YYVIP易游第8章 生物传感器 课件(共44张PPT)- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学）

　　YYVIP易游·(中国有限公司)官方网站生物传感器通常是指由一种生物敏感部件和转化器紧密结合,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的分析装置。它是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控方法,也是对物质在分子水平上进行快速和微量分析的方法生物传感器的工作原理是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和处理的电信号，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。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。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.例如，过氧化氢酶,能催化过氧化氢/鲁米诺体系发光,因此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.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.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.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。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。根据传感器输出信号的产生方式,可分为生物亲合型生物传感器、代谢型或催化型生物传感器;根据生物传感器的信号转换器可分为电化学生物传感器、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。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：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一是生物分子识别元件(感受器),是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);二是信号转换器(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，当待测物与分子识别元件特异性结合后,所产生的复合物(或光、热等)通过信号转换器变为可以输出的电信号、光信号等,从而达到分析检测的目的。(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(6)可进行活体分析，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(7)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．离子选择性电极是一类对特定的离子呈选择性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、价廉等优点，因此应用范围很广．离子选择性电极作为生物传感器的信号转换器只是它的一种应用，在生物医学领域也常直接用它测定体液中的一些成分（如H+，K+，Na+，Ca2+等）。电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型电极相比有以下优点：（1）电极的输出直接和被测物的浓度呈线性关系，不像电位型电极那样和被测物浓度的对数呈线）电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相对误差比电位型电极的小．有不少酶特别是各种氧化酶和加氧酶在催化底物反应时要用溶解氧为辅助试剂，反应中所消耗的氧量就用氧电极来测定．此外，在微生物电极、免疫电极等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器，因此氧电极在生物传感器中用得很广。目前用得最多的氧电极是电解式的Clark氧电极，Clark氧电极是由铂阴极、Ag/AgCl阳极、KCl电解质和透气膜所构成。当将氧电极插入含有溶解氧的溶液后，溶液中的O2将扩散，透过透气膜到达铂阴极表面被还原，还原电流值与溶解氧的量有关．由于电化学理论和半导体理论的相互渗透。所以出现了一类能够对离子或分子敏感的半导体器件，并称之为化学敏感半导体器件。其中对离子敏传感器件研究的成果较多．离子敏场效应晶体管，即ISFET，它与常用的绝缘栅型场效应晶体管构造相同．不过在输入栅极做了一些改进，以能与特定的化学物质反应，产生电位的敏感膜取代金属极．让敏感膜直接与溶液接触，由于敏感膜对溶液中的离子有选择作用，从而调制ISFET的漏电流变化，利用这个特性就能检测一溶液中的离子活度．Ion-sensitive field-effect transistor(ISFET)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。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。(2)由于氧的溶解度有限,当溶解氧贫乏时,响应电流明显下降而影响检测限;第二代生物传感器,即介体型生物传感器,常用媒介体有铁氰化物、有机染料、醌及其衍生物、导电有机盐类和二茂铁及其衍生物。最近,人们更关注酶与电极之间的直接电子传递研究,并用于构造第三代生物传感器依据信号转换器的类型,酶传感器大致可分为酶电极(主要包括离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极等电化学电极)、酶场效应晶体管传感器(FET-酶)和酶热敏电阻传感器等组织传感器是以动植物组织薄片中的生物催化层与基础敏感膜电极结合而成,该催化层以酶为基础,基本原理与酶传感器相同.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。水质分析：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。1977年Karube等首次报道了BOD微生物传感器，只需15分钟即能测出结果,连续使用寿命达17天；废气或环境大气的监测 ：可用于测定空气中SO2、NOX、CO2、NH3、CH4等的含量；农药和抗生素残留量的分析 ：用乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶为敏感材料制作的离子敏场效应晶体管酶传感器可用于蔬菜等样品中有机磷农药DDVP和伏杀磷等的测定临床应用：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。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，可以迅速地获取各种数据，有效地加强生物工程产品的质量管理。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。如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能在10s内侦检出10-9浓度级的生化战剂，包括委内瑞拉马脑炎病毒、黄热病毒、炭疽杆菌、流感病毒等。

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