第11章 生物传感器

1、第六章 生物传感器生物传感器（biosensor）：生物传感器通常是指由一种生物敏感部件和换能器紧密结合,对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。用于微量物质的检测。基本组成和工作原理 被识别的生物分子作用于生物传感膜，会产生物理变化或化学变化。生物敏感膜是生物传感器的关键部分。特定识别功能的生物活性物质高度特异/高度敏感 如：酶， 抗原，抗体，各种受体。酶酶 (Enzyme)抗体抗体(Antibody)被测物质生物传感膜物理、化学变化换能器电信号 换能器将信号转换为电信号。有电极（化学变化转换为电信号）、光电转换器（将光信号转换成电信号）、热电转换器、离子敏感性场效应

2、管（将离子浓度变化转换成电信号）等。 生物传感器的固定化技术是生物传感器制作的核心 固定化技术：使酶等活性物质固定在各种载体上，并作为生物敏感膜应用的结合技术 目前固定的生物活性物质：酶、辅酶、抗原、抗体、微生物菌体、激素、抑制剂、细胞器等 固定化技术主要有吸附法、共价键合法、物理包埋法和交联法生物传感器的分类根据传感器输出信号的产生方式输出信号的产生方式,可分为生物亲合型生物传感器、代谢型或催化型生物传感器;根据分子识别元件的敏感物质分：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。根据换能器分：电极型、测热型、发光型、半导体型、测声型。按工作原理分：电化学生物传感器、热效应

3、生物传感器、光电效应生物传感器。生物传感器的工作原理将化学变化转变成电信号（间接型）将化学变化转变成电信号（间接型）将热变化转换为电信号（间接型）将热变化转换为电信号（间接型）将光效应转变为电信号（间接型）将光效应转变为电信号（间接型）直接产生电信号方式（直接型）直接产生电信号方式（直接型）1 电化学生物传感器 酶催化特定生物物质发生反应，使特定反应产物的量增减 换能器把产物量的增减转换为电信号 电化学电极分为电位型电极和电流型电极电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型电极相比有以下优点：（1）电极的输出直接和被测物的浓度呈线性关系，不像电位型电极

4、那样和被测物浓度的对数呈线性关系（2）电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相对误差比电位型电极的小（3）电极的灵敏度比电位型电极的高生物分子识别元件：生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜可用的测量量：可用的测量量：O2的减少量，葡萄糖酸或H2O2的产生量信号转换元件信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极 此外，还有胆固醇传感器、乳酸传感器、肌酸和肌酸酐传感器等22712622612622OHOHCOOHOHC葡萄糖氧化酶葡萄糖传感器2 热效应生物传感器 固定化的酶膜与待测生物物质作用，产生热效应 热敏元件将热量转换为电阻和电压的变化SCHnT/ 系统温度变化与产物浓度呈线性关系。系统温度

5、变化与产物浓度呈线性关系。T：体系的温度变化n：产物的摩尔数Cs：体系的热容量H：酶催化反应的焓变（能量）3 光电效应生物传感器 固定化生物物质与被测生物物质作用，产生光学现象 将光信号转换为电信号 如光学DNA生物传感器、血红蛋白检测系统DNA基于光学生物传感器的便携式血红蛋白检测系统 血红蛋白(Hb)存在于血液红细胞中,主要用于氧和二氧化碳的运输,因此它对人体的新陈代谢起着关键性作用。 所以,Hb 含量的测定对了解机体内循环系统机能水平及营养状况等信息都是非常重要的。 当全血样品滴加到固定有裂解剂和氧化试剂的传感器敏感膜上时,血红细胞在裂解剂作用下发生裂解,释放出的Hb与氧化试剂作用生成稳

6、定的棕红色产物,Hb浓度愈高,敏感膜颜色愈深。通过光纤光谱仪检测,反应后的敏感膜在波长570 nm处产生特异性吸收,且得到的光反射率与Hb浓度有较好的线性关系。4 直接产生电信号方式 上述三原理的生物传感器共同点： 都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应,将反应后所产生的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,这种方式统称为间接测量方式. 直接产生电信号方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用)在电极表面上发生.根据所得的电流量即可得底物浓度.生物芯片生物芯片 生物芯片是生物传感器的阵列和集成化。 生物芯片是指包被在硅片、尼龙膜等固

7、相支持物上的高密度的组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类以及其它生物组分的微点阵。芯片与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号即可实现对生物样品的分析。生物芯片的类型生物芯片的类型 常见的生物芯片主要有: 基因芯片; 蛋白质芯片; 组织芯片。世界著名生物芯片公司:Affymetrix (Santa Clara, California) 其他: Brax Genomics Limited (Cambridge, UK) ， Hyseq (Sunnyvale, California) ， Incyte Pharmaceuticals(Palo Alto, Cali- fornia) 等等。基因芯片基因芯片

8、 基因芯片又称寡核苷酸探针微阵列。将系列DNA片段固定在载体上（硅片、尼龙膜）。可同时进行数百次常规测试。 大量探针分子固定于支持物上后，利用DNA双链的互补碱基之间的氢键作用，与标记的样品分子进行杂交，然后用精密扫描仪或摄像纪录，通过计算机软件分析处理，得到有价值的生物信息。在基因芯片制备过程中，使用了半导体领域的微加工技术（如右图中的光刻技术）。基因芯片可同时对大量核酸分子进行检测分析，已应用于生物医学、生物分子学、人类基因组研究和医学临床诊断领域。如基因表达与分析、疾病诊断、药物研究与开发等。蛋白质芯片蛋白质芯片 蛋白质芯片主要是蛋白质如抗原或抗体在载体上的有序排列，依据蛋白质 分子、蛋

9、白质与核酸相互作用的原理进行杂交、检测和分析。如：组织芯片组织芯片 组织芯片与基因芯片、蛋白质芯片及细胞芯片等一样，属于一种特殊、新型的生物芯片，是一种新型的高通量、多样本的研究工具。 它将数十个甚至上千个不同个体的组织标本集成在一张固相载体上，为医学分子生物学提供了一种高通量、大样本以及快速的分子水平的分析工具。 1 医学 (1)临床医学 在临床医学中，酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器，目前，已成功地应用于血糖、乳酸、维生素C、尿酸、尿素、谷氨酸等物质的检测。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物传感器，在临床中应用的微生物传感器有葡萄糖、乙醉、胆固醇等传感器。 DNA传感器

10、是目前生物传感器中报道最多的一种，用于临床疾病诊断是DNA传感器的最大优势，它可以帮助医生从DNA、RNA、蛋白质及其相互作用层次上了解疾病的发生、发展过程，有助于对疾病的及时诊断和治疗。 (2)军事医学 军事医学中，对生物毒素的及时快速检测是防御生化武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素，如鼠疫耶尔森菌、肉毒杆菌类毒素等。 此外，在法医学中，生物传感器可用作DNA鉴定和亲子认证等。应用领域2 2 食品工业食品工业 食品成分分析 在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖。其它

11、糖类，如果糖，啤酒、麦芽汁中的麦芽糖，也有成熟的测定传感器。 食品添加剂的分析 亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸盐含量(3) 农药残留量分析 近年来，人们对食品中的农药残留问题越来越重视，各国政府也不断加强对食品中的农药残留的检测工作。Yamazaki等人发明了一种使用人造酶测定有机磷杀虫剂的电流式生物传感器，可用于检测果蔬表面有机磷农药 。(4) 微生物和毒素的检验 食品中病原性微生物的存在会给消费者的健康带来极大的危害，食品中毒素不仅种类很多而且毒性大，大多有致癌、致畸、致突变作用，因此，加强对食品中的

12、病原性微生物及毒素的检测至关重要。 一种快速灵敏的免疫生物传感器可以用于测量牛奶中双氢除虫菌素的残余物，它是基于细胞质基因组的反应，通过光学系统传输信号。已达到的检测极限为16.2 ng/ml。一天可以检测20个牛奶样品。 环境监测(1)水环境监测 生物需氧量(BOD)是一种广泛采用的表示有机物污染程度的综合性指标。国外普遍采用的BOD生物传感器一般是将微生物膜固定在溶解氧的探头上，当样品溶液通过传感器检测系统时，渗透通过多孔膜的有机物被固定化的微生物吸收，消耗氧，引起膜周围溶解氧减少，使氧电极电流随时间急剧减小。(2)大气环境监测 二氧化硫(S02)是酸雨酸雾形成的主要原因，传统的检测方法很复杂。Martyr等人将亚细胞类脂类(含亚硫酸盐氧化酶的肝微粒体)固定在醋酸纤维膜上，和氧电极制成安培型生物传感器，对S02形成的酸雨酸雾样品溶液进行检测，lOmin可以得到稳定的测试结果。 (1)原材料及代谢产物的测定 微生物传感器可用于测量发酵工业中的原材料和代谢产物。测量的装置基本上都是由适合的微生物电极与氧电极组成，原理是利用微生物的同化作用耗氧，通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。(2)微生物细胞数目的测定 人们发