生物传感技术

1、生物传感器的特点：生物传感器的特点： （1 1）采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可）采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可 以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学 分析繁琐复杂的缺点。分析繁琐复杂的缺点。 （2 2）专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊）专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊 度的影响。度的影响。 （3 3）分析速度快，可以在一分钟得到结果。）分析速度快，可以在一分钟得到结果。 （4 4）准确度高，一般相对误差可以达到）准确度高，一般相对误差可以达到1 1。 （5 5）操

2、作系统比较简单）操作系统比较简单 ，容易实现自动分析。，容易实现自动分析。 （6 6）成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。）成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。 （7 7）有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供）有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供 氧状况和副产物的产生。氧状况和副产物的产生。 9.1.1 9.1.1 生物传感器的工作原理生物传感器的工作原理 以生物活性物质为敏感材料做成的传感器叫生以生物活性物质为敏感材料做成的传感器叫生 物传感器。物传感器。 它以生物分子去识别被测目标，然后将生物分它以生物分子去识别被测目标，然后将生物分 子

3、所发生的子所发生的 物理或化学变化转化为相应的电信号，予以放物理或化学变化转化为相应的电信号，予以放 大输出，从大输出，从 而得到检测结果。而得到检测结果。 生物传感器的选择性与分子识别元件有关，取生物传感器的选择性与分子识别元件有关，取 决于与载体决于与载体 相结合的生物活性物质。相结合的生物活性物质。 3 为了提高生物传感器的灵敏度，可利用化学放大为了提高生物传感器的灵敏度，可利用化学放大 功能。所谓化学放大功能，就是使一种物质通过催化、功能。所谓化学放大功能，就是使一种物质通过催化、 循环或倍增的机理同一种试剂作用产生出相对大量的循环或倍增的机理同一种试剂作用产生出相对大量的 产物。传感

4、器的信号转换能力取决于所采用的转换器。产物。传感器的信号转换能力取决于所采用的转换器。 根据器件信号转换的方式可分为：根据器件信号转换的方式可分为： 直接产生电信号；直接产生电信号； 化学变化转换为电信号；化学变化转换为电信号； 热变化转换为电信号；热变化转换为电信号； 光变化转换为电信号；光变化转换为电信号； 界面光学参数变化转换为电信号。界面光学参数变化转换为电信号。 9.1.2 9.1.2 生物传感技术的发展历史生物传感技术的发展历史 19671967年美国的年美国的S.J.S.J.乌普迪克等制出了第一个生物传感乌普迪克等制出了第一个生物传感 器葡萄糖传感器。现已发展了第二代生物传感器（

5、微生物、器葡萄糖传感器。现已发展了第二代生物传感器（微生物、 免疫、酶免疫和细胞器传感器），研制和开发第三代生物免疫、酶免疫和细胞器传感器），研制和开发第三代生物 传感器，将生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传传感器，将生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传 感器。近年来，随着生物科学、信息科学和材料科学发展感器。近年来，随着生物科学、信息科学和材料科学发展 的推动，生物传感器技术飞速发展。可以预见，未来的生的推动，生物传感器技术飞速发展。可以预见，未来的生 物传感器将具有以下特点：物传感器将具有以下特点： （1 1）功能多样化）功能多样化 （2 2）微型化）微型化 （3 3）智能化与集

6、成化）智能化与集成化 （4 4）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 9.1.3 9.1.3 生物传感器的分类生物传感器的分类 生物传感器主要有下面三种分类命名方式：生物传感器主要有下面三种分类命名方式： （1 1）根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件的不同，生）根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件的不同，生 物传感器可分为酶传感器（固定化酶）、微生物传感器物传感器可分为酶传感器（固定化酶）、微生物传感器 （固定化微生物）、免疫传感器（固定化抗体）、基因（固定化微生物）、免疫传感器（固定化抗体）、基因 传感器（固定化单链核酸）、细胞传感器（固定化细胞传感器

7、（固定化单链核酸）、细胞传感器（固定化细胞 器）和组织传感器（固定化生物体组织）等。器）和组织传感器（固定化生物体组织）等。 （2 2）按照传感器器件检测的原理分类，可分为：热敏生物传）按照传感器器件检测的原理分类，可分为：热敏生物传 感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生 物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介 体生物传感器等。体生物传感器等。 （3 3）按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型）按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型 和代谢型两种。和代谢型两

8、种。 9.2 生物传感技术的分子识别原理与技术生物传感技术的分子识别原理与技术 酶促反应动力学（酶促反应动力学（kinetics of enzyme-kinetics of enzyme- catalyzed reactionscatalyzed reactions）是研究酶促反应速度及其）是研究酶促反应速度及其 影响因素的科学。这些因素主要包括酶的浓度、底影响因素的科学。这些因素主要包括酶的浓度、底 物的浓度、物的浓度、pHpH值、温度、抑制剂和激活剂等。但必值、温度、抑制剂和激活剂等。但必 须注意，酶促反应动力学中所指明的速度是反应的须注意，酶促反应动力学中所指明的速度是反应的 初速度，因

9、为此时反应速度与酶的浓度呈正比关系，初速度，因为此时反应速度与酶的浓度呈正比关系， 这样避免了反应产物以及其他因素的影响。这样避免了反应产物以及其他因素的影响。 9.2.1 酶反应酶反应 7 酶促反应具有一下几个特点：酶促反应具有一下几个特点： 酶促反应具有一般催化剂的性质；加速化学反应酶促反应具有一般催化剂的性质；加速化学反应 的进行，而其本身在反应前后没有质和量的改变，不的进行，而其本身在反应前后没有质和量的改变，不 影响反应的方向，不改变反应的平衡常数；酶促反应影响反应的方向，不改变反应的平衡常数；酶促反应 具有极高的催化效率；酶促反应具有高度的专一性。具有极高的催化效率；酶促反应具有高

10、度的专一性。 一种酶只作用于一类化合物或一定的化学键，以促进一种酶只作用于一类化合物或一定的化学键，以促进 一定的化学变化，并生成一定的产物，这种现象称为一定的化学变化，并生成一定的产物，这种现象称为 酶的特异性或专一性。受酶催化的化合物称为该酶的酶的特异性或专一性。受酶催化的化合物称为该酶的 底物或作用物。酶对底物的专一性通常分为绝对特异底物或作用物。酶对底物的专一性通常分为绝对特异 性、相对特异性和立体异构特异性。性、相对特异性和立体异构特异性。 1 1. . 酶浓度对反应速度酶浓度对反应速度 的影响的影响 在一定的温度和在一定的温度和pHpH 值条件下，当底物浓度值条件下，当底物浓度 大

11、大超过酶的浓度时，大大超过酶的浓度时， 酶的浓度与反应速度呈酶的浓度与反应速度呈 正比关系。正比关系。 酶浓度对反应初速度的影响酶浓度对反应初速度的影响 2. 2. 底物浓度对反应速度的影响底物浓度对反应速度的影响 在酶的浓度不变的情况下，在酶的浓度不变的情况下， 底物浓度对反应速度影响的作底物浓度对反应速度影响的作 用呈现矩形双曲线。在底物浓用呈现矩形双曲线。在底物浓 度很低时，反应速度随底物浓度很低时，反应速度随底物浓 度的增加而急聚加快，两者呈度的增加而急聚加快，两者呈 正比关系，即一级反应。随底正比关系，即一级反应。随底 物浓度升高，反应速不呈正比物浓度升高，反应速不呈正比 例加快，反

12、应速度增加的幅度例加快，反应速度增加的幅度 不断下降。如果继续加大底物不断下降。如果继续加大底物 浓度，反应速度不再增加，表浓度，反应速度不再增加，表 现为现为0 0级反应。此时，无论底物级反应。此时，无论底物 浓度增加多大，反应速度也不浓度增加多大，反应速度也不 再增加，说明酶被底物所饱和。再增加，说明酶被底物所饱和。 10 3. pH3. pH值对反应速度的影响值对反应速度的影响 酶反应介质的酶反应介质的pHpH值可影响酶分子的解离程度和值可影响酶分子的解离程度和 催化基团中质子供体或质子受体所需的离子化状态，催化基团中质子供体或质子受体所需的离子化状态， 也可影响底物和辅酶的解离程度，从

13、而影响酶与底也可影响底物和辅酶的解离程度，从而影响酶与底 物的结合。物的结合。 下表下表 一些酶的最适一些酶的最适pHpH值值 溶液的溶液的pHpH值高于和低于最适值高于和低于最适pHpH值时都会使酶的活性值时都会使酶的活性 降低，远离最适降低，远离最适pHpH值时甚至导致酶的变性失活。值时甚至导致酶的变性失活。 温度对唾液淀粉酶温度对唾液淀粉酶 活性影响活性影响 酶酶胃胃 蛋蛋 白白 酶酶 胰蛋胰蛋 白酶白酶 过过 氧氧 化化 氢氢 酶酶 精精 氨氨 酸酸 酶酶 延延 胡胡 索索 酸酸 酶酶 核核 糖糖 核核 酸酸 酶酶 最最 适适 pH 值值 1.87.77. 6 9.87.87.8 12

14、 4.4.温度对反应速度的影响温度对反应速度的影响 化学反应的速度随温度化学反应的速度随温度 增高而加快。但酶是蛋白质，增高而加快。但酶是蛋白质， 可随温度的升高而变性。左可随温度的升高而变性。左 图所示为温度对唾液淀粉酶图所示为温度对唾液淀粉酶 活性影响活性影响 5. 5. 抑制剂对反应速度的影响抑制剂对反应速度的影响 凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称 作酶的抑制剂。使酶变性失活（称为酶的钝化）的因素作酶的抑制剂。使酶变性失活（称为酶的钝化）的因素 如强酸、强碱等，不属于抑制剂。通常抑制作用分为可如强酸、强碱等，不属于抑制剂。通常抑制作

15、用分为可 逆性抑制和不可逆性抑制两类。逆性抑制和不可逆性抑制两类。 6. 6. 激活剂对酶促反应速度的影响激活剂对酶促反应速度的影响 能使酶活性提高的物质，都称为激活剂，其中大部能使酶活性提高的物质，都称为激活剂，其中大部 分是离子或简单的有机化合物。分是离子或简单的有机化合物。 14 9.2.2 9.2.2 微生物反应微生物反应 利用微生物进行生物化学反应的过程称为微生物反应过程，利用微生物进行生物化学反应的过程称为微生物反应过程， 即将微生物作为生物催化剂进行的反应为微生物反应。即将微生物作为生物催化剂进行的反应为微生物反应。 1. 1. 微生物反应和酶反应的共同特点微生物反应和酶反应的共

16、同特点 （1 1）两者都是生物化学反应，反应所需要的环境相似；）两者都是生物化学反应，反应所需要的环境相似； （2 2）微生物细胞中包含各种酶，催化所有酶可以催化的反应；）微生物细胞中包含各种酶，催化所有酶可以催化的反应； （3 3）两者催化的速度近似。）两者催化的速度近似。 2. 2. 微生物反应的特殊性微生物反应的特殊性 （1 1）酶反应需要温和的环境，微生物细胞的膜系统为酶的）酶反应需要温和的环境，微生物细胞的膜系统为酶的 反应提供了天然的反应提供了天然的“理想环境理想环境”，细胞可以在较长的时间，细胞可以在较长的时间 保持一定的催化活性；保持一定的催化活性； （2 2）同一个微生物细胞

17、自身包含数以千计种的酶，显然比）同一个微生物细胞自身包含数以千计种的酶，显然比 单一的酶更适合多底物反应；单一的酶更适合多底物反应； （3 3）酶反应需要的辅助因子和能量可以由微生物细胞提供；）酶反应需要的辅助因子和能量可以由微生物细胞提供； （4 4）酶的提纯等成本高，有些酶至今未能完全的提纯，相）酶的提纯等成本高，有些酶至今未能完全的提纯，相 比之下，微生物细胞来源方便，价格低廉。比之下，微生物细胞来源方便，价格低廉。 16 3. 3. 传感器以微生物为敏感元件的不足之处传感器以微生物为敏感元件的不足之处 微生物传感器作为生物传感器的重要组成部分，作为微生物传感器作为生物传感器的重要组成部

18、分，作为 分子识别元件即敏感元件的生物传感器亦存在着自身的不分子识别元件即敏感元件的生物传感器亦存在着自身的不 足之处：足之处： （1 1）由于反应过程中往往存在着微生物的生长和死亡，故）由于反应过程中往往存在着微生物的生长和死亡，故 分析反应的标准不易建立。分析反应的标准不易建立。 （2 2）微生物细胞本身是一个庞大的酶系统，包括自身代谢）微生物细胞本身是一个庞大的酶系统，包括自身代谢 在内的许多反应并存，难以去除不必要的反应。在内的许多反应并存，难以去除不必要的反应。 （3 3）微生物细胞受环境变化的影响易引起自身生理状态的）微生物细胞受环境变化的影响易引起自身生理状态的 复杂化，从而导致

19、不期望的反应。复杂化，从而导致不期望的反应。 4. 4. 微生物反应的分类方式微生物反应的分类方式 微生物反应主要有下面三种分类方式微生物反应主要有下面三种分类方式 （1 1）按照生物代谢流向，微生物反应可以分为同化作用）按照生物代谢流向，微生物反应可以分为同化作用 和异化作用。和异化作用。 （2 2）按照微生物对营养的要求，微生物反应可以分为自）按照微生物对营养的要求，微生物反应可以分为自 养性和异养性。养性和异养性。 （3 3）按照微生物反应对氧的需求与否，微生物反应可以）按照微生物反应对氧的需求与否，微生物反应可以 分为好氧反应和厌氧反应。分为好氧反应和厌氧反应。 18 免疫指机体对病原

20、生物感染的抵抗能力。可区别为自免疫指机体对病原生物感染的抵抗能力。可区别为自 然免疫和获得性免疫。自然免疫是非特异型的，获得性免然免疫和获得性免疫。自然免疫是非特异型的，获得性免 疫一般是特异性的，在微生物等抗原物质刺激后才形成，疫一般是特异性的，在微生物等抗原物质刺激后才形成， 并能与该抗原产生特异性反应。上述各种免疫过程中，抗并能与该抗原产生特异性反应。上述各种免疫过程中，抗 原与抗体的反应是最基本的反应。原与抗体的反应是最基本的反应。 9.2.3 免疫反应免疫反应 1. 1. 抗原抗原 （1 1） 抗原的定义抗原的定义 抗原是能够刺激动物体产生免疫反应的物质。抗原有两抗原是能够刺激动物体

21、产生免疫反应的物质。抗原有两 种性能：刺激机体产生免疫应答反应和与相应免疫反应产物种性能：刺激机体产生免疫应答反应和与相应免疫反应产物 发生异性结合反应。前一种性能称为免疫原性，后一种性能发生异性结合反应。前一种性能称为免疫原性，后一种性能 称为反应原性。具有免疫原性的抗原完全抗原，那些只有反称为反应原性。具有免疫原性的抗原完全抗原，那些只有反 应原性，不刺激免疫应答反应的称为半抗原。应原性，不刺激免疫应答反应的称为半抗原。 （2 2） 抗原的分类抗原的分类 通常，根据来源的不同，抗原又可以分为如下几种：通常，根据来源的不同，抗原又可以分为如下几种： 天然抗原天然抗原 人工抗原人工抗原 合成抗

22、原。合成抗原是化学合成的多肽分子。合成抗原。合成抗原是化学合成的多肽分子。 20 （3 3） 抗原的理化性状抗原的理化性状 抗原有两种性状：抗原有两种性状： 物理性状。完全抗原的分子量较大，通常相对分子质物理性状。完全抗原的分子量较大，通常相对分子质 量在量在1 1万以上。分子量越大，其表面积相应扩大，接触万以上。分子量越大，其表面积相应扩大，接触 免疫系统细胞的机会增多，因而免疫原性也就增强。免疫系统细胞的机会增多，因而免疫原性也就增强。 化学组成。自然界中绝大多数抗原都是蛋白质，即可化学组成。自然界中绝大多数抗原都是蛋白质，即可 是纯蛋白，也可是结合蛋白。是纯蛋白，也可是结合蛋白。 免疫传

23、感器的种类免疫传感器的种类 （4 4） 抗原决定簇抗原决定簇 抗原决定簇是抗原分抗原决定簇是抗原分 子表面的特殊化学基团，子表面的特殊化学基团， 抗原的特异性取决于抗原抗原的特异性取决于抗原 决定簇的性质、数目和空决定簇的性质、数目和空 间排列。不同种系的动物间排列。不同种系的动物 血清白蛋白因其末端氨基血清白蛋白因其末端氨基 酸排列的不同，而表现出酸排列的不同，而表现出 各自的种属性特异。一种各自的种属性特异。一种 抗原常具有一个以上的抗抗原常具有一个以上的抗 原决定簇，如牛血清蛋白原决定簇，如牛血清蛋白 有有1414个，甲状腺球蛋白有个，甲状腺球蛋白有 4040个。个。 种 属 末端（N端

24、COOH末端 （C端） 人天冬酰胺、丙 氨酸 甘氨酸、缬氨 酸、丙氨酸、 亮氨酸 马天冬酰胺、苏 氨酸 缬氨酸、丝氨 酸、亮氨酸、 丙氨酸 兔天冬酰胺亮氨酸、丙氨 酸 2. 2. 抗体抗体 （1 1）抗体的定义）抗体的定义 抗体是由抗原刺激机体产生的特性免疫功能的球抗体是由抗原刺激机体产生的特性免疫功能的球 蛋白，又称免疫球蛋白。蛋白，又称免疫球蛋白。 （2 2）抗体的结构）抗体的结构 免疫球蛋白都是由一至几个单体组成，每个单体免疫球蛋白都是由一至几个单体组成，每个单体 有两条相同的分子量较大的重链和两条相同分子量较小的轻链组成，有两条相同的分子量较大的重链和两条相同分子量较小的轻链组成， 链

25、与链之间通过二硫链及非共价键链连接。链与链之间通过二硫链及非共价键链连接。 免疫球蛋白（免疫球蛋白（IgIg）结构模式图）结构模式图 （3 3）抗体的特性）抗体的特性 抗体早已用在免疫检测中，其与相应抗体早已用在免疫检测中，其与相应 抗原之间的键连接甚至比酶与其基质之间的连接更加有抗原之间的键连接甚至比酶与其基质之间的连接更加有 力，特别是对对应的抗原的连接更是如此。力，特别是对对应的抗原的连接更是如此。 3. 3. 抗原抗原- -抗体反应抗体反应 抗原抗原- -抗体结合时将发生凝聚、沉淀、溶解反应和促进抗体结合时将发生凝聚、沉淀、溶解反应和促进 吞噬抗原颗粒的作用。在溶液中，抗原和抗体两个分

26、子吞噬抗原颗粒的作用。在溶液中，抗原和抗体两个分子 的表面电荷与介质中离子形成双层离子云，内层和外层的表面电荷与介质中离子形成双层离子云，内层和外层 之间的电荷密度差形成静电位和分子间引力。由于这种之间的电荷密度差形成静电位和分子间引力。由于这种 引力仅在近距离上发生作用，抗原与抗体分子结合时对引力仅在近距离上发生作用，抗原与抗体分子结合时对 位应十分准确。一是结合部位的形状要互补于抗原的形位应十分准确。一是结合部位的形状要互补于抗原的形 状；二是抗体活性小心带有与抗原决定簇相反的电荷。状；二是抗体活性小心带有与抗原决定簇相反的电荷。 24 然而，抗体的特异性是相对的，表现在两然而，抗体的特异

27、性是相对的，表现在两 个方面：其一，部分抗体不完全与抗原决定个方面：其一，部分抗体不完全与抗原决定 簇相对应。其二，即便是针对某一种半抗原簇相对应。其二，即便是针对某一种半抗原 的抗体，其化学结构也可能不一致。抗原与的抗体，其化学结构也可能不一致。抗原与 抗体结合尽管是稳固的，但也是可逆的。调抗体结合尽管是稳固的，但也是可逆的。调 节溶液的节溶液的PHPH值或离子强度，可以促进可逆反值或离子强度，可以促进可逆反 应。某些酶能促使逆反应，抗原应。某些酶能促使逆反应，抗原- -抗体复合抗体复合 物解离时，都保持自己本来的特性。物解离时，都保持自己本来的特性。 9.2.49.2.4 膜技术膜技术 膜

28、是指能以特定形式限制和传递各种物质的分隔两相膜是指能以特定形式限制和传递各种物质的分隔两相 的界面。膜在生产和研究中的使用技术被称之为膜技术，的界面。膜在生产和研究中的使用技术被称之为膜技术， 它包括膜分离技术和非分离膜技术。它包括膜分离技术和非分离膜技术。 膜分离是利用膜的特殊性能和各种分离装置单元使溶膜分离是利用膜的特殊性能和各种分离装置单元使溶 液和悬浮液中的某些组分较其它组分更快地透过，从而达液和悬浮液中的某些组分较其它组分更快地透过，从而达 到分离、浓缩的目的。非分离膜技术是指一些具有特殊性到分离、浓缩的目的。非分离膜技术是指一些具有特殊性 能的功能膜的应用及其它一些膜过程。能量转换

29、膜、反应能的功能膜的应用及其它一些膜过程。能量转换膜、反应 膜、膜蒸馏等，都是属于非分离膜技术。膜、膜蒸馏等，都是属于非分离膜技术。 26 1.1.膜分离的工作原理膜分离的工作原理 一是根据混合物的质量、体积和几何形态的不同，用一是根据混合物的质量、体积和几何形态的不同，用 过筛的方法将其分离；二是根据混合物不同化学性质。物过筛的方法将其分离；二是根据混合物不同化学性质。物 质通过分离膜的速度取决于进入膜内的速度和由膜的一个质通过分离膜的速度取决于进入膜内的速度和由膜的一个 表面扩散到另一表面的速度。通过分离膜的速度愈大，透表面扩散到另一表面的速度。通过分离膜的速度愈大，透 过膜所需的时间愈短

30、，同时，混合物中各组分透过膜的速过膜所需的时间愈短，同时，混合物中各组分透过膜的速 度相差愈大，则分离效率愈高。度相差愈大，则分离效率愈高。 2. 膜处理方法膜处理方法 (1) 微滤（微滤（MF）膜技术）膜技术 微滤膜是以静压差为推动力，微滤膜是以静压差为推动力， 利利 用筛网状过滤介质膜的筛分作用进行分离。用筛网状过滤介质膜的筛分作用进行分离。 (2) 超滤（超滤（UF）膜技术）膜技术 超过滤是以压差为驱动力，利超过滤是以压差为驱动力，利 用超滤膜的高精度截留性能进行固液分离或使不同相对分用超滤膜的高精度截留性能进行固液分离或使不同相对分 子质量物质分级的膜分离技术。子质量物质分级的膜分离技

31、术。 3. 纳滤（纳滤（NF）膜技术）膜技术 纳滤膜是在反渗透膜的基础上发展起来的，因具有纳米纳滤膜是在反渗透膜的基础上发展起来的，因具有纳米 级的孔径故名纳滤。级的孔径故名纳滤。 4. 反渗透（反渗透（RO）膜技术）膜技术 反渗透（又称高滤）过程是渗透过程的逆过程，推动力反渗透（又称高滤）过程是渗透过程的逆过程，推动力 为压力差，即通过在待分离液一侧加上比渗透压高的压力，为压力差，即通过在待分离液一侧加上比渗透压高的压力， 使原液中的溶剂被压到半透膜的另一侧。反渗透系统由反使原液中的溶剂被压到半透膜的另一侧。反渗透系统由反 渗透装置及其预处理和后处理三部分组成。渗透装置及其预处理和后处理三部

32、分组成。 5. 电渗析（电渗析（ED）膜技术）膜技术 电渗析是一个电化学分离过程，是在直流电场作用下以电电渗析是一个电化学分离过程，是在直流电场作用下以电 位差为驱动力，通过荷电膜将溶液中带电离子与不带电组分位差为驱动力，通过荷电膜将溶液中带电离子与不带电组分 分离的过程。该分离过程是在离子交换膜中完成的。电渗析分离的过程。该分离过程是在离子交换膜中完成的。电渗析 系统通常由预处理设备、整流器、自动控制设备和电渗析器系统通常由预处理设备、整流器、自动控制设备和电渗析器 等组成。等组成。 6. 渗透蒸发（渗透蒸发（PV）膜技术）膜技术 渗透蒸发是一个压力驱动膜分离过程，它是利用液体中两渗透蒸发是

33、一个压力驱动膜分离过程，它是利用液体中两 种组分在膜中溶解度与扩散系数的差别，通过渗透与蒸发，种组分在膜中溶解度与扩散系数的差别，通过渗透与蒸发， 达到分离目的的一个过程。达到分离目的的一个过程。 7. 双极膜（双极膜（BPM）技术）技术 双极膜是由阴离子交换膜和阳离子交换膜叠压在一起形成双极膜是由阴离子交换膜和阳离子交换膜叠压在一起形成 的新型分离膜。阴阳膜的复合可以将不同电荷密度、厚度和的新型分离膜。阴阳膜的复合可以将不同电荷密度、厚度和 性能的膜材料在不同的复合条件下制成不同性能和用途的双性能的膜材料在不同的复合条件下制成不同性能和用途的双 极膜，如水解离膜，一、二价离子分离膜，防结垢膜

34、，抗污极膜，如水解离膜，一、二价离子分离膜，防结垢膜，抗污 染膜，低压反渗透脱硬膜。染膜，低压反渗透脱硬膜。 表表 几种重要的膜分离过程几种重要的膜分离过程 膜过程膜过程 推动力推动力 传递机理传递机理 透过物透过物 截留物截留物 膜类型膜类型 微滤微滤MF 压力差压力差 颗粒大小形状颗粒大小形状 水、溶剂溶解水、溶剂溶解 物物 悬浮物颗粒纤悬浮物颗粒纤 维维 多孔膜多孔膜 超滤超滤UF 压力差压力差 分子特性大小分子特性大小 形状形状 水、溶剂小分水、溶剂小分 子子 胶体和超过截胶体和超过截 留分子量的分留分子量的分 子子 非对称性膜非对称性膜 纳滤纳滤NF 压力差压力差 离子大小及电离子大

35、小及电 荷荷 水、一价离子水、一价离子 多价离子有机多价离子有机 物物 复合膜复合膜 反渗透反渗透RO 压力差压力差 溶剂的扩散传溶剂的扩散传 递递 水、溶剂水、溶剂 溶质、盐溶质、盐 非对称性膜、非对称性膜、 复合膜复合膜 电渗析电渗析ED电位差电位差 电解质离子的电解质离子的 选择传递选择传递 电解质离子电解质离子 非电解质大分非电解质大分 子物质子物质 离子交换膜离子交换膜 渗透蒸发渗透蒸发PV 压力差压力差 选择传递选择传递 易渗的溶质或易渗的溶质或 溶剂溶剂 难渗的溶质或难渗的溶质或 溶剂溶剂 均相膜、复合均相膜、复合 膜、非对称性膜、非对称性 膜膜 8.膜技术的集成应用膜技术的集成

36、应用 每一种膜技术都有其特定的能每一种膜技术都有其特定的能 和适用范围能够解决一定的分和适用范围能够解决一定的分 离问题，但是在实际生产过程离问题，但是在实际生产过程 中仅仅依靠一种膜技术完成例中仅仅依靠一种膜技术完成例 如废水深度处理或精细物料分如废水深度处理或精细物料分 离之类的任务，其结果往往难离之类的任务，其结果往往难 以令人满意。集成各种膜技以令人满意。集成各种膜技 术，优化各种膜的分离性能，术，优化各种膜的分离性能， 可以达到一种膜技术根本无法可以达到一种膜技术根本无法 实现的效果。几种常用的膜集实现的效果。几种常用的膜集 成技术见右表。成技术见右表。 几种常见的膜集成技术及应用几

37、种常见的膜集成技术及应用 膜集成技术膜集成技术 适合的工业生产适合的工业生产 微滤反渗透微滤反渗透 纺织印染废水、电纺织印染废水、电 厂锅炉给水、电镀厂锅炉给水、电镀 废水处理等废水处理等 纳滤（超滤）反纳滤（超滤）反 渗透渗透 皮革工业废水、化皮革工业废水、化 肥工业废水处理等肥工业废水处理等 反渗透反渗透 氯化铵废水、酸性氯化铵废水、酸性 矿山废水处理等矿山废水处理等 电渗析超滤反电渗析超滤反 渗透渗透 海带废水处理等海带废水处理等 9.3.1 9.3.1 酶传感器酶传感器 酶传感器是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、化学酶传感器是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、化学 信号转换器捕捉

38、目标物与敏感基元之间的反应所产生的与目标信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应所产生的与目标 物浓度成比例关系的可测信号，实现对目标物定量测定的分析物浓度成比例关系的可测信号，实现对目标物定量测定的分析 仪器。酶传感器是由固定化的生物敏感膜和与之密切结合的换仪器。酶传感器是由固定化的生物敏感膜和与之密切结合的换 能系统组成，它把固化酶和电化学传感器结合在一起，因而具能系统组成，它把固化酶和电化学传感器结合在一起，因而具 有独特的优点：有独特的优点： （l l）它有不溶性酶体系的优点，也有电化学电极的高灵敏度；）它有不溶性酶体系的优点，也有电化学电极的高灵敏度； （2 2）由于酶的专属反应性，

39、使其具有高的选择性，能够直接）由于酶的专属反应性，使其具有高的选择性，能够直接 在复杂试样中进行测定。在复杂试样中进行测定。 9.3 生物传感器仪器技术及其应用生物传感器仪器技术及其应用 32 1. 1. 酶传感器的基本结构酶传感器的基本结构 酶传感器的基本结构单元是由物质识别元件和信号转换器酶传感器的基本结构单元是由物质识别元件和信号转换器 组成组成. .当酶膜上发生酶促反应时，产生的电活性物质由基体电当酶膜上发生酶促反应时，产生的电活性物质由基体电 极对其响应。基体电极的作用是使化学信号转变为电信号，从极对其响应。基体电极的作用是使化学信号转变为电信号，从 而加以检测，基体电极可采用碳质电

40、极、而加以检测，基体电极可采用碳质电极、PtPt电极及相应的修饰电极及相应的修饰 电极。电极。 2. 2. 酶传感器的工作原理酶传感器的工作原理 当酶电极浸入被测溶液，待测底物进入酶层的内部并当酶电极浸入被测溶液，待测底物进入酶层的内部并 参与反应，大部分酶反应都会产生或消耗一种可被电极参与反应，大部分酶反应都会产生或消耗一种可被电极 测定的物质，当反应达到稳态时，电活性物质的浓度可测定的物质，当反应达到稳态时，电活性物质的浓度可 以通过电位或电流模式进行测定。因此，酶传感器可分以通过电位或电流模式进行测定。因此，酶传感器可分 为电位型和电流型两类传感器。为电位型和电流型两类传感器。 基团之间

41、形成化学共价键连接，从而使酶固定的方法；基团之间形成化学共价键连接，从而使酶固定的方法； 交联法：将传感器表面预先组装上一层具有特定基团的交联法：将传感器表面预先组装上一层具有特定基团的 载体膜，再通过偶联活化剂分别以羧基氨基键形式或席载体膜，再通过偶联活化剂分别以羧基氨基键形式或席 夫碱形式等将酶键合到电极表面。夫碱形式等将酶键合到电极表面。 34 3. 3. 酶的固定方法酶的固定方法 酶的固定是相当重要的一个环节。合适的固定化方法应当酶的固定是相当重要的一个环节。合适的固定化方法应当 满足：满足： （1 1）酶固定化后活性应尽可能少受影响，（）酶固定化后活性应尽可能少受影响，（2 2）固定

42、化方）固定化方 法对被测对象的传质阻力小（法对被测对象的传质阻力小（3 3）酶固定化牢固，不易洗）酶固定化牢固，不易洗 脱。脱。 酶固定化方法有多种，大致可分为以下四类：酶固定化方法有多种，大致可分为以下四类： 吸附法：将酶通过静电引力、范德华力、氢键等作用力固吸附法：将酶通过静电引力、范德华力、氢键等作用力固 定在电极表面，过程简单，但稳定性差；定在电极表面，过程简单，但稳定性差； 包埋法：在温和的条件下形成聚合物的同时，将酶包埋在包埋法：在温和的条件下形成聚合物的同时，将酶包埋在 高聚物的微小格子中，或用物理方法将其包埋在凝胶中的高聚物的微小格子中，或用物理方法将其包埋在凝胶中的 方法；方

43、法； 共价键合法：是酶蛋白分子上的官能团和固相支持物表面共价键合法：是酶蛋白分子上的官能团和固相支持物表面 上的反应上的反应 酶的固定方法酶的固定方法 4. 4. 酶传感器的分类酶传感器的分类 生物传感器按换生物传感器按换 能方式可分为电化学能方式可分为电化学 生物传感器和光化学生物传感器和光化学 生物传感器生物传感器2 2种。下种。下 面来集中介绍一下电面来集中介绍一下电 化学酶传感器和光化化学酶传感器和光化 学酶传感器。学酶传感器。 36 5. 5. 电化学酶传感器电化学酶传感器 基于电子媒介体的葡萄糖传感器，具有响应速度快、灵敏基于电子媒介体的葡萄糖传感器，具有响应速度快、灵敏 度高、稳

44、定性好、寿命长、抗干扰性能好等优点，尤为受到重度高、稳定性好、寿命长、抗干扰性能好等优点，尤为受到重 视。二茂铁由于有不溶于水、氧化还原可逆性好、电子传递速视。二茂铁由于有不溶于水、氧化还原可逆性好、电子传递速 率高等优点，得到了广泛的研究和应用。目前研究的重点是防率高等优点，得到了广泛的研究和应用。目前研究的重点是防 止二茂铁等电子媒介体的流失，从而提高生物传感器的稳定性止二茂铁等电子媒介体的流失，从而提高生物传感器的稳定性 和寿命。和寿命。 6. 6. 光化学酶传感器光化学酶传感器 7. 7. 酶传感器中应用的新技术酶传感器中应用的新技术 (1)(1)纳米技术纳米技术 固定化酶时引入纳米颗

45、粒能够增加酶的催化活性固定化酶时引入纳米颗粒能够增加酶的催化活性, ,提高电极的响应电提高电极的响应电 流值。孟宪伟等首次研究了二氧化硅和金或铂组成的复合纳米颗粒对流值。孟宪伟等首次研究了二氧化硅和金或铂组成的复合纳米颗粒对 葡萄糖生物传感器电流响应的影响葡萄糖生物传感器电流响应的影响, ,其效果明显优于这其效果明显优于这3 3种纳米颗粒单种纳米颗粒单 独使用时对葡萄糖生物传感器的增强作用独使用时对葡萄糖生物传感器的增强作用, ,复合纳米颗粒可以显著增强复合纳米颗粒可以显著增强 传感器的电流响应。传感器的电流响应。 (2)(2)基因重组技术基因重组技术 周亚凤等将黑曲霉周亚凤等将黑曲霉GODG

46、OD基因重组进大肠杆菌、酵母穿梭质粒基因重组进大肠杆菌、酵母穿梭质粒, ,转化甲转化甲 基营养酵母基营养酵母, ,构建出构建出GODGOD的高产酵母工程菌株。重组酵母的高产酵母工程菌株。重组酵母GODGOD比活力达比活力达 426.63 u/mg426.63 u/mg蛋白蛋白, ,是商品黑曲霉是商品黑曲霉GODGOD的的1.61.6倍倍, ,催化效率更高。重组酵母催化效率更高。重组酵母 GODGOD的高活力特性可有效提高葡萄糖传感器的线性检测范围。的高活力特性可有效提高葡萄糖传感器的线性检测范围。 (3) (3) 提高传感器综合性能的其他技术提高传感器综合性能的其他技术 提高固定化酶活力的根本

47、方法是保持酶的空间构象不发生改变。提高固定化酶活力的根本方法是保持酶的空间构象不发生改变。 9.3.2 9.3.2 微生物传感器微生物传感器 1.1.微生物的特征微生物的特征 微生物有三大特征：体积小，繁殖快，分布广。微生物有三大特征：体积小，繁殖快，分布广。 2. 2. 微生物传感器的类型微生物传感器的类型 微生物传感器是以活的微生物作为敏感材料，利用其体微生物传感器是以活的微生物作为敏感材料，利用其体 内的各种酶系及代谢系统来测定和识别相应底物。它是由固内的各种酶系及代谢系统来测定和识别相应底物。它是由固 定化微生物膜和电化学装置组成的。定化微生物膜和电化学装置组成的。 微生物传感器的种类

48、很多，可以从不同的角度分类。根微生物传感器的种类很多，可以从不同的角度分类。根 据微生物与底物作用原理的不同，微生物传感器可分为测定据微生物与底物作用原理的不同，微生物传感器可分为测定 呼吸活性型微生物传感器和测定代谢物质型微生物传感器根呼吸活性型微生物传感器和测定代谢物质型微生物传感器根 据测量信号的不同，微生物传感器可分为电流型微生物传感据测量信号的不同，微生物传感器可分为电流型微生物传感 器和电位型微生物传感器：换能器输出的是电位信号，电位器和电位型微生物传感器：换能器输出的是电位信号，电位 值的大小与被测物的活度有关，二者呈能斯特响应。基于上值的大小与被测物的活度有关，二者呈能斯特响应

49、。基于上 述分类方法，常见的微生物传感器有电化学微生物传感器、述分类方法，常见的微生物传感器有电化学微生物传感器、 燃料电池型微生物传感器、压电高频阻抗型微生物传感器、燃料电池型微生物传感器、压电高频阻抗型微生物传感器、 热敏电阻型微生物传感器、光微生物传感器等。热敏电阻型微生物传感器、光微生物传感器等。 微生物传感器及其特性微生物传感器及其特性 传感器检测传感器检测 对象对象 微生物微生物 固定法固定法 电化学器件电化学器件 稳定性稳定性 （d） 响应时间响应时间 （min） 测量范围测量范围 （mg/L） 葡萄糖葡萄糖 P.fluoresc ens 包埋法包埋法 O2电极电极 14以上以上

50、 10 520 脂化糖脂化糖 B.lactofer mentem 吸附法吸附法 O2电极电极 20 10 20200 甲醇甲醇 未鉴定菌未鉴定菌 吸附法吸附法 O2电极电极 30 10 520 乙醇乙醇 T.brassica e 吸附法吸附法 O2电极电极 30 10530 醋酸醋酸 T.brassica e 吸附法吸附法 O2电极电极 20 1010100 蚁酸蚁酸 C.butyricu m 包埋法包埋法 燃料电池燃料电池 30 301300 谷酰胺酸谷酰胺酸 E.Coli 吸附法吸附法 CO2电极电极 20 510800 已胺酸已胺酸 E.Coli 吸附法吸附法 CO2电极电极 14以上以

51、上 510100 谷胺酸谷胺酸 S.flara 吸附法吸附法 O2电极电极 14以上以上 5201000 3. 3. 电化学微生物传感器电化学微生物传感器 4. 4. 压电高频阻抗型微生物传感器压电高频阻抗型微生物传感器 压电高频阻抗型微生物传感器是基于高频压电晶体频率对压电高频阻抗型微生物传感器是基于高频压电晶体频率对 溶液介质性质变化具有灵敏的响应特性制成的。微生物在生长溶液介质性质变化具有灵敏的响应特性制成的。微生物在生长 过程中与外界溶液进行物质能量的交换，改变培养液的化学成过程中与外界溶液进行物质能量的交换，改变培养液的化学成 分，使得培养液的阻抗发生变化，导致培养液的电导率和介电分

52、，使得培养液的阻抗发生变化，导致培养液的电导率和介电 常数改变。常数改变。 5. 5. 燃料电池型微生物传感器燃料电池型微生物传感器 微生物传感器在发展初期，其应用一直被限定于间接的方微生物传感器在发展初期，其应用一直被限定于间接的方 式，即微生物作为生物催化剂起到一个敏感式，即微生物作为生物催化剂起到一个敏感“元件元件”的作用，的作用， 再与信号转换器相结合成为完整的微生物传感器。而燃料电再与信号转换器相结合成为完整的微生物传感器。而燃料电 池型微生物传感器能直接给出电信号。池型微生物传感器能直接给出电信号。 微生物在呼吸代谢过程中可产生电子，直接在阳极上放电，微生物在呼吸代谢过程中可产生电

53、子，直接在阳极上放电， 产生电信号。但是微生物在电极上放电的能力很弱，往往需要产生电信号。但是微生物在电极上放电的能力很弱，往往需要 加入电子传递的媒介物加入电子传递的媒介物介体，起到增大电流的作用。介体，起到增大电流的作用。 微生物可作为燃料电池中的生物催化剂它在对有机微生物可作为燃料电池中的生物催化剂它在对有机 物发生同化作用的同时，呼吸代谢作用增强并产生电子，物发生同化作用的同时，呼吸代谢作用增强并产生电子， 通过介体放大电流作为介体的氧化通过介体放大电流作为介体的氧化- -还原电对试剂可以把微还原电对试剂可以把微 生物的呼吸过程直接有效地同电极联系起来。生物的呼吸过程直接有效地同电极联

54、系起来。 微生物燃料电池信号产生机理图微生物燃料电池信号产生机理图 42 电化学氧化过程产生的流动电子，用电流或其他方法进电化学氧化过程产生的流动电子，用电流或其他方法进 行测量，在适当条件下此信号即成为检测底物的依据。基于行测量，在适当条件下此信号即成为检测底物的依据。基于 这一原理，已研制出多种燃料电池型微生物传感器。燃料电这一原理，已研制出多种燃料电池型微生物传感器。燃料电 池型微生物传感器是生物传感器新技术，这种新技术响应时池型微生物传感器是生物传感器新技术，这种新技术响应时 间较短，其敏感机理是信号的传递，即电与微生物分解代谢间较短，其敏感机理是信号的传递，即电与微生物分解代谢 的早

55、期步骤相联系，这就避免在间接法中对分析物响应过程的早期步骤相联系，这就避免在间接法中对分析物响应过程 微生物要达到传代稳定状态的需要。微生物要达到传代稳定状态的需要。 6. 6. 其他类型的微生物传感器其他类型的微生物传感器 光微生物传感器：其原理是利用具有光合作用的微生物早光光微生物传感器：其原理是利用具有光合作用的微生物早光 照作用下将待测物转变成电极敏感物质或者微生物本身释放照作用下将待测物转变成电极敏感物质或者微生物本身释放 氧的性质，将微生物固化后结合氧电极，氢电极实现对某种氧的性质，将微生物固化后结合氧电极，氢电极实现对某种 物质的测定。物质的测定。 酶酶- -微生物混合性传感器：

56、为了使敏感膜的性能更加完善，微生物混合性传感器：为了使敏感膜的性能更加完善， 可以使用由酶和微生物混合构成的敏感材料。可以使用由酶和微生物混合构成的敏感材料。 利用细胞表层物质的传感器：此类传感器是根据细胞表层上利用细胞表层物质的传感器：此类传感器是根据细胞表层上 的糖原、膜结合蛋白等物质对抗体、离子、糖等的选择性识的糖原、膜结合蛋白等物质对抗体、离子、糖等的选择性识 别作用，将其与细胞的电极反应相结合，研制出新型的传感别作用，将其与细胞的电极反应相结合，研制出新型的传感 器，诸如变异反应传感器、识别革兰阴性菌和革兰阳性菌的器，诸如变异反应传感器、识别革兰阴性菌和革兰阳性菌的 传感器等。传感器

57、等。 7.7.微生物传感器在环境中的应用实例微生物传感器在环境中的应用实例 在环境监测生物传感器中，一般将整个微生物细胞如细菌、在环境监测生物传感器中，一般将整个微生物细胞如细菌、 酵母、真菌用做识别元件。这些微生物通常从活性泥状沉积酵母、真菌用做识别元件。这些微生物通常从活性泥状沉积 物、河水、瓦砾和土壤中分离出术。利用微生物的新陈代谢物、河水、瓦砾和土壤中分离出术。利用微生物的新陈代谢 机能发展的微生物传感器可进行污染物的检定和分析。机能发展的微生物传感器可进行污染物的检定和分析。 （1 1）BODBOD微生物传感器：该传感器有氧电极和微生物固定微生物传感器：该传感器有氧电极和微生物固定

58、膜组成。当加入有机物时，固定化的微生物分解有机物，膜组成。当加入有机物时，固定化的微生物分解有机物， 致使微生物呼吸作用增加，从而导致溶解氧减少，因而使致使微生物呼吸作用增加，从而导致溶解氧减少，因而使 氧电极电流响应下降，直到被测溶液向固化微生物膜扩散氧电极电流响应下降，直到被测溶液向固化微生物膜扩散 的氧量与微生物呼吸消耗的氧量之间达到平衡，使得到相的氧量与微生物呼吸消耗的氧量之间达到平衡，使得到相 应的稳定电流值应的稳定电流值 （2 2）藻类污染的监测：一种名叫查顿埃勒的浮游生物是引）藻类污染的监测：一种名叫查顿埃勒的浮游生物是引 起赤潮的重要物种，国外已研究出监测这种浮游生物的生起赤潮

59、的重要物种，国外已研究出监测这种浮游生物的生 物传感器。原理为检测这种生物或共代谢产物产生的化学物传感器。原理为检测这种生物或共代谢产物产生的化学 发光。发光。 （3 3）硫化物微生物传感器：常用于硫化物的测定方法为分）硫化物微生物传感器：常用于硫化物的测定方法为分 光光度法和碘量法，前者显色条件不易控制、操作烦琐；光光度法和碘量法，前者显色条件不易控制、操作烦琐； 后者试剂消耗量大、成本高。微牛物传感用法是一种设备后者试剂消耗量大、成本高。微牛物传感用法是一种设备 简单、操作简便、成本低的新方法。简单、操作简便、成本低的新方法。 45 9.3.3 9.3.3 免疫传感器免疫传感器 免疫传感器

60、是将免疫测定技术与传感技术相结合的一类免疫传感器是将免疫测定技术与传感技术相结合的一类 新型生物传感器。免疫传感器依赖于抗原和抗体之间特异性新型生物传感器。免疫传感器依赖于抗原和抗体之间特异性 和亲和性，利用抗体检测抗原或利用抗原检出抗体。和亲和性，利用抗体检测抗原或利用抗原检出抗体。 抗体之间的特异性结合抗体之间的特异性结合 2. 2. 免疫传感器的结构免疫传感器的结构 免疫传感器在结构上与传统生物传感器一样，可分为生免疫传感器在结构上与传统生物传感器一样，可分为生 物敏感元件、换能器和信号数据处理器三部分。生物敏感元物敏感元件、换能器和信号数据处理器三部分。生物敏感元 件是固定抗原或抗体的