生物医学传感-生物传感器课件

*1第12章生物传感器*1第12章生物传感器1*2生物传感器（biosensors)生物传感器的概述生物传感器的基本组成和工作原理生物传感器的分类及特点生物敏感材料的固定化技术几种主要的生物传感器*2生物传感器（biosensors)生物传感器的概述23手掌型葡萄糖(glucose)分析仪超高通量DNA测序仪自主研发的光子晶体微球封装（a）及检测装置（b）3手掌型葡萄糖(glucose)分析仪超高通量DNA测序仪自3*4*44*5一、生物传感器的概述生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定各种生物化学物质的传感器。1、生物传感器的定义基于ZnO量子点的夹心免疫法传感器检测CEA的竞争型型凝集素传感器*5一、生物传感器的概述生物传感器利用生物活性物质选择性的识5*6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。主要由两大部分组成：一是功能识别物质（分子识别元件），由其对被测物质进行特定识别；二是电、光信号转换装置（换能器），由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。

*6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。6生物医学传感-生物传感器课件7生物医学传感-生物传感器课件8*9目前国内外得到广泛应用的生物传感器主要包括：1、测定水质的BOD分析仪、在市场上有以日本和德国为代表产品供应。2、采用丝网印刷和微电子技术的手掌型血糖分析器，已形成规模化生产，年销售量约为十亿美元；3、固定化酶传感分析仪：国外以美国的YSI公司和德国BST公司为代表，都有系列分析仪产品，它们主要用于环境监测和食品分析，国内到目前为主只有山东省科学院生物研究所的系列化产品在市场得到应用。4、SPR生物传感器，在日、美、德、瑞典等国得到了开发和初步应用。

极大多数同类其它研究还都处在探索性阶段*9目前国内外得到广泛应用的生物传感器主要包括：9*10德国研发的环境废水BOD分析仪*10德国研发的环境废水BOD分析仪10*11SBA-50型单电极生物传感分析仪，是SBA-30型乳酸分析仪的更新换代产品*11SBA-50型单电极生物传感分析仪，是SBA-30型乳11*12SBA-40C生物传感分析仪能分析仪*12SBA-40C生物传感分析仪能分析仪12*13发酵罐主机计算机SBA-60型生物传感在线分析系统，为发酵自动控制提供了新的基础平台*13发酵罐主机计算机SBA-60型生物传感在线分析系统，为13*14SBA-70型血糖乳酸自动分析仪*14SBA-70型血糖乳酸自动分析仪14*15在我国发酵工厂普及应用的SBA-40型

谷氨酸-葡萄糖双功能分析仪工厂发酵车间化验员正在分析样品*15在我国发酵工厂普及应用的SBA-40型

谷氨酸-葡萄糖15*16二、生物传感器的基本组成和工作原理信号转换器分子识别元件（生物敏感膜）待测物1、基本组成生物传感器基本构成示意图生物敏感膜、物理或化学转换器*16二、生物传感器的基本组成和工作原理分子识别元件（生物敏16*17（1）生物敏感膜（分子识别元件）由生物活性材料作为敏感基元构成。酶、蛋白质、抗体、抗原、细胞、生物组织、DNA等酶(Enzyme)抗体(Antibody)DNA具有高度的选择性和敏感性*17（1）生物敏感膜（分子识别元件）由生物活性材料作为敏感17*18几种主要的生物活性材料及反应A、酶及酶促反应B、抗原与抗体及免疫反应C、微生物及微生物反应D、受体及受体配体结合反应合成分子识别材料：*18几种主要的生物活性材料及反应A、酶及酶促反应B、抗原与18*19生物敏感膜生物活性材料酶膜全细胞膜组织膜细胞器膜免疫功能膜各类酶类细菌，真菌，动植物细胞动植物组织切片线粒体，叶绿体抗体，抗原，酶标抗原等生物敏感膜按所选材料不同分类：*19生物敏感膜生物活性材料酶膜各类酶类生物敏感膜按所选材料19*20生物敏感膜按其分子识别原理可分为三种不同类型：A、基于生物催化反应的生物敏感膜B、基于生物吸附的生物敏感膜C、基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜*20生物敏感膜按其分子识别原理可分为三种不同类型：A、基于20*21（2）信号转换器：将各种生物的、化学的和物理的信号转换为可输出的有用信号（电信号）。作用：当待测物与分子识别元件特异性结合后，所产生的复合物通过信号转换器转变为可输出的电信号、光信号等。

主要有：电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振。*21（2）信号转换器：将各种生物的、化学的和物理的信号转换21*22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）将光效应转变为电信号（间接型）直按产生电信号方式（直接型）

转换器转化为电信号的方式*22将化学变化转变成电信号（间接型）转换器转化为电信号的方22*23

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定化酶耦合，即组成酶传感器，常用转换装置有氧电极、过氧化氢。（a）将化学变化转变成电信号（间接型）*23酶传感器为例，酶催化特定底物发生反应,从而23*24（b）将热变化转换成电信号固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化。例如大多数酶反应的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围.这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化，后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。热辐射热传导*24（b）将热变化转换成电信号固定化的生物材料与相应的被测24*25（c）将光信号转变为电信号例如，过氧化氢酶能催化过氧化氢/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端，再和光电流测定装置相连，即可测定过氧化氢含量。还有很多细菌能与特定底物发生反应，产生荧光，也可以用这种方法测定底物浓度。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。*25（c）将光信号转变为电信号例如，过氧化氢酶能催化过氧化25*26（d）直接产生电信号方式这种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。例：Cass等提出一种测定葡萄糖的传感器，是用二茂络铁为电子传递体。反应直接在电极表面上发生*26（d）直接产生电信号方式这种方式可以使酶反应26*272、生物传感器工作原理待测物生物敏感膜信号转换器扩散分子识别电信号检测处理电路放大、输出待测物的量或浓度*272、生物传感器工作原理待测物生物敏感膜信号转换器扩散分27*28换能器（Transducer）感受器（Receptor）测量信号（MeasurableSignal）=分析物（Analyte）溶液（Solution）选择性膜（Thinselectivemembrane）识别元件（RECOGNITION）生物传感器工作机理*28换能器（Transducer）感受器（Receptor28*29按分子识别元件分类按换能器分类三、生物传感器分类及特点*29三、生物传感器分类及特点29*30

固定化酶固定化微生物固定化免疫物质

固定化细胞器生物组织切片微生物传感器分子识别元件酶传感器免疫传感器细胞器传感器组织传感器1、按分子识别元件分类*30微生物传感器分子识别30*31按换能器分类

电化学电极光学换能器介体半导体传递系统换能器热敏电阻压电晶体介体生物传感器换能器半导体生物传感器生物电极光生物传感器热生物传感器压电晶体生物传感器*31按换能器分类介体生物传感器换能器半导体生物传感器生物电31*323、生物传感器特点1）根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测定所有生物物质的传感器，因而测定范围广泛。2）一般不需进行样品的预处理，它利用本身具备的优异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他试剂，使测定过程简便迅速，容易实现自动分析。3）体积小、响应快、样品用量少，可以实现连续在线检测。*323、生物传感器特点1）根据生物反应的特异性和多样性32*334）通常其敏感材料是固定化生物元件，可反复多次使用。5）准确度高，一般相对误差可达到1%以内。6）可进行活体分析。7）传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪，因而便于推广普及。8）有的微生物传感器能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，能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。*334）通常其敏感材料是固定化生物元件，可反复多次使用33*34四、生物敏感材料的固定化技术生物传感器制作的核心部分固定化的目的：将生物敏感物质限制在一定的空间，但又不妨碍被分析物的自由扩散。固定化技术：把生物活性材料与载体固定化成为生物敏感膜。物理方法：吸附法、夹心法、包埋法；化学方法:共价连接法、交联法；近年来,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。*34四、生物敏感材料的固定化技术生物传感器制作的核心部分固34*351）夹心法将生物活性材料封闭在双层滤膜之间，形象地称为夹心法。这种方法的特点是操作简单，不需要任何化学处理，固定生物量大，响应速度快，重复性好。*351）夹心法将生物活性材料封闭在双层滤膜之间，形象地称为35*36离子交换吸附法：选用具有离子交换性质的载体，在适宜的PH条件下，使生物分子与离子交换剂通过离子键结合，形成固定化层。2）吸附法用非水溶性载体物理吸附或离子结合，使蛋白质分子固定化的方法。物理吸附：通过极性键、氢键、疏水力或电子的相互作用将生物组分吸附在不溶性的惰性载体上。载体种类较多，如活性炭、高岭土、硅胶、玻璃、纤维素、离子交换体等。*36离子交换吸附法：选用具有离子交换性质的载体，在适宜的P36*373）包埋法把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。此方法的特点是一般不产生化学修饰，对生物分子活性影响较小；缺点是分子量大的底物在凝胶网格内扩散较固难。*373）包埋法把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空37*384）共价连接法使生物活性分子通过共价键与固相载体结合固定的方法。此方法的特点是结合牢固，生物活性分子不易脱落，载体不易被生物降解，使用寿命长；缺点是实现固定化麻烦，酶活性可能因发生化学修饰而降低。*384）共价连接法使生物活性分子通过共价键与固相载体结合固38*395）交联法借助于双功能试剂的作用，使蛋白质结合到惰性载体或使蛋白质分子彼此交联，形成不溶性网状结构的方法。

这种方法广泛用于酶膜和免疫分子膜制备，操作简单。*395）交联法借助于双功能试剂的作用，使蛋白质结39*406）LB膜技术一种能在低温低压下制成高密度、分子排列方向一致的单分子层或双分子层超薄膜的技术。*406）LB膜技术一种能在低温低压下制成高密度、40*41第三节酶生物传感器一、酶的本质和特征（一）酶的本质酶是生物体内产生的、具有催化活性的一类蛋白质酶纯蛋白酶：只含有蛋白质结合蛋白酶蛋白质+非蛋白质辅基：非蛋白部分与酶蛋白结合的牢固，不易分离辅酶：结合的不牢，可在溶液中离解（组合）*41第三节酶生物传感器一、酶的本质和特征（一）酶的本41*42酶（催化反应类型）氧化还原酶转移酶水解酶异构酶（二）酶的催化性质1、高效催化性2、高度专一性*42酶（催化反应类型）氧化还原酶转移酶水解酶异构酶（二）酶42*43（三）影响酶活性的因素1、温度一方面升高温度增加底物分子的热能，从而增高反应的速率另一方面温度的升高也会增加酶本身结构的分子热能，导致酶的变性或催化活性的降低多数哺乳动物的酶，最适温度为37左右2、PH影响酶促反应的速率每种酶都有一个最适PH,微小偏差会降低酶的活性，较大偏差会导致酶蛋白自身的变性（最适6.8）*43（三）影响酶活性的因素1、温度一方面升高温度增加底物分43*44二、酶生物传感器应用固定化酶作为敏感元件的生物传感器酶生物传感器酶电极酶场效应管传感器酶热敏电阻传感器酶光纤传感器*44二、酶生物传感器应用固定化酶作为敏感元件的生物传感器酶44*45(一)酶电极传感器定义：由固定化酶与离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极等电化学电极组合而成的生物传感器酶电极电流型酶电极电势型酶电极*45(一)酶电极传感器定义：由固定化酶与离子选择电极、气45*461、电流型酶电极（固定化酶＋电流型化学电极）原理：将酶促反应产生的物质在电极上发生氧化或还原反应产生的电流作为测量信号，在一定条件下，利用测得的电流信号与待测物活度或浓度的函数关系，来测定样品中某一生物组分的活度或浓度．电极：氧电极，过氧化氢电极酶氧化酶：用氧作受体的酶（常用）还原酶氧电极：（还原反应）过氧化氢电极：（氧化反应）*461、电流型酶电极（固定化酶＋电流型化学电极）原理：将酶46*47▲葡萄糖传感器葡萄糖氧化酶膜＋电化学电极依据反应中消耗的氧,生成的葡萄糖酸及过氧化氢的量，可用氧电极，ＰＨ电极，过氧化氢电极来测定葡萄糖的含量．测定酶促反应所产生的葡萄糖酸的量来计算样品中葡萄糖的含量２、电势型酶电极（固定化酶＋电势型化学电极）原理：将酶促反应引起的物质量的变化转变成电势信号的输出，电势信号大小与底物浓度的对数值呈线性关系*47▲葡萄糖传感器葡萄糖氧化酶膜＋电化学电极依据反应中消47*48优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛的应用。缺点：1.酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差异的梭曼与沙林。

2.酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。3、酶传感器的特点：

*48优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛的应用。48*49第四节微生物和组织及细胞器传感器一、微生物传感器典型：微生物电极（用微生物取代酶作生物活性物质）意义：1、克服酶的价格昂贵，提取困难及不稳定等缺点，对于复杂反应，还可同时利用微生物体内的辅酶。

2、微生物传感器尤其适合于发酵过程的测定，因为在发酵过程中场存在对酶的干扰物质，应用微生物传感器则有可能排除这些干扰。*49第四节微生物和组织及细胞器传感器一、微生物传感器49*50（一）微生物传感器基础微生物传感器所用的微生物主要是细菌和酵母菌1、微生物的特性及分类微生物的代谢：微生物从周围环境中提取营养物质。通过生物催化即酶的作用，在体内进行一系列生物分解和生物合成反应，以保持正常的生长和繁殖。酶胞内酶胞外酶*50（一）微生物传感器基础微生物传感器所用的微生物主要是细50*51微生物的代谢同化作用异化作用微生物好气性微生物：必须在有空气的环境中才易生长厌气性微生物：必须在无分子氧的环境生长繁殖：细胞将底物摄入通过一系列生化反应转变成自身的组成物质，并储存能量：细胞将自身的组成物质分解以释放能量或排出体外。*51微生物的代谢同化作用异化作用微生物好气性微生物：必须在51*522、微生物传感器的特点及分类微生物敏感膜：微生物固定在载体上特点：（1）价格低、便于推广普及（2）微生物细胞内的酶在适当环境下活性不易降低，因此微生物传感器的寿命更长（3）即使微生物体内酶的催化活性已经丧失，也还可以因细胞的增值使之产生（4）对于需要辅助因子的复杂的连续反应，用微生物更易于完成*522、微生物传感器的特点及分类微生物敏感膜：微生物固定在52*53分类：微生物传感器呼吸机能型微生物传感器代谢机能型微生物传感器微生物传感器电流型微生物传感器电势型微生物传感器*53分类：微生物传感器呼吸机能型微生物传感器代谢机能型微生53*54（二）微生物传感器的结构和工作原理微生物传感器是以固定化微生物作为分子识别系统，与相应的电化学转换元件组合构成。不同微生物需要不同的营养物质进行它的新陈代谢，因此可利用不同微生物作为分子识别系统制作微生物传感器测定相应的物质。*54（二）微生物传感器的结构和工作原理微生54*551、呼吸机能型微生物传感器以好气性微生物作生物活性物质，通常与氧电极组合而成的，以细菌呼吸活性物质为基础实现被测物的测量2、代谢机能型微生物传感器以厌气性微生物作生物活性物质，与相应的电化学电极组合而成的，以细菌代谢活性物质为基础实现被测物的测量*551、呼吸机能型微生物传感器以好气性微生物55*56二、生物组织传感器生物组织传感器：以动植物组织切片作为分子识别元件与相应的信号转换元件组合构成的生物传感器。特点：1、酶活性高2、稳定性强3、所用材料易于获取，价格便宜4、识别元件制作简便，一般不需采用固定化技术信号转换元件：气敏元件原因：1、选择性好2、有利于组织电极组装*56二、生物组织传感器生物组织传感器：以动植物组织切片作为56*57第五节免疫传感器一、免疫传感器基础酶和微生物传感器：低分子有机化合物免疫传感器：高分子有机化合物免疫反应的检测方法1、标记法采用酶、荧光物质、电活性化合物等进行标记，抗体与抗原反应过程通过电化学、光学等手段进行检测。（1）夹心法样品中的抗原与固化在传感界面上的抗体结合后，加入标记的抗体，使其与固相上的抗原结合，把抗原夹在固定抗体和标记抗体中间，形成夹心结构，洗去未结合的标记抗体，测定结合在固相上标记物的量。夹心法适用于测定高分子量的抗原。*57第五节免疫传感器一、免疫传感器基础酶和微生物传感器57*58（2）竞争法将抗体固定在传感界面上，用已知量的标记抗原与样品中的抗原竞争结合传感界面上的抗体，测定结合在固相上标记物的量，此于被分析物的浓度成反比。（3）置换取代法把抗体固定在传感界面上，标记好抗原。测试时传感界面上抗体的结合部位都已被标记抗原所占据，当加入非标记抗原时，发生置换反应，测量置换下来标记物的量，在一定条件下，标记物的量与被分析物的浓度成正比2、非标记法在抗体与相应抗原识别结合的同时，把免疫反应的信息直接转变成可测信号*58（2）竞争法将抗体固定在传感界面上，用58*59二、免疫传感器的结构及分类1、免疫传感器的基本结构分子识别系统（感受器）、转换器（换能器）、电子放大器抗体或抗原2、免疫传感器的分类标记型免疫传感器（间接型免疫传感器）非标记型免疫传感器（直接型免疫传感器）电化学免疫传感器光学免疫传感器压电免疫传感器表面等离子体共振（SPR）免疫传感器*59二、免疫传感器的结构及分类1、免疫传感器的基本结构分子59*60三、电化学免疫传感器定义：以抗原——抗体反应的免疫测定为基础，采用电化学电极为传感元件组合而成的，用于大分子蛋白质测定的装置。标记型免疫传感器（间接型免疫传感器）非标记型免疫传感器（直接型免疫传感器）（一）直接型免疫传感器将抗体或抗原固定在大分子结构的膜上或金属电极上，当被固定的抗体或抗原与相应的配体结合时膜电势或电极电势发生变化，根据电势与被测物的函数关系测定抗体或抗原的浓度电势型传感器*60三、电化学免疫传感器定义：以抗原——抗体反应的免疫测定60*61（二）间接型免疫传感器

将抗原与抗体结合的信息转变为一种中间信息，然后把这个中间信息变成电信息电流型传感器*61（二）间接型免疫传感器将抗原与抗体结合的61*62内容小结1、生物传感器的定义、组成、工作原理转换器生物敏感膜待测物2、生物传感器分类及特点3、生物敏感材料的固定化技术4、几种主要的生物传感器*62内容小结1、生物传感器的定义、组成、工作原理生物敏感膜62作业调研一种生物传感器的应用实例（包括结构、原理、特性及应用等）

如：石英晶体微天平生物传感器（陈阳天）

表面等离子体共振生物传感器（王岭枫）

光纤生物传感器（卢川）

生物芯片（郭铸慷）

场效应生物传感器（田培龙）要求：每人PPT讲解8-10分钟*63作业调研一种生物传感器的应用实例（包括结构、原理、特性及应用63*64第12章生物传感器*1第12章生物传感器64*65生物传感器（biosensors)生物传感器的概述生物传感器的基本组成和工作原理生物传感器的分类及特点生物敏感材料的固定化技术几种主要的生物传感器*2生物传感器（biosensors)生物传感器的概述6566手掌型葡萄糖(glucose)分析仪超高通量DNA测序仪自主研发的光子晶体微球封装（a）及检测装置（b）3手掌型葡萄糖(glucose)分析仪超高通量DNA测序仪自66*67*467*68一、生物传感器的概述生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定各种生物化学物质的传感器。1、生物传感器的定义基于ZnO量子点的夹心免疫法传感器检测CEA的竞争型型凝集素传感器*5一、生物传感器的概述生物传感器利用生物活性物质选择性的识68*69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。主要由两大部分组成：一是功能识别物质（分子识别元件），由其对被测物质进行特定识别；二是电、光信号转换装置（换能器），由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。

*6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。69生物医学传感-生物传感器课件70生物医学传感-生物传感器课件71*72目前国内外得到广泛应用的生物传感器主要包括：1、测定水质的BOD分析仪、在市场上有以日本和德国为代表产品供应。2、采用丝网印刷和微电子技术的手掌型血糖分析器，已形成规模化生产，年销售量约为十亿美元；3、固定化酶传感分析仪：国外以美国的YSI公司和德国BST公司为代表，都有系列分析仪产品，它们主要用于环境监测和食品分析，国内到目前为主只有山东省科学院生物研究所的系列化产品在市场得到应用。4、SPR生物传感器，在日、美、德、瑞典等国得到了开发和初步应用。

极大多数同类其它研究还都处在探索性阶段*9目前国内外得到广泛应用的生物传感器主要包括：72*73德国研发的环境废水BOD分析仪*10德国研发的环境废水BOD分析仪73*74SBA-50型单电极生物传感分析仪，是SBA-30型乳酸分析仪的更新换代产品*11SBA-50型单电极生物传感分析仪，是SBA-30型乳74*75SBA-40C生物传感分析仪能分析仪*12SBA-40C生物传感分析仪能分析仪75*76发酵罐主机计算机SBA-60型生物传感在线分析系统，为发酵自动控制提供了新的基础平台*13发酵罐主机计算机SBA-60型生物传感在线分析系统，为76*77SBA-70型血糖乳酸自动分析仪*14SBA-70型血糖乳酸自动分析仪77*78在我国发酵工厂普及应用的SBA-40型

谷氨酸-葡萄糖双功能分析仪工厂发酵车间化验员正在分析样品*15在我国发酵工厂普及应用的SBA-40型

谷氨酸-葡萄糖78*79二、生物传感器的基本组成和工作原理信号转换器分子识别元件（生物敏感膜）待测物1、基本组成生物传感器基本构成示意图生物敏感膜、物理或化学转换器*16二、生物传感器的基本组成和工作原理分子识别元件（生物敏79*80（1）生物敏感膜（分子识别元件）由生物活性材料作为敏感基元构成。酶、蛋白质、抗体、抗原、细胞、生物组织、DNA等酶(Enzyme)抗体(Antibody)DNA具有高度的选择性和敏感性*17（1）生物敏感膜（分子识别元件）由生物活性材料作为敏感80*81几种主要的生物活性材料及反应A、酶及酶促反应B、抗原与抗体及免疫反应C、微生物及微生物反应D、受体及受体配体结合反应合成分子识别材料：*18几种主要的生物活性材料及反应A、酶及酶促反应B、抗原与81*82生物敏感膜生物活性材料酶膜全细胞膜组织膜细胞器膜免疫功能膜各类酶类细菌，真菌，动植物细胞动植物组织切片线粒体，叶绿体抗体，抗原，酶标抗原等生物敏感膜按所选材料不同分类：*19生物敏感膜生物活性材料酶膜各类酶类生物敏感膜按所选材料82*83生物敏感膜按其分子识别原理可分为三种不同类型：A、基于生物催化反应的生物敏感膜B、基于生物吸附的生物敏感膜C、基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜*20生物敏感膜按其分子识别原理可分为三种不同类型：A、基于83*84（2）信号转换器：将各种生物的、化学的和物理的信号转换为可输出的有用信号（电信号）。作用：当待测物与分子识别元件特异性结合后，所产生的复合物通过信号转换器转变为可输出的电信号、光信号等。

主要有：电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振。*21（2）信号转换器：将各种生物的、化学的和物理的信号转换84*85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）将光效应转变为电信号（间接型）直按产生电信号方式（直接型）

转换器转化为电信号的方式*22将化学变化转变成电信号（间接型）转换器转化为电信号的方85*86

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定化酶耦合，即组成酶传感器，常用转换装置有氧电极、过氧化氢。（a）将化学变化转变成电信号（间接型）*23酶传感器为例，酶催化特定底物发生反应,从而86*87（b）将热变化转换成电信号固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化。例如大多数酶反应的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围.这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化，后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。热辐射热传导*24（b）将热变化转换成电信号固定化的生物材料与相应的被测87*88（c）将光信号转变为电信号例如，过氧化氢酶能催化过氧化氢/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端，再和光电流测定装置相连，即可测定过氧化氢含量。还有很多细菌能与特定底物发生反应，产生荧光，也可以用这种方法测定底物浓度。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。*25（c）将光信号转变为电信号例如，过氧化氢酶能催化过氧化88*89（d）直接产生电信号方式这种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。例：Cass等提出一种测定葡萄糖的传感器，是用二茂络铁为电子传递体。反应直接在电极表面上发生*26（d）直接产生电信号方式这种方式可以使酶反应89*902、生物传感器工作原理待测物生物敏感膜信号转换器扩散分子识别电信号检测处理电路放大、输出待测物的量或浓度*272、生物传感器工作原理待测物生物敏感膜信号转换器扩散分90*91换能器（Transducer）感受器（Receptor）测量信号（MeasurableSignal）=分析物（Analyte）溶液（Solution）选择性膜（Thinselectivemembrane）识别元件（RECOGNITION）生物传感器工作机理*28换能器（Transducer）感受器（Receptor91*92按分子识别元件分类按换能器分类三、生物传感器分类及特点*29三、生物传感器分类及特点92*93

固定化酶固定化微生物固定化免疫物质

固定化细胞器生物组织切片微生物传感器分子识别元件酶传感器免疫传感器细胞器传感器组织传感器1、按分子识别元件分类*30微生物传感器分子识别93*94按换能器分类

电化学电极光学换能器介体半导体传递系统换能器热敏电阻压电晶体介体生物传感器换能器半导体生物传感器生物电极光生物传感器热生物传感器压电晶体生物传感器*31按换能器分类介体生物传感器换能器半导体生物传感器生物电94*953、生物传感器特点1）根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测定所有生物物质的传感器，因而测定范围广泛。2）一般不需进行样品的预处理，它利用本身具备的优异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他试剂，使测定过程简便迅速，容易实现自动分析。3）体积小、响应快、样品用量少，可以实现连续在线检测。*323、生物传感器特点1）根据生物反应的特异性和多样性95*964）通常其敏感材料是固定化生物元件，可反复多次使用。5）准确度高，一般相对误差可达到1%以内。6）可进行活体分析。7）传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪，因而便于推广普及。8）有的微生物传感器能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，能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。*334）通常其敏感材料是固定化生物元件，可反复多次使用96*97四、生物敏感材料的固定化技术生物传感器制作的核心部分固定化的目的：将生物敏感物质限制在一定的空间，但又不妨碍被分析物的自由扩散。固定化技术：把生物活性材料与载体固定化成为生物敏感膜。物理方法：吸附法、夹心法、包埋法；化学方法:共价连接法、交联法；近年来,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。*34四、生物敏感材料的固定化技术生物传感器制作的核心部分固97*981）夹心法将生物活性材料封闭在双层滤膜之间，形象地称为夹心法。这种方法的特点是操作简单，不需要任何化学处理，固定生物量大，响应速度快，重复性好。*351）夹心法将生物活性材料封闭在双层滤膜之间，形象地称为98*99离子交换吸附法：选用具有离子交换性质的载体，在适宜的PH条件下，使生物分子与离子交换剂通过离子键结合，形成固定化层。2）吸附法用非水溶性载体物理吸附或离子结合，使蛋白质分子固定化的方法。物理吸附：通过极性键、氢键、疏水力或电子的相互作用将生物组分吸附在不溶性的惰性载体上。载体种类较多，如活性炭、高岭土、硅胶、玻璃、纤维素、离子交换体等。*36离子交换吸附法：选用具有离子交换性质的载体，在适宜的P99*1003）包埋法把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。此方法的特点是一般不产生化学修饰，对生物分子活性影响较小；缺点是分子量大的底物在凝胶网格内扩散较固难。*373）包埋法把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空100*1014）共价连接法使生物活性分子通过共价键与固相载体结合固定的方法。此方法的特点是结合牢固，生物活性分子不易脱落，载体不易被生物降解，使用寿命长；缺点是实现固定化麻烦，酶活性可能因发生化学修饰而降低。*384）共价连接法使生物活性分子通过共价键与固相载体结合固101*1025）交联法借助于双功能试剂的作用，使蛋白质结合到惰性载体或使蛋白质分子彼此交联，形成不溶性网状结构的方法。

这种方法广泛用于酶膜和免疫分子膜制备，操作简单。*395）交联法借助于双功能试剂的作用，使蛋白质结102*1036）LB膜技术一种能在低温低压下制成高密度、分子排列方向一致的单分子层或双分子层超薄膜的技术。*406）LB膜技术一种能在低温低压下制成高密度、103*104第三节酶生物传感器一、酶的本质和特征（一）酶的本质酶是生物体内产生的、具有催化活性的一类蛋白质酶纯蛋白酶：只含有蛋白质结合蛋白酶蛋白质+非蛋白质辅基：非蛋白部分与酶蛋白结合的牢固，不易分离辅酶：结合的不牢，可在溶液中离解（组合）*41第三节酶生物传感器一、酶的本质和特征（一）酶的本104*105酶（催化反应类型）氧化还原酶转移酶水解酶异构酶（二）酶的催化性质1、高效催化性2、高度专一性*42酶（催化反应类型）氧化还原酶转移酶水解酶异构酶（二）酶105*106（三）影响酶活性的因素1、温度一方面升高温度增加底物分子的热能，从而增高反应的速率另一方面温度的升高也会增加酶本身结构的分子热能，导致酶的变性或催化活性的降低多数哺乳动物的酶，最适温度为37左右2、PH影响酶促反应的速率每种酶都有一个最适PH,微小偏差会降低酶的活性，较大偏差会导致酶蛋白自身的变性（最适6.8）*43（三）影响酶活性的因素1、温度一方面升高温度增加底物分106*107二、酶生物传感器应用固定化酶作为敏感元件的生物传感器酶生物传感器酶电极酶场效应管传感器酶热敏电阻传感器酶光纤传感器*44二、酶生物传感器应用固定化酶作为敏感元件的生物传感器酶107*108(一)酶电极传感器定义：由固定化酶与离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极等电化学电极组合而成的生物传感器酶电极电流型酶电极电势型酶电极*45(一)酶电极传感器定义：由固定化酶与离子选择电极、气108*1091、电流型酶电极（固定化酶＋电流型化学电极）原理：将酶促反应产生的物质在电极上发生氧化或还原反应产生的电流作为测量信号，在一定条件下，利用测得的电流信号与待测物活度或浓度的函数关系，来测定样品中某一生物组分的活度或浓度．电极：氧电极，过氧化氢电极酶氧化酶：用氧作受体的酶（常用）还原酶氧电极：（还原反应）过氧化氢电极：（氧化反应）*461、电流型酶电极（固定化酶＋电流型化学电极）原理：将酶109*110▲葡萄糖传感器葡萄糖氧化酶膜＋电化学电极依据反应中消耗的氧,生成的葡萄糖酸及过氧化氢的量，可用氧电极，ＰＨ电极，过氧化氢电极来测定葡萄糖的含量．测定酶促反应所产生的葡萄糖酸的量来计算样品中葡萄糖的含量２、电势型酶电极（固定化酶＋电势型化学电极）原理：将酶促反应引起的物质量的变化转变成电势信号的输出，电势信号大小与底物浓度的对数值呈线性关系*47▲葡萄糖传感器葡萄糖氧化酶膜＋电化学电极依据反应中消110*111优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛的应用。缺点：1.酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差异的梭曼与沙林。

2.酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。3、酶传感器的特点：

*48优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛的应用。111*112第四节微生物和组织及细胞器传感器一、微生物传感器典型：微生物电极（用微生物取代酶作生物活性物质）意义：1、克服酶的价格昂贵，提取困难及不稳定等缺点，对于复杂反应，还可同时利用微生物体内的辅酶。

2、微生物传感器尤其适合于发酵过程的测定，因为在发酵过程中场存在对酶的干扰物质，应用微生物传感器则有可能排除这些干扰。*49第四节微生物和组织及细胞器传感器一、微生物传感器112*113（一）微生物传感器基础微生物传感器所用的微生物主要是细菌和酵母菌1、微生物的特性及分类微生物的代谢：微生物从周围环境中提取营养物质。通过生物催化即酶的作用，在体内进行一系列生物分解和生物合成反应，以保持正常的生长和繁殖。酶胞内酶胞外酶*50（一）微生物传感器基础微生物传感器所用的微生物主要是细113*114微生物的代谢同化作用异化作用微生物好气性微生物：必须在有空气的环境中才易生长厌气性微生物：必须在无分子氧的环境生长繁殖：细胞将底物摄入通过一系列生化反应转变成自身的组成物质，并储存能量：细胞将自身的组成物质分解以释放能量或排出体外。*51微生物的代谢同化作用异化作用微生物好气性微生物：必须在114*1152、微生物传感器的特点及分类微生物敏感膜：微生物固定在载体上特点：（1）价格低、便于推广普及（2）微生物细胞内的酶在适当环境下活性不易降低，因此微生物传感器的寿命更长（3）即使微生物体内酶的催化活性已经丧失，也还可以因细胞的增值使之产生（4）对于需要辅助因子的复杂的连续反应，用微生物更易于完成*522、微生物传感器的特点及分类微生物敏感膜：微生物固定在115*116分类：微生物传感器呼吸机能型微生物传感器代谢机能型微生物传感器微生物传感器电流型微生物传感器电势型微生物传感器*53分类：微生物传感器呼吸机能型微生物传感器代谢机能型微生116*117（二）微生物传感器的结构和工作原理微生物传感器是以固定化微生物作为分子识别系统，与相应的电化学转换元