13生物传感器学习课程

1、Outline：第1页/共111页第一页，编辑于星期四：二十二点 九分。一、一、what is biosensor?1、概述 传感器是一种信息获取与处理的装置。 对物质成分传感的器件就是化学传感器，它是一种小型化的、能专一和可逆地对某种化学成分进行应答反应的器件，并能产生与该成分浓度成比例的可测信号。第2页/共111页第二页，编辑于星期四：二十二点 九分。生物传感器是一类特殊的化学传感器，它是以生物活性单元(如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜、微生物、细胞等)作为识别元件，将生化反应转变成可定量的物理、化学信号，从而能够进行生命物质和化学物质检测和监控的装置。第3页/共111页第三页，编

2、辑于星期四：二十二点 九分。生物传感器的发展史生物传感器的发展史(1)(1) 最先问世的生物传感器是最先问世的生物传感器是酶电极酶电极，ClarkClark和和LyonsLyons最先提出组成酶电极的最先提出组成酶电极的设想。设想。 7070年代中期，人们注意到酶电极的年代中期，人们注意到酶电极的寿命一般都比较短，提纯的酶价格也寿命一般都比较短，提纯的酶价格也较贵，而各种酶多数都来自微生物或较贵，而各种酶多数都来自微生物或动植物组织，因此自然地就启发人们动植物组织，因此自然地就启发人们研究研究酶电极的衍生型酶电极的衍生型：微生物电极、：微生物电极、细胞器电极、动植物组织电极以及细胞器电极、动植

3、物组织电极以及免疫电极等新型生物传感器，使生免疫电极等新型生物传感器，使生物传感器的类别大大增多；物传感器的类别大大增多； 进入本世纪进入本世纪8080年代之后，随着离子年代之后，随着离子敏 场 效 应 晶 体 管 的 不 断 完 善 ， 于敏 场 效 应 晶 体 管 的 不 断 完 善 ， 于19801980年年CarasCaras和和JanafaJanafa率率先研制成功先研制成功可测定青霉素的可测定青霉素的酶酶FETFET。 年代年代 特点特点 研究内容研究内容 6060 生物传生物传感器初期感器初期 酶电极酶电极7070 发展时发展时期期 微生物传感器，微生物传感器，免疫传感器，免疫传

4、感器，细胞类脂质传细胞类脂质传感器，组织传感器，组织传感器，生物亲感器，生物亲和传感器和传感器8080进入生物进入生物电子学传电子学传感器时期感器时期酶酶FETFET酶光二极管酶光二极管第4页/共111页第四页，编辑于星期四：二十二点 九分。生物传感器发展的整体划生物传感器发展的整体划分分: : 第一代生物传感器以第一代生物传感器以将生物成分截留在膜上或结合在将生物成分截留在膜上或结合在膜上膜上为基础，这类器件由透析器为基础，这类器件由透析器( (膜膜) )、反应器、反应器( (膜膜) )和电和电化学转换器所组成，其实验设备相当简单。化学转换器所组成，其实验设备相当简单。 第二代生物传感器是指

5、将第二代生物传感器是指将生物成分直接吸附或共价结生物成分直接吸附或共价结合在转换器的表面合在转换器的表面上，从而可略去非活性的基质膜。上，从而可略去非活性的基质膜。 第三代生物传感器是第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子元把生物成分直接固定在电子元件上件上，例如，例如FETFET的栅极上，它可直接感知和放大界的栅极上，它可直接感知和放大界面物质的变化，从而将生物识别和电信号处理集合面物质的变化，从而将生物识别和电信号处理集合在一起。这种放大器可采用差分方式以消除干扰。在一起。这种放大器可采用差分方式以消除干扰。生物传感器的发展史(2)第5页/共111页第五页，编辑于星期四：二十二点 九分

6、。快速葡萄糖分析仪快速葡萄糖分析仪第6页/共111页第六页，编辑于星期四：二十二点 九分。血糖乳酸自动分析仪血糖乳酸自动分析仪第7页/共111页第七页，编辑于星期四：二十二点 九分。2 2、生物传感器与传统的分析方、生物传感器与传统的分析方法相比，具有如下的优点：法相比，具有如下的优点：1）.生物传感器是由选择性好的生物材料构成的分子识别元件，因此一般不需要样品的预处理，样品中的检测组分的分离和检测同时完成，且测定时一般不需加入其它试剂；2）.由于它的体积小，可以实现连续在线监测； 第8页/共111页第八页，编辑于星期四：二十二点 九分。3）.响应快，样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以

7、反复多次使用；4）.传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，便于推广普及。第9页/共111页第九页，编辑于星期四：二十二点 九分。二、生物传感器分类二、生物传感器分类1 1、根据传感器输出信号的产生、根据传感器输出信号的产生 方式：方式：生物亲和型生物传感器（affinitybiosensoraffinitybiosensor） 代谢型生物传感器催化型生物传感器第10页/共111页第十页，编辑于星期四：二十二点 九分。2 2、根据生物传感器中生物分子识、根据生物传感器中生物分子识 别元件上的敏感物质分：别元件上的敏感物质分：酶传感器（enzymesensorenzymesensor） 微生

8、物传感器（microbialsensormicrobialsensor） 组织传感器（tis-suesensortis-suesensor） 基因传感器细胞传感器（organallsensororganallsensor） 免疫传感器（immunolsensorimmunolsensor）第11页/共111页第十一页，编辑于星期四：二十二点 九分。生物传感器分类示意图生物传感器分类示意图生物传感器按生物分子识别元件敏感物质分类组织传感器固定化微生物微生物传感器固定化酶免疫传感器酶传感器固定化抗体生物组织切片固定化寡链核苷酸生物分子识别元件基因传感器第12页/共111页第十二页，编辑于星期四：二

9、十二点 九分。3 3、根据生物传感器的信号转化器、根据生物传感器的信号转化器 分：分：电化学生物传感器 （bioelectrodebioelectrode） 半导体生物传感器（semiconductbiosensorsemiconductbiosensor） 测热型生物传感（calorimetricbiosensorcalorimetricbiosensor） 测光型生物传感器（opticalbiosensoropticalbiosensor） 压电晶体生物传感器（piezoelectricbiosensorpiezoelectricbiosensor） 第13页/共111页第十三页，编辑于星

10、期四：二十二点 九分。三、生物传感器结构和原理三、生物传感器结构和原理转换器（换能器transducer ）分子识别元件即感受器，具有分子识别能力的生物活性物质（如组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等）； 主要有电化学电极（如电位、电流的测量）、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等，从而达到分析监测的目的。第14页/共111页第十四页，编辑于星期四：二十二点 九分。 生物传感器的选择性取决于它的生物敏感元件，而生物传感器的其他性能则和它的整体组成有关。第15页/共111页第十五页，编辑于星期四：二十二点 九分。生物传感器的传感原理生物

11、传感器的传感原理电信号电极、半导体等热敏电阻 光纤、光度计 压电晶体等 表面等离子共振信号转换器生物功能性膜分子识别化学物质 热 光 质量 介电性质 第16页/共111页第十六页，编辑于星期四：二十二点 九分。四、生物传感器中的信四、生物传感器中的信 号转换器号转换器1.电化学型信号转换器 电化学电极（固体电极、离子选择性电极、气敏电极等）作为信号转换器已广泛用于酶传感器、微生物传感器及其他类型的生物传感器中。化学反应与电荷变化密切相关，将待测物质以适当形式置于电化学反应池，测量其电化学性质（如电位、电流和电容等）变化可实现物质含量的测定。第17页/共111页第十七页，编辑于星期四：二十二点

12、九分。1.1基本电化学概念（1）固体电极的相间电位将金属电极插入电解质溶液中，从外表看，似乎不起什么变化。但实际上，金属晶格上原子被水分子极化、吸引，最终有可能脱离晶格以水合离子形式进入溶液。同样，溶液中金属离子也有被吸附到金属表面的，最终二者达到一个平衡。第18页/共111页第十八页，编辑于星期四：二十二点 九分。 由于核电粒子在界面间的净转移而产生了一定的界面电位差。该类电位主要产生于金属为基体的电极，它与金属本性、溶液性质、浓度等有关。 固体电极的相间电位第19页/共111页第十九页，编辑于星期四：二十二点 九分。（2 2）液体接界电位）液体接界电位（浓差电位）（浓差电位） 其产生的条件

13、是相互接触的两液存在浓差梯度，同时扩散的离子其淌度不同。界面两侧HCl浓度不同，左侧的H+和Cl-不断向右侧扩散，同时由于H+的淌度比Cl-淌度大，最终界面右侧将分布过剩正电荷，左侧有相应的负电荷，形成了液体接界电位。液体接界电位（浓差电位）第20页/共111页第二十页，编辑于星期四：二十二点 九分。（3）膜电极电位 一个离子选择性膜与两侧溶液相接触，膜相中离子I+与溶液中I+发生交换反应，最终在两个界面处会形成两个液体接界电位（即道南电位1和2）由于膜较厚，膜相内也会存在不同离子扩散所产生的扩散电位d，因此整个膜电位m=D1+D2+d第21页/共111页第二十一页，编辑于星期四：二十二点 九

14、分。1.2 1.2 基本电化学信号测量技术基本电化学信号测量技术 （1）电位信号测量方法 对于一个选择性膜电极，当其他外界条件固定时，膜电位与溶液中待测离子活度（或浓度）的对数值呈线性关系，即符合能斯特关系式。由于单个电极电位值是无法测量的，通常将待测电极与一个参比电极组成一个电池，测量其电位差值。采用的参比电极处理可使用标准氢电极外常常使用甘汞电极和银-氯化银电极（结构如下图）。第22页/共111页第二十二页，编辑于星期四：二十二点 九分。生物传感器中常涉及用电位法测量H+NH3、CO2的浓度。1.电引线2.电极帽3.甘汞芯4.玻璃外壳5.饱和KCl6.多孔陶瓷塞7.KCl补液口 甘汞电极第

15、23页/共111页第二十三页，编辑于星期四：二十二点 九分。（2 2）电流信号测量方法）电流信号测量方法物质在电极上发生氧化还原反应与其自身的电极电位相关，控制电极电位可以有选择地使溶液中某成分发生氧化或还原反应。当电路中有电流通过时电极将发生极化现象，使得电极电位偏离平衡电位值。为了有效的测量和控制研究电极的电位，通常可采用三电极测量体系如图所示。用于电流测量的三电极测量体系第24页/共111页第二十四页，编辑于星期四：二十二点 九分。 电解回路由工作电极和对电极构成，电位的测量和控制由参比电极与工作电极回路实现。测量时采用线性扫描法、恒电位法等方式，测量的电流信号与发生电极氧化（或还原）的

16、物质浓度相关。 生物传感器中常涉及用电流法测量O2、H2O2等其他活性物质浓度。第25页/共111页第二十五页，编辑于星期四：二十二点 九分。1.3 1.3 特点与应用特点与应用 电化学电极及相关的电化学测试技术具有性能稳定、适用范围广、易微型化特点，已在酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、DNA传感器中得到应用。 目前，微电极技术也已应用于探讨细胞膜结构与功能、脑神经系统的在体研究（如多巴胺、去甲肾上腺素在体测量）等生物医学领域。第26页/共111页第二十六页，编辑于星期四：二十二点 九分。直按产生电信号方式的生物传感器 例：Cass 等提出一种测定葡萄糖的传感器，是用二茂络铁二茂络铁为电子

17、传递体。G G、GLGL代表葡萄糖和葡萄糖内脂，代表葡萄糖和葡萄糖内脂，GODGODoxox和和GODGODredred为氧化型和还原型为氧化型和还原型的葡萄糖氧化酶，而的葡萄糖氧化酶，而FeFecp2cp2R R和和FeFecp2cp2R R+ +则为还原型和氧化型二茂络铁。则为还原型和氧化型二茂络铁。葡萄糖被葡萄糖被GODGOD氧化的同时，氧化的同时，GODGOD被还原成被还原成GODGODredred，氧化型的电子传递体，氧化型的电子传递体2Fe2Fecp2cp2R R+ +可将可将GODredGODred再氧化成再氧化成GODGODoxox反应直接在电极表面上发生反应直接在电极表面上发

18、生第27页/共111页第二十七页，编辑于星期四：二十二点 九分。葡萄糖传感器葡萄糖传感器 工作原理工作原理 测量氧消耗量的葡萄糖传感器测量氧消耗量的葡萄糖传感器 测测2 22 2生成量的葡萄糖传感器生成量的葡萄糖传感器第28页/共111页第二十八页，编辑于星期四：二十二点 九分。工作原理 故葡萄糖浓度测试方法有三种：故葡萄糖浓度测试方法有三种：测耗量测耗量 测测生成量生成量 测由葡萄糖酸而产生的变化。测由葡萄糖酸而产生的变化。 葡萄糖氧化酶（）葡萄糖氧化酶（）葡萄糖葡萄糖+H2O葡萄糖酸葡萄糖酸第29页/共111页第二十九页，编辑于星期四：二十二点 九分。测量氧消耗量的葡萄糖传感器测量氧消耗量

19、的葡萄糖传感器第30页/共111页第三十页，编辑于星期四：二十二点 九分。测量氧消耗量的葡萄糖传感器测量氧消耗量的葡萄糖传感器1.氧电极构成：由氧电极构成：由b阳极和阳极和t阴极浸入碱溶液，阴极浸入碱溶液，阴极表面用氧穿透葡萄糖（基质）膜覆盖阴极表面用氧穿透葡萄糖（基质）膜覆盖特氟隆，厚特氟隆，厚约约m2.氧电极测氧电极测O2原理：原理：利用氧在阴极上首先被还原的特性。利用氧在阴极上首先被还原的特性。溶液中的溶液中的O2穿过特氟隆膜到达穿过特氟隆膜到达Pt阴极上，当阴极上，当外加一外加一个直流电压为氧的极化电压个直流电压为氧的极化电压(如如0.7V)时，则氧分子在时，则氧分子在Pt阴极上得电子

20、，被还原阴极上得电子，被还原:其电流值与含其电流值与含O2浓度成比浓度成比例。例。 2+2+e= 第31页/共111页第三十一页，编辑于星期四：二十二点 九分。聚四氟乙烯膜（作用） 它避免了电极与被测液直接相接触，防止了电极毒化；如电极它避免了电极与被测液直接相接触，防止了电极毒化；如电极PtPt为开放式，它浸为开放式，它浸入含蛋白质的介质中，蛋白质会沉淀在电极表面上从而减小电极有效面积，使电入含蛋白质的介质中，蛋白质会沉淀在电极表面上从而减小电极有效面积，使电流下降，使传感器受到毒化。流下降，使传感器受到毒化。第32页/共111页第三十二页，编辑于星期四：二十二点 九分。测测22生成量的葡萄

21、糖传感器生成量的葡萄糖传感器1.1.PtPt阳极阳极2.2.聚四氟乙烯膜（作用）聚四氟乙烯膜（作用）3.3.固相酶膜固相酶膜4.4.半透膜多孔层半透膜多孔层5.5.半透膜致密层半透膜致密层第33页/共111页第三十三页，编辑于星期四：二十二点 九分。 葡萄糖氧化产生葡萄糖氧化产生，而，而通过选择通过选择性透气膜，在性透气膜，在PtPt电极上氧化，产生阳极电流。电极上氧化，产生阳极电流。葡萄糖含量与电流成正比，由此可测出葡萄糖溶葡萄糖含量与电流成正比，由此可测出葡萄糖溶液浓度。液浓度。 在在t t电极上加电极上加0.6V0.6V电压时，则产生的阳极电压时，则产生的阳极电流为：电流为： 葡萄糖氧化

22、酶（）葡萄糖氧化酶（）葡萄糖葡萄糖+H2O葡萄糖酸葡萄糖酸H2O2 O2+2H+2e第34页/共111页第三十四页，编辑于星期四：二十二点 九分。2.2.离子敏场效应晶体管型信号转器离子敏场效应晶体管型信号转器ion sensitive effect transistor，简称简称ISFET第35页/共111页第三十五页，编辑于星期四：二十二点 九分。 场效应晶体管（FET）有四个末端，当栅极与基-片P-Si短路时，源极与漏极之间的电流为漏电流。如果施加外电压，同时栅极电压对基片为正，电子便被吸引到栅极下面，促进了源极和漏极两个n区导通。因此栅极电压变化将控制沟道区导电性能-漏电流的相应变化。

23、因此只要设法利用生物反应过程所产生的物质来影响栅极电压，便可设计出半导体生物传感器。氢离子敏的FET是常用的信号转换器。第36页/共111页第三十六页，编辑于星期四：二十二点 九分。 将生物活性物质如酶固定在栅极氢离子敏感膜（SiO2水化层）表面，样品溶液中的待测底物扩散进入酶膜。假设是检测酶催化后的产物（反应速率取决于底物浓度），产物向离子选择性膜扩散的分子浓度不断积累增加，并在酶膜和离子选择性膜界面达到衡定。第37页/共111页第三十七页，编辑于星期四：二十二点 九分。 通常，酶-FET传感器都含有双栅极，一只栅极涂有酶膜，作为指示用FET，另一支涂上非活性酶膜或清蛋白膜作为参比FET，两

24、个FET制作在同一芯片上，对pH和温度以及外部溶液电场变化具有同样的敏感性，也就是说，如果两支FET漏电流出现了差 值，那只能是酶FET中催化反应所致，而与环境温度pH加样体积和电场噪声等无关，故其差值与被测产物的浓度呈比例关系。第38页/共111页第三十八页，编辑于星期四：二十二点 九分。2.22.2特点与应用特点与应用FET的特点：结构简单，体积小，便于批量制作，成本低：属于固态传感器，机械性能好、耐震动、寿命长；输出阻抗低，与检测器的连接线甚至不用屏蔽，不受外来电场干扰，测试电路简化；第39页/共111页第三十九页，编辑于星期四：二十二点 九分。可在同一硅片上集成多种传感器，对样品中不同

25、成分同时进行测量分析。FET的应用： 离子敏场效应晶体管可作为酶（水解酶）、微生物传感器中的信号转换器。第40页/共111页第四十页，编辑于星期四：二十二点 九分。3.3.热敏电阻型信号转换器热敏电阻型信号转换器 热敏电阻是由铁、镍、钴、钛等金属氧化物构成的半导体。从外形上分类有珠型、片型、棒型、厚膜型、薄膜型与触点型等。凡有生物体反应的地方，大都可观察到放热或吸热反应的热量变化（焓变化）。第41页/共111页第四十一页，编辑于星期四：二十二点 九分。 热敏电阻生物传感器就是以测定生化反应焓（enthalpy)变化作为测定基础。若测量系统是一个绝热系统，借助于热敏电阻，可根据对系统温度变化的测

26、量实现试样中待测成分的测定。第42页/共111页第四十二页，编辑于星期四：二十二点 九分。酶热敏电阻的测量系统第43页/共111页第四十三页，编辑于星期四：二十二点 九分。3.23.2特点与应用特点与应用作为温度传感器的热敏电阻具有如下几个特点：1.灵敏度高，温度系数为-4.5%/K，灵敏度约为金属的10倍；2.因体积很小故热容量小、响应速度快；3.稳定性好，使用方便，价格便宜。第44页/共111页第四十四页，编辑于星期四：二十二点 九分。 因为对于许多生物体反应都可观察到放热或吸热反应的热量变化（焓变化），所以酶热敏电阻生物传感器测量对象范围广泛，使用于的分子识别元件包括酶、抗原、抗体、细胞

27、器、微生物、动物细胞、植物细胞、组织等。第45页/共111页第四十五页，编辑于星期四：二十二点 九分。 在检测时，由于识别元件的催化作用或因构造和物性变化引起焓变化，可借助热敏电阻把其变换为电信号输出。现已在医疗、发酵、食品、环境、分析测量等很多方面得到应用，如在发酵生化生产过程中，广泛用于测定青霉素、头孢菌素、酒精、糖类和苦杏仁等。第46页/共111页第四十六页，编辑于星期四：二十二点 九分。4.4.压电晶体信号转换器压电晶体信号转换器4.1 结构与原理 压电晶体型信号转换器是基于石英晶体的压电效应。在一定方向上施加机械力时石英晶体产生变形，就会引起它们内部正负电荷中心相对位移而产生极化，从

28、而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷，当外力消失后，又恢复到不带电状态。当外力发生变化时表面电荷极性随之改变，这种现象物理学称为（顺）压电效应。第47页/共111页第四十七页，编辑于星期四：二十二点 九分。 若对石英晶体施加电场作用时，同样会引起内部正、负电荷中心的相对位移而导致石英晶体变形，且应变与外电场强度成正比；外电场方向改变，石英晶体形变方向也随之改变。当外加电场的振荡频率与石英晶体固有振荡频率一致时，石英晶体处于谐振状态。通常使用的是AT切割型石英晶体（频率温度系数最小），并在其两面真空喷镀一层导电用的金属电极。第48页/共111页第四十八页，编辑于星期四：二十二点

29、 九分。 采用TTL-IC振荡电路驱使石英晶体谐振于其固有的频率，图是压电石英晶体图是压电石英晶体传感器的工作系统。传感器的工作系统。第49页/共111页第四十九页，编辑于星期四：二十二点 九分。 当石英晶体便面附着层的质量改变时其频率随之改变，用Sauerbrey方程来描述。即F =KF2 m /A，式中， F 是晶体吸附外表物质后振动频率（Hz）的变化；K为常数；F为压电晶体的基础频率（MHz）； m 为附着层物质的质量变化。通常可检测低至10-10g/cm2级的痕量物质，因此常称之为石英晶体微天平。第50页/共111页第五十页，编辑于星期四：二十二点 九分。4.24.2特点与应用特点与应

30、用压电石英晶体传感器的特点：1.仪器装置简单、成本低廉；2.灵敏度高、易自动化、使用范围广；3.可发展一类非标记的亲和型生物传感器检测方法。第51页/共111页第五十一页，编辑于星期四：二十二点 九分。 在免疫学、微生物学、基因检测、血液流变、药理研究以及环境等科学领域具有重要应用价值和开发前景。第52页/共111页第五十二页，编辑于星期四：二十二点 九分。5.5.光纤光学型信号转换器光纤光学型信号转换器 5.15.1结构与原理结构与原理 光纤是用来传输光波能量的。在传播过程中，光波的导波参量会发生变化，如振幅、相位、偏振度、强度、波长、频率等，尤其是外界因素（如压力、温度、振动、浓度）对光纤

31、的作用 更会引起上述参量发生较大的变化。第53页/共111页第五十三页，编辑于星期四：二十二点 九分。 光纤生物传感信号转换器主要由光纤和生物敏感膜组成。分析测试时将传感器端插入待测溶液中，当光通过光纤达到传感端时，由于传感膜中生物活性成分和待测组分之间的相互作用引起传感层光学性质变化。第54页/共111页第五十四页，编辑于星期四：二十二点 九分。 将酶、辅酶、生物的受体、抗原、抗体、核酸、动植物组织或细胞、微生物等敏感膜安装在光纤、平面波导或毛细血管波导面上，对样品中的待测物质进行选择性的分子识别，再转换成各种光信息，如紫外光、可见光及红外光的吸收与反射，荧光、磷光、化学发光和生物发光、拉曼

32、辐射、光声和表面等离子体共振等信号输出。第55页/共111页第五十五页，编辑于星期四：二十二点 九分。 组成感受器和换能器的可以是同一物质或不同物质构成的单层膜，也可以是不同物质构成的双层膜。大多数情况下，光纤只起光的传输作用，也有传感器是基于被测物质能直接影响光纤的波导性质（如张力和折射率的变化）来进行化学或生物传感的。第56页/共111页第五十六页，编辑于星期四：二十二点 九分。5.25.2特点与应用特点与应用 光纤生物传感器具有如下独特特点： 轻、细长、小，很细小的光纤探 针可应用于生物体内研究； 抗电磁干扰强，适用于在强电磁干扰、高温高压、易燃易爆和强放射性等恶劣环境中应用，使远距离遥

33、测成为现实； 第57页/共111页第五十七页，编辑于星期四：二十二点 九分。 应用范围广，成本低且操作方便；可应用于多波长和时间分辨测量技术，从而改进分析结果的重现性，大大提高方法的选择性。第58页/共111页第五十八页，编辑于星期四：二十二点 九分。6.6.表面等离子体共振型信号转换器表面等离子体共振型信号转换器surface plasmon resonance,SPR6.1结构与原理 在SPR中，光入射在金属薄膜上，产生衰减场。如果在金属薄膜一侧加上一层待测物质，试样与金属薄膜的偶联影响了结构的折射率，从而影响了反射光、衰减波以及等离子体共振。电磁场沿着金属表面传播，其衰减场按指数规律衰减

34、。第59页/共111页第五十九页，编辑于星期四：二十二点 九分。 SPR传感器的敏感机制有两种：一是SPR的电磁场效应；二是生物大分子相互作用对介电性质的影响。传感器原理示意如下光电信号检测与分析传感器电磁场（反射光波、衰减波）变化敏感层介电性质（介电常数、折射率）变化生物大分子相互作用第60页/共111页第六十页，编辑于星期四：二十二点 九分。6.26.2特点与应用特点与应用 SPR传感系统使用面非常广。在微生物检测、药物筛选、血液分析、DNA分析、抗原/抗体分析、有毒气体检测等方面都有不俗的表现，对于环境污染的控制、医学诊断、食品及药物检测、工业遥感等方面将是有力的工具。第61页/共111

35、页第六十一页，编辑于星期四：二十二点 九分。 SPR型传感器的发展趋势：微型化，即在敏感元件上集成更多的器件；多组分同时测定，同一敏感器件可以测量不同的生化成分，一方面提高仪器的使用效率，另一方面也完善了SPR测量机理，这一要求也是对于通用生化分析仪器的共同要求；第62页/共111页第六十二页，编辑于星期四：二十二点 九分。 SPR型传感器呈现多元化发展，不同的场合对于SPR仪器性能要求也不同，在微电子技术、光纤技术、生物膜技术的支持下，各种SPR型传感器将被开发出来。第63页/共111页第六十三页，编辑于星期四：二十二点 九分。五、微生物传感器五、微生物传感器 微生物传感器由固定化微生物、换

36、能器和信号输出装置组成，利用固定化微生物代谢消耗溶液中的溶解氧或产生一些电活性物质并放出光或热的原理实现待测物质的定量测定。第64页/共111页第六十四页，编辑于星期四：二十二点 九分。根据微生物的种类分类可分为 发光微生物(1uminous microbes)传感器， 硝化细菌(nitrifying bacteria)传感器， 假单胞茵属(Pseudomonas)与大肠杆菌属(Escherichia)传感器， 蓝细菌(cyanobacteria)与藻类(algae)传感器 酵母传感器。 第65页/共111页第六十五页，编辑于星期四：二十二点 九分。 发光微生物传感器具有一些显著优点：操作无需

37、严格无菌；发光变化先于基本代谢变化因而对毒性更为敏感；与光电检测手段相结合，自动化程度高、结果客观、人为误差少。第66页/共111页第六十六页，编辑于星期四：二十二点 九分。 硝化细菌传感器利用细菌对污染物毒性十分敏感的特性，根据污染物抑制细胞酶类(如氨单加氧酶、羟氨氧化酶、亚硝酸氧还酶)而干扰硝化过程的原理来检测污染物。第67页/共111页第六十七页，编辑于星期四：二十二点 九分。 基于氧化还原介质的传感器选用的假单胞菌株有洋假单胞菌(Pseudomonas cepacia)和恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)等。检测的污染物有氯芬磷、氯氰菊酯、溴氢菊酯、乐果、硫丹等，毒物

38、可显著抑制工作电极上电流的产生。第68页/共111页第六十八页，编辑于星期四：二十二点 九分。 目前，有两种类型蓝细菌、藻类传感器：一类是检测毒物对光合作用产物生成的影响；另一类是检测毒物对叶绿素荧光发生强度的影响，毒物通过阻断光合作用的电子传递链导致叶绿素的荧光强度增高，增加的幅度与污染物浓度相关。第69页/共111页第六十九页，编辑于星期四：二十二点 九分。酵母作为一种真核生物传感器具有以下优点： (1)增殖速度快，可利用的底物广泛； (2)细胞为真核结构，可以检出真核毒性污染物，结果对哺乳动物更有意义； (3)对酸碱度、温度、离子强度等变化的适应能力强于细菌。第70页/共111页第七十页

39、，编辑于星期四：二十二点 九分。 现在多通过检测耗氧量、酸度(因代谢产物使pH 降低)而分析酵母的活性。污染物可抑制其正常代谢过程的进行。因为人们对酿酒酵母的生理生化特性已有深入了解，常用其作为传感器的敏感材料。第71页/共111页第七十一页，编辑于星期四：二十二点 九分。甲酸传感器甲酸传感器(H2电极厌气性微生物传感器电极厌气性微生物传感器)1.1. 圆环圆环2.2. 液体连接面液体连接面3.3. 电解液电解液(100mol/m(100mol/m3 3磷酸磷酸缓冲液缓冲液) )4.4. AgAg2 2O O2 2电极电极( (阴极阴极) )5.5. PtPt电极电极( (阳极阳极) )6.6

40、. 聚四氟乙烯膜聚四氟乙烯膜第72页/共111页第七十二页，编辑于星期四：二十二点 九分。甲酸传感器甲酸传感器原理 将产生氢的将产生氢的酪酸梭状芽菌酪酸梭状芽菌固定在低温胶冻膜上，并把它固定在低温胶冻膜上，并把它固定在固定在燃料电池燃料电池PtPt电极电极上；上； 当传感器浸入含有甲酸的溶液时，甲酸通过聚四氟当传感器浸入含有甲酸的溶液时，甲酸通过聚四氟乙烯膜向酪酸梭状芽菌扩散，被乙烯膜向酪酸梭状芽菌扩散，被资化后资化后产生产生H H2 2, ,而而H H2 2又穿过又穿过PtPt电极表面上的聚四氟乙烯膜与电极表面上的聚四氟乙烯膜与PtPt电极产生电极产生氧氧化还原反应而产生电流化还原反应而产生

41、电流，此电流与微生物所产生的，此电流与微生物所产生的H H2 2含含量成正比，而量成正比，而H H2 2量又与待测甲酸浓度有关，因此传感量又与待测甲酸浓度有关，因此传感器能测定发酵溶液中的甲酸浓度。器能测定发酵溶液中的甲酸浓度。第73页/共111页第七十三页，编辑于星期四：二十二点 九分。六、生物传感器的固定方法固定方法固定化技术：把生物活性材料与固定化技术：把生物活性材料与载体载体固定化成固定化成为生物敏感膜。为生物敏感膜。1.1.物理方法：夹心法、吸附法、包埋法；物理方法：夹心法、吸附法、包埋法；2.2. 化学方法化学方法: : 共价连接法、交联法；共价连接法、交联法；3.3. 近年来近年

42、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, , 因而又出现了采用集成电路工艺制膜技术。因而又出现了采用集成电路工艺制膜技术。第74页/共111页第七十四页，编辑于星期四：二十二点 九分。夹心法 将生物活性材料将生物活性材料封闭在双层滤膜封闭在双层滤膜之间，形象地称之间，形象地称为夹心法。为夹心法。 这 种 方 法 的 特 点这 种 方 法 的 特 点是 操 作 简 单 ， 不是 操 作 简 单 ， 不需 要 任 何 化 学 处需 要 任 何 化 学 处理 ， 固 定 生 物 量理 ， 固 定 生 物 量大，响应速度快，大，响应速度快，重复性好。重复性好。第75页/共1

43、11页第七十五页，编辑于星期四：二十二点 九分。吸附法 用非水溶性固相载体物理吸附或用非水溶性固相载体物理吸附或离子结合，使蛋白质分子固定化离子结合，使蛋白质分子固定化的方法。的方法。 载体种类较多，如活性炭、高岭载体种类较多，如活性炭、高岭土、硅胶、玻璃、纤维素、离子土、硅胶、玻璃、纤维素、离子交换体等。交换体等。第76页/共111页第七十六页，编辑于星期四：二十二点 九分。包埋法 把生物活性材料包埋并把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。维空间网状结构基质中。 此方法的特点是一般不产此方法的特点是一般不产生化学修饰，对生物分子生化学修饰，对生物分

44、子活性影响较小；缺点是分活性影响较小；缺点是分子量大的底物在凝胶网格子量大的底物在凝胶网格内扩散较固难。内扩散较固难。第77页/共111页第七十七页，编辑于星期四：二十二点 九分。 A. A. 单体氧化剂配比为单体氧化剂配比为1 1：2 B. 2 B. 单体氧化剂配比为单体氧化剂配比为1 1：4 4C. 单体氧化剂配比为1：5 D. 单体氧化剂配比为1：6 E E聚合反应时间为聚合反应时间为1515分钟分钟 F. F. 聚合反应时间为聚合反应时间为2525分钟分钟G. G. 聚合反应时间为聚合反应时间为3535分钟分钟 第78页/共111页第七十八页，编辑于星期四：二十二点 九分。共价连接共价

45、连接法法 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与固相载体结合固定的方法。合固定的方法。 此方法的特点是结此方法的特点是结合牢固，生物活性合牢固，生物活性分子不易脱落，载分子不易脱落，载体不易被生物降解，体不易被生物降解，使用寿命长；使用寿命长； 缺点是实现固定化麻缺点是实现固定化麻烦，酶活性可能因发烦，酶活性可能因发生化学修饰而降低。生化学修饰而降低。第79页/共111页第七十九页，编辑于星期四：二十二点 九分。交联法 依靠双功能团试剂依靠双功能团试剂使蛋白质结合到惰使蛋白质结合到惰性载体或蛋白质分性载体或蛋白质分子彼此交联成网状子彼此交联成网状结构。结构。 这种方法广

46、泛用于这种方法广泛用于酶膜和免疫分子膜酶膜和免疫分子膜制备，操作简单。制备，操作简单。第80页/共111页第八十页，编辑于星期四：二十二点 九分。七、生物传感器的应用七、生物传感器的应用1 1、在环境监测中的应用、在环境监测中的应用 环境监测对于环境保护很重要。传统的监测方法有很多缺点：分析速度慢、操作复杂、且需要昂贵仪器，无法进行现场快速监测和连续在线分析。生物传感器的发展和应用为其提供了新的手段。利用环境中的微生物细胞如细菌、酵母、真菌用作识别元件，这些微生物通常可从活性泥状沉积物、河水、瓦砾和土壤中分离出来。第81页/共111页第八十一页，编辑于星期四：二十二点 九分。 生物传感器在环境

47、监测中应用最多的是水质分析。例如，在河流中放入特制的传感器及其附件可进行现场监测。一个典型应用是测定生化需氧量BOD。第82页/共111页第八十二页，编辑于星期四：二十二点 九分。 传统方法测BOD需5天，且操作复杂。BOD的微生物传感器，只需15min即能测出结果。国内外已研制出许多不同的微生物BOD传感器以及其他用于水污染监测的微生物传感器，如基于重金属离子对微生物新陈代谢的抑制来检测重金属离子污染物。第83页/共111页第八十三页，编辑于星期四：二十二点 九分。 大气污染是一个全球性的严重问题，微生物传感器也可监测CO2、NO2、NH3、CH4之类的气体。一种利用噬硫杆菌的微生物传感器被

48、研制出来，噬硫杆菌被固定在两片硝化纤维薄膜之间，当微生物新陈代谢增加时，溶解氧浓度下降，氧电极响应改变，从而测出亚硫酸物含量，具有良好的应用前景。第84页/共111页第八十四页，编辑于星期四：二十二点 九分。 又如:检测NOx的生物传感器。它利用氧电极和一种特殊的硝化细菌，此硝化细菌以亚硝酸物作唯一能源。当亚硝酸物存在时，硝化杆菌的呼吸作用增加，氧电极中溶解氧浓度下降，从而测出NO2-含量。第85页/共111页第八十五页，编辑于星期四：二十二点 九分。2.2.用于农药和抗生素残留量的分析用于农药和抗生素残留量的分析 随着科学的发展，不断有新 的农药和抗生素用于农牧业，它们在给人类带来富足的同时

49、，也给人类健康带来了危害。所以对农药和抗生素残留量的测定，各国政府一向都非常重视。第86页/共111页第八十六页，编辑于星期四：二十二点 九分。 近些年，人们就生物传感器在该领域中的应用也做了一些有益的探索。如Starodub等分别用乙酰胆碱酯酶ACh E和丁酰胆碱酯酶BCh E为敏感材料，制作了离子敏场效应晶体管酶传感器，两种生物传感器均可用于蔬菜等样品中有机磷农药DDVP和伏杀磷等的测定，检测限为10-7-10-5mol/L。第87页/共111页第八十七页，编辑于星期四：二十二点 九分。3.3.食品分析食品分析 生物传感器可广泛应用于食品工业生产中，如对食品原料、半成品和产品质量的检测，发

50、酵生产中在线监测等。利用氨基酸氧化酶传感器可测定各种氨基酸（包括谷氨酸、 L-天冬氨酸、L-精氨酸等十几种氨基酸）。可测定食品添加剂甜味剂、酸味剂、抗氧化剂等。 第88页/共111页第八十八页，编辑于星期四：二十二点 九分。 鲜度是评价食品品质的重要指标之一，通常用人的感官检验，但感官检验主观性强，个体差异大，故人们一直在寻找客观的理化指标来代替。Volpe等曾以黄嘌呤氧化酶为生物敏感材料，结合过氧化氢电极，通过测定鱼降解过程中产生的一磷酸肌苷IMP，肌苷HXP和次黄嘌呤HX的浓度，从未评价鱼的鲜度。黄嘌呤氧化酶催化的是如下反应： 次黄嘌呤 + H2O + O2 黄嘌呤 + H2O2 黄嘌呤

51、+ H2O + O2 尿酸 + H2O2 黄嘌呤 + H2O + 2O2 尿酸 + 2O2-（超氧阴离子） + 2H+（氢离子） 第89页/共111页第八十九页，编辑于星期四：二十二点 九分。4.生物医学上的应用生物医学上的应用 1）.基础研究 生物传感器可实时监测生物大分子之间相互作用。借助于这一技术动态观察抗原、抗体之间结合和解离的平衡关系，可较为准确地测定抗体的亲和力及识别抗原表位，帮助人们了解单克隆抗体特性，有目的的筛选各种具有最佳应用潜力的单克隆抗体，而且较常规方法省时、省力，结果也更为客观可信，在生物医学研究方面已有较广泛的应用。如用生物传感器测定重组人肿瘤坏死因子单克隆抗体的抗原

52、识别表位及其亲和常数。第90页/共111页第九十页，编辑于星期四：二十二点 九分。 2）.临床应用 用酶、免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提出依据。如美国YSI公司推出一种固定化酶型生物传感器，利用它可以测定出运动员锻炼后血液中存在的乳酸水平或糖尿病患者的葡萄糖水平。还可预知疾病发作。如癫痫患者可戴着一个微小传感器，使用头皮上电极，预感癫痫发作，平均可以在7min之前预知癫痫发作到来。发觉之后可以从植入的药泵中释放药物，成功制止癫痫发作。第91页/共111页第九十一页，编辑于星期四：二十二点 九分。 3）.生物医药 利用生物工程技术生产药物时，将生物传感器用于生化

53、反应的监视，可以迅速的获取各种数据，有效的加强生物工程产品的质量管理。生物传感器已在癌症药物的研制方面发挥了重要的作用。如将癌症患者的癌细胞取出培养，然后利用生物传感器准确的测试癌细胞对各种致癌药物的反应，经过这种试验就可以快速地筛选出一种最有效的致癌药物。第92页/共111页第九十二页，编辑于星期四：二十二点 九分。 （图片来源：密歇根大学）利用该装置，无需显微镜即可测量出细菌的生长过程及药敏特征。科学家将这种装置称为“异步磁珠转动（AMBR）传感器”，它采用了一种可以在磁场中异步旋转的磁性小珠，任何附着到这种磁珠的物质都会降低其转速。在这项研究中，研究人员将杆状大肠杆菌附着在磁珠上，然后用

54、AMBR传感器进行检测。第93页/共111页第九十三页，编辑于星期四：二十二点 九分。“当单个细菌附着上去后，将极大地阻碍磁珠，使磁珠旋转速率减慢到原来的四分之一”，领导这项研究的Raoul Kopelman教授解释，“若细菌再长大一点点，阻碍力将持续增大，转速也将随之变化，因而我们可测量出细菌的这种纳米级生长变化”。 异步磁珠的原理：第94页/共111页第九十四页，编辑于星期四：二十二点 九分。 利用同样的原理，该装置也可用于检测细菌的药敏性。当细菌受到药物影响停止持续生长，进而使得磁珠转速发生变化，于是研究人员便能在数分钟内知道药物是否对细菌产生了作用。 “采用这种方法，我们可以检测到小至

55、80纳米程度的细菌生长变化，远比一台光学显微镜管用显微镜的解析度也就大约250纳米”，文章作者Paivo Kinnunen说，“这种方法可以应用到任何微米级或纳米级的大小变化检测中”。 研究人员表示，这种新型生物传感装置或将有助于加快细菌感染治疗。第95页/共111页第九十五页，编辑于星期四：二十二点 九分。 5.军事上的运用 现代战争往往是在核武器、化学武器、生物武器威胁下进行的战争。侦检、鉴定和监测是整个“三防”医学中的重要环节，是进行有效化学战和生物战防护的前提。由于具有高度特异性、灵敏性和能迅速的探测化学战剂和生物战剂（包括病毒、细菌和毒素等）的特性，生物传感器将是最重要的一类化学战剂

56、和生物战剂侦检器材。第96页/共111页第九十六页，编辑于星期四：二十二点 九分。 1981年，Taylor 等人成功地发展了两种受体生物传感器：烟碱乙酰胆碱受体生物传感器和某种麻醉剂受体生物传感器，它们能在10s内侦检出10-9（十亿分之一）浓度级的生化战剂，包括委内瑞拉马脑炎病毒、黄热病毒、炭疽病毒、流感病毒等。近年来，美国陆军医学研究和发展部研制的酶免疫生物传感器具有初步鉴定多达22种不同生物战剂的能力。美国海军研究出DNA探针生物传感器，在海湾沙漠风暴作战中用于检测生物战剂。第97页/共111页第九十七页，编辑于星期四：二十二点 九分。生物传感器的发展趋势生物传感器的发展趋势 发展生物传感器最初的目的是为了利用生化反应的专一性，高选择性的分析目标物。但是，由于生物单元的引入，生物结构固有的不稳定性、易变性，生物传感器实用化还存在着不少问题。因此，人们作出了一些努力与设想来提高生物传感器的性能。第98页/共111页第九十八页，编辑于星期四：二十二点 九分。（1）选择性 主要可从两方面提高生物传感器的选择性：改善生物单元与信号转换器之间的联系以减少干扰；选择、设计新的活性单元以增加其