生物传感器检测技术

1、1第六章 其它快速检测技术 生物传感器检测技术生物传感器检测技术 按检测对象可以分成两大类：按检测对象可以分成两大类：物理传感器物理传感器和和化学传感器化学传感器。物理传感器是检测力、热、光、电、磁等物理量的传感器物理传感器是检测力、热、光、电、磁等物理量的传感器; ;化学传感器则是能检测化学量的传感器。化学传感器则是能检测化学量的传感器。 从从20世纪世纪60年代起，化学传感器领域又增加了一个新年代起，化学传感器领域又增加了一个新的分支的分支生物传感器生物传感器。 有人把生物传感器和物理传感器及化学传感器并列起有人把生物传感器和物理传感器及化学传感器并列起来，看作是传感器的第来，看作是传感器

2、的第3个类别。个类别。 2第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 一、生物传感器的一般知识一、生物传感器的一般知识 1. 1. 生物传感器的定义生物传感器的定义 用固定化的生物体成分（酶、抗体、抗原、激素）或用固定化的生物体成分（酶、抗体、抗原、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）作为敏感元件的传感生物体本身（细胞、细胞器、组织）作为敏感元件的传感器称为生物传感器。生物传感器既不是指专用于生物领域器称为生物传感器。生物传感器既不是指专用于生物领域的传感器，也不是指被测量对象必须是生物量的传感器的传感器，也不是指被测量对象必须是生物量的传感器（尽管用它也能测定生物量），而是基于

3、它的敏感材料来（尽管用它也能测定生物量），而是基于它的敏感材料来自生物体。自生物体。 3第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 2. 2. 生物传感器的组成生物传感器的组成 在生物传感器中除敏在生物传感器中除敏感元件之外还有信号转换感元件之外还有信号转换器件，常用的信号转换器器件，常用的信号转换器有电化学电极、离子敏场有电化学电极、离子敏场效应晶体管、热敏电阻及效应晶体管、热敏电阻及微光管等。生物传感器的微光管等。生物传感器的组成可形象地如图所示。组成可形象地如图所示。 生物传感器的基本构成示意图4第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 生物传感器的工作原理生物传感

4、器的工作原理 （2 2）将热变化转化成电信号）将热变化转化成电信号 大部分生物传感器均属于这种类大部分生物传感器均属于这种类型。以酶传感器为例，酶催化特定型。以酶传感器为例，酶催化特定底物发生反应，从而使特定生成物底物发生反应，从而使特定生成物的量有所增减。用能把这类物质的的量有所增减。用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固量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。定化酶耦合，即组成酶传感器。 固定化的生物材料与相应的被固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴随有热的变化。测物作用时常伴随有热的变化。 将热变化转变成电信号的生物传感器（1 1）将化学信号变化转换成电信号

5、）将化学信号变化转换成电信号 5第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 生物传感器的工作原理生物传感器的工作原理 （3 3）将光信号转变为电信号）将光信号转变为电信号（4 4）直接产生电信号方式）直接产生电信号方式 有些酶，例如过氧化氢酶，能催化过氧化氢有些酶，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光，如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前发光，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量。端，再和光电流测定装置相连，即可测定过氧化氢含量。 前前3 3种原理的生物传感器都是化学或物理变化再通过信号种原理

6、的生物传感器都是化学或物理变化再通过信号转换器转变为电信号进行测量，统称为间接测量方式。转换器转变为电信号进行测量，统称为间接测量方式。 酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接在电极酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接在电极表面上发生，根据所得到的电流量即可得底物浓度。表面上发生，根据所得到的电流量即可得底物浓度。这就是这就是直接测量方式。直接测量方式。6第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 3. 3. 生物传感器的分类生物传感器的分类 （1 1）根据传感器输出信号的产生方式分类）根据传感器输出信号的产生方式分类 产生传感器输出信号的方式有两类。一类是被测物与分产生传

7、感器输出信号的方式有两类。一类是被测物与分子识别元件上敏感物质具有生物亲合作用子识别元件上敏感物质具有生物亲合作用，这类传感器称这类传感器称为亲合生物传感器；一类是底物与分子识别元件上的敏感为亲合生物传感器；一类是底物与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型生物传感器，生物传感器， 受体底物SRRS生物体受体底物PSRRS7第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 （2 2）根据传感器中分子识别元件上的

8、敏感物质分类）根据传感器中分子识别元件上的敏感物质分类 根据所用的敏感物质将生物传感器分为酶传感器、微生根据所用的敏感物质将生物传感器分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。 （3 3）根据传感器的信号转换器分类）根据传感器的信号转换器分类 生物传感器的信号转换器有：电化学电极、离子敏场效应生物传感器的信号转换器有：电化学电极、离子敏场效应晶体管、热敏电阻、光电转换器、晶体管、热敏电阻、光电转换器、SAW装置等。据此又将生装置等。据此又将生物传感器分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热物传感器分为电化学生物传感

9、器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。 8第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 3. 3. 生物传感器的分类生物传感器的分类 按敏感材料分类按敏感材料分类分子识别部分分子识别部分信号转换部分信号转换部分按信号转换器分类按信号转换器分类酶传感器酶传感器微生物传感器微生物传感器免疫传感器免疫传感器细胞器物传感器细胞器物传感器组织传感器组织传感器酶酶 电化学测定装置电化学测定装置微生物微生物 场效应晶体管场效应晶体管抗体或抗原抗体或抗原 光纤和光敏二极管光纤和光敏二极管细胞器细胞器 热敏电阻热

10、敏电阻动、植物组织动、植物组织 SAWSAW装置装置电化学生物传感器电化学生物传感器半导体生物传感器半导体生物传感器测光型生物传感器测光型生物传感器测热型生物传感器测热型生物传感器测声型生物传感器测声型生物传感器生物传感器的分类生物传感器的分类9第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 4 4. . 生物传感器的特点生物传感器的特点 （A A） 生物传感器是由选择性好的生物体材料构成的分生物传感器是由选择性好的生物体材料构成的分子识别元件，因此一般不需要进行样品的预处理，它利用子识别元件，因此一般不需要进行样品的预处理，它利用优异的选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，优异

11、的选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它试剂。测定时一般不需另加其它试剂。 (B) (B) 生物传感器由于它的体积小，可以实现连续在线检测。生物传感器由于它的体积小，可以实现连续在线检测。 (C) (C) 生物传感器的响应快、样品用量少，且由于敏感材料生物传感器的响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。是固定化的，可以反复多次使用。 (D) (D) 生物传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，生物传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。因而便于推广普及。 10第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 二

12、、生物传感器在食品与农产品加工中的应用二、生物传感器在食品与农产品加工中的应用 1. 1. 生物传感器在食品检验中的应用生物传感器在食品检验中的应用 （1 1）食品鲜度的测定）食品鲜度的测定 （A A）鱼鲜度传感器）鱼鲜度传感器 （B B）肉鲜度传感器）肉鲜度传感器 肉类在腐败过程中会产生各种胺类，故胺类测定也能反肉类在腐败过程中会产生各种胺类，故胺类测定也能反映肉类的新鲜度。映肉类的新鲜度。 （C C）牛乳鲜度传感器）牛乳鲜度传感器 牛乳放置过程中，受细菌作用而产生乳酸，因此乳酸含量牛乳放置过程中，受细菌作用而产生乳酸，因此乳酸含量可表示牛乳的新鲜度。此外也可从牛乳放置过程由于脂分解可表示牛

13、乳的新鲜度。此外也可从牛乳放置过程由于脂分解作用产生的短链脂肪酸的含量来判断牛乳及其制品的新鲜度，作用产生的短链脂肪酸的含量来判断牛乳及其制品的新鲜度，这类传感器也已开发出来了。这类传感器也已开发出来了。 11第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 2.2.生物传感器在食品卫生检测中的应用生物传感器在食品卫生检测中的应用 （1 1）食品中细菌和病原菌的测定）食品中细菌和病原菌的测定 食品中微生物的检测一直用平皿计数法，方法繁琐耗时。食品中微生物的检测一直用平皿计数法，方法繁琐耗时。19791979年等开发了非染料偶合的燃料电池型微生物电极系统年等开发了非染料偶合的燃料电池型微生物

14、电极系统, , 该电极基于微生物在呼吸代谢过程中产生电子，在阳极上该电极基于微生物在呼吸代谢过程中产生电子，在阳极上放电，放电产生的电流大小可反映测定液中微生物的浓度。放电，放电产生的电流大小可反映测定液中微生物的浓度。 采用光纤传感器可直接放入生长溶液的培养瓶中，通过测定采用光纤传感器可直接放入生长溶液的培养瓶中，通过测定微生物代谢过程中的副产物二氧化碳浓度来估算细菌数量。采微生物代谢过程中的副产物二氧化碳浓度来估算细菌数量。采用酶联电流型免疫传感器可测到食品中低数量的沙门氏菌。用酶联电流型免疫传感器可测到食品中低数量的沙门氏菌。 免疫传感器也成功地测定了污染食品的大肠杆菌、金黄色免疫传感器

15、也成功地测定了污染食品的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和鼠伤寒沙门氏菌。葡萄球菌和鼠伤寒沙门氏菌。 12第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 （2 2）检测食品中毒素）检测食品中毒素 有人采用光纤传感器测定了食品中的肉毒杆菌毒素有人采用光纤传感器测定了食品中的肉毒杆菌毒素A，检测下限可达检测下限可达5mgmL，lmin内可完成测定。内可完成测定。 （3 3）检测食品中残留农药）检测食品中残留农药 采用电导型生物传感器对食品中有机磷农药：甲基马拉采用电导型生物传感器对食品中有机磷农药：甲基马拉松、乙基马拉松、敌百虫、二乙丙基磷酸进行了测定，检出松、乙基马拉松、敌百虫、二乙丙基磷酸进行了

16、测定，检出下限分别为下限分别为5 51010-7-7、1 11010-8-8、5 51010-7-7、5 51010-11-11molL。 磺胺可进入动物来源的食品，对人体健康产生不良影响。磺胺可进入动物来源的食品，对人体健康产生不良影响。采用免疫传感器测定了牛奶中硫胺二甲嘧啶，检出限低于采用免疫传感器测定了牛奶中硫胺二甲嘧啶，检出限低于1 11010-9-9，平均相对标准差为，平均相对标准差为2%。 13第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 （4 4）检测食品中添加剂）检测食品中添加剂 亚硫酸盐通常用于食品工业。除具有漂白作用外，还有亚硫酸盐通常用于食品工业。除具有漂白作用外

17、，还有防止食品氧化和微生物生长的作用。采用导电介体四氰基防止食品氧化和微生物生长的作用。采用导电介体四氰基对醌二甲烷、四硫富瓦烯和亚硫酸盐氧化酶顺序沉积在玻对醌二甲烷、四硫富瓦烯和亚硫酸盐氧化酶顺序沉积在玻璃碳电极敏感面上，结合璃碳电极敏感面上，结合FIAFIA制成测定亚硫酸盐的传感器，制成测定亚硫酸盐的传感器，检出限为检出限为5 5mmolL，电极在，电极在2020s可达最大反应的可达最大反应的90%90%。 生物传感器在食品与农产品抗氧化剂测定中已有不少生物传感器在食品与农产品抗氧化剂测定中已有不少报道。例如用菠菜叶或牛蒡植物叶与氧电极构成的植物组报道。例如用菠菜叶或牛蒡植物叶与氧电极构成

18、的植物组织电极可用于食品中儿茶酚的测定，测定范围可高至织电极可用于食品中儿茶酚的测定，测定范围可高至15001500mgL。 14第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 3.3.生物传感器在发酵工业中的应用生物传感器在发酵工业中的应用 各种生物传感器中微生物传感器最适合发酵工业中的测各种生物传感器中微生物传感器最适合发酵工业中的测量。由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器具有的量。由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器具有的成本低、设备简单的特点，占了极大的优势。成本低、设备简单的特点，占了极大的优势。 微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测量，代微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测量，代谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、谢产物如头孢霉素、谷氨酸、