1、*1生物传感器生物传感器*2n生物传感器的概述生物传感器的概述n生物传感器的基本组成和工作原理生物传感器的基本组成和工作原理n生物传感器的分类及特点生物传感器的分类及特点n生物敏感材料的固定化技术生物敏感材料的固定化技术n几种主要的生物传感器几种主要的生物传感器3超高通量超高通量DNA测序仪测序仪自主研发的光子晶体微球封自主研发的光子晶体微球封装（装（a）及检测装置（）及检测装置（b）*4*5基于基于ZnO量子点的夹心免疫法传感器量子点的夹心免疫法传感器 检测检测CEA的竞争型型凝集素传感器的竞争型型凝集素传感器*6*9*10德国研发的环境废水德国研发的环境废水BODBOD分析仪分析仪*11*
2、12*13SBA-60SBA-60型生物传感在线分析系统，为发酵自动型生物传感在线分析系统，为发酵自动控制提供了新的基础平台控制提供了新的基础平台*14*15在我国发酵工厂普及应用的在我国发酵工厂普及应用的SBA-40SBA-40型型谷氨酸谷氨酸-葡萄糖双功能分析仪葡萄糖双功能分析仪工厂发酵车间化验工厂发酵车间化验员正在分析样品员正在分析样品*16生物敏感膜生物敏感膜、物理或化学转换器物理或化学转换器*17（1）生物敏感膜（分子识别元件）生物敏感膜（分子识别元件）由由生物活性材料生物活性材料作为敏感基元构成。作为敏感基元构成。酶、蛋白质、抗体、抗原、细胞酶、蛋白质、抗体、抗原、细胞、生物组织、
3、生物组织、DNA等等酶酶(Enzyme)抗体抗体(Antibody)DNA*18几种主要的几种主要的生物活性材料生物活性材料及反应及反应*19酶膜酶膜全细胞膜全细胞膜组织膜组织膜细胞器膜细胞器膜免疫功能膜免疫功能膜各类酶类各类酶类细菌，真菌，动植物细胞细菌，真菌，动植物细胞动植物组织切片动植物组织切片线粒体，叶绿体线粒体，叶绿体抗体，抗原，酶标抗原等抗体，抗原，酶标抗原等*20*21将各种生物的、化学的和物理的信将各种生物的、化学的和物理的信号转换为可输出的有用信号（号转换为可输出的有用信号（电信号）电信号）。作用：作用：当待测物与分子识别元件特异性结合后，所当待测物与分子识别元件特异性结合后
4、，所产生的复合物产生的复合物转变为可输出的电信号、转变为可输出的电信号、光信号等。光信号等。电化学电极、光学检测元件、场效应晶体电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振。管、压电石英晶体、表面等离子共振。*22v将将化学变化化学变化转变成电信号（间接型）转变成电信号（间接型）v将将热变化热变化转换为电信号（间接型）转换为电信号（间接型）v将将光效应光效应转变为电信号（间接型）转变为电信号（间接型）v直按产生电信号方式（直接型）直按产生电信号方式（直接型）*23 酶传感器为例，酶催化特定底物发生反应酶传感器为例，酶催化特定底物发生反应,从而从而使特定使特定生成物的量有
5、所增减生成物的量有所增减，用能把这类物质的量，用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合，即组的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合，即组成酶传感器，常用转换装置有成酶传感器，常用转换装置有氧电极、过氧化氢氧电极、过氧化氢。*24固定化的生物材料与相应的被测物作用时常固定化的生物材料与相应的被测物作用时常。例如大多数酶反应的热焓变化量在。例如大多数酶反应的热焓变化量在25-25-100kJ/mol100kJ/mol的范围的范围.这类生物传感器的工作原理是把反应这类生物传感器的工作原理是把反应的的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化热效应借热敏电阻转换为阻值的变化，后者通过有放，后者通
6、过有放大器的电桥输入到记录仪中。大器的电桥输入到记录仪中。*25例如，过氧化氢酶能催化过氧化氢例如，过氧化氢酶能催化过氧化氢/鲁米诺体系鲁米诺体系发发光光，如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的，如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端，再和光电流测定装置相连，即可测定过氧化氢含前端，再和光电流测定装置相连，即可测定过氧化氢含量。还有很多细菌能与特定底物发生反应，产生荧光，量。还有很多细菌能与特定底物发生反应，产生荧光，也可以用这种方法测定底物浓度。也可以用这种方法测定底物浓度。上述三原理的生物传感器上述三原理的生物传感器共同点共同点：都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发
7、都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应，将反应后所产生的生化学反应，将反应后所产生的化学或物理变化化学或物理变化再通过再通过信号信号转换器转变为电信号转换器转变为电信号进行测量，这种方式统称为进行测量，这种方式统称为。*26 这种方式可以使酶反应这种方式可以使酶反应伴随的电子转移伴随的电子转移、微生微生物细胞的氧化物细胞的氧化直接直接(或通过电子递体的作用或通过电子递体的作用)在电极在电极表面上发生。根据所得的表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度电流量即可得底物浓度。例：Cass 等提出一种测定葡萄糖的传感器，是用二二茂络铁茂络铁为电子传递体。*27*28换能器换能器（T
8、ransducerTransducer）感受器感受器（ReceptorReceptor）测量信号测量信号（Measurable Measurable SignalSignal）=分析物分析物（AnalyteAnalyte）溶液（溶液（SolutionSolution）选择性膜（选择性膜（Thin selective Thin selective membranemembrane）识别元件（识别元件（RECOGNITIONRECOGNITION）生物传感器工作机理生物传感器工作机理*29n按分子识别元件分类按分子识别元件分类n按换能器分类按换能器分类*30 固定化酶固定化酶 固定化固定化 微生物
9、微生物 固定化免疫物质固定化免疫物质 固定化细胞器固定化细胞器 生物组织切片生物组织切片微生物微生物传感器传感器分子识别分子识别元件元件酶传感器酶传感器免疫传感器免疫传感器细胞器传感器细胞器传感器组织传感器组织传感器*31 电化学电极电化学电极 光学换能器光学换能器 介体介体 半导体半导体 传递系统传递系统 换能器换能器 热敏电阻热敏电阻 压电晶体压电晶体介体生物传感器介体生物传感器换能器半导体生物半导体生物传感器传感器生物电极生物电极光生物传感器光生物传感器热生物传感器热生物传感器压电晶体生物传感器压电晶体生物传感器*321 1）根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测根据生物反应的特
10、异性和多样性，理论上可以制成测定所有生物物质的传感器，因而定所有生物物质的传感器，因而。2 2）一般）一般，它利用本身具备的优异选，它利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂，使测定过程简便迅速，容易时一般不需另加其他试剂，使测定过程简便迅速，容易实现自动分析。实现自动分析。3 3）*33*34固定化的目的固定化的目的：将生物敏感物质限制在一定的空间，但：将生物敏感物质限制在一定的空间，但又不妨碍被分析物的自由扩散。又不妨碍被分析物的自由扩散。：把生物活性材料与：把生物活性材料与固定化成为生物敏固
11、定化成为生物敏感膜。感膜。物理方法物理方法：吸附法、夹心法、包埋法；：吸附法、夹心法、包埋法；化学方法化学方法:共价连接法、交联法；共价连接法、交联法；1.1.近年来近年来,由于半导体生物传感器迅速发展由于半导体生物传感器迅速发展,因而又因而又出现了出现了采用集成电路工艺制膜技术采用集成电路工艺制膜技术。*35*36离子交换吸附法：离子交换吸附法：选用具有离子交换性质的载体，在适宜选用具有离子交换性质的载体，在适宜的的PH条件下，使生物分子与离子交换剂通过离子键结合，条件下，使生物分子与离子交换剂通过离子键结合，形成固定化层。形成固定化层。2）吸附法）吸附法 用非水溶性载体用非水溶性载体物理吸
12、附物理吸附或或离子结离子结合合，使蛋白质分子固定化的方法。，使蛋白质分子固定化的方法。物理吸附：物理吸附：通过极性键、氢键、疏水力或通过极性键、氢键、疏水力或 电子的相互作电子的相互作用将生物组分吸附在不溶性的惰性载体上用将生物组分吸附在不溶性的惰性载体上。*37n把生物活性材料包埋并固定在把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结高分子聚合物三维空间网状结构基质中。构基质中。n此方法的此方法的特点特点是一般不产生化是一般不产生化学修饰，对生物分子活性影响学修饰，对生物分子活性影响较小；缺点是分子量大的底物较小；缺点是分子量大的底物在凝胶网格内扩散较固难。在凝胶网格内扩散较固难。*3
13、8n使生物活性分子通过使生物活性分子通过共价键共价键与固相载体结合固定的方法。与固相载体结合固定的方法。n此方法的此方法的特点特点是结合牢固，是结合牢固，生物活性分子不易脱落，载生物活性分子不易脱落，载体不易被生物降解，使用寿体不易被生物降解，使用寿命长；命长；n缺点缺点是实现固定化麻烦，酶是实现固定化麻烦，酶活性可能因发生化学修饰而活性可能因发生化学修饰而降低。降低。*39 借助于双功能试剂的作用，使蛋白质结合到惰性载借助于双功能试剂的作用，使蛋白质结合到惰性载体或使蛋白质分子彼此交联，形成不溶性网状结构的体或使蛋白质分子彼此交联，形成不溶性网状结构的方法。方法。*40 一种能在低温低压下制
14、成高密度、分子排列方向一一种能在低温低压下制成高密度、分子排列方向一致的单分子层或双分子层超薄膜的技术。致的单分子层或双分子层超薄膜的技术。*41第三节第三节 酶生物传感器酶生物传感器一、酶的本质和特征一、酶的本质和特征（一）（一）酶的本质酶的本质酶是生物体内产生的、具有酶是生物体内产生的、具有催化活性催化活性的一类的一类蛋白质蛋白质酶酶纯蛋白酶纯蛋白酶：只含有蛋白质：只含有蛋白质结合蛋白酶结合蛋白酶蛋白质蛋白质+非非蛋白质蛋白质辅基辅基：非蛋白部分与酶蛋白结合：非蛋白部分与酶蛋白结合的牢固，不易分离的牢固，不易分离辅酶：辅酶：结合的不牢，可在溶液中结合的不牢，可在溶液中离解离解（组合）（组合
15、）*42酶（催化反应类型）酶（催化反应类型）氧化还原酶氧化还原酶转移酶转移酶水解酶水解酶异构酶异构酶（二）酶的催化性质（二）酶的催化性质1、高效催化性、高效催化性2、高度专一性、高度专一性*43（三）影响酶活性的因素（三）影响酶活性的因素1、温度、温度一方面一方面升高温度增加底物分子的热能，从而增高反应的升高温度增加底物分子的热能，从而增高反应的速率速率040 C另一方面另一方面温度的升高也会增加酶本身结构的分子热能，温度的升高也会增加酶本身结构的分子热能，导致酶的变性或催化活性的降低导致酶的变性或催化活性的降低多数哺乳动物的酶，最适温度为多数哺乳动物的酶，最适温度为37 左右左右C2、PH影
16、响酶促反应的速率影响酶促反应的速率每种酶都有一个最适每种酶都有一个最适PH,微小偏差会降低酶的活性，较微小偏差会降低酶的活性，较大偏差会导致酶蛋白自身的变性大偏差会导致酶蛋白自身的变性（最适（最适6.8）*44二、酶生物传感器二、酶生物传感器应用应用固定化酶固定化酶作为敏感元件的生物传感器作为敏感元件的生物传感器酶生物传感器酶生物传感器酶电极酶电极酶场效应管传感器酶场效应管传感器酶热敏电阻传感器酶热敏电阻传感器酶光纤传感器酶光纤传感器*45(一一)酶电极传感器酶电极传感器定义：由定义：由固定化酶固定化酶与离子选择电极、气敏电极、氧化与离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极等还原电极等电化学电极电
17、化学电极组合而成的生物传感器组合而成的生物传感器酶电极酶电极电流型酶电极电流型酶电极电势型酶电极电势型酶电极*461 1、电流型酶电极（固定化酶电流型化学电极）、电流型酶电极（固定化酶电流型化学电极）原理原理：将酶促反应产生的物质在电极上发生氧化或还原反应：将酶促反应产生的物质在电极上发生氧化或还原反应产生的电流作为测量信号，在一定条件下，利用测得的电流产生的电流作为测量信号，在一定条件下，利用测得的电流信号与待测物活度或浓度的函数关系，来测定样品中某一生信号与待测物活度或浓度的函数关系，来测定样品中某一生物组分的活度或浓度物组分的活度或浓度电极电极：氧电极，过氧化氢电极：氧电极，过氧化氢电极
18、酶酶氧化酶氧化酶：用氧作受体的酶（常用）：用氧作受体的酶（常用）还原酶还原酶222OH O 氧化酶底物产物氧电极：（还原反应）氧电极：（还原反应）22244OH OeOH过氧化氢电极过氧化氢电极：（氧化反应）：（氧化反应）2222H OOHe*47葡萄糖传感器葡萄糖氧化酶膜电化学电极葡萄糖传感器葡萄糖氧化酶膜电化学电极61262261272222C H OH OOC H OH O 葡萄糖氧化酶依据反应中消耗的氧依据反应中消耗的氧,生成的葡萄糖酸及过氧化氢的量，可生成的葡萄糖酸及过氧化氢的量，可用氧电极，电极，过氧化氢电极来测定葡萄糖的含量用氧电极，电极，过氧化氢电极来测定葡萄糖的含量测定酶促反
19、应所产生的葡萄糖酸的量来计算样品中葡萄糖的含量测定酶促反应所产生的葡萄糖酸的量来计算样品中葡萄糖的含量、电势型酶电极（固定化酶电势型化学电极）、电势型酶电极（固定化酶电势型化学电极）原理原理：将酶促反应引起的物质量的变化转变成电势信号的输：将酶促反应引起的物质量的变化转变成电势信号的输出，电势信号大小与底物浓度的对数值呈线性关系出，电势信号大小与底物浓度的对数值呈线性关系*48优点优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛 的应用。的应用。缺点缺点：1.1.酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差异的梭曼与沙林。有差
20、异的梭曼与沙林。2.2.酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。*49*50*51微生物微生物的代谢的代谢同化作用同化作用异化作用异化作用微生物微生物好气性微生物好气性微生物：必须在有空气的环境中才易：必须在有空气的环境中才易生长生长厌气性微生物厌气性微生物：必须在无分子氧的环境生长：必须在无分子氧的环境生长繁殖繁殖：细胞将底物摄入通过一系列生化：细胞将底物摄入通过一系列生化反应转变成自身的组成物质，并储反应转变成自身的组成物质，并储存能量存能量：细胞将自身的组成物质分解以：细胞将自身的组成物质分解以释放能量或排出体外。释放能量或排出体外。*522、
21、微生物传感器的特点及分类、微生物传感器的特点及分类微生物敏感膜：微生物敏感膜：特点特点：（：（1）价格低、便于推广普及）价格低、便于推广普及（2）微生物细胞内的酶在适当环境下活性不易降）微生物细胞内的酶在适当环境下活性不易降低，因此微生物传感器的寿命更长低，因此微生物传感器的寿命更长（3）即使微生物体内酶的催化活性已经丧失，）即使微生物体内酶的催化活性已经丧失，也还可以因细胞的增值使之产生也还可以因细胞的增值使之产生（4）对于需要辅助因子的复杂的连续反应，用）对于需要辅助因子的复杂的连续反应，用微生物更易于完成微生物更易于完成*53分类：分类：呼吸机能型微生物传感器呼吸机能型微生物传感器代谢机
22、能型微生物传感器代谢机能型微生物传感器电流型微生物传感器电流型微生物传感器电势型微生物传感器电势型微生物传感器*54 微生物传感器是以微生物传感器是以固定化微生物固定化微生物作为分子识作为分子识别系统，与相应的别系统，与相应的电化学转换元件电化学转换元件组合构成组合构成。不同微生物需要不同的营养物质进行它的新陈不同微生物需要不同的营养物质进行它的新陈代谢，因此可利用不同微生物作为分子识别系统制代谢，因此可利用不同微生物作为分子识别系统制作微生物传感器测定相应的物质。作微生物传感器测定相应的物质。*551、呼吸机能型微生物传感器、呼吸机能型微生物传感器 以以好气性微生物好气性微生物作生物活性物质
23、，通常与作生物活性物质，通常与氧氧电极电极组合而成的，以细菌呼吸活性物质为基础实组合而成的，以细菌呼吸活性物质为基础实现被测物的测量现被测物的测量2、代谢机能型微生物传感器、代谢机能型微生物传感器 以以厌气性微生物厌气性微生物作生物活性物质，与相应的作生物活性物质，与相应的电电化学电极化学电极组合而成的，以细菌代谢活性物质为基础组合而成的，以细菌代谢活性物质为基础实现被测物的测量实现被测物的测量*56生物组织传感器：生物组织传感器：以动植物组织切片作为分子识别元件以动植物组织切片作为分子识别元件与相应的信号转换元件组合构成的生物传感器。与相应的信号转换元件组合构成的生物传感器。特点特点：1、酶
24、活性高、酶活性高2、稳定性强、稳定性强3、所用材料易于获取，价格便宜、所用材料易于获取，价格便宜4、识别元件制作简便，一般不需采用固定化技术、识别元件制作简便，一般不需采用固定化技术信号转换元件：气敏元件信号转换元件：气敏元件原因：原因：1、选择性好、选择性好2、有利于组织电极组装、有利于组织电极组装*57第五节第五节 免疫传感器免疫传感器一、免疫传感器基础一、免疫传感器基础酶和微生物传感器：酶和微生物传感器：低分子有机化合物低分子有机化合物免疫传感器：免疫传感器：高分子有机化合物高分子有机化合物免疫反应的检测方法免疫反应的检测方法1、标记法、标记法 采用酶、荧光物质、电活性化合物等进行标记，
25、抗体采用酶、荧光物质、电活性化合物等进行标记，抗体与抗原反应过程通过电化学、光学等手段进行检测。与抗原反应过程通过电化学、光学等手段进行检测。（1）夹心法）夹心法 样品中的抗原与固化在传感界面上的抗体结合后，加样品中的抗原与固化在传感界面上的抗体结合后，加入标记的抗体，使其与固相上的抗原结合，把抗原夹在固入标记的抗体，使其与固相上的抗原结合，把抗原夹在固定抗体和标记抗体中间，形成夹心结构，洗去未结合的标定抗体和标记抗体中间，形成夹心结构，洗去未结合的标记抗体，测定结合在固相上标记物的量。记抗体，测定结合在固相上标记物的量。夹心法适用于测夹心法适用于测定高分子量的抗原。定高分子量的抗原。*58（
26、2）竞争法）竞争法 将抗体固定在传感界面上，用已知量的标记抗原与样将抗体固定在传感界面上，用已知量的标记抗原与样品中的抗原竞争结合传感界面上的抗体，测定结合在固相品中的抗原竞争结合传感界面上的抗体，测定结合在固相上标记物的量，此于被分析物的浓度成反比。上标记物的量，此于被分析物的浓度成反比。（3）置换取代法）置换取代法 把抗体固定在传感界面上，标记好抗原。测试时传把抗体固定在传感界面上，标记好抗原。测试时传感界面上抗体的结合部位都已被标记抗原所占据，当加入感界面上抗体的结合部位都已被标记抗原所占据，当加入非标记抗原时，发生置换反应，测量置换下来标记物的量，非标记抗原时，发生置换反应，测量置换下
27、来标记物的量，在一定条件下，标记物的量与被分析物的浓度成正比在一定条件下，标记物的量与被分析物的浓度成正比 2、非标记法、非标记法 在抗体与相应抗原识别结合的同时，把免疫反应的在抗体与相应抗原识别结合的同时，把免疫反应的信息直接转变成可测信号信息直接转变成可测信号*59二、免疫传感器的结构及分类二、免疫传感器的结构及分类1、免疫传感器的基本结构、免疫传感器的基本结构分子识别系统（感受器）、转换器（换能器）、电子放大器分子识别系统（感受器）、转换器（换能器）、电子放大器抗体或抗原抗体或抗原2、免疫传感器的分类、免疫传感器的分类标记型免疫传感器（间接型免疫传感器）标记型免疫传感器（间接型免疫传感器
28、）非标记型免疫传感器（直接型免疫传感器）非标记型免疫传感器（直接型免疫传感器）电化学免疫传感器电化学免疫传感器光学免疫传感器光学免疫传感器压电免疫传感器压电免疫传感器表面等离子体共振（表面等离子体共振（SPR）免疫传感器）免疫传感器*60三、电化学免疫传感器三、电化学免疫传感器定义：定义：以抗原以抗原抗体反应的免疫测定为基础，采用电化抗体反应的免疫测定为基础，采用电化学电极为传感元件组合而成的，用于大分子蛋白质测定的学电极为传感元件组合而成的，用于大分子蛋白质测定的装置。装置。标记型免疫传感器（间接型免疫传感器）标记型免疫传感器（间接型免疫传感器）非标记型免疫传感器（直接型免疫传感器）非标记型
29、免疫传感器（直接型免疫传感器）（一）直接型免疫传感器（一）直接型免疫传感器 将抗体或抗原固定在大分子结构的膜上或金属电极上，将抗体或抗原固定在大分子结构的膜上或金属电极上，当被固定的抗体或抗原与相应的配体结合时膜电势或电极当被固定的抗体或抗原与相应的配体结合时膜电势或电极电势发生变化，根据电势与被测物的函数关系测定抗体或电势发生变化，根据电势与被测物的函数关系测定抗体或抗原的浓度抗原的浓度电势型传感器电势型传感器*61（二）间接型免疫传感器（二）间接型免疫传感器 将抗原与抗体结合的信息转变为一种中间信息，将抗原与抗体结合的信息转变为一种中间信息，然后把这个中间信息变成电信息然后把这个中间信息变成电信息电流型传感器电流型传感器*62作业n调研一种生物传感器的应用实例（包括结构、原理、特性及应用等）如：石英晶体微天平生物传感器（陈阳天）表面等离子体共振生物传感器（王岭枫）光纤生物传感器（卢川）生物芯片（郭铸慷）场效应生物传感器（田培龙）要求：每人PPT讲解8-10分钟*63
