔膜到达,Pt,被还原 形成阴极电流,C,6,H,12,O,6,+O,2,C,6,H,10,O,6,+H,2,O,2,O,2,+2H,2,O+4e 4OH-,2、葡萄糖传感器,14,3,、微生物传感器,原理：有机化合物溶液（被测物）微生物膜摄取（敏感膜）吸入氧气放出二氧化碳 剩余氧气到达氧电极 阴极电流,3、微生物传感器,15,4,、半导体符合模式传感器,生物场效应晶体管,离子感应膜或生物功能膜代替栅极金属膜,检测对象被吸附在功能膜受体上只是磨点位发生变化，漏电流发生变化。,4、半导体符合模式传感器,16,酶,FET:,酶FET:,17,免疫,FET,免疫FET,18,5,、酶光电二极管,催化发光反应酶 检测过氧化氢,5、酶光电二极管催化发光反应酶 检测过氧,19,6,、压电晶体复合模式传感器,复着物的变化影响石英晶体的振动谐振频率,6、压电晶体复合模式传感器复着物的变化影响石英晶体的振动谐振,20,四、生物传感器的发展,未来生物传感器特点,：,功能多样化：,未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。目前,生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器,即仿生传感器,。,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和各种,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。,智能化与集成化：,未来的生物传感器必定与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙,形成检测的自动化系统。同时,芯片技术将越来越多地进入传感器领域,实现检测系统的集成化、一体化。,低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命,:,生物传感器技术的不断进步,必然要求不断降低产品成本，提高灵敏度、稳定性和延长寿命。,四、生物传感器的发展,21,讲义生物传感器课件,22,讲义生物传感器课件,23,讲义生物传感器课件,24,讲义生物传感器课件,25,讲义生物传感器课件,26,讲义生物传感器课件,27,讲义生物传感器课件,28,讲义生物传感器课件,29,讲义生物传感器课件,30,讲义生物传感器课件,31,讲义生物传感器课件,32,讲义生物传感器课件,33,讲义生物传感器课件,34,讲义生物传感器课件,35,讲义生物传感器课件,36,讲义生物传感器课件,37,讲义生物传感器课件,38,讲义生物传感器课件,39,讲义生物传感器课件,40,讲义生物传感器课件,41,讲义生物传感器课件,42,讲义生物传感器课件,43,讲义生物传感器课件,44,讲义生物传感器课件,45,