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生物传感器资料8.1生物传感器的工作原理8.2最常用的生物传感器8.3生物传感器的应用本章小结复习思考题主要内容返回主目录1/13/20232生物传感器是在基础传感器上再耦合一个生物敏感膜而形成的，生物功能膜上(或膜中)附着有生物传感器的敏感物质，被测量溶液中待测定的物质经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别或发生生物学反应，其所产生的信息可通过相应的化学或物理原理转变成可定量和可显示的电信号，通过电信号的分析就可知道被测物质的成分或浓度。图8-1生物传感器工作原理示意图8.1生物传感器的工作原理1/13/20233血糖－乳酸测定流程1/13/20234体育上耐力训练1/13/20235手掌型葡萄糖(glucose)分析仪1/13/20236工厂发酵车间化验员正在分析样品发酵工厂谷氨酸-葡萄糖分析1/13/20237SBA-40型谷氨酸(乳酸)-葡萄糖双功能分析仪进样帽位于反应池上部。可以从此处注入样品或标准液仪器处在随时通电状态，测定时按一下开关1/13/20238德国研发的环境废水BOD分析仪1/13/20239按识别功能膜分类生物传感器的生物功能膜起分子识别的作用，它决定传感器的选择性.返回本章目录1/13/202310酶传感器由分子识别功能的固定化酶膜与电化学装置两部分构成。由于酶是蛋白质组成的生物催化剂，能催化许多生物化学反应，生物细胞的复杂代谢就是由成千上万个不同的酶控制的。酶的催化效率极高，而且具有高度专一性，即只能对待定待测生物量（底物）进行选择性催化，并且有化学放大作用，因此利用酶的特性可以制造出高灵敏度、选择性好的传感器。酶的催化反应公式：8.2.1酶传感器

酶的催化作用是在一定的条件下使底物分解，故酶的催化作用实际上是加速底物的分解速度。

8.2最常用的生物传感器1/13/202311当把装有酶膜的酶传感器插入试液时，被测物质在固定化酶膜上发生催化化学反应，生成或消耗电极活性物质(如O2、H2O2、CO2、NH3等)，用电化学测量装置(如电极)测定反应中电极活性物量的变化，电极就能把被测物质的浓度变换成电信号，从被测物质浓度与电信号之间的关系就可测定未知浓度，如图8-3所示。

图8-3酶传感器的原理示意图1/13/202312利用酶传感器可以测定各种糖、氨基酸、酯质和无机离子等，在医疗、食品、发酵工业和环境分析等领域获得多方面的应用。例如：酶传感器可以用于水质监测：酚是一类对人体有害的化合物，经常通过炼油和炼焦等工厂的废水排放到河流和湖泊中。根据测定水中酚含量的需要，科学家利用固定化多酚氧化酶研制成多酚氧化酶传感器，这种酶传感器可快速测定出水中质量分数仅有的酚。多功能酶传感器、测定酶活性传感器、半导体酶传感器以及检测难溶于水的物质的酶传感器正在研究之中。随着基因工程技术的开发，使酶传感器的特性会得到进一步的发展。

把酶制成膜状，将其设置在电极附近，这种方式应用最普遍；金属或FET栅极表面直接结合酶，使受体与电极结合起来；把固定化酶填充在小柱中作为受体，使受体与电极分离开。大多数酶是水溶性的，需要通过固定化技术制成酶膜，才能构成酶传感器的受体。在酶传感器中构成固定化酶有三种方式：应用：1/13/202313葡萄糖是典型的单糖类，是一切生物的良好能源，测定血液中葡萄糖浓度对糖尿病患者作临床检查是很重要的。葡萄糖传感器是以葡萄糖氧化酶(GOD)为生物催化剂，氧电极为电化学测量装置，通过测定酶作用后氧含量的变化实现对糖的量的测量，如图8-4所示。图8-4葡萄糖传感器的原理示意图8.2.2葡萄糖传感器1/13/202314图中试料中的葡萄糖因葡萄糖氧化酶的作用被氧化，反应方程为：上式表明可以通过测量氧的消耗量、或H2O2的生成量、或由葡萄糖酸引起的PH值的变化来测量葡萄糖的浓度。因此，从溶液中向电极扩散的氧气一部分因酶反应而被消耗掉，到达电极的氧气量减少，由氧电极测定氧浓度的变化即可知道葡萄糖的浓度。1/13/202315氧电极是隔膜型Pt阴电极，氧穿透膜一般是厚的特氟隆；测量时将其与Pb阳极浸入浓NaOH溶液中构成电池，溶液中的氧穿透膜后达到Pt电极被还原，反应方程为：这样，有阴极电流流过，氧量减小，此电流值减小，当溶液中向膜扩散的氧量达到平衡时电流值恒定，此恒电流值与起始的电流值之差△I与试液中葡萄糖的浓度有一定的关系，通过测得△I就能容易地求出葡萄糖的浓度。1/13/202316微生物传感器由固定化微生物膜及电化学装置组成，微生物膜的固定法与酶的固定方式相同，一般用吸附法和包裹法两种。微生物的生存特性对氧气有好气性与厌气性之分，其传感器分为:好气性微生物传感器厌气性微生物传感器8.2.3微生物传感器1/13/202317好气性微生物生存在含氧条件下，生长过程离不开氧，它吸入氧气而放出二氧化碳，这种微生物的呼吸可用氧电极或二氧化碳电极来测定。将微生物固定化膜与氧电极或二氧化碳电极组合在一起，构成呼吸型微生物传感器，其结构原理如图8-5a所示。

1．好气性微生物传感器

图8-5微生物传感器结构原理示意图1/13/202318其中将微生物固定于乙酰纤维素等膜上，然后把它附着在隔膜式氧电极的透氧膜上就构成了呼吸型微生物氧电极。把这种微生物传感器放入含有机化合物的试液中，有机物向微生物膜内扩散，而被微生物摄取，摄取有机物时呼吸旺盛，余下部分的氧通过特氟隆膜到达氧电极，而变成稳定的阴极电流。也就是说，有机物被摄取前后，微生物呼吸量可转化为电流值来测定。这种电流与有机物浓度间有着直接关系。利用这种关系就可对有机物进行定量测试。图8-5微生物传感器结构原理示意图1/13/202319厌气性微生物的生长会受到氧的妨碍，可由其生成的二氧化碳或代谢产物量来测定其生理状态。当测定微生物的代谢生成物时，可用离子选择电极来测定，如图8-5b所示用氢生菌固定膜，它能使有机物氧化生成氢，氢通过膜并在铂电极表面扩散、氧化，即可产生电流，其值与试液中有机物的浓度有关，可测知有机物的浓度。图8-5微生物传感器结构原理示意图

2．厌气性微生物传感器

1/13/202320微生物传感器是把活着的微生物菌固定于膜面上，作为生物功能元件来使用。目前微生物传感器已用到发酵工艺及环境监测等部门。如通过测水中有机物含量即可测量江河及工业废水中有机物污染程度。医疗部门通过测定血清中的微量氨基酸(苯基丙氨酸和亮氨酸)，对早期诊断苯基酮尿素病毒和糖尿病有效。酶和微生物传感器主要是以低分子有机化合物作为测定对象，但对高分子有机化合物的识别能力不佳。利用抗体对抗原的识别功能和与抗原的结合功能构成对蛋白质、多糖类结构略异的高分子有高选择性的免疫传感器。1/13/202321一旦病原菌或其他异性蛋白质（即抗原）侵入人体，会在人体内产生能识别抗原并将其从体内排除的物质（称为抗体），抗原与抗体结合形成复合物（称免疫反应），从而将抗原清除。免疫传感器的基本原理就是免疫反应，它是利用抗体能识别抗原并与抗原结合的功能而制成的生物传感器。利用固定化抗体（或抗原）膜与相应的抗原（或抗体）的特异反应，此反应的结果使生物敏感膜的电位发生变化。如用心肌磷质胆固醇固定在醋酸纤维膜上，就可以对梅毒患者血清中的梅毒抗体产生有选择性地反应，其结果使膜电位发生变化。8.2.4免疫传感器1/13/202322图8-6免疫传感器的结构原理图图8-6为这种免疫传感器的结构原理图。图中2、3两室间有固定化抗原膜，而1、3两室之间没有固定化抗原膜。正常情况下，1、2室内电极间无电位差。若3室内注入含有抗体的盐水时，由于抗体和固定化抗原膜上的抗原相结合，使膜表面吸附了特异的抗体，而抗体是有电荷的蛋白质，从而使抗原固定化膜带电状态发生变化，因此1、2室内的电极间有电位差产生。1/13/202323根据上述原理，可以把免疫传感器的敏感膜与酶免疫分析法结合起来进行超微量测量，它是利用酶为标识剂的化学放大。化学放大就是微量酶（E）使少量基质（S）生成多量生成物。当酶是被测物时，一个E应相对许多P，测量P对E来说就是化学放大，根据这种原理制成的传感器称为酶免疫传感器。目前正在研究的诊断癌症用的传感器把α-甲胎蛋白（AFP）作为癌诊断指标，它将AFP的抗体固定在膜上组成酶免疫传感器，可检测10-9gAFP。这是一种非放射性超微量测量方法。返回本章目录1/13/202324生物传感器目前仍处于开发阶段，具有广泛的应用前景。特别是随着生物医学工程迅速发展，对生物传感器的需求更迫切，下表列出了生物传感器在生物医学中的应用。由于医疗诊断的需要，很多场合要求生物传感器置入体内检测，并直接显示测量结果。因此，研究、开发集成化微型生物传感器是生物传感器发展的重要方向之一。8.3生物传感器的应用1/13/202325为了迅速检测发酵培养液中谷氨酸含量，可采用谷氨酸传感器，它是将微生物大肠杆菌（含有谷氨酸脱羧酶）固定化在电极硅橡胶膜上与CO2的电极组成谷氨酸传感器。在测量时，谷氨酸脱羧酶引起发酵培养液反应产生CO2气体，而CO2气体可使电极电位增高，而电位变化又与谷氨酸浓度的对数成正比关系，因此这种传感器可连续测量谷氨酸含量。生物传感器在工业生产中也得到广泛的应用，如发酵工业生产中各种化学物质需连续控制发酵生成物的浓度，以保证发酵质量。应用1/13/202326生物传感器测定食品成分也有许多优越性：可以使食品分析专业技术人员从繁琐的常规分析中解放出来，由于采用了专一性高的酶法分析，在分析中不受颜色和其它成分的干扰，速度快。因此有广泛的应用前景。它们不仅可以直接应用在食品成分的直接分析上，而且在许多场合可以用作打击假冒食品的主要工具。现举以下实例加以说明。蜂蜜中掺杂一些特殊成分的鉴别：当掺假物质为蔗糖、饴糖、面粉、人工转化糖等的时候，用葡萄糖传感器测定：①未加以转化的蜂蜜中葡萄糖量；②加糖化酶转化后的葡萄糖量：③采用稀酸转化后的葡萄糖量。分析结果表明：葡萄糖量超过稀酸转化后的葡萄糖量的50%时，可能掺有转化糖、面粉、饴糖等成分。用糖化酶处理后的蜂蜜，如葡萄糖明显增高，则表明其中掺有饴糖、面粉等。1/13/202327类似的分析测定方法也可以用在乳品、含糖酒品等许多食品的分析上。比如用乳酸传感器可以测定牛乳鲜度，用葡萄糖传感器鉴别奶中的糊精。其它的生物传感器如尿素、蔗糖、酒精、谷氨酸、乳酸等都可以在鉴别食品成分和打假中。这些生物传感器与食品专业分析人员的日常工作结合，不仅可以产生很大的社会效益，而且可以丰富和发展食品分析科学，并且发展和制订我国的食品分析法规。1/13/202328人们已经注意到，生物体本身就存在各式各样的传感器，生物体借助于这些传感器与环境不断地交流信息，以维持正常的生命活动。例如细菌的趋化性和趋光性，植物的向阳性，动植物器官（如人的视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉等）以及某些动物的特异功能（如蝙蝠的超声波定位、海豚的声纳导航测距、信鸽和候鸟的方向识别、犬类敏锐的嗅觉等）都是生物传感功能的典例。因此制造各种人工模拟生物传感器或称仿生物传感器是传感器发展的重要课题。随着机器人技术的发展，视觉、听觉、触觉传感器的发展取得相当成绩。但是，生物传感器的精巧结构和奇特功能是现阶段人工仿生传感器无法比拟的。目前对生物传感器的结构、性能和响应机理知之甚少，甚至连一些感觉器官在生物体内的分布和地址都不太清楚。因此，要研制仿生传感器，需要做大量的基础研究工作。返回本章目录1/13/202329本章小结生物传感器是在基础传感器上再耦合一个生物敏感膜而形成的，被测量溶液中待测定的物质经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别或发生生物学反应，其所产生的信息可通过相应的化学或物理原理转变成可定量和可显示的电信号，通过电信号的分析就可知道被测物质的成分或浓度。酶传感器—由分子识别功能的固定化酶膜与电化学装置两部分构成。由于酶是蛋白质组成的生物催化剂，能催化许多生物化学反应，生物细胞的复杂代谢就是由成千上万个不同的酶控制的。酶的催化效率极高，而且具有高度专一性，即只能对特定待测生物量（底物）进行选择性催化，并且有化学放大作用。葡萄糖是典型的单糖类，是一切生物的良好能源，测定血液中葡萄糖浓度对糖尿病患者作临床检查是很重要的。葡萄糖传感器是以葡萄糖氧化酶(GOD)为生物催化剂，氧电极为电化学测量装置，通过测定酶作用后氧含量的变化实现对糖的量的测量。1/13/202330本章小结微生物传感器—分为好气性微生物传感器和厌气性微生物传感器两大类。好气性微生物—生存在含氧条件下，生长过程离不开氧，它吸入氧气而放出二氧化碳，这种微生物的呼吸可用氧电极或二氧化碳电极来测定。厌气性微生物的生长会受到氧的妨碍，可由其生成的二氧化碳或代谢产物量来测定其生理状态。当测定微生物的代谢生成物时，可用离子选择电极来测定。免疫传感器的基本原理就是免疫反