1、生物传感器简介生物传感器简介一、概论一、概论生物传感器生物传感器(化学、生物学、物理学、电子学化学、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）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与其它传感器不同的是生物传感器是感器是以生物学组件作为主要功能性元件以生物学组件作为主要功能性元件，能够，能够感受规定的被测量感受规定的
2、被测量 /是基于它的是基于它的生物敏感材料来自生物敏感材料来自生物体生物体。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。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，主要有化学变化变化转化转化为电信号、将热变化为电信号、将热变化转化转化为电信号、将光效应为电信号、将光效应转化转化为电信号、为电信号、直接直接产生电信号方式等方式产生电信号方式等方式 特点：特点： 选择性好、噪声低、重复性好、选择性好、噪声低、重复性好、 能以电信号直接输出能以电信号直接输出 测量范围：测量范围： 低分子低分子高分子：酶、微生物、免疫体、复杂蛋白质高分子：酶
3、、微生物、免疫体、复杂蛋白质等等 现有传感器：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、压电生物传感器传感器、热生物传感器、光生物传感器、压电生物传感器生物传感器的分类生物传感器的分类1：按识别功能膜分类按识别功能膜分类按信号转换分类按信号转换分类按材料按材料按识别对象按识别对象生物传感器的分类生物传感器的分类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：输出信号的方式分类： 1）生物亲和型生物传感器）生物亲和型生物传感器 被测物被
4、测物与与分子识别元件分子识别元件上敏感物质具有上敏感物质具有生物亲和作用生物亲和作用。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、的结构和固定介质发生物理变化，例如电荷、厚度、温度、光学性质光学性质(颜色或荧光颜色或荧光)等变化。这类传感器称为生物亲和等变化。这类传感器称为生物亲和型生物传感器。型生物传感器。 2）代谢型或催化型生物传感器）代谢型或催化型生物传感器 被测物被测物与与分子识别元件分子识别元件上的敏感物质相作用并上的敏感物质相作用并产生产产生产物物，信号，信号换能器换能器将底
5、物的消耗或产物的增加将底物的消耗或产物的增加转变转变为输出信为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型生物传感器。号，这类传感器称为代谢型或催化型生物传感器。 二、二、生物传感器的工作原理生物传感器的工作原理 1、生物识别功能、生物识别功能 生物体内生物体内具有各种具有各种选择性选择性地识别地识别特定化学物质特定化学物质的的化学受体化学受体 化学受体：分子识别部位化学受体：分子识别部位或或信号转换部位信号转换部位 识别功能物质：识别功能物质：酶酶 高选择性、起催化作用高选择性、起催化作用 氧化还原酶氧化还原酶 水解酶水解酶 （葡萄糖氧化酶）葡萄糖氧化酶） （尿素酶）（尿素酶） 抗体抗体 与免疫有
6、关与免疫有关 激素受体激素受体 、结合蛋白质、结合蛋白质 微生物微生物 特殊酶活性的小器官特殊酶活性的小器官 2、生物信号转换方式、生物信号转换方式 1）化学变化转换为电信号方式）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特定物质的增减量转换为电信号 2）热转换为电信号方式）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）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
7、转换为电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 信号信号 4）直接诱导式电信号）直接诱导式电信号 进行分子识别时产生电信号变化进行分子识别时产生电信号变化 3、 换能器换能器 感知分子识别时的变化，转变成可以记录的信号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、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。成为固定化技术。 5、电极与测量方式、电极与测量方式 1）电极：）电极： 氧电极氧电
8、极O2、 H2O2电极、电极、PH电极电极 CO2电极、电极、NH3电极、电极、NH4+电极电极 2）测量方式）测量方式 （被测物浓度变化转换成电信号方式）：（被测物浓度变化转换成电信号方式）： 电流法电流法 生化反应消耗或生成的电极活性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物质的电极板反应产生电流 氧电极氧电极O2、 H2O2电极电极 电压法电压法 生化反应的粒子在识别功能膜上生化反应的粒子在识别功能膜上 产生的膜电位产生的膜电位 CO2电极、电极、NH3电极、电极、NH4+电极电极 3）静态测量法：）静态测量法：生物传感器插入试液，边搅拌边测生物传感器插入试液，边搅拌边测量
9、量 动态测量法：动态测量法：生物传感器插入试液池，让缓冲液生物传感器插入试液池，让缓冲液连连 续流过测量池，在一定时间内将试液续流过测量池，在一定时间内将试液 注入测量。注入测量。 4）例：）例：(1)酶电极酶电极葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶(GOD)电极，电极，GOD的催化的催化,葡萄糖葡萄糖(C6H12O6)被氧化生被氧化生成葡萄糖酸成葡萄糖酸(C6H12O7)和过氧化氢。通过氧电极和过氧化氢。通过氧电极(测氧的消耗测氧的消耗)、过氧、过氧化氢电极化氢电极(测测H2O2的产生的产生)和和pH电极电极(测酸度变化测酸度变化)来间接测定葡萄糖来间接测定葡萄糖的含量。因此只要的含量。因此只要将将GO
10、D固定在上述电极表面固定在上述电极表面即可构成测葡萄糖的即可构成测葡萄糖的GOD传感器。传感器。(2) 微生物电极微生物电极 将微生物将微生物(常用的主要是细菌和酵母菌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作为敏感材料固定在电极表面。工作原理：其一工作原理：其一,利用微生物体内含有的酶利用微生物体内含有的酶(单一酶或复合酶单一酶或复合酶)系来识别系来识别分子分子,这种类型与酶电极类似这种类型与酶电极类似;其二其二,利用微生物对有机物的同化作用利用微生物对有机物的同化作用,通通过检测其呼吸活性过检测其呼吸活性(摄氧量摄氧量)的提高的提高,即通过氧电极测量体系中氧的减少即通过氧电极测
11、量体系中氧的减少间接测定有机物的浓度间接测定有机物的浓度;其三其三,通过测定电极敏感的代谢产物间接测定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。一些能被厌氧微生物所同化的有机物。 (3) 电化学免疫电极电化学免疫电极 将抗体或抗原直接固定在电极表面上。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。直接转变成电信号。 诊断早期妊娠的诊断早期妊娠的hCG免疫免疫;诊断原发性肝癌的甲胎蛋白诊断原发性肝癌的甲胎蛋白(AFP或或FP);测定人血清蛋白测定人血清蛋白(HSA
12、、胰岛素等等、胰岛素等等。(4) 电化学电化学DNA电极电极 利用单链利用单链DNA(ssDNA)或基因探针作为敏感元件固定在固或基因探针作为敏感元件固定在固体电极表面体电极表面 固定在电极表面的某一特定序列的固定在电极表面的某一特定序列的ssDNA与溶液中的同与溶液中的同源序列的特异识别作用源序列的特异识别作用(分子杂交分子杂交)形成双链形成双链DNA(dsDNA)(电极表面性质改变电极表面性质改变),同时借助一能识别同时借助一能识别ssDNA和和dsDNA的杂交指示剂改变电流响应的杂交指示剂改变电流响应检测基因及一些能与检测基因及一些能与DNA发生特殊相互作用的物质发生特殊相互作用的物质
13、6、生物传感器的工作原理、生物传感器的工作原理被测溶液中被测溶液中待测物质待测物质扩散进入扩散进入生物功能膜生物功能膜-功能膜中敏感物质进行功能膜中敏感物质进行分子识别分子识别或生物学或生物学反应反应-基于化学、物理原理基于化学、物理原理转变转变成相应比成相应比例电信号例电信号-输出输出 三、常用生物传感器三、常用生物传感器 1、酶传感器、酶传感器 原理：被测物质原理：被测物质 固定化酶膜固定化酶膜 催化化学反应催化化学反应 生成消耗电极活性物质（生成消耗电极活性物质（O2、H2O2、CO2、NH3等等) 电化测量装置（电极）电化测量装置（电极） 电信号电信号 2、葡萄糖传感器、葡萄糖传感器
14、原理：原理： 葡萄糖（被测物）葡萄糖（被测物） 葡萄糖氧化酶（葡萄糖氧化酶（GOD敏敏感膜）感膜） 氧化氧化 氧减少氧减少 氧电极（隔膜型氧电极（隔膜型Pt阴电极阴电极 浸浸入入NaOH溶液溶液) 氧穿过隔膜到达氧穿过隔膜到达Pt被还原被还原 形成阴极形成阴极电流电流 C6H12O6+O2 C6H10O6+H2O2 O2+2H2O+4e 4OH-3、微生物传感器、微生物传感器 原理：有机化合物溶液（被测物）原理：有机化合物溶液（被测物） 微生物膜摄取微生物膜摄取（敏感膜）（敏感膜） 吸入氧气放出二氧化碳吸入氧气放出二氧化碳 剩余氧气到达氧剩余氧气到达氧电极电极 阴极电流阴极电流 4、半导体符合
15、模式传感器、半导体符合模式传感器 生物场效应晶体管生物场效应晶体管 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，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。漏电流发生变化。 酶酶FET: 免疫免疫FET5、酶光电二极管、酶光电二极管催化发光反应酶催化发光反应酶 检测过氧化氢检测过氧化氢6、压电晶体复合模式传感器、压电晶体复合模式传感器复着物的变化复着物的变化影响石英晶体影响石英晶体的振动谐振频的振动谐振频率率四、生物传感器的发展四、生物传感器的发展 未来生物传感器特点未来生物传感器特点 ： 功能多
16、样化：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器官的生物传感器,即仿生传感器即仿生传感器。 微型化：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地微型化和各种便携式生物传感器便携式生物传感器的出现使人们在家中进
17、行疾病诊断，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。在市场上直接检测食品成为可能。 智能化与集成化：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、结果一条龙样、结果一条龙,形成检测的自动化系统。同时形成检测的自动化系统。同时, 芯片技术将越来越多芯片技术将越来越多地进入传感器领域地进入传感器领域,实现检测系统的集成化、一体化。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生物传感器技术的不断进步进步,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。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。
