生物传感技术

生物传感技术

生物传感技术全文共80页，当前为第1页。一．生物传感器简介

二．生物传感器分类

三．生物传感技术的分子识别原理与技术四．生物传感器的固定化方法五．生物传感器的信号转换器六．生物芯片技术七．生物传感器的应用

生物传感技术全文共80页，当前为第2页。一．生物传感器简介

I.概述

生物传感技术是一门由生物、化学、物理、医学、电子

技术等多种学科相互渗透成长起立的高新技术，在生物医学、

环境监测、食品、医药及军事医学等邻域有着重要应用价值。

21世纪是生命科学的时代，随着“人类基因组工作草图”的

完成、纳米生物技术和纳微电子加工技术的出现，无论在原

理上还是加工技术上都将为生物传感技术带来巨大变革。

生物传感技术全文共80页，当前为第3页。

生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器，二者结合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

生物传感器的特点：

1.采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点；

2.专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响；

生物传感技术全文共80页，当前为第4页。3.分析速度快，可以在一分钟内得到结果；

4.准确度高，一般相对误差可以达到1%；

5.操作系统比较简单，容易实现自动分析；

6.成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币；

7.有的生物传感器能够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。

II.生物传感器的工作原理

生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定实现测

量，主要由两大部分组成：一为功能识别物质（分子识别元

件），由其对被测物质进行特定识别；其二是电、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。

生物传感技术全文共80页，当前为第5页。

生物体内存在彼此间有特殊亲和力的物质对，如酶与底物、抗原与抗体、激素与受体等，若将这些物质对的一方用固定化技术固定在载体膜上作为分子识别元件（敏感元件），则能有选择性地检测另一方。

待分析物

生物敏感膜

换化学量或

物理量变化

能器

可定量加工

的电信号

生物传感器传感原理图

生物传感技术全文共80页，当前为第6页。

生物敏感膜又称分子识别元件,是生物传感器的关键元件，直接决定传感器的功能和质量。

待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生的信息如光、热、音等被相应的信号转换器变为可定量处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度。

化学物质

热

光

质量

介电性质

分子识别

生物功能性膜

电极、半导体等

热敏电阻

光纤、光度计

压电晶体等

表面等离子共振

电

信

号

信号转换器

生物传感技术全文共80页，当前为第7页。生物传感器的组成

酶、抗体、核酸、细胞等。

电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振等。

酶(Enzyme)抗体(Antibody)DNA敏感元件：

转换器：生物传感技术全文共80页，当前为第8页。分子识别元件（生物敏感膜）生

物活性材料

酶

全细胞

组织

细胞器

免疫物质

具有生物亲和能力的物质

核酸

模拟酶

各种酶电极

细菌，真菌，动物，植物的细胞

动物、植物的组织切片

线粒体，叶绿体

抗体，抗原，酶标抗原等

配体，受体

寡聚核苷酸

高分子聚合物

生物传感器的分子识别元件

生物传感器的选择性与分子识别元件有关，取决于与载体相结合的生物活性物质。

生物传感技术全文共80页，当前为第9页。生物学反应信息

离子变化

电阻变化、电导变化

质子变化

气体分压变化

热焓变化

光学变化

颜色变化（也属于光学范畴）

质量变化

力变化

换能器选择

离子选择性电极

阻抗计，电导仪

场效应晶体管

气敏电极

热敏电阻，热电偶

光纤，光敏管，荧光计

光纤，光敏管

压电晶体管

微悬臂梁

生物学反应信息和换能器的选择

换能器的作用是将各种生物的、化学的和物理的信息转化成电信号。

生物传感技术全文共80页，当前为第10页。III.生物传感器的发展历程

1.开端于20世纪60年代。

2.1962年克拉克等人报道了用葡萄糖氧化酶与氧电极组合检测葡萄糖的结果，可认为是最早提出了生物传感器(酶传感器)的原理。

3.1967年Updike等人实现了酶的固定化技术，研制成功酶电极，这被认为是世界上第一个生物传感器。

4.20世纪70年代中期后,生物传感器技术的成功主要集中在对生物活性物质的探索、活性物质的固定化技术、生物电信息的转换以及生物传感器等研究上,并获得了较快的进展，如Divies首先提出用固定化细胞与氧电极配合，

生物传感技术全文共80页，当前为第11页。组成对醇类进行检测的“微生物电极”。

5.1977年,钤木周一等发表了关于对生化需氧量(BOD)进行快速测定的微生物传感器的报告，并在微生物传感器对发酵过程的控制等方面，作了详细报导，正式提出了对生物传感器的命名。

生物传感技术全文共80页，当前为第12页。二．生物传感器分类

1.根据输出信号产生的方式

生物亲和型、代谢型、催化型；

2.根据生物分子识别元件上的敏感物质

酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基因传感器等；

3.根据信号转化器

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、测声型生物传感器等；

4.其他分类

被测对象、大小、功能。

生物传感技术全文共80页，当前为第13页。酶传感器

免疫传感器

组织传感器

分子识别元件

分类法

细胞传感器

核酸传感器

微生物传感器

分子印迹生物

传感器

光生物传感器

热生物传感器

声波生物传感器

器件分类法

电导/阻抗生物传感器

电化学生物传感器

半导体生物传感器

悬臂梁生物传感器

生物传感技术全文共80页，当前为第14页。生物亲和型传感器

被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发生变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。反应式可表示为：

S（底物）+R（受体）=SR代谢型传感器

底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型传感器，其反应形式可表示为：

S（底物）＋R（受体）=SR→P（生成物）

生物传感技术全文共80页，当前为第15页。三．生物传感技术的分子识别原理与技术

分子识别元件

换能器

分子识别元件和换能器是生物传感器的主要组成部分。

分子识别元件即感受器，具有分子识别能力的生物活性物质（如组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等）；

换能器主要有电化学电极（如电位、电流的测量）、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等，从而达到分析监测的目的。

生物传感技术全文共80页，当前为第16页。

生物传感器的分子识别元件又称敏感元件，主要指来源于生物体的生物活性物质，包括酶、抗原、抗体和各种功能蛋白质、核酸、微生物细胞、细胞器、动植物组织等。当它们用作生物传感器的敏感元件时，都无一例外地具有对靶分子（待检测对象）特异的识别功能。

?

酶反应

?

微生物反应

?

免疫学反应

?

核酸反应

?

催化抗体

?

催化核酸

生物传感技术全文共80页，当前为第17页。1.酶及酶反应

①酶的定义

酶是细胞产生的、以蛋白质为主要成分、能加快反应速率、并且具有催化专一性的生物催化剂。

酶是活细胞产生的一类具有特殊三维空间构象的功能化蛋白质。生物体内代谢过程中发生的化学反应绝大多数是在酶的催化下进行的，酶的存在是在生物体进行新陈代谢的必要条件。

酶具有催化剂的共性：

可以降低生化反应的活化能，使活化分子数大大增加，故少量的酶即可大大加快反应的速度。

只改变反应速度而不改变反应的平衡点，即酶加速达到平衡而不改变平衡的位置，它不能催化热力学上不能进行的反应。

酶参加生化反应前后无变化，故可重复使用，因而具有化学放大的功能。

生物传感技术全文共80页，当前为第18页。②酶的蛋白质性质

酶都是蛋白质，或者以蛋白质为主要成分。主要证据：

a)蛋白质是氨基酸组成的，而酶的水解产物都是氨基酸，酶也是由氨基酸组成的。

b)酶具有蛋白质所具有的颜色反应。

c)一切能使蛋白质变性的因素，如热、酸、碱、紫外线等，同样可以使酶变性失活。

d)酶同样具有蛋白质所具有的大分子性质，如不能透过半透膜，可以电泳，并有一定等电点。

③酶的催化性质

a)高度专一性，或称特异性。“一种酶，一种底物”；

b)催化效率高。以分子比为基础，其催化效率是其他催化剂的107~1013倍；

生物传感技术全文共80页，当前为第19页。c)酶是蛋白质，遇高温、酸碱容易失活，酶催化一般在温和条件下进行。

d)有些酶(如脱氢酶)需要辅酶或辅基，若辅助成分除去，则酶不表现催化活性。

e)酶在体内的活力常常受多种方式调控，包括基因水平调控，反馈调节，激素控制，酶原激活等。

f)酶促反应产生的信息变化有多种形式，如热、光、电、离子化学等。

④酶量表示法

酶活力单位用国际单位(InternationalUnit,IU)表示，一个酶活力单位指在特定条件下(如25℃,pH及底物等其他条件采用最佳条件),在1min能转化1?mol底物分子的酶量,单位为IU。

酶比活力(specificactivity)指1mg酶所具有的酶活力,一般用IU/mg表示，比活性高,说明酶的纯度高。

生物传感技术全文共80页，当前为第20页。酶含量指每克或每毫升酶制剂含有的活力单位数,即IU/g或IU/ml。

⑤酶的作用机理

a.降低反应活化能

酶的构象对底物分子显示分子识别能力，可作为一种催化剂，加速反

应的进程，这样的反应称为酶促反应。酶可以使反应至少加速100万倍。

酶对应的加速是通过酶与底物结合形成复合物以降低反应的活化自由能

实现的。这种复合物的形成为反应提供了一条新的途径，它的过度态能

量要比没有酶条件下相应所需要的能量低的多。

活化能:在一定温度下,1mol底物全部进入活化态所需要的自由能F(freeenergy),单位是

J/mol。

生物传感技术全文共80页，当前为第21页。b.酶的高效催化活性来源于以下几个方面

a)张变、扭曲效应。进行酶反应时，底物先与酶形成酶-底物复合物，由于互补不甚精确，从而导致底物产生某种张变、扭曲，使基态底物转变为过度态构象，降低活化能，加快反应速度。

b)酸碱催化。酶分子中具有各种酸性或碱性氨基酸侧链，酸碱催化通过瞬时向反应物提供质子或从反应物中汲取质子，以稳定过渡态，加速反应。

c)亲核、亲电子催化。在催化时，亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或汲取电子并作用底物的缺电子中心或负电中心，迅速形成不稳定的共价复合物，降低反应自由能，加速反应。

d)多元催化和协同效应。酶分子是一个拥有多种不同侧链基团组成活性中心的大分子，这些基团在催化过程中根据各自的特点发挥不同的作用。而酶的催化作用则是一个综合结果，是通过这些侧链基团的协同作用共同完成的。

生物传感技术全文共80页，当前为第22页。⑥结构专一性

酶催化的专一性是由酶蛋白分子(尤其是分子中的活性部分)结构特性决定的。

族专一性

对底物的化学键及一端有要求

对底物的化学键有要求

专一性较低

对底物专一性程度的不同

键专一性

仅对一种物质催化

对底物的化学键及两端有要求

立体专一性

对底物的化学结构和立体有要求

生物传感技术全文共80页，当前为第23页。⑦影响酶促反应的因素

影响酶促反应的因素很多，除了酶和底物的性质，还有酶的抑制剂、温度、pH值、酶的活性和底物浓度等。

a.抑制剂

永久性(不可逆):不可逆抑制剂的结合位点通常与底物的结合位点不同，

它是通过分解酶与底物的复合物来抑制反应物的生成，因此这种抑制不

能通过加过量的底物来消除。可用化学方法除去抑制剂，使酶复活。

暂时性(可逆)：是抑制剂和酶很快达成平衡。由于酶和抑制剂的结合是

可逆的，所以可逆抑制剂可以被大浓度的正常底物所取代。

b.温度

温度主要影响酶的稳定性。它导致酶的构象变化而影响酶和底物的结合，

降低酶促反应的最大反应速度。

生物传感技术全文共80页，当前为第24页。c.pHpH对酶促反应的影响：使酶的空间结构破坏，引起酶的失活；影响酶活性部位催

化基团的解离状态，使底物不能分解为产物；影响酶活性部位结合基团的解离状态，

使其不能与底物结合；影响底物的解离状态，使底物不能和酶结合，或结合后不能

生成产物。

酶传感器实例

它将活性物质酶覆盖在电极表面，酶与被测的有机物或无机物反应，形成一种能被电极响应的物质。

例如，脲在尿素酶催化下发生反应。

1967年Updick和Hicks将固定化的葡萄糖氧化酶膜结合在氧电极上，做成了第一支葡萄糖电极；此后，这类酶传感器通常是通过检测产物H2O2的浓度变化或氧的消耗量来检测底物。

生物传感技术全文共80页，当前为第25页。生物传感技术全文共80页，当前为第26页。2.微生物反应

①微生物反应的特点

微生物反应过程是利用微生物进行生物化学反应的过程,就是将微生物

作为生物催化剂进行的反应.酶在微生物反应中起最基本的催化作用。

微生物反应与酶促反应的共同点：

?同属生化反应,都在温和条件下进行；

?凡是酶可以催化的反应,微生物也可以催化；

?催化速度接近,反应动力学模式近似。

②微生物反应的特殊性

?

微生物细胞的膜系统为酶反应提供了天然的适宜环境,细胞可以在相当长的时间内保持一定的催化活性；

?

在多底物反应时,微生物显然比单纯酶更适宜作催化剂；

?细胞本身能提供酶促反应所需要的各种辅助因子和能量；

?微生物细胞比酶的来源更方便、更便宜。

生物传感技术全文共80页，当前为第27页。③微生物作为传感器分子识别元件时不利因素

?

微生物反应通常伴随细胞的生长和死亡，不易建立分析标准；

?

细胞是多酶系统，许多代谢途径并存，难以排除不必要的反应；

?

环境变化会引起微生物生理状态的复杂化,不适当的操作会导致代谢转

换现象，出现不期望有的反应。

④微生物反应类型

a.同化与异化(根据微生物代谢流向)

同化作用或组成代谢：细胞将底物摄入并通过一系列生化反应转变成

自身的组成物质,并储存能量。

异化作用或分解代谢：细胞将自身的组成物质分解以释放能量或排出

体外。

生物传感技术全文共80页，当前为第28页。b.自养与异养(根据微生物对营养的要求)

自养：自养微生物以CO2作为主要碳源,无机氮化物作为氮源,通过细菌的光合作用或化能合成作用获得能量。

异养：异养微生物以有机物做碳源,无机物或有机物作氮源,通过氧化有机物获得能量。

绝大多数微生物种类都属于异养型。

c.好气性与厌气性(根据微生物反应对氧的需求与否)

好氧性微生物：在有空气的环境中才易生长繁殖的微生物。

厌氧性微生物：必须在无分子氧的环境中生长繁殖的微生物。

d.细胞能量的产生与转移

微生物反应所产生的能量大部分转移为高能化合物。

生物传感技术全文共80页，当前为第29页。

高能化合物是指含转移势高的基团的化合物,其中以ATP最为重要,它不仅潜能高,而且是生物体能量转移的关键物质,直接参与各种代谢反应的能量转移。

微生物传感器分为两类：

一类是利用微生物在同化底物时消耗氧的呼吸作用；

另一类是利用不同的微生物含有不同的酶。

好氧微生物在繁殖时需消耗大量的氧，可以氧浓度的变化来观察微生物与底物的反应情况。

生物传感技术全文共80页，当前为第30页。

装置：由适合的微生物固定化膜与氧电极组成。

原理：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。

例如，荧光假单胞菌，能同化葡萄糖；芸苔丝孢酵母可同化乙醇，因此可分别用来制备葡萄糖和乙醇传感器，这两种细菌在同化底物时，均消耗溶液中的氧，因此可用氧电极来测定。

生物传感技术全文共80页，当前为第31页。3.免疫反应

免疫指机体对病原生物感染的抵抗能力。

自然免疫是非特异性的,即能抵抗多种病原微生物的损害。

获得性免疫是特异性的,在微生物等抗原物质刺激后才形成(免疫球蛋白等),并能与该抗原起特异性反应。

①抗原

a.抗原的定义

抗原是能够刺激动物机体产生免疫反应的物质,但从广义的生物学观点

看,凡是具有引起免疫反应性能的物质,都可称为抗原。

b.抗原的种类

按抗原物质的来源,抗原分为三类：

???天然抗原；

人工抗原

合成抗原。

生物传感技术全文共80页，当前为第32页。c.抗原的理化性质

a)物理性状

分子质量对免疫原性的影响：

分子质量越大抗原性越强,原因在于复杂的大分子物质表面抗原决定簇较

多,化学性质相对稳定,在体内存留时间长,降解和排除速率较慢,有利于持续

刺激肌体免疫系统,产生免疫应答。

抗原构型对免疫原性的影响：

环壮构型>直线构型；聚合态分子>单体分子。

b)化学组成

绝大多数为蛋白质,可为纯蛋白质,也可为结合蛋白质。

d.抗原决定簇

抗原决定簇是抗原分子表面的特殊化学基团，抗原的特异性取决于抗原决定簇的性质、数目和空间排列。

生物传感技术全文共80页，当前为第33页。②抗体

抗体是由抗原刺激机体产生的具有特异性免疫功能的球蛋白，又称免疫球蛋白。

③抗原-抗体反应

抗原抗体的相互作用是所有免疫化学技术的基础。它们之间的反应是指抗原与抗体之间发生的特异性结合反应.这种反应可发生于体内,也可发生在体外。体内反应可介导吞噬、溶菌、杀菌、中和毒素等作用；体外反应则根据抗原的物质性状、抗体的类型及反应的特点而分为凝聚、沉淀、溶解反应等不同的类型。

a.基于抗原-抗体反应的检测技术主要应于以下几个方面：

?

用已知抗原检测未知抗体；

?

用已知抗体检测未知抗原；

?

定性或定量检测体内各种大分子物质；

?用已知抗体检测某些药物、激素等各种半抗原物质。

生物传感技术全文共80页，当前为第34页。b.影响抗原-抗体结合反应的因素

?

抗原抗体的性质

抗原-抗体反应的整体强度受3个因素控制:抗体对表位的内在亲和力,抗原抗体的结合价以及参与反应成分的立体结构。

?

电解质

抗原抗体发生特异性结合后,由亲水性胶体变为疏水性胶体,电解质的存在会使抗原-抗体复合物失去电荷而沉淀或凝集,出现可见反应。

?

酸碱度

蛋白质具有两性电离的性质,抗原抗体的反应必须在合适的pH环境中进行。

?

温度

一般在37℃,高温抗原抗体变性,低温反应太慢。

生物传感技术全文共80页，当前为第35页。④免疫分析

免疫分析是利用抗体与抗原的特异性结合作用来选择性识别和测定可以作为抗体或抗原的待测物.抗原-抗体反应的特异性和专一性决定了免疫反应具有很高的选择性。

a.沉淀法

可溶性抗体与其相应的抗原在液相中相互接触,可形成不溶性抗原-抗体

复合物而发生沉淀,包括扩散实验和电泳试验,此为经典的免疫学实验。

b.放射免疫测定法

利用放射性同位素示踪技术和免疫化学技术结合起来的方法,灵敏度高,特异性强,准确度高,重复性好。

c.免疫荧光测定法

高度的特异性和敏感性,可定位。

生物传感技术全文共80页，当前为第36页。d.酶联免疫测定法

用酶促反应的放大作用来显示初级免疫学反应。

灵敏度不高,但是特异性,重现性和准确性很好,成本低,稳定性好和操作安

全等,因此应用最广。

酶免疫分析主要有两种:夹心法和竞争法。

夹心法要求抗原至少有两个结合点，多用于测定大分子物质，产生的信号

强度与结合在固相上的抗原量成比例关系。

酶促反应

酶标记抗体

固相抗体

待检抗原

E底物

EE检

测

夹心法测抗原示意图

生物传感技术全文共80页，当前为第37页。

竞争法产生的信号强度与结合在固相上的酶标抗体量成正比例关系,与样品中的抗原量成反比关系.主要用于测定小分子抗原。

EEEE+EEE检

测

竞争法测抗原示意图

生物传感技术全文共80页，当前为第38页。

抗体对相应的抗原具有识别和结合的双重功能,在与抗原结合时，选择性强，灵敏度高，免疫传感器就是利用其双重功能将抗体或抗原和换能器组合而成的装置。

由于蛋白质分子(抗体或抗原)携带有大量电荷、发色基团等，当抗原抗体结合时，会产生电学、化学、光学等变化，通过适当的传感器可检测这些参数，从而构成不同的免疫传感器，总的来说可分为两类：(1)非标记型(2)标记型

如黄曲霉毒素传感器，它由氧电极和黄曲霉毒素抗体膜组成，加到待测样品中，酶标记的及未标记的黄曲霉毒素便会与膜上的黄曲霉毒素抗体发生竞争反应，测定酶标黄曲霉毒素与抗体的结合率,便可知样品中的含量。

生物传感技术全文共80页，当前为第39页。四．生物传感器的固定化方法

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。

1.物理方法：夹心法、吸附法、包埋法；

2.化学方法:共价连接法、交联法；

3.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。

生物传感技术全文共80页，当前为第40页。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。

生物传感技术全文共80页，当前为第41页。吸附法

?用非水溶性固相载体物理吸附或离子结合，使蛋白质分子固定化的方法。

?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。

生物传感技术全文共80页，当前为第42页。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困难。

生物传感技术全文共80页，当前为第43页。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。

生物传感技术全文共80页，当前为第44页。五．生物传感器的信号转换器

生物传感器中的信号转换器是将分子识别元件进行识别时所产生的化学的或物理的变化转换成可用信号的装置。

生物传感器的信号转换器已有许多种，其中到目前为止用得最多的且比较成熟的是电化学电极，用它组成的生物传感器称为电化学生物传感器。

可用作生物传感器的信号转换器的电化学电极，一般可以分为两种类型。电位型电极和电流型电极。

电化学电极（固体电极、离子选择性电极、气敏电极等）作为信号转换器已广泛用于酶传感器、微生物传感器及其他类型的生物传感器中。化学反应与电荷变化密切相关，将待测物质以适当形式置于电化学反应池，测量其电化学性质（如电位、电流和电容等）变化可实现物质含量的测定。

生物传感技术全文共80页，当前为第45页。1.1基本电化学概念

（1）固体电极的相间电位

将金属电极插入电解质溶液中，从外表看，似乎不起什么变化。但实际上，金属晶格上原子被水分子极化、吸引，最终有可能脱离晶格以水合离子形式进入溶液。同样，溶液中金属离子也有被吸附到金属表面的，最终二者达到一个平衡。

生物传感技术全文共80页，当前为第46页。由于核电粒子在界面间的净转移而产生了一定的界面电位差。该类电位主要产生于金属为基体的电极，它与金属本性、溶液性质、浓度等有关。

固体电极的相间电位

生物传感技术全文共80页，当前为第47页。（2）液体接界电位（浓差电位）

其产生的条件是相互接触的两液存在浓差梯度，同时扩散的离子其淌度不同。界面两侧HCl浓度不同，左侧的H+和Cl-不断向右侧扩散，同时由于H+的淌度比Cl-淌度大，最终界面右侧将分布过剩正电荷，左侧有相应的负电荷，形成了液体接界电位。

液体接界电位（浓差电位）

生物传感技术全文共80页，当前为第48页。（3）膜电极电位

一个离子选择性膜与两侧溶液相接触，膜相中离子I+与溶液中I+发生交换反应，最终在两个界面处会形成两个液体接界电位，由于膜较厚，膜相内也会存在不同离子扩散所产生的扩散电位d，因此整个膜电位m=D1+D2+d

生物传感技术全文共80页，当前为第49页。六．生物芯片技术

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。

生物传感技术全文共80页，当前为第50页。

常见的生物芯片主要有：基因芯片、蛋白质芯片和组织芯片。

基因芯片

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。

生物传感技术全文共80页，当前为第51页。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、蛋白质与核酸相互作用的原理进行杂交、检测和分析。

生物传感技术全文共80页，当前为第52页。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。

生物传感技术全文共80页，当前为第53页。芯片实验室

将生命科学研究中的许多不连续的分析过程如样品制备、生物化学反应和目标基因分离检测等烦琐的实验操作，通过采用像集成电路制作中的半导体光刻加工那样的缩微技术，移植到芯片上进行，使其连续化、微型化。

生物传感技术全文共80页，当前为第54页。七．生物传感器的应用

1、在环境监测中的应用

环境监测对于环境保护很重要。传统的监测方法有很多缺点：分析速度慢、操作复杂、且需要昂贵仪器，无法进行现场快速监测和连续在线分析。生物传感器的发展和应用为其提供了新的手段。利用环境中的微生物细胞如细菌、酵母、真菌用作识别元件，这些微生物通常可从活性泥状沉积物、河水、瓦砾和土壤中分离出来。

生物传感技术全文共80页，当前为第55页。

生物传感器在环境监测中应用最多的是水质分析。例如，在

河流中放入特制的传感器及其附件可进行现场监测。一个典型应

用是测定生化需氧量BOD。

传统方法测BOD需5天，且操作复杂。BOD的微生物传感器，

只需15min即能测出结果。国内外已研制出许多不同的微生物

BOD传感器以及其他用于水污染监测的微生物传感器，如基于重

金属离子对微生物新陈代谢的抑制来检测重金属离子污染物。

生物传感技术全文共80页，当前为第56页。?大气污染是一个全球性的严重问题，微生物传感器也可监测CO2、NO2、NH3、CH4之类的气体。一种利用噬硫杆菌的微生物传感器被研制出来，噬硫杆菌被固定在两片硝化纤维薄膜之间，当微生物新陈代谢增加时，溶解氧浓度下降，氧电极响应改变，从而测出亚硫酸物含量，具有良好的应用前景。

?又如:检测NOx的生物传感器。它利用氧电极和一种特殊的硝化细菌，此硝化细菌以亚硝酸物作唯一能源。当亚硝酸物存在时，硝化杆菌的呼吸作用增加，氧电极中溶解氧浓度下降，从而测出NOx含量。

生物传感技术全文共80页，当前为第57页。

2.用于农药和抗生素残留量的分析

随着科学的发展，不断有新

的农药和抗生素用于农牧业，它们在给人类带来富足的同时，也给人类健康带来了危害。所以对农药和抗生素残留量的测定，各国政府一向都非常重视。

生物传感技术全文共80页，当前为第58页。

近些年，人们就生物传感器在该领域中的应用也做了一些有益的探索。如Starodub等分别用乙酰胆碱酯酶AChE和丁酰胆碱酯酶BChE为敏感材料，制作了场效应晶体管酶传感器，两种生物传感器均可用于蔬菜等样品中有机磷农药DDVP和伏杀磷等的测定，检测限为10-7-10-5mol/L。

生物传感技术全文共80页，当前为第59页。?3.食品分析

生物传感器可广泛应用于食品工业生产中，如对食品原料、半成品和产品质量的检测，发酵生产中在线监测等。利用氨基酸氧化酶传感器可测定各种氨基酸（包括谷氨酸、L-天冬氨酸、L-精氨酸等十几种氨基酸）。可测定食品添加剂、甜味剂、酸味剂、抗氧化剂等。

生物传感技术全文共80页，当前为第60页。

鲜度是评价食品品质的重要指标之一，通常用人的感官检验，但感官检验主观性强，个体差异大，故人们一直在寻找客观的理化指标来代替。Volpe等曾以黄嘌呤氧化酶为生物敏感材料，结黄嘌呤氧化酶催化的是如下反应：

次黄嘌呤+H2O+O2

→黄嘌呤+合过氧化氢电极，通过测定鱼降解过程中产生的H2O2

黄嘌呤+H2O+O2

→尿酸+H2O2一磷酸肌苷IMP，肌苷HXP和次黄嘌呤HX的浓-

黄嘌呤+H2O+2O2

→尿酸+2O2（超氧阴离子）+2H+（氢离子）

度，以此来评价鱼的鲜度。

生物传感技术全文共80页，当前为第61页。4.生物医学上的应用

?1）.基础研究

生物传感器可实时监测生物大分子之间相互作用。借助于这一技术动态观察抗原、抗体之间结合和解离的平衡关系，可较为准确地测定抗体的亲和力及识别抗原表位，帮助人们了解单克隆抗体特性，有目的的筛选各种具有最佳应用潜力的单克隆抗体，而且较常规方法省时、省力，结果也更为客观可信，在生物医学研究方面已有较广泛的应用。

生物传感技术全文共80页，当前为第62页。?2）.临床应用

用酶、免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提出依据。如美国YSI公司推出一种固定化酶型生物传感器，利用它可以测定出运动员锻炼后血液中存在的乳酸水平或糖尿病患者的葡萄糖水平。还可预知疾病发作。如癫痫患者可戴着一个微小传感器，使用头皮上电极，预感癫痫发作，平均可以在7min之前预知癫痫发作到来。发觉之后可以从植入的药泵中释放药物，成功制止癫痫发作。

生物传感技术全文共80页，当前为第63页。?3）.生物医药

利用生物工程技术生产药物时，将生物传感器用于生化反应的监视，可以迅速的获取各种数据，有效的加强生物工程产品的质量管理。生物传感器已在癌症药物的研制方面发挥了重要的作用。如将癌症患者的癌细胞取出培养，然后利用生物传感器准确的测试癌细胞对各种致癌药物的反应，经过这种试验就可以快速地筛选出一种最有效的致癌药物。

生物传感技术全文共80页，当前为第64页。

（图片来源：密歇根大学）

利用该装置，无需显微镜即可测量出细菌的生长过程及药敏特征。

科学家将这种装置称为“异步磁珠转动（AMBR）传感器”，它采用了一种可以在磁场中异步旋转的磁性小珠，任何附着到这种磁珠的物质都会降低其转速。在这项研究中，研究人员将杆状大肠杆菌附着在磁珠上，然后用AMBR传感器进行检测。

生物传感技术全文共80页，当前为第65页。异步磁珠的原理：

“当单个细菌附着上去后，将极大地阻碍磁珠，使磁珠旋转速率减慢到原来的四分之一”，领导这项研究的RaoulKopelman教授解释，“若细菌再长大一点点，阻碍力将持续增大，转速也将随之变化，因而我们可测量出细菌的这种纳米级生长变化”。

生物传感技术全文共80页，当前为第66页。?利用同样的原理，该装置也可用于检测细菌的药敏性。当细菌受到药物影响停止持续生长，进而使得磁珠转速发生变化，于是研究人员便能在数分钟内知道药物是否对细菌产生了作用。

?“采用这种方法，我们可以检测到小至80纳米程度的细菌生长变化，远比一台光学显微镜管用——显微镜的解析度也就大约250纳米”，文章作者PaivoKinnunen说，“这种方法可以应用到任何微米级或纳米级的大小变化检测中”。

?研究人员表示，这种新型生物传感装置或将有助于加快细菌感染治疗。

生物传感技术全文共80页，当前为第67页。?5.军事上的运用

?现代战争往往是在核武器、化学武器、生物武器威胁下进行的战争。侦检、鉴定和监测是其中的重要环节，是进行有效化学战和生物战防护的前提。由于具有高度特异性、灵敏性和能迅速的探测化学战剂和生物战剂（包括病毒、细菌和毒素等）的特性，生物传感器将是最重要的一类化学战剂和生物战剂侦检器材。

生物传感技术全文共80页，当前为第68页。?1981年，Taylor等人成功地发展了两种受体生物传感器：烟碱乙酰胆碱受体生物传感器和某种麻醉剂受体生物传感器，它们能在10s内侦检出10-9（十亿分之一）浓度级的生化战剂，包括委内瑞拉马脑炎病毒、黄热病毒、炭疽病毒、流感病毒等。近年来，美国陆军医学研究和发展部研制的酶免疫生物传感器具有初步鉴定多达22种不