生物传感器及其应用ppt课件

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1、1生物传感器生物传感器及其在食品中的应用及其在食品中的应用2 一、什么是生物传感器一、什么是生物传感器 二、生物传感器的构成二、生物传感器的构成 三、生物传感器的分类三、生物传感器的分类 四、各类生物传感器的原理四、各类生物传感器的原理 五、生物传感器的应用五、生物传感器的应用3 一、什么是生物传感器一、什么是生物传感器 传感器（电极或探头）：能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用信号的器件或装置，它通常由敏感元件、转化元件（换能器）及相应的机械结构和线路组成。4 生物传感器：是利用生物物质作为敏感材生物传感器：是利用生物物质作为敏感材料，将所感受的生物信息转换成电信号进料，将所感受

2、的生物信息转换成电信号进行检测的传感器。行检测的传感器。某生物参数某生物参数 感受器感受器 电、热、光电、热、光 换能器换能器 电信号电信号处理器处理器数字量数字量5生物传感器的特点：生物传感器的特点：不要求样品的清晰度，检测样品一般不需要预处理不要求样品的清晰度，检测样品一般不需要预处理,也不需另加其他试剂。样品中被测组分的分离和检也不需另加其他试剂。样品中被测组分的分离和检测可以同时完成；测可以同时完成；选择性高、分析速度快、操作简易；选择性高、分析速度快、操作简易；响应快响应快,样品用量少样品用量少,并且可反复多次使用；并且可反复多次使用；灵敏度高：可检测灵敏度高：可检测0.11.0pp

3、m浓度的物质，最小浓度的物质，最小极限为极限为10-10g/mL。稳定性相对较差：检测结果易受物理和化学环境因稳定性相对较差：检测结果易受物理和化学环境因素的影响。素的影响。可进行活体分析；可进行活体分析；可以实现连续在线监测可以实现连续在线监测,容易实现自动化测量。容易实现自动化测量。6二、生物传感器的构成二、生物传感器的构成 由由固定化固定化的的生物敏感材料生物敏感材料作识别元件（包作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的物理、化核酸等生物活性物质）与适当的物理、化学换能结构器（如氧电极、光敏管、场效学换能结构器

4、（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成。成。7 工作原理：待测物质经扩散作用进入固工作原理：待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经定生物膜敏感层，经分子识别分子识别而发生生而发生生物学作用，产生的信息如分子浓度、光、物学作用，产生的信息如分子浓度、光、电、热、音等被相应的信号转换器变为电、热、音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的可定量和处理的电信号电信号，再经二次仪表，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电放大并输出，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。压值，从而换算出被测物质的量或浓度。8生物膜

5、的生物膜的成膜固定技术成膜固定技术与与传感器器件技术传感器器件技术是生物传是生物传感器的两大关键支撑，决定生物传感器的检测质量。感器的两大关键支撑，决定生物传感器的检测质量。9生物膜的成膜技术分为物理或化学方法：生物膜的成膜技术分为物理或化学方法：物理方法有物理物理方法有物理吸附吸附与物理与物理包埋包埋。化学方法有离子交换剂法、共价结合法、胶化学方法有离子交换剂法、共价结合法、胶联共聚法等，通过化学作用结合固定生物分联共聚法等，通过化学作用结合固定生物分子。子。10 传感器器件技术：是将生物的特异关联反传感器器件技术：是将生物的特异关联反应中所伴随的物理或化学变化通过热、电、应中所伴随的物理或

6、化学变化通过热、电、光、声等信息载体转换成电信号，通过放光、声等信息载体转换成电信号，通过放大或其他方式，传递到处理系统从而显示大或其他方式，传递到处理系统从而显示被检测物质的量或质。被检测物质的量或质。11（一）根据换能器分类（一）根据换能器分类 换能器：换能器：主要是主要是电化学电化学或或光学光学检测元件检测元件(如：电如：电流、电位测量电极、热敏电阻、场效应晶体管、流、电位测量电极、热敏电阻、场效应晶体管、压电晶体及光纤等压电晶体及光纤等)。三、生物传感器的类型及原理三、生物传感器的类型及原理12信号转换器信号转换器生物反应产生的信号生物反应产生的信号电极式电极式各种电极活性物质，如各种

7、电极活性物质，如O2、CO2、H+、NH4+等等热敏电阻式热敏电阻式热热光电纤维式光电纤维式光光半导体式半导体式电场电场压电晶体式压电晶体式气体气体等离子体共振式等离子体共振式 磁场磁场13（1 1）将化学变化转变成电信号将化学变化转变成电信号 以酶传感器为例以酶传感器为例,酶催化特定底物发生反应酶催化特定底物发生反应,从从而使而使特定生成物的量有所增减特定生成物的量有所增减，用能把这类物质的，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量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合,即构即构成酶传感器。成酶传感器。常用转换装置有氧电极、过氧化氢。常用转换装置有氧电极、过氧化氢。14（2

8、 2）将热变化转换成电信号）将热变化转换成电信号 固定化的生物材料与相应的被测物作用时常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伴有热的变化，例如大多数酶反应的热焓变化量在在25-100kJ/mol25-100kJ/mol的范围。这类生物传感器的工作的范围。这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借原理是把反应的热效应借热敏电阻热敏电阻转换为阻值的转换为阻值的变化变化,后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。15（3 3）将光信号转变为电信号将光信号转变为电信号 例如，过氧化氢酶例如，过氧化氢酶,能催化过氧化氢能催化过

9、氧化氢/鲁米诺体鲁米诺体系发光系发光,因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或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光敏二极管的前端,再和光电流测定装置相连再和光电流测定装置相连,即可即可测定过氧化氢含量。测定过氧化氢含量。还有很多细菌能与特定底物发生反应还有很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧产生荧光，也可以用这种方法测定底物浓度。光，也可以用这种方法测定底物浓度。16 上述三类生物传感器共同点：上述三类生物传感器共同点：都是将分子识别元件中的生物敏感物质与都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生待测物发生化学反应化学反应,将反应后所产生的化学或将反应后所产生的化学或物理变化

10、再通过信号转换器转变为电信号进行测物理变化再通过信号转换器转变为电信号进行测量量,这种方式统称为这种方式统称为间接测量方式。间接测量方式。17（4 4）直接产生电信号方式直接产生电信号方式 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氧化直接(或通过电子递体的作用或通过电子递体的作用)在电极表面上发生，在电极表面上发生，根据所得的电流量即可得底物浓度。根据所得的电流量即可得底物浓度。这种方法受环境因素影响小，更稳定。这种方法受环境因素影响小，更稳定。18（一）根据感受器的生物敏感物质分类（一）根据感受器的生物敏感物质分类 感受器（分子

11、识别元件）：由具有分子识别能力感受器（分子识别元件）：由具有分子识别能力的的生物功能物质生物功能物质(如：酶、动植物组织切片、微生如：酶、动植物组织切片、微生物、抗原、抗体和核酸等物、抗原、抗体和核酸等)构成。构成。19酶传感器酶传感器各种酶各种酶微生物传感器微生物传感器微生物细胞微生物细胞细胞器传感器细胞器传感器细胞膜、线粒体、电子传递体、微细胞膜、线粒体、电子传递体、微粒体等细胞器粒体等细胞器组织传感器组织传感器细胞组织细胞组织免疫传感器免疫传感器抗原、抗体抗原、抗体基因（基因（DNA）传感器）传感器核酸（核酸（DNA、RNA）201.1.酶电极传感器酶电极传感器电极式生物传感器电极式生物

12、传感器 转换器的功能电极识别被测物质的功能固定化生物催化剂膜电极式生物传感器的组成：电极式生物传感器的组成：21电极活性物质 电 极被测物质膜生物催化剂生物催化剂酶酶、微生物、微生物抗体、抗原抗体、抗原细胞器、细胞组织细胞器、细胞组织输出电信号电化学反应电极式生物传感器原理示意图电极式生物传感器原理示意图 22电极式生物传感器原理模式：电极式生物传感器原理模式：被测物质被测物质 固定化生物催化剂膜固定化生物催化剂膜 电极活性物质电极活性物质 电电 极极 电信号电信号 生物化学反应生物化学反应电化学反应电化学反应23以葡萄糖氧化酶以葡萄糖氧化酶(GOD)(GOD)电极为例简述其工作原电极为例简述

13、其工作原理：理：在在GODGOD的催化下的催化下,葡萄糖被氧化生成葡萄糖葡萄糖被氧化生成葡萄糖酸和过氧化氢。酸和过氧化氢。C C6 6H H1212O O6 6+O+O2 2 C C6 6H H1212O O7 7+H+H2 2O O2 2 根据上述反应根据上述反应,可通过可通过氧电极氧电极(测氧的消耗测氧的消耗)、过氧化氢电极过氧化氢电极(测测H2O2的产生的产生)和和pH电极电极(测测酸度变化酸度变化)来间接测定葡萄糖的含量。来间接测定葡萄糖的含量。24 葡萄糖传感器组成：葡萄糖传感器组成：葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶聚丙烯酰胺凝胶聚丙烯酰胺凝胶 包埋法包埋法葡萄糖氧化酶膜葡萄糖氧化酶膜 氧电

14、极氧电极葡萄糖传感器葡萄糖传感器25葡萄糖传感器示意图葡萄糖传感器示意图 PbPt记录仪记录仪空气空气被被测测溶溶液液电解质溶液电解质溶液聚四氟乙稀膜聚四氟乙稀膜固定化葡萄糖氧化酶膜固定化葡萄糖氧化酶膜氧电极氧电极葡萄糖葡萄糖 酶催化反应酶催化反应 电极旁电极旁O2浓度浓度电化学反应电化学反应 电流值电流值葡萄糖浓度葡萄糖浓度 酶膜上酶膜上 氧电极上氧电极上 主要性能：测量范围：主要性能：测量范围：1500 mg/L 响应时间：响应时间：1030 s 使用寿命：使用寿命：60100 day26 最重要的酶有二类：即氧化还原酶和水解最重要的酶有二类：即氧化还原酶和水解酶。前者可以催化用氧气或酶。

15、前者可以催化用氧气或NAD进行氧化进行氧化的物质，后者可以催化物质的水解反应，的物质，后者可以催化物质的水解反应，酶催化反应过程中通常伴随有酶催化反应过程中通常伴随有质子、离子、质子、离子、热量、光信号、电信号或质量热量、光信号、电信号或质量的变化。的变化。大部分生物传感器都将酶作为识别响应的大部分生物传感器都将酶作为识别响应的复合系统。复合系统。27某些酶传感器一览表某些酶传感器一览表待测待测物质物质固定化酶固定化酶转换器转换器测量范围测量范围(mg/L)响应时间响应时间（min）稳定性稳定性(day)葡萄糖葡萄糖葡萄氧化酶葡萄氧化酶铂电铂电(H2O2)氧电极氧电极(O2)151031510

16、215(S)10(S)60100100各种糖各种糖 蔗糖酶、变旋酶蔗糖酶、变旋酶葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶氧电极氧电极(O2)1005000514乳酸乳酸乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶燃料电极燃料电极(NADH)100030(S)14乙醇乙醇乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶乙醇氧化酶乙醇氧化酶原电池原电池铂电极铂电极(H2O2)1430尿素尿素尿酶尿酶铵电极铵电极(NH4+)氨电极氨电极(NH3)1010001010000.51242130青霉素青霉素 青霉素酶青霉素酶玻璃电极玻璃电极(H+)1010000.52714L-酪氨酸酪氨酸 酪氨酸脱羧酶酪氨酸脱羧酶CO2电极电极(CO2)101041220282.微生物传

17、感器微生物传感器 在酶传感器制造中酶传感器制造中，首先遇到的困难就是酶的提困难就是酶的提取与精制取与精制。微生物传感器转换器固定化微生物膜固定于高分子膜上微生物微生物膜作为微生物膜作为分子识别元件分子识别元件利用：利用：利用微生物细胞内单一或多个酶的机能利用微生物细胞内单一或多个酶的机能类似于酶传感器；类似于酶传感器；利用微生物的生理机能利用微生物的生理机能呼吸活性、代谢产物等。呼吸活性、代谢产物等。29（1）微生物传感器的原理与分类）微生物传感器的原理与分类 酶活性测定型酶活性测定型以微生物酶催化反应的以微生物酶催化反应的活性为指标；（类似于酶传感器）活性为指标；（类似于酶传感器）呼吸活性测

18、定型呼吸活性测定型以微生物呼吸活性为以微生物呼吸活性为指标；指标；电极活性物质测定型电极活性物质测定型以微生物代谢产以微生物代谢产物为指标。物为指标。30呼吸活性测定型呼吸活性测定型必须是必须是好气性微生物好气性微生物氧浓度氧浓度 氧电极氧电极 电流值电流值 COCO2 2生成生成 COCO2 2电极电极 电位值电位值 氧氧 微生物利用微生物利用的被测物质的被测物质好好气气微微生生物物膜膜31电极活性物质测定型电极活性物质测定型包括包括厌氧和好氧微生物厌氧和好氧微生物待测物质待测物质固固定定化化微微生生物物膜膜 COCO2 2 CO CO2 2电极电极 电位式电位式 H H2 2 铂阳极，铂阳

19、极，AgAg2 2O O2 2阴极阴极 电流式电流式 NHNH3 3 氨电极氨电极 电位式电位式 H H+玻璃电极玻璃电极 电位式电位式 还原型辅酶还原型辅酶 燃料电极燃料电极 电流式电流式 32（2）微生物传感器特点）微生物传感器特点微生物较酶易获得，价格相对较低；微生物较酶易获得，价格相对较低；稳定性好，连续使用时间可达一个月左右；稳定性好，连续使用时间可达一个月左右；响应时间比酶传感器长，多数在响应时间比酶传感器长，多数在10分钟左右；分钟左右；特异性较酶传感器差。特异性较酶传感器差。33（3）微生物传感器实例）微生物传感器实例例例1：谷氨酸传感器：谷氨酸传感器谷氨酸脱羧酶催化谷氨酸的反

20、应为：谷氨酸脱羧酶催化谷氨酸的反应为：HOOC-(CH2)2-CHNH2-COOH 谷氨酸脱羧酶谷氨酸脱羧酶 HOOC-(CH2)2-CH2NH2+CO2测定谷氨酸传感器电极活性的微生物膜具有较高谷氨酸脱羧酶2CO34传感器制备传感器制备大肠杆菌细胞大肠杆菌细胞冷冻干燥冷冻干燥用水调匀用水调匀涂布于尼龙网（涂布于尼龙网（60目，目，7mm）两面）两面置于置于CO2电极上电极上外用赛璐酚膜盖住外用赛璐酚膜盖住谷氨酸传感器谷氨酸传感器电极膜（硅橡胶膜）细胞尼龙网细胞尼龙网(大肠杆菌大肠杆菌)赛璐酚膜赛璐酚膜 CO2 电 极35测定原理测定原理主要性能主要性能 A响应时间：5min左右；B测量范围：

21、10800mg/L；C使用寿命：20day。推算谷氨酸含量电极电位有谷氨酸不产生无谷氨酸222COCOCO在无氧条件下在无氧条件下 36专一性：专一性：A对谷氨酰胺有响应对谷氨酰胺有响应，对其它氨基酸的作用可忽略。B葡萄糖7.9g/L、醋酸0.2g/L时，无影响。C无机离子影响可忽略。37例例2：氨传感器：氨传感器测定原理测定原理硝化菌氧化铵的反应要消耗氧：硝化菌氧化铵的反应要消耗氧：NH4+O2 硝酸菌硝酸菌 NO2NO2+O2 硝化细菌硝化细菌 NO3 NH4+微生物反应微生物反应 电极旁电极旁O2浓度浓度电化学反应电化学反应 电流值电流值推算推算NH4+浓度浓度 硝化菌膜上 氧电极上38

22、传感器制备传感器制备活性污泥活性污泥 分离分离 硝化菌硝化菌固定于乙酸纤维素膜固定于乙酸纤维素膜安装于氧电极上安装于氧电极上测定铵（氨）微生物传感器测定铵（氨）微生物传感器 氧电极 Pt乙酸纤维素膜乙酸纤维素膜(硝化菌硝化菌)透气膜聚四氟乙烯膜39主要特性主要特性响应时间：2min(pH=10的缓冲溶液中)测量范围：142 mg/L相对误差：4%使用时间：20day40 3.免疫传感器免疫传感器（1）动物的防疫机制：）动物的防疫机制：41 动物的防卫系统动物的防卫系统动物动物防卫防卫系统系统清除清除有害有害因子因子外界外界:病原体病原体体内体内:异常细胞异常细胞维持维持内环内环境稳境稳定定42

23、动物的免疫防线：动物的免疫防线：第一道防线（非特异性）第一道防线（非特异性）物理生化屏障：皮肤、粘膜、皮肤及粘膜分泌物、物理生化屏障：皮肤、粘膜、皮肤及粘膜分泌物、胃酸胃酸第二道防线（非特异性）第二道防线（非特异性）吞噬细胞、体液中抗菌蛋白、炎症应答吞噬细胞、体液中抗菌蛋白、炎症应答第三道防线（特异性）第三道防线（特异性）细胞免疫、细胞免疫、体液免疫（抗原抗体反应）体液免疫（抗原抗体反应）43抗原与抗体抗原与抗体 抗原抗原(antigen,Ag)(antigen,Ag)是一类能诱导免疫系统是一类能诱导免疫系统发生发生免疫应答免疫应答，并能与免疫应答的产物，并能与免疫应答的产物(抗抗体或效应细胞

24、体或效应细胞)发生特异性结合的物质。发生特异性结合的物质。性质：抗原具有性质：抗原具有免疫原性免疫原性和反应原性两种和反应原性两种性质。性质。44 免疫原性是指抗原刺激机体后，机体免疫免疫原性是指抗原刺激机体后，机体免疫系统能形成免疫应答的产物的特异性免疫系统能形成免疫应答的产物的特异性免疫反应。反应。反应原性是指产生的免疫应答的产物与抗反应原性是指产生的免疫应答的产物与抗原进行特异性结合的免疫反应。原进行特异性结合的免疫反应。45 化学本质：化学本质：抗原一般是蛋白质或脂多糖，存在于细胞、抗原一般是蛋白质或脂多糖，存在于细胞、病毒、细菌和真菌的表面及血液和组织液病毒、细菌和真菌的表面及血液和

25、组织液中，外源性中，外源性DNA、RNA也可视为抗原物质。也可视为抗原物质。抗原可分抗原可分外源性抗原外源性抗原和和内源性抗原内源性抗原半抗原或不全抗原：半抗原或不全抗原：没有免疫原性，但有免疫反应性，与载体没有免疫原性，但有免疫反应性，与载体蛋白结合后有抗原性。蛋白结合后有抗原性。吗啡吗啡46常常见见外外源源性性抗抗原原47抗体抗体 免疫系统受抗原刺激后，由被激活的淋巴细胞免疫系统受抗原刺激后，由被激活的淋巴细胞（浆细胞）产生能与抗原发生特异性结合的球蛋（浆细胞）产生能与抗原发生特异性结合的球蛋白，这类球蛋白称为抗体。占血浆蛋白的白，这类球蛋白称为抗体。占血浆蛋白的20%20%。48 抗原抗

26、体反应：抗体与抗原能够在动物抗原抗体反应：抗体与抗原能够在动物体内体内或或体体外外发生特异性的紧密结合。发生特异性的紧密结合。免疫电极传感器就是利用抗原、抗体在体免疫电极传感器就是利用抗原、抗体在体外的特异性结合反应。外的特异性结合反应。4950（2）免疫电极传感器）免疫电极传感器 免疫电极免疫电极(immuno bioelectrode)是以免疫物质是以免疫物质（抗原或抗体）作为敏感元件的电化学生物传感（抗原或抗体）作为敏感元件的电化学生物传感器器。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（direct immuno electrode）

27、和间接免疫电极（indirect immuno electrode）。51直接免疫电极直接免疫电极不用任何标记物不用任何标记物 例如（例如（设抗体为被测物设抗体为被测物）：）：抗体抗体电信号（电压）电信号（电压）离子淌度变化离子通透性变化膜电位变化电导率变化介电常数变化固定化抗原膜电化学或电学变化电化学或电学变化电极膜电压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；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缺点：灵敏度低，因而难以作为标准检测方法。52（2）间接免疫电极）间接免疫电极需要制备酶标抗体或酶标抗原结合物需要制备

28、酶标抗体或酶标抗原结合物 利用利用标记物标记物将免疫反应的信号放大后间接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（电极，亦称酶联免疫测定法（ELISA法）法）（enzyme linked immunoassay）。53例如（例如（设抗体为被测物设抗体为被测物）：）：推测试样中抗体浓度推测试样中抗体浓度 抗体抗体 固定化酶标抗原膜固定化酶标抗原膜抗体与酶标抗原结合抗体与酶标抗原结合 改变酶标抗原存在状态改变酶标抗原存在状态固定化酶标抗原膜固定化酶标抗原膜底物底物状态改变的酶标抗原催化底物反应状态改变的酶标抗原催化底

29、物反应 反应速度与试样中抗体浓度有关反应速度与试样中抗体浓度有关 54554.DNA传感器传感器 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。56（1）DNA传感器的特点传感器的特点特异性好。特异性好。稳定性好稳定性好离体离体DNA比蛋白质（酶）分子稳定。比蛋白质（酶）分子稳定。制备简单，制备简单，DNA可用仪器批量合成。可用仪器批量合成

30、。DNA的操作方法具有通用性，容易标准化。的操作方法具有通用性，容易标准化。结合芯片技术，可制备结合芯片技术，可制备DNA列阵，实现高通量测定。列阵，实现高通量测定。灵敏度高，可以达到灵敏度高，可以达到10-11mol/L以上。以上。用途极其广泛。用途极其广泛。57（2）DNA传感器的分类传感器的分类按转换器的不同可分为电极型电极型（电化学型电化学型）、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（direct DNA electrochemistry）B.间接DNA电化学型（indirect DNA electrochemis

31、try）C.特异性氧化还原指示剂型（specific redox indicator）D.DNA介导的带电输出型（DNA-mediated charge transport）E.纳米颗粒电化学放大型（nanoparticles electrochemical enhancing）58（3）DNA电化学传感器原理电化学传感器原理 DNA电化学传感器通常由已知序列的单链单链DNA（ssDNA，通常称为探针）分子分子和电极电极组成。样品中互补的样品中互补的ssDNA 固定化固定化ssDNA dsDNA 电极表面电极表面 电信号变化电信号变化识别和测定靶基因识别和测定靶基因杂交反应杂交反应结构变化结构

32、变化电化学反应电化学反应59 5.组织电极与细胞器电极传感器组织电极与细胞器电极传感器 直接采用动植物组织薄片作为敏感元件的直接采用动植物组织薄片作为敏感元件的电化学传感器称组织电极传感器电化学传感器称组织电极传感器,其原理是其原理是利用利用动植物组织中的酶动植物组织中的酶,优点是酶活性及其优点是酶活性及其稳定性均比离析酶高稳定性均比离析酶高,材料易于获取材料易于获取,制备简制备简单单,使用寿命长等。但在选择性、灵敏度、使用寿命长等。但在选择性、灵敏度、响应时间等方面还存在不足。响应时间等方面还存在不足。60 动物组织电极主要有动物组织电极主要有:肾组织电极、肝组织电极、肾组织电极、肝组织电极

33、、肠组织电极、肌肉组织电极、胸腺组织电极等。肠组织电极、肌肉组织电极、胸腺组织电极等。测定对象主要有测定对象主要有:谷氨酰胺、葡萄糖胺谷氨酰胺、葡萄糖胺 6 磷酸盐、磷酸盐、D 氨基酸、氨基酸、H2O2、地高辛、胰岛素、腺苷、地高辛、胰岛素、腺苷、AMP等。等。植物组织电极敏感元件的选材范围很广植物组织电极敏感元件的选材范围很广,包括不同包括不同植物的根、茎、叶、花、果等。植物组织电极制植物的根、茎、叶、花、果等。植物组织电极制备比动物组织电极更简单备比动物组织电极更简单,成本更低并易于保存。成本更低并易于保存。61 细胞器电极传感器是利用动植物细胞器作为细胞器电极传感器是利用动植物细胞器作为

34、敏感元件的传感器。敏感元件的传感器。细胞器是指存在于细胞内的被膜包围起来的细胞器是指存在于细胞内的被膜包围起来的微小微小“器官器官”,如线粒体、微粒体、溶酶体、如线粒体、微粒体、溶酶体、过氧化氢体、叶绿体、氢化酶颗粒、磁粒体过氧化氢体、叶绿体、氢化酶颗粒、磁粒体等等。等等。其原理是利用细胞器内所含的酶其原理是利用细胞器内所含的酶(往往是多往往是多酶体系酶体系)。62五、五、生物传感器的应用生物传感器的应用 在发酵工业中的应用在发酵工业中的应用 在食品分析中的应用在食品分析中的应用 在环境监测中的应用在环境监测中的应用 在生物医学上的应用在生物医学上的应用 在军事上的应用在军事上的应用63参数参

35、数传感器传感器参数参数传感器传感器温度热电偶，热敏电阻，铂电阻温度计DCO2CO2电极，膜管传感器罐压隔膜式压力表醇类物质浓度膜管传感器，生物传感器气体流量热质量流量计基质和代谢物浓度生物传感器搅拌转速转速传感器NH4+铵离子电极，氨电极，生物传感器搅拌功率应变计金属离子浓度离子选择性电极料液量测力传感器排气中氧分压排气中氧分压热磁氧分析仪气泡接触电极排气中排气中COCO2 2分压分压红外气体分析仪流加物料流量转速传感器，测力传感器浊度或菌体浓度浊度或菌体浓度光导纤维法。等效电容法pHpH复合玻璃电极DODO复膜氧电极，膜管传感器氧化还原电位复合铂电极(1)(1)在发酵工业中的应用在发酵工业中

36、的应用64(2)(2)在食品分析中的应用在食品分析中的应用 食品成分分析 食品添加剂的分析 农药和抗生素残留量分析 微生物和生物毒素的检验 食品鲜度的检测656667686970水质分析：水质分析：测定生化需氧量（测定生化需氧量（BODBOD），传统方法），传统方法测测BODBOD需需5 5天，且操作复杂。天，且操作复杂。19771977年年KarubeKarube等首次等首次报道了报道了BODBOD微生物传感器，只需微生物传感器，只需1515分钟即能测出分钟即能测出结果结果,连续使用寿命达连续使用寿命达1717天；天；废气或环境大气的监测废气或环境大气的监测 ：可用于测定空气中：可用于测定空

37、气中SOSO2 2、NONOX X、COCO2 2、NHNH3 3、CHCH4 4等的含量；等的含量；农药和抗生素残留量的分析农药和抗生素残留量的分析 ：用乙酰胆碱酯酶：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晶体管酶传感器可用于蔬菜等样品中有机磷农药DDVPDDVP和伏杀磷等的测定和伏杀磷等的测定(3)(3)在环境监测中的应用在环境监测中的应用71基础研究：基础研究：生物传感器可实时监测生物大分子之间生物传感器可实时监测生物大分子之间的相互作用。借助于这一技术动态观察抗原、抗体的相互作用。借助

38、于这一技术动态观察抗原、抗体之间结合与解离的平衡关系，可较为准确地测定抗之间结合与解离的平衡关系，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，有目的地筛选各种具有最佳应用潜力的抗体特性，有目的地筛选各种具有最佳应用潜力的单克隆抗体单克隆抗体 。临床应用：临床应用：用酶、免疫传感器等生物传感器来检测用酶、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。体液中的各种化学成分，为医生的诊断提出依据。生物医药：生物医药：利用生物工程技术生产药物时，将生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。种数据，有效地加强生物工程产品的质量管理。(4)(4)在生物医学上的应用在生物医学上的应用72由于具有高度特异性、灵敏性和能快速地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。(5)(5)在军事上的应用在军事上的应用