生物傳感器概述及應(yīng)用

1、生物傳感器概述及應(yīng)用,一、概述,,傳感器（sensor，transducer） ——能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。,按檢測(cè)對(duì)象劃分,傳感器,物理傳感器,化學(xué)傳感器,生物傳感器,,,感受器為非生命物質(zhì),感受器為生命物質(zhì),,二、生物傳感器定義,生物傳感器是以固定化的生物材料作為敏感元件，與適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換元件結(jié)合所構(gòu)成的一類傳感器。,酶具有識(shí)別特定分子的能力,1962年，

2、 L.C.Clark,酶與電極結(jié)合起來(lái)測(cè)定酶的底物,,生物傳感器是用生物成分作為感受器的傳感器。,固定化葡萄糖氧化酶（GOD）＋氧電極,葡萄糖電極,1967年，Updike和Hicks,,,,第一個(gè)酶電極,,使用溶解性酶，難重復(fù),1956, L.C. Clark : oxygen electrode􀂄 1962, L.C. Clark : biosensor concept (electrochemical sens

3、or + enzyme transducers as membrane = enzyme electrode),oxygen electrode 　　　　　　　　　　enzyme electrode,三、生物傳感器原理,,,酶輔酶維生素抗原抗體,生物功能膜（酶、微生物、細(xì)胞器、組織、細(xì)胞、抗原、抗體）,待測(cè)物質(zhì),,擴(kuò)散作用,固定化生物敏感膜層,分子識(shí)別,,生物學(xué)反應(yīng),,,電信號(hào),換能器,,（一）生物分子特異性識(shí)別（生物感受器）,

4、生物分子經(jīng)固定化后形成的一種膜結(jié)構(gòu)，對(duì)被測(cè)定的物質(zhì)有選擇性的分子識(shí)別能力。,生物傳感器的分子識(shí)別元件,（二）信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理,生物傳感器的信號(hào)處理方法,將識(shí)別元件上進(jìn)行的生化反應(yīng)中消耗或生成的化學(xué)物質(zhì)，或產(chǎn)生的光或熱等轉(zhuǎn)換為可用信號(hào)，并呈現(xiàn)一定的比例關(guān)系。,,,,換能器感知固定化配基與待測(cè)物結(jié)合產(chǎn)生的微小變化，其質(zhì)量好壞決定了傳感器的靈敏度。,,,,,,,,,,,,,感受器是生物傳感器的心臟。制備分兩方面工作，一是選擇最佳載體材料（需活化

5、）；二是在載體表面固定化親和配基（非共價(jià)和共價(jià)）,,（三）生物傳感器分子識(shí)別機(jī)理,1、酶促反應(yīng)2、免疫化學(xué)反應(yīng) 3、生物反應(yīng)中的物理量變化4、微生物反應(yīng),1、酶促反應(yīng),,E + S → ES → E + P,,2、免疫化學(xué)反應(yīng),抗體Ab 抗原Ag,,3、微生物反應(yīng),微生物,,呼吸或代謝,產(chǎn)生一些電活性物質(zhì),消耗溶液中的溶解氧,,檢測(cè),,,（1）熱焓變化 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一個(gè)能自發(fā)進(jìn)行

6、的反應(yīng)，總伴隨著自由能的降低。 △G＝△H－T·△S 酶促反應(yīng)和微生物反應(yīng)常常釋放出可觀的熱量，根據(jù)焓變可定量測(cè)定底物的濃度。,4、生物學(xué)反應(yīng)中的物理量變化,,（2）生物發(fā)光 生物發(fā)光是由于某些生物體內(nèi)的一些特殊物質(zhì)（如熒光素）的氧化而產(chǎn)生的現(xiàn)象。,FMNH(OOH) · E+RCHO→FMN+R·CO2H+E+H2O+hυ,細(xì)菌發(fā)光其強(qiáng)度取決于積累的還原型FMN的量。,

7、FMNH2+E+O2 →FMNH(OOH) · E,,（3）顏色反應(yīng),,生物體內(nèi)產(chǎn)生色素,酶與底物作用后產(chǎn)生有顏色物質(zhì),,培養(yǎng)基中的電惰性物質(zhì),電活性產(chǎn)物,,微生物代謝,培養(yǎng)液的導(dǎo)電性增大，阻抗降低,,（4）阻抗變化,五、生物傳感器的種類：,（１）按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分類（２）按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分類?。ǎ常┌凑諅鞲衅髌骷z測(cè)的原理分類,,,,六、生物傳感器特點(diǎn),(1)測(cè)定過(guò)程簡(jiǎn)單。生物傳感器使用時(shí)一般不

8、需要樣品的預(yù)處理，樣品中的被測(cè)組分的分離和檢測(cè)同時(shí)完成，且測(cè)定時(shí)一般不需加入其它試劑。(2)體積小、攜帶方便，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測(cè)、在線檢測(cè)。(3)響應(yīng)快，樣品用量少，敏感材料是固定化的，看反復(fù)多次使用。 (4)準(zhǔn)確度和靈敏度高。一般相對(duì)誤差不超過(guò)1％。(5)專一性強(qiáng)，只對(duì)特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響。(6)成本低。,七、生物傳感器應(yīng)用領(lǐng)域,,1、食品工業(yè) 　　生物傳感器在食品分析中的應(yīng)用包括食品成分、食品添加劑、有

9、害毒物及食品鮮度等的測(cè)定分析。,食品鮮度魚(yú)鮮度傳感器 在日本、加拿大等國(guó)廣泛用于魚(yú)類鮮度的測(cè)定。魚(yú)死后體內(nèi)ATP經(jīng)酶解依次形成ADP、AMP、IMP、肌苷、次黃嘌呤和尿酸。鮮度可用K值表示：,魚(yú)死后5～20h，ATP，ADP和AMP已分解盡，超過(guò)24h，鮮度主要取決于IMP--肌苷--次黃嘌呤--尿酸。 將這三個(gè)步驟的三種酶（5’－核苷酸酶、核苷磷酸化酶、黃嘌呤氧化酶）固定在氧電極上，制成魚(yú)鮮度測(cè)定儀。 當(dāng)K＜

10、20時(shí)，魚(yú)極新鮮，可供生食。 K在20～40之間為新鮮，必須熟食。 K大于40，不新鮮，不宜食用。,肉鮮度傳感器,肉類在腐敗過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種胺類，故胺類測(cè)定能反映肉類的新鮮程度。 用腐胺氧化酶與過(guò)氧化氫電極構(gòu)成多胺生物傳感器，或用單胺氧化酶膜和氧電極組成的酶?jìng)鞲衅鳒y(cè)定肉在貯藏過(guò)程中的鮮度。,污染微生物及病原菌的檢測(cè),1 通過(guò)免疫學(xué)方法，即獲得相應(yīng)的特異性抗原和抗體進(jìn)行分析和檢測(cè)。,(1)將適宜的酶與抗原或抗體結(jié)

11、合在一起。制成酶標(biāo)抗體（或酶標(biāo)抗原 ）；(2)將酶標(biāo)抗體（或酶標(biāo)抗原）與樣品中的待測(cè)抗原（或抗體）混合，通過(guò)免疫反應(yīng)二者即可特異性地結(jié)合在一起，形成酶－抗體－抗原復(fù)合物。(3)通過(guò)酶催化反應(yīng)的速度即可測(cè)定復(fù)合物中酶的含量，進(jìn)而測(cè)出樣品中的待測(cè)抗原（或抗體）的量。,酶聯(lián)免疫測(cè)定,,2、環(huán)境監(jiān)測(cè),德國(guó)研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀,,3、發(fā)酵工業(yè) 微生物傳感器具有成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、不受發(fā)酵液混濁程度的限制、可能消除發(fā)酵過(guò)程中干擾

12、物質(zhì)的干擾等特點(diǎn)。 微生物傳感器可用于測(cè)量發(fā)酵工業(yè)中的原材料和代謝產(chǎn)物。還用于微生物細(xì)胞數(shù)目的測(cè)定。利用這種電化學(xué)微生物細(xì)胞數(shù)傳感器可以實(shí)現(xiàn)菌體濃度連續(xù)、在線的測(cè)定。,生物傳感在線分析系統(tǒng)，為發(fā)酵自動(dòng)控制提供了新的基礎(chǔ)平臺(tái),發(fā)酵罐,主機(jī),計(jì)算機(jī),,4、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 在臨床醫(yī)學(xué)中，酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器。在軍事醫(yī)學(xué)中，對(duì)生物毒素的及時(shí)快速檢測(cè)是防御

13、生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測(cè)多種細(xì)菌、病毒及其毒素。,SBA-50型單電極生物傳感分析儀,谷氨酸(乳酸)-葡萄糖雙功能分析儀,SBA-70型血糖乳酸自動(dòng)分析儀,手掌型葡萄糖(glucose)分析儀,,班氏尿糖估計(jì)法確定胰島素用量,在葡萄糖傳感器問(wèn)世之前，患者需采用所謂“班氏試驗(yàn)?zāi)蛱枪烙?jì)法”來(lái)指導(dǎo)胰島素注射量。這一方法相當(dāng)煩瑣，需備酒精燈一個(gè)、試管一支、吸管一支、班氏劑一瓶。每次注射胰島素前，取班氏試劑2毫升放入試管中，置酒