生物传感器概述及其应用

1、HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY传感器原理及应用课程考 核 论 文题 目 生物传感器概述及其应用 班 级 学 号 姓 名 成 绩 机械与汽车工程学院 机械电子工程系二零一三 年 五 月生物传感器概述及其应用摘要:从20世纪60年代Clark和Lyon提出生物传感器的设想开始，生物传感器的发展已经距今已有40多年的历史了。生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。在未来21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的各个部门如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有

2、广泛的应用前景。一、简介国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。其是一种可以获取并处理信息的特殊装置，如人体的感觉器官就是一套完美的传感系统通过眼、耳、皮肤来感知外界的光、声、温度、压力等物理信息，通过鼻、舌感知气味和味道这样的化学刺激。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚

3、至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。按检测对象划分物理传感器、化学传感器和生物传感。生物传感器（biosensor）对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能结器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。对生物物质敏感并将其浓度转

4、换为电信号进行检测的仪器。1967年S.J.乌普迪克等制出了第一个生物传感器葡萄糖传感器。将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得检测其对应物的其他传感器。生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、在复杂的体系中进行在线连续监测，特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点，使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。在国民经济的各个部门如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有广泛的应用前景

5、。特别是分子生物学与微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术等新学科、新技术结合，正改变着传统医学、环境科学动植物学的面貌。生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点，形成21世纪新兴的高技术产业的重要组成部分，具有重要的战略意义。二、原理生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换能器）构成，以分子识别部分去识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础。生物体中能够选择性地分辩特定物质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原的结合，酶与基质的结合。在设计生物传

6、感器时，选择适合于测定对象的识别功能物质，是极为重要的前提。要考虑到所产生的复合物的特性。根据分子识别功能物质制备的敏感元件所引起的化学变化或物理变化，去选择换能器，是研制高质量生物传感器的另一重要环节。敏感元件中光、热、化学物质的生成或消耗等会产生相应的变化量。根据这些变化量，可以选择适当的换能器。其识别机理有酶促反应、免疫化学反应、生物反应中的物理量变化和微生物反应。酶生物传感器 有机磷农药与乙酰胆碱酶酯基的活性部位发生不可逆的键合从而抑制酶活性，酶反应产生的pH值变化由电位型生物传感器检测。其优点是快速、准确、可重复使用，但是酶对底物具有高度专一性且稳定性较差。Bernabeil M在一

7、个生物传感器上偶联几种酶促反应从而增加了待测物的数目，即用乙酰胆碱酶和胆碱氧化酶双酶系统，制备了检测对氧磷和涕灭威的电流型H2O2传感器。免疫生物传感器 利用抗体和抗原之间的免疫化学反应来制作的生物传感器。可以高灵敏度、高选择性、方便、快速地检测待测样品中的农药残留量。Wan17等人研制了便携式的光纤免疫传感器检测甲基对硫磷，其最小检测限为01ng/ml。Anis等研制开发的光纤免疫生物传感器用于测定样品中的对硫磷与色谱法相比，该法简便快速，分析周期缩短了4/5。微生物传感器 利用活微生物的代谢功能检测污染物，一类是利用微生物在同化底物时消耗氧的呼吸作用；另一类是利用不同微生物含有不同的酶，把

8、它作为酶源。具有能够适应宽范围的pH和温度的优点，但选择性较差。Mulchandani等人将携带有机磷水解酶(OPH)基因片断的质粒转入一种摩拉氏菌的菌体内，筛选得到可在胞外表达OPH的改良菌，从而制备的传感器对甲基对硫磷和对氧磷的检测限可低达l×10-6molL和2×10-7molL18。生物传感器已在环境监测、食品、医药等领域得到广泛应用。在有机磷的检测与其他分析技术相比，生物传感器具有体积小、成本低、选择性及抗干扰能力强、响应快等优点，也可同时检测多个样品，灵敏度高。但目前生物传感器技术还存在稳定性差，使用寿命短等问题。三、分类根据生物学和电子工程学各自的范畴，生物传

9、感器主要有以下两种分类方式:1.根据生物传感器中信号检测器上的敏感物质分生物传感器与其它传感器的最大区别在于生物传感器的信号检侧器中含有敏感的生命物质。这些敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等。根据敏感物质的不同，生物传感器可分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。生物学工作者习惯于采用这种分类方法。2.根据生物传感器的信号转换器分类 生物传感器中的信号转换器与传统的转换器并没有本质的区别。例如：可以利用电化学电极、场效应晶体管、热敏电阻、光电器件、声学装置等作为生物传感器中的信号转换器。据此又将传感器分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生

10、物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。电子工程学工作者习惯于采用这种分类方法。 分类方式分类依据传感器名称生物敏感物质相互作用的类型1、被测物与分子识别元件上敏感物质具有生物亲和作用。2、底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并产生产物，信号换能器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号。1、生物亲和性传感器2、代谢型或催化型传感器分子识别元件上的敏感物质1、酶与底物作用 2、微生物代谢3、组织代谢 4、细胞代谢5、抗原抗体反应6、核酸杂交1、酶传感器2、微生物传感器3、组织传感器4、细胞器传感器5、免疫传感器6、DNA生物传感器信号换能器1、电化学电极2、离子敏场效应晶体管3

11、、热敏电阻 4、压电晶体5、光电器件6、声学装置1、电化学传感器2、离子敏场效应传感器3、热敏电阻传感器4、压电晶体传感器5、光电传感器6、声学传感器四、应用随着社会的进一步信息化，作为一门在生命科学和信息科学之间发展起来的交叉学科，生物传感器因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、在复杂的体系中进行在线连续监测，特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点，在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。食品工业生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析。 食品成分分析 在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水

12、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。Niculescu等人研制出一种安培生物传感器，可用于检测饮料中的乙醇含量。这种生物传感器是将一种配蛋白醇脱氢酶埋在聚乙烯中，酶和聚合物的比例不同可以影响该生物传感器的性能。在目前进行的实验中，该生物传感器对乙醇的测量极限为lnM。 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，测定的线性范围为0-6的四次方mol/L。又如饮料

13、、布丁、昔等食品中的甜味素，Guibault等采用天冬氨酶结合氨电极测定，线性范围为2x10的负五次方-1xlO的负三次方mol/L。此外，也有用生物传感器测定色素和乳化剂的报道。 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，利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测定极限为10的负七次方mol，在40下测定只要4min。Albareda等用戊二醛交联法将乙酞胆碱醋酶固定在铜丝碳糊电极表面，制成一种可检测浓度为10的负10次方mol/L的对氧磷和10

14、的负11次方mol/L的克百威的生物传感器，可用于直接检测自来水和果汁样品中两种农药的残留。 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，加强对食品中的病原性微生物及毒素的检测至关重要。食用牛肉很容易被大肠杆菌0157.H7.所感染，因此，需要快速灵敏的方法检测和防御大肠杆菌0157.H7一类的细菌。Kramerr等人研究的光纤生物传感器可以在几min内检测出食物中的病原体（如大肠杆菌0157.H7.），而传统的方法则需要几d。这种生物传感器从检测出病原体到从样品中重新获得病原体并使它在培养基

15、上独立生长总共只需1d时间，而传统方法需要4d。食品鲜度的检测 食品工业中对食品鲜度尤其是鱼类、肉类的鲜度检测是评价食品质量的一个主要指标。Volpe等人以黄嗦吟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昔(IMP)肌昔（IIXR）和次黄嗓吟(HX）的浓度，从而评价鱼的鲜度，其线性范围为5x10的负10次方-2x10的负4次方mol/L。环境监测近年来，环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器，生物传感器满足了人们的要求。目前，已有相当部分的生物传感器应用于环境监测中。 水环境监测 生化需氧量(BOD）是一种广泛采用的表

16、征有机污染程度的综合性指标。在水体监测和污水处理厂的运行控制中，生化需氧量也是最常用、最重要的指标之一。常规的BOD测定需要5d的培养期，而且操作复杂，重复性差，耗时耗力，干扰性大，不适合现场监测。SiyaWakin等人利用一种毛抱子菌(Trichosporoncutaneum）和芽抱杆菌(Bacilluslicheniformis）制作一种微生物BOD传感器。该BOD生物传感器能同时精确测量葡萄糖和谷氨酸的浓度。测量范围为0.5-40mg/L，灵敏度为5.84nA/mgL。该生物传感器稳定性好，在58次实验中，标准偏差仅为0.0362。所需反应时间为5-lOmin。NO3离子是主要的水污染物

17、之一，如果添加到食品中，对人体的健康极其有害。Zatsll等人提出了一种整体化酶功能场效应管装置检测NO；离子的方法。该装置对NO，离子的检测极限为7x10的负5次方mol，响应时间不到50s，系统操作时间约为85s。 德国研发的环境废水BOD分析仪大气环境监测 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。NOx不仅是造成酸雨酸雾的原因之一，同时也是光化学烟雾的罪魁祸首。Charles等人用

18、多孔渗透膜、固定生物传感器。化硝化细菌和氧电极组成的微生物传感器来测定样品中亚硝酸盐含量，从而推知空气中NO=的浓度。其检测极限为0.01xl0负6次方mo1/L。发酵工业在各种生物传感器中，微生物传感器具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、可能消除发酵过程中干扰物质的干扰等特点。因此，在发酵工业中广泛地采用微生物传感器作为一种有效的测量工具。 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（如糖蜜、乙酸等）和代谢产物（如头抱霉素、谷氨酸、甲酸、醇类、乳酸等）。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

19、化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。2002年，Tkac等人将一种以铁氰化物为媒介的葡萄糖氧化酶细胞生物传感器用于测量发酵工业中的乙醇含量，13s内可以完成测量，测量灵敏度为3.SnAlnmol.L-1。该微生物传感器的检测极限为0.85nmo1.L-1，测量范围为2-270nmo1.L-1，稳定性能很好。在连续8.5h的检测中，灵敏度没有任何降低。 微生物细胞数目的测定 发酵液中细胞数的测定是重要的。细胞数（菌体浓度）即单位发酵液中的细胞数量。一般情况下，需取一定的发酵液样品，采用显微计数方法测定，这种测定方法耗时较多，不适于连续测定。在发酵控制方面迫切需要直接测定细胞数目的

20、简单而连续的方法。人们发现：在阳极(Pt）表面上，菌体可以直接被氧化并产生电流。这种电化学系统可以应用于细胞目的侧定。侧定结果与常规的细胞计数法测定的数值相近。利用这种电化学微生物细胞数传感器可以实现菌体浓度连续、在线的测定。 医学医学领域的生物传感器发挥着越来越大的作用。生物传感技术不仅为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法，而且因为其专一、灵敏、响应快等特点，在军事医学方面，也具有广的应用前景。 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、转氨酶等物质的检测。其原理是：用固定化技术将酶装在生物敏

21、感膜上，检测样品中若含有相应的酶底物，则可反应产生可接受的信息物质，指示电极发生响应可转换成电信号的变化，根据这一变化，就可测定某种物质的有无和多少。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。若选择适宜的含某种酶较多的组织，来代替相应的酶制成的传感器称为生物电极传感器。如用猪肾、兔肝、牛肝、甜菜、南瓜和黄瓜叶制成的传感器，可分别用于检测谷酰胺、鸟嘌呤、过氧化氢、酪氨酸、维生素C和胱氨酸等。 DNA传感器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

22、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。此外，进行药物检测也是DNA传感器的一大亮点。Brabec等人利用DNA传感器研究了常用铂类抗癌药物的作用机理并测定了血液中该类药物的浓度。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物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素，如炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶尔森菌、埃博拉出血热病毒、肉毒杆菌类毒素等。 2000年，美军报道已研制出可检测葡萄球菌肠毒素B，蓖麻素、土拉弗氏菌和肉毒杆菌等4种生物战剂的免疫传感器。检测时间为3-lOmin，灵敏度分别为10，5Omg/L,5x10的5次方，和5x10的4次方cfu

23、/ml。Song等人制成了检测霍乱病毒的生物传感器。该生物传感器能在30min内检测出低于1xlO的负5次方mol/L的霍乱毒素，而且有较高的敏感性和选择性，操作简单。该方法能够用于具有多个信号识别位点的蛋白质毒素和病原体的检测。 此外，在法医学中，生物传感器可用作DNA鉴定和亲子认证等。五、应用实例各种类型的传感器有许多潜在的应用。在研究与商用领域对于生物传感器的需求主要来自于对于特定目标分子的辨别、生物识别成分的实用性以及在某些场合中优于实验室技术的可以一次性使用的检测系统。下面是一些实例：1. 医疗相关：糖尿病人的血糖监测，来自于市场需求的动力在葡萄糖传感器问世之前，患者需采用所谓“班氏

24、试验尿糖估计法”来指导胰岛素注射量。这一方法相当烦琐，需备酒精灯一个、试管一支、吸管一支、班氏剂一瓶。每次注射胰岛素前，取班氏试剂2毫升放入试管中，置酒精灯上烧开，开后试剂保持蓝色不变，说明试剂有效，加入病人尿液3滴，再置酒精灯上烧开，根据试剂的变色情况决定胰岛素用量的增减.葡萄糖传感器采用电化学葡萄糖传感器测定人体血糖，葡萄糖传感器传感器的响应原理为：葡萄糖氧化酶（GOD）参与的酶促反应。装置由三部分组成：血糖传感器、供药泵、胰岛素药源。传感器、泵与病人的血液三者构成一个闭环控制系统（图）。传感器将测定的信号变为对供药泵开启与关闭的指令，使糖尿病病人能像正常人一样保持最恰当的血。 2. 环保

25、方面的应用，如在水环境和大气环境检测中的应用到目前为止, 环境污染物的测定主要有理化分析方法和生物学方法 2 . 传统的理化分析方法能定量分析污染物中主要成分的含量, 但不能直接、全面地反映各种有毒物质对环境的综合影响。生化需氧量(BOD)是一种广泛采用的表征有机污染程度的综合性指标。在水体监测和污水处理厂的运行控制中，生化需氧量也是最常用、最重要的指标之一。常规的BOD测定需要5天的培养期，操作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大，不宜现场监测，所以迫切需要一种操作简单、快速准确、自动化程度高、适用广的新方法来测定。目前，有研究人员分离了两种新的酵母菌种SPT1和SPT2，并将其固定在玻璃碳极

26、上以构成微生物传感器用于测量BOD。该BOD生物传感器能同时精确测量葡萄糖和谷氨酸的浓度。测量范围为0.5-40mg/L，灵敏度为5.84nA/mgL。该生物传感器稳定性好，在58次实验中，标准偏差仅为0.0362。所需反应时间为5到l0min。还有一种新的微生物传感器，用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料，在高渗透压下可以正常工作。并且其菌株可长期干燥保存，浸泡后即恢复活性，为海水中BOD的测定提供了快捷简便的方法。除了微生物传感器，还有一种光纤生物传感器已经研制出来用于测定河水中较低的BOD值。该传感器的反应时间是15min，这个传感器系统几乎不受氯离子的影响，并且不被重金属所影响。该传感器

27、已经应用于河水BOD的测定，并且获得了较好的结果。NO3离子是主要的水污染物之一，如果添加到食品中，对人体的健康极其有害。测量氨和硝酸盐的微生物传感器，多是用从废水处理装置中分离出来的硝化细菌和氧电极组合构成。目前有一种微生物传感器可以在黑暗和有光的条件下测量硝酸盐和亚硝酸盐(NOx-)，它在盐环境下的测量使得它可以不受其他种类的氮的氧化物的影响。用它对河口的NOx-进行了测量，其效果较好。     此外，还有报道Han等人将假单胞菌固定在抓离子电极上，实时监测工业废水中三氯乙烯，检测范围0.1到4mg/L，检测时间在l0min内。3.传播细菌的遥测：大

28、肠杆菌的遥测采用聚碳酸酯膜直接固定法制备并优化了大肠杆菌( E . coli Top10) CellSense 生物传感器微生物电极, 探讨了其在重金属和有机污染物生物急性毒性分析中的应用性能. 结果表明, 基于对数生长后期和稳定期E. coli 微生物电极的CellSense 生物传感器具有良好的毒性分析性能, 基于衰减期E . coli 菌株的CellSense 生物传感器毒性分析的稳定性和灵敏性降低; CellSense 生物传感器测试得Hg2+ 、Cu2+ 、Zn2+ 、邻氯苯酚和对硝基苯酚对E. coli 的EC50 分别为016、311、518、180 和94 LgPmL, 制备的

29、E. coli微生物电极在冰箱中4e 保存2 个月, 仍能很好地满足毒性分析的需要.4.食品中的应用：食品致病菌检测转发光技术与金标技术类似，但金标技术不能定量，受环境因素影响大，且检测结果不能长期保存，而上转发光技术正好克服这些缺点。利用上转发光技术，经过多年实验，研制出能进行定量检测的生物传感器，研制历程跨过了纳米颗粒研制、试剂研制、仪器研制到仪器应用几个阶段。纳米颗粒经由稀土元素烧制，通过活化修饰，再与抗体或抗原结合，利用上转换发光材料在红外光激发下发射可见磷光的特性，通过对免疫层析试纸条上经生物反应而结合上去的上转换发光材料颗粒的含量进行检测，计算出被测样品中特定生物分子的浓度。该试剂环境耐受性强(耐受 PH3-7的范围)，不易猝灭，最突出的特点是自然界没有上转发光，因此使得样本处理变得简单，点样之后就能检测，没有本底干扰。国外对上转发光技术的研究始于上世纪90年代，但因为没有清楚了解纳米颗粒的特性，控制不好反应