第九章生物传感器

第九章生物传感器第1页，共37页，2023年，2月20日，星期三第一节概述1传感器的定义与分类定义：能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件：指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分；转换元件：指传感器中能将敏感元件感受（或响应）的被测量转换成适宜传输和测量的电信号部分。第2页，共37页，2023年，2月20日，星期三分类按功能分类：有源传感器、无源传感器按输出信号形式分类：模拟式、数字式按效应分类：物理传感器、化学传感器、生物传感器按测量量分类：位移、速度、力、真空、温度、光、声、射线、浓度和粘度传感器第3页，共37页，2023年，2月20日，星期三分析生物技术的一个重要领域便是生物传感器(biosensor),它是一个典型的多学科交叉产物,结合了生命科学、分析化学、物理学和信息科学及其相关技术，能够对所需要检测的物质进行快速分析和追踪。生物的基本特征之一，是能够对外界的各种刺激作出反应。其所以能够如此，首先是由于生物能感受外界的各类刺激信号，并将这些信号转换成体内信息处理系统所能接收并处理的信号。例如，人能通过眼、耳、鼻、舌、身等感觉器官将外界的光、声、温度及其它各种化学和物理信号转换成人体内神经系统等信息处理系统能够接收和处理的信号。生物传感器的出现，是科学家的兴趣和科学技术发展及社会发展需求多方面双驱动的结果，经过30多年的发展，已经成为一个涉及内容广泛、多学科介入和交叉、充满创新活力的领域。第4页，共37页，2023年，2月20日，星期三生物传感器发展阶段20世纪60～70年代，起步阶段：传统酶电极20世纪70年代末期到80年代，发展高潮阶段：介体酶电极20世纪90年代以后市场开发获得显著成绩生物亲和传感器的技术突破酶的直接电化学第5页，共37页，2023年，2月20日，星期三第二节生物传感器的原理和特点生物敏感膜(biosensitivemembrane)又称分子识别元件(molecularrecognitionelement),是生物传感器的关键元件，直接决定传感器的功能和质量．待分析物生物敏感膜化学量或物理量变化换能器可定量加工的电信号第6页，共37页，2023年，2月20日，星期三生物传感器的工作原理根据生物分子识别部分发生的变化分为下列四种：1）将化学变化转变为电信号2）将热变化转换为电信号3）将生物光效应转换为电信号4）直接诱导电信号第7页，共37页，2023年，2月20日，星期三生物传感器的分类1）根据生物传感器中分子识别元件中的敏感物质分类：酶传感器、微生物传感器、细胞器传感器、免疫传感器2）依所用换能器来分类：电化学生物传感器、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3）根据传感器输出信号产生的方式来分类：代谢型或催化型生物传感器；亲和型生物传感器第8页，共37页，2023年，2月20日，星期三生物传感器的主要特点（1）特异性好：能从复杂的系统中准确测出某一物质的浓度。（2）灵敏度高：可检测0.1~1.0ppm浓度的物质，最小极限为10-10g/mL。（3）稳定性相对较差：检测结果易受物理和化学环境因素的影响。（4）不能加热杀菌处理：其中的生物物质有失活的可能，因此一般不能加热杀菌处理。（5）制作工艺精细，废品率高，成本昂贵。第9页，共37页，2023年，2月20日，星期三分子识别元件分类法酶传感器微生物传感器组织传感器细胞传感器核酸传感器免疫传感器分子印迹生物传感器EnzymesensorMicrobialsensorTissuesensorOrganellesensorDNA/RNAsensorimmunosensorMolecularimprintedbiosensor第三节生物传感器的敏感元件第10页，共37页，2023年，2月20日，星期三酶传感器各种酶微生物传感器微生物细胞细胞器传感器细胞膜、线粒体、电子传递体、微粒体等细胞器组织传感器细胞组织免疫传感器抗原、抗体基因（DNA）传感器核酸（DNA、RNA）第11页，共37页，2023年，2月20日，星期三器件分类法光生物传感器电导/阻抗生物传感器声波生物传感器热生物传感器电化学生物传感器半导体生物传感器悬臂梁生物传感器OpticalbiosensorCalorimetricbiosensorAcousticwavebiosensorConductive/impedancebiosensorElectrochemicalbiosensorSemiconductbiosensorCantileverbiosensor第12页，共37页，2023年，2月20日，星期三

生物物质发出的信号转换器可传递信号信号转换器生物反应产生的信号电极式各种电极活性物质，如O2、CO2、H+、NH4+等热敏电阻式热光电纤维式光半导体式电场压电晶体式气体等离子体共振式磁场第13页，共37页，2023年，2月20日，星期三酶传感器酶：产生于生物体内具有催化活性的一类蛋白质。酶在生命活动中参与新陈代谢、生长、发育、繁殖与运动过程中所有生化反应。具有以下特点：1）酶的催化反应条件极易达到，这使酶极易用作敏感元件2）酶的催化效率比一般催化剂高约106-10133）酶的催化作用具有高度专一性4）酶的活性在生物体内受各种元素的调节与控制第14页，共37页，2023年，2月20日，星期三酶传感器：包括酶电极、酶场效应晶体管、酶热敏电阻、发光型生物传感器等。酶电极：实际上它是一种电池。在原电极上覆盖一层由酶制成的膜，许多有机物在酶的催化下与氧反应，放出NH3、H2O2、CO2等，它们溶解到内电解液中，由有关的离子选择电极测出它们的变化，从而测定该有机物。由于酶的专一性强，故酶电极的选择性特别好。目前已有几十种酶电极，它可以测一些生化体系的物质，如尿素、葡萄糖、氨基酸、胆固醇、青霉素、苦味仁苷等。第15页，共37页，2023年，2月20日，星期三酶场效应晶体管：简记ENFET，是由酣膜和ISFET两部分构成、其中的ISFET又多为PH-ISFET，其结构如图所示。把酶膜固定在栅极绝缘膜(Si3N4-SiO2)上、进行测量时，由于酶的催化作用，使待测的有机分子反应生成ISFET能够响应的离子。Si3N4，表面离子浓度发生变化时，表面电荷将发生变化，场效应晶体管栅极对表面电荷非常敏感，由此引起栅极的电位变化，这样就可以对漏极电流进行调制。第16页，共37页，2023年，2月20日，星期三第17页，共37页，2023年，2月20日，星期三酶热敏电阻：由固定化酶和热敏电阻组合而成，利用的原理是温度引起电阻变化。酶反应总是伴有热效应发生，若放出热量全部用于反应体系温度升高，则应满足下列关系式：式中n为产物的摩尔数，ΔH为酶催化反应的焓变，ΔT为反应体系的温度变化，C为反应体系的热容量。第18页，共37页，2023年，2月20日，星期三发光型生物传感器：主要是利用萤火虫莹虫素酶体系、细菌莹虫系酶体系的生物发光测定多种酶和代谢产物，以及利用过氧化物测定H2O2，而H2O2在多种化学反应中均可产生。测定方法是将发光反应的有关成分放置玻璃杯中置于光电倍增管前端，根据发光反应的光辐射测定所测物的含量。或将发光的敏感物质酶制成酶膜，装在光导纤维一端，经光导纤维传到另一端，用光子计数器进行计测。第19页，共37页，2023年，2月20日，星期三微生物传感器微生物膜作为分子识别元件利用：①利用微生物细胞内单一或多个酶的机能来识别分子—类似于酶传感器；②利用微生物的生理机能。第20页，共37页，2023年，2月20日，星期三微生物传感器主要由固定化微生物膜和转换器件组成。转换器件可供使用的较多，但主要有电化学电极和场效应晶体管。酶活性测定型——以微生物酶催化反应的活性为指标；（类似于酶传感器）呼吸活性测定型——以微生物呼吸活性为指标；电极活性物质测定型——以微生物代谢产物为指标。第21页，共37页，2023年，2月20日，星期三（1）呼吸活性测定型——必须是好气性微生物氧浓度↓氧电极电流值↓

CO2生成CO2电极电位值↑

氧

微生物利用的被测物质好气微生物膜第22页，共37页，2023年，2月20日，星期三（2）电极活性物质测定型——包括厌氧和好氧微生物待测物质固定化微生物膜

CO2CO2电极电位式H2铂阳极，Ag2O2阴极电流式NH3氨电极电位式H+玻璃电极电位式还原型辅酶燃料电极电流式第23页，共37页，2023年，2月20日，星期三微生物传感器特点：（1）微生物较酶易获得，价格相对较低；（2）稳定性好，连续使用时间可达一个月左右；（3）响应时间比酶传感器长，多数在10分钟左右；（4）特异性较酶传感器差。第24页，共37页，2023年，2月20日，星期三免疫传感器免疫电极是以免疫物质（抗原或抗体）作为敏感元件的电化学生物传感器。抗原：一种进入机体后刺激机体产生免疫反应的物质。他可能是生物体（如病毒细菌等各种微生物），也可能是非生物体（如各种异性蛋白、多糖等）。抗体：是一种免疫球蛋白。第25页，共37页，2023年，2月20日，星期三免疫物质的高特异性识别使免疫电极具有很高的特异性。根据测定过程是否需要标记物可分为直接免疫电极和间接免疫电极。第26页，共37页，2023年，2月20日，星期三（1）直接免疫电极——不用任何标记物

例如（设抗体为被测物）：抗体电信号（电压）电化学或电学变化膜电压变化特点：不需额外试剂，仪器要求简单，操作容易，响应快；缺点：灵敏度低，因而难以作为标准检测方法

第27页，共37页，2023年，2月20日，星期三2）间接免疫电极-需要制备酶标抗体或酶标抗原结合物

利用标记物将免疫反应的信号放大后间接测定抗原或抗体，这类电极称为间接免疫电极，亦称酶联免疫测定法或ELISA法（enzymelinkedimmunoassay）。第28页，共37页，2023年，2月20日，星期三例如（设抗体为被测物）：推测试样中抗体浓度

抗体↓固定化酶标抗原膜抗体与酶标抗原结合↓

改变酶标抗原存在状态↓固定化酶标抗原膜←底物状态改变的酶标抗原催化底物反应↓反应速度与试样中抗体浓度有关↓第29页，共37页，2023年，2月20日，星期三

DNA传感器DNA测定主要指靶DNA的检测、DNA序列测定和DNA杂交测定。DNA测定在分子生物学及其基因操作研究、临床诊断、反恐侦检、食品安全、检疫等方面应用广泛。传统的DNA检测主要依靠膜上分子杂交和电泳，其特点是技术要求高，时间长、成本高、效率低。近年来DNA传感器和DNA列阵的出现，使DNA的检测大大减化。第30页，共37页，2023年，2月20日，星期三（2）DNA传感器的分类★按转换器的不同可分为电极型（电化学型）、光学型和质量型等。其中应用最广泛的电极型DNA传感器，根据其作用原理的不同可分为五大类：A.直接DNA电化学型（directDNAelectrochemistry）B.间接DNA电化学型（indirectDNAelectrochemistry）C.特异性氧化还原指示剂型（specificredoxindicator）D.DNA介导的带电输出型（DNA-mediatedchargetransport）E.纳米颗粒电化学放大型（nanoparticleselectrochemicalenhancing）第31页，共37页，2023年，2月20日，星期三（3）DNA电化学传感器原理DNA电化学传感器通常由已知序列的单链DNA（ssDNA，通常称为探针）分子和电极组成。样品中互补的ssDNA固定化ssDNA

dsDNA电极表面

电信号变化识别和测定靶基因杂交反应结构变化电化学反应第32页，共37页，2023年，2月20日，星期三第四节应用领域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。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