1、 3.1 概述概述 3.2 核心元件核心元件 3.3 电化学传感器电化学传感器 3.4 光学传感器光学传感器 3.5 其他传感器其他传感器第三章 化学与生物传感器参考书：布莱恩参考书：布莱恩 R R 埃金斯埃金斯 著著 化学与生物传感器化学与生物传感器 化学工业出版社化学工业出版社传感器是一种选择性地、连续地和可逆地传感器是一种选择性地、连续地和可逆地感受某一物理量或化学量或生物量的装置。感受某一物理量或化学量或生物量的装置。传感器是什传感器是什么东西呀？么东西呀？3.1 概述概述传感器结构示意图传感器结构示意图样品样品识别元件识别元件换能器换能器测量装置测量装置传导器传导器图示鼻子类似为传感
2、器图示鼻子类似为传感器 嗅觉膜生物识别元件嗅觉膜生物识别元件 神经细胞转换器神经细胞转换器 神经纤维传导器神经纤维传导器 大脑测量元件大脑测量元件识别元件识别元件 对某种或某类分析物产生选择性响应。对某种或某类分析物产生选择性响应。化学量换能器化学量换能器 将某种可以观察到的变化转化为可测量的将某种可以观察到的变化转化为可测量的信号。信号。传导器传导器 施加一种可计量的作用后整个装置以该部施加一种可计量的作用后整个装置以该部分元件来运转系统。分元件来运转系统。电信号或光信号检测器电信号或光信号检测器传感器传感器分类物理传感器物理传感器 用以测量物理量，如长度、重量、温度、压力和电性用以测量物理
3、量，如长度、重量、温度、压力和电性能。能。化学传感器化学传感器 是通过某种化学反应以选择性方式对特定的待测分析是通过某种化学反应以选择性方式对特定的待测分析物质产生相应从而对分析物进行定性或定量测定。物质产生相应从而对分析物进行定性或定量测定。生物传感器生物传感器 实际上是化学传感器的子系统，但也常冠以其名单独实际上是化学传感器的子系统，但也常冠以其名单独作为专题考虑。采用某种生物敏感元件与换能器相连。作为专题考虑。采用某种生物敏感元件与换能器相连。与普通的化学传感器不同的关键在于其识别元件在性与普通的化学传感器不同的关键在于其识别元件在性质上是生物质。质上是生物质。化学与生物传感器化学与生物
4、传感器分类电化学传感器电化学传感器 电位测定、伏安测定、电导测定等。电位测定、伏安测定、电导测定等。光学传感器光学传感器 吸收光谱、荧光光谱、化学发光等。吸收光谱、荧光光谱、化学发光等。压电传感器压电传感器热传感器热传感器核心元件敏感元件核心元件敏感元件传感器识别分析物的核心部件传感器识别分析物的核心部件3.2 识别分析物的敏感模式识别分析物的敏感模式离子的识别离子的识别分子的识别分子的识别生物的识别生物的识别v 酶催化识别反应酶催化识别反应v 抗体抗体-抗原免疫反应抗原免疫反应v 核酸杂交识别反应核酸杂交识别反应v 适配体与目标物识别反应适配体与目标物识别反应v 信息分子与受体识别反应信息分
5、子与受体识别反应分子的识别分子的识别生物识别试剂生物识别试剂酶催化识别反应酶催化识别反应葡萄糖葡萄糖+O2 +H2O 葡萄糖酸葡萄糖酸 +H2 O2葡萄糖氧化葡萄糖氧化酶酶 酶 组织材料 微生物 线粒体抗体抗体-抗原免疫反应抗原免疫反应 Ag+Ab=Ag-Ab核酸杂交反应核酸杂交反应由于核酸成分之间有特定碱基配对进而产生遗由于核酸成分之间有特定碱基配对进而产生遗传密码，这种遗传密码决定了所有生命细胞的传密码，这种遗传密码决定了所有生命细胞的再现特性，从而能确定一类物质中的个别物质再现特性，从而能确定一类物质中的个别物质的遗传特性的遗传特性.DNADNA探测试剂能用于检查遗传疾病、癌症和病探测试
6、剂能用于检查遗传疾病、癌症和病毒传染病。毒传染病。DNADNA鉴定通常包括有加入体系标记鉴定通常包括有加入体系标记的的DNADNA，此标记可以是放射活性的、可光测的、，此标记可以是放射活性的、可光测的、酶或电活性等酶或电活性等.Figure 9-3 The four bases of DNA all contain nitrogen.They are shown on colored shapes that will be used throughout the chapter to represent these chemicals.生物组分的固定化吸附法许多物质在其表面都能吸附酶，例如，氧
7、化铝、活性炭、许多物质在其表面都能吸附酶，例如，氧化铝、活性炭、黏土、纤维素、高岭土、硅胶、玻璃和胶原蛋白。此技术黏土、纤维素、高岭土、硅胶、玻璃和胶原蛋白。此技术不需要试剂，但需要提纯步骤，并且对酶只有较小的破坏不需要试剂，但需要提纯步骤，并且对酶只有较小的破坏作用。作用。一般有两种形式：物理吸附一般有两种形式：物理吸附V.S.V.S.化学吸附化学吸附这是最简单的方法，包含最少的准备过程，但是键联比较这是最简单的方法，包含最少的准备过程，但是键联比较弱。适于短期研究。弱。适于短期研究。最早期用于生物传感器的一种方法，此技术将生物材最早期用于生物传感器的一种方法，此技术将生物材料固定在惰性膜后
8、面，这样使生物材料与转换器之间料固定在惰性膜后面，这样使生物材料与转换器之间紧密接触，采用此方法不会影响酶的可靠性，并能防紧密接触，采用此方法不会影响酶的可靠性，并能防止污染和生物降解。止污染和生物降解。对于温度、对于温度、pHpH值、离子强度和化学组成的变化也是稳值、离子强度和化学组成的变化也是稳定的。定的。但是，此体系对某些材料，例如小分子包括各种气体但是，此体系对某些材料，例如小分子包括各种气体和电子是可以穿透的。和电子是可以穿透的。生物组分的固定化微囊包封法生物材料与一种单体溶液混合，然后进行生物材料与一种单体溶液混合，然后进行聚合生成凝胶将生物材料夹在里面。聚合生成凝胶将生物材料夹在
9、里面。通常应用的凝胶是聚丙稀酰胺。通常应用的凝胶是聚丙稀酰胺。生物组分的固定化截留法生物材料与固体支撑物或与其他支撑材生物材料与固体支撑物或与其他支撑材料，像凝胶发生化学键联。双官能试剂，料，像凝胶发生化学键联。双官能试剂，如戊二醛，可以用于此技术。如戊二醛，可以用于此技术。但对于生物材料来说此技术对某些扩散但对于生物材料来说此技术对某些扩散存在限制。存在限制。对生物材料也有危害。对生物材料也有危害。另外，体系的机械强度不良。另外，体系的机械强度不良。生物组分的固定化交联法此方法中需要小心设计生物材料中官能团和支撑基质此方法中需要小心设计生物材料中官能团和支撑基质之间的键合作用。生物材料氨基酸
10、中的亲核官能团对之间的键合作用。生物材料氨基酸中的亲核官能团对催化作用不是本质的，而酶在这方面是适合的。催化作用不是本质的，而酶在这方面是适合的。生物组分的固定化共价法例如，支撑物上的羧酸基团与碳化二亚胺发生反应，然后与生物材料上胺官能团偶联在支撑物和酶之间形成一种胺键。3.4 光 纤 传 感 器引引 言言 光导纤维及其应用是光导纤维及其应用是2020世纪世纪7070年代以来世年代以来世界科学技术领域最重要的发明之一，它与激光界科学技术领域最重要的发明之一，它与激光器、光导体、光探测器一起，构成了光电子学器、光导体、光探测器一起，构成了光电子学的新领域。光导纤维化学传感器和生物传感器的新领域。
11、光导纤维化学传感器和生物传感器是是8080年代诞生的一种新的传感技术，是分析化年代诞生的一种新的传感技术，是分析化学近学近1010多年来的一个重大发展。多年来的一个重大发展。光导纤维生物传感器又称光极光导纤维生物传感器又称光极 美国美国 fiber optical biosensorfiber optical biosensor 欧洲大陆欧洲大陆 optodeoptode 英国英国 optrodeoptrode光导纤维生物传感器的结构光导纤维生物传感器的结构 光导纤维的波导作用及其构形 人们还发现，当光到达光导纤维纤芯和包层界面时，并不能立刻产生全反射，而是渗入光疏介质一定深度（图19.3）。
12、也就是说，光的电场强度在界面处并没有立即减小为零，而是在外部介质中以指数的形式减弱，且延伸到第二介质中去，在第二介质形成一个“尾巴”，这一现象叫消失波（evanescent wave）。传感层传感层 传感层由固定化分子识别物质和载体组成传感层由固定化分子识别物质和载体组成 优良的传感层：优良的传感层：高的灵敏度和选择性高的灵敏度和选择性较快的响应速度较快的响应速度良好的稳定性和可逆性良好的稳定性和可逆性较长的寿命较长的寿命 v 光导纤维生物传感器的分子识别反应光导纤维生物传感器的分子识别反应 酶催化识别反应酶催化识别反应 特异性抗体特异性抗体-抗原免疫反应抗原免疫反应 核酸杂交反应核酸杂交反应
13、 蛋白分子受体蛋白分子受体-配位体识别反应配位体识别反应 外源集素外源集素-糖分子识别反应糖分子识别反应v用于固定分子识别物质的载体都是光学透明物质用于固定分子识别物质的载体都是光学透明物质 玻璃（包括硅藻凝胶、硅胶、石英和多孔玻璃微球玻璃（包括硅藻凝胶、硅胶、石英和多孔玻璃微球等）、纤维素、琼脂糖、高分子聚合物（包括聚乙烯、等）、纤维素、琼脂糖、高分子聚合物（包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、尼龙等）、离子交换膜、渗析膜、壳醇、聚丙烯酸酯、尼龙等）、离子交换膜、渗析膜、壳质胺、牛血清蛋白等。质胺、牛血清
14、蛋白等。厚度在厚度在5200m之间。近年来具有单分子层结构的之间。近年来具有单分子层结构的人工类脂膜受到很大重视，已用于制备高选择性、快响人工类脂膜受到很大重视，已用于制备高选择性、快响应的生物传感器。应的生物传感器。v分子识别物质在载体上的固定化方法有包埋法、分子识别物质在载体上的固定化方法有包埋法、吸附固定法、电价固定法和共价偶联法。吸附固定法、电价固定法和共价偶联法。牛血清蛋白 NHCOHCHCOHNH2322酶 牛血清蛋白 NCHCHCHN32酶 再将酰胺健还原成比较稳定的氨基健；牛血清蛋白 NCHCHCHN32酶 4LiBH 牛血清蛋白 NHCHCHCHNH2322酶 对玻璃类的载体
15、则需先进行硅烷化处理，“修饰”上活性基团：光纤传感器的检测模式紫外可见光吸收光谱紫外可见光吸收光谱荧光光谱荧光光谱化学发光化学发光光反射全内反射光谱光反射全内反射光谱光散射光散射生物催化传感器生物催化传感器 最简单的一种是用固定化酯酶或脂肪酶作成生物最简单的一种是用固定化酯酶或脂肪酶作成生物催化层进行分子识别，再通过产物的光吸收对底催化层进行分子识别，再通过产物的光吸收对底物浓度进行传感，物浓度进行传感，如测量在如测量在404nm波长下的吸收，即可确定对硝基波长下的吸收，即可确定对硝基苯磷酸的含量，线性范围为苯磷酸的含量，线性范围为0400mol/L，生物体内许多酶类和脂肪类物质都可用这类传感
16、生物体内许多酶类和脂肪类物质都可用这类传感器进行测定。器进行测定。对硝基苯磷酸酯02H 碱 性 磷 酸 酶 对硝基苯酚+磷酸 研究最多的当属检测研究最多的当属检测NADH的生物催化传感器的生物催化传感器 乳酸乳酸+NAD+丙酮酸丙酮酸+NADH 在生物催化层中生成的在生物催化层中生成的NADH也可利用耦合的也可利用耦合的FMN（黄素单核苷酸）生物发光反应，通过光导纤维（黄素单核苷酸）生物发光反应，通过光导纤维进行传感。进行传感。谷氨酸盐谷氨酸盐+NAD+酮式二酸酮式二酸+NH4+NADH NADH+FMN+H+NAD+FMNH2 FMNH2+RCHO+O2 FMN+RCOOH+h 某些生物催化
17、反应所产生的物质不能直接给出某些生物催化反应所产生的物质不能直接给出光学信号，需要在生物催化层和光测量之间插光学信号，需要在生物催化层和光测量之间插入一个起换能作用的化学反应，使其转变为能入一个起换能作用的化学反应，使其转变为能进行光检测的物质，称为复合光极。如许多酶进行光检测的物质，称为复合光极。如许多酶催化反应都能消耗或产生质子、氧、二氧化碳催化反应都能消耗或产生质子、氧、二氧化碳或过氧化氢等或过氧化氢等.青霉素青霉素G 青霉素青霉素酮酸盐酮酸盐+H+胆固醇胆固醇+O2+H2O 胆固烯酮胆固烯酮+H2O2 L-苏氨酸苏氨酸 -丁丁酮酸酮酸+NH3 L-谷氨酸谷氨酸 L-氨基素氨基素+CO2
18、 生物感受器（生物感受器（biological receptorbiological receptor）光导纤维免疫传感器光导纤维免疫传感器 酶活性传感器酶活性传感器 这类传感器是将相关酶的底物固定在光纤这类传感器是将相关酶的底物固定在光纤上，在待测酶的作用下生成的产物可用光吸收上，在待测酶的作用下生成的产物可用光吸收或进行测定。它主要用于人体内各种水解酶活或进行测定。它主要用于人体内各种水解酶活性的测定，如脂肪酶、磷酸酯酶、碳酸酯酶、性的测定，如脂肪酶、磷酸酯酶、碳酸酯酶、酰基转移酶和淀粉酶等，由于底物反应后非固酰基转移酶和淀粉酶等，由于底物反应后非固定化部分是酸或糖类，因而它在体内不会造成定化部分是酸或糖类，因而它在体内不会造成对健康地损害。对健康地损害。Thank you！
