生物传感器概述及应用

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1、生 物 传 感 器 概 述 及 应 用 一 、 概 述传 感 器 （ sensor， transducer） 能 感 受 规 定 的 被 测 量 并 按 照 一 定 的 规 律 转 换成 可 用 输 出 信 号 的 器 件 或 装 置 ， 它 通 常 由 敏 感 元 件 和 转换 元 件 组 成 。按 检 测 对 象 划 分传感器 物 理 传 感 器化 学 传 感 器生 物 传 感 器 感 受 器 为 非 生 命 物 质感 受 器 为 生 命 物 质 二 、 生 物 传 感 器 定 义 生 物 传 感 器 是 以 固 定 化 的 生 物 材 料 作 为 敏 感 元 件 ，与 适 当 的 转 换

2、 元 件 结 合 所 构 成 的 一 类 传 感 器 。 酶 具 有 识 别 特 定 分 子 的 能 力1962年 ， L.C.Clark酶 与 电 极 结 合 起 来 测 定 酶 的 底 物生 物 传 感 器 是 用 生 物 成 分 作 为 感 受 器 的 传 感 器 。固 定 化 葡 萄 糖 氧 化 酶 （ GOD） 氧 电 极葡 萄 糖 电 极1967年 ，Updike和 Hicks 第 一 个 酶 电 极使 用 溶 解 性酶 ， 难 重 复 1956, L.C. Clark : oxygen electrode 1962, L.C. Clark : biosensor concept

3、(electrochemical sensor + enzyme transducers as membrane = enzyme electrode) oxygen electrode enzyme electrode 三 、 生 物 传 感 器 原 理 酶辅 酶维 生 素抗 原抗 体生 物 功 能 膜 （ 酶 、 微 生 物 、 细 胞 器 、 组 织 、细 胞 、 抗 原 、 抗 体 ）待 测 物 质 扩 散 作 用 固 定 化 生 物 敏 感 膜 层分 子 识 别生 物 学 反 应电 信 号 换 能 器 （ 一 ） 生 物 分 子 特 异 性 识 别 （ 生 物 感 受 器 ） 生 物

4、 分 子 经 固 定 化 后 形 成 的 一 种 膜 结 构 ， 对 被 测 定的 物 质 有 选 择 性 的 分 子 识 别 能 力 。生 物 传 感 器 的 分 子 识 别 元 件 分 子 识 别 元 件 生 物 活 性 单 元酶 膜 各 种 酶 类全 细 胞 膜 细 菌 、 真 菌 、 动 植 物 细 胞组 织 膜 动 植 物 组 织 切 片细 胞 器 膜 线 粒 体 、 叶 绿 体免 疫 功 能 膜 抗 体 、 抗 原 、 酶 标 抗 原 等 （ 二 ） 信 号 转 换 与 处 理 生 物 传 感 器 的 信 号 处 理 方 法由 生 物 活 性 元 件 引 起 的 变 化（ 生 物

5、学 反 应 信 息 ） 信 号 处 理 方 法（ 换 能 器 的 选 择 ）电 极 活 性 物 质 的 生 成 或 消 耗 电 流 检 测 电 极 法离 子 性 物 质 的 生 成 或 消 耗 电 位 检 测 电 极 法膜 或 电 极 电 荷 状 态 的 变 化 膜 电 位 法 、 电 极 电 位 法质 量 变 化 压 电 元 件 法 阻 抗 变 化 电 导 率 法热 变 化 （ 热 效 应 ） 热 敏 电 阻 法光 谱 特 性 变 化 （ 光 效 应 ） 光 纤 和 光 电 倍 增 管将 识 别 元 件 上 进 行 的 生 化 反 应 中 消 耗 或 生 成 的 化 学 物 质 ，或 产 生

6、 的 光 或 热 等 转 换 为 可 用 信 号 ， 并 呈 现 一 定 的 比 例关 系 。 换 能 器 感 知 固 定 化配 基 与 待 测 物 结 合 产生 的 微 小 变 化 ， 其 质量 好 坏 决 定 了 传 感 器的 灵 敏 度 。感 受 器 是 生 物 传 感 器 的心 脏 。 制 备 分 两 方 面 工作 ， 一 是 选 择 最 佳 载 体材 料 （ 需 活 化 ） ； 二 是在 载 体 表 面 固 定 化 亲 和配 基 （ 非 共 价 和 共 价 ） （ 三 ） 生 物 传 感 器 分 子 识 别 机 理1、 酶 促 反 应2、 免 疫 化 学 反 应 3、 生 物 反 应

7、 中 的 物 理 量 变 化4、 微 生 物 反 应 1、 酶 促 反 应E + S ES E + P 2、 免 疫 化 学 反 应 抗 体 Ab 抗 原 Ag 3、 微 生 物 反 应微生物 呼 吸 或 代 谢 产 生 一 些电 活 性 物 质消 耗 溶 液 中的 溶 解 氧 检测 （ 1） 热 焓 变 化 根 据 热 力 学 第 二 定 律 ， 一 个 能 自 发 进 行 的 反应 ， 总 伴 随 着 自 由 能 的 降 低 。 G H T S 酶 促 反 应 和 微 生 物 反 应 常 常 释 放 出 可 观 的 热量 ， 根 据 焓 变 可 定 量 测 定 底 物 的 浓 度 。4、

8、生 物 学 反 应 中 的 物 理 量 变 化 （ 2） 生 物 发 光 生 物 发 光 是 由 于 某 些 生 物 体 内 的 一 些 特 殊物 质 （ 如 荧 光 素 ） 的 氧 化 而 产 生 的 现 象 。FMNH(OOH) E+RCHOFMN+RCO 2H+E+H2O+h 细 菌 发 光 其 强 度 取 决 于 积 累 的 还 原 型 FMN的 量 。 H +NADH+FMN FMNH2+NAD氧 化 还 原 酶FMNH2+E+O2 FMNH(OOH) E （ 3） 颜 色 反 应生 物 体 内 产 生 色 素酶 与 底 物 作 用 后 产 生 有 颜 色 物 质 培 养 基 中 的

9、 电 惰 性 物 质电 活 性 产物 微 生 物 代 谢培 养 液 的 导 电 性 增大 ， 阻 抗 降 低（ 4） 阻 抗 变 化 五 、 生 物 传 感 器 的 种 类 ： （ ） 按 照 生 物 敏 感 物 质 相 互 作 用 的 类 型 分 类（ ） 按 照 其 感 受 器 中 所 采 用 的 生 命 物 质 分 类 （ ） 按 照 传 感 器 器 件 检 测 的 原 理 分 类 分 类 方 式 分 类 依 据 传 感 器 名 称生 物 敏 感 物质 相 互 作 用的 类 型 1、 被 测 物 与 分 子 识 别 元 件 上 敏 感 物 质 具有 生 物 亲 和 作 用 。2、 底 物

10、 （ 被 测 物 ） 与 分 子 识 别 元 件 上 的敏 感 物 质 相 作 用 并 产 生 产 物 ， 信 号 换 能器 将 底 物 的 消 耗 或 产 物 的 增 加 转 变 为 输出 信 号 。 1、 生 物 亲 和 性 传 感 器2、 代 谢 型 或 催 化 型 传 感器分 子 识 别 元件 上 的 敏 感物 质 1、 酶 与 底 物 作 用2、 微 生 物 代 谢3、 组 织 代 谢4、 细 胞 代 谢5、 抗 原 抗 体 反 应6、 核 酸 杂 交 1、 酶 传 感 器2、 微 生 物 传 感 器3、 组 织 传 感 器4、 细 胞 器 传 感 器5、 免 疫 传 感 器6、 D

11、NA生 物 传 感 器 信 号 换 能 器 1、 电 化 学 电 极2、 离 子 敏 场 效 应 晶 体 管3、 热 敏 电 阻 4、 压 电 晶 体5、 光 电 器 件6、 声 学 装 置 1、 电 化 学 传 感 器2、 离 子 敏 场 效 应 传 感 器3、 热 敏 电 阻 传 感 器4、 压 电 晶 体 传 感 器5、 光 电 传 感 器6、 声 学 传 感 器 六 、 生 物 传 感 器 特 点(1)测 定 过 程 简 单 。 生 物 传 感 器 使 用 时 一 般 不 需 要 样 品 的预 处 理 ， 样 品 中 的 被 测 组 分 的 分 离 和 检 测 同 时 完 成 ，且 测

12、 定 时 一 般 不 需 加 入 其 它 试 剂 。(2)体 积 小 、 携 带 方 便 ， 可 实 现 连 续 检 测 、 在 线 检 测 。(3)响 应 快 ， 样 品 用 量 少 ， 敏 感 材 料 是 固 定 化 的 ， 看 反 复多 次 使 用 。 (4)准 确 度 和 灵 敏 度 高 。 一 般 相 对 误 差 不 超 过 1 。(5)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 。(6)成 本 低 。 七 、 生 物 传 感 器 应 用 领 域 1、 食 品 工 业 生 物 传 感 器 在 食 品 分 析 中的 应

13、用 包 括 食 品 成 分 、 食 品 添加 剂 、 有 害 毒 物 及 食 品 鲜 度 等的 测 定 分 析 。 n食 品 鲜 度鱼 鲜 度 传 感 器 在 日 本 、 加 拿 大 等 国 广 泛 用 于 鱼 类 鲜 度 的 测定 。 鱼 死 后 体 内 ATP经 酶 解 依 次 形 成 ADP、 AMP、IMP、 肌 苷 、 次 黄 嘌 呤 和 尿 酸 。 鲜 度 可 用 K值 表 示 ：K= 肌 苷 +次 黄 嘌 呤ATP +ADP+AMP+IMP +肌 苷 +次 黄 嘌 呤 +尿 酸 鱼 死 后 5 20h， ATP， ADP和 AMP已 分 解 尽 ， 超过 24h， 鲜 度 主 要

14、 取 决 于 IMP-肌 苷 -次 黄 嘌 呤 -尿 酸 。 将 这 三 个 步 骤 的 三 种 酶 （ 5 核 苷 酸 酶 、 核苷 磷 酸 化 酶 、 黄 嘌 呤 氧 化 酶 ） 固 定 在 氧 电 极 上 ，制 成 鱼 鲜 度 测 定 仪 。 当 K 20时 ， 鱼 极 新 鲜 ， 可 供 生 食 。 K在 20 40之 间 为 新 鲜 ， 必 须 熟 食 。 K大 于 40， 不 新 鲜 ， 不 宜 食 用 。 肉 鲜 度 传 感 器 肉 类 在 腐 败 过 程 中 会 产 生 各 种 胺 类 ， 故 胺类 测 定 能 反 映 肉 类 的 新 鲜 程 度 。 用 腐 胺 氧 化 酶 与

15、 过 氧 化 氢 电 极 构 成 多 胺 生物 传 感 器 ， 或 用 单 胺 氧 化 酶 膜 和 氧 电 极 组 成 的 酶传 感 器 测 定 肉 在 贮 藏 过 程 中 的 鲜 度 。 污 染 微 生 物 及 病 原 菌 的 检 测1 通 过 免 疫 学 方 法 ， 即 获 得 相 应 的 特 异 性 抗原 和 抗 体 进 行 分 析 和 检 测 。 (1)将 适 宜 的 酶 与 抗 原 或 抗 体 结 合 在 一 起 。 制 成 酶标 抗 体 （ 或 酶 标 抗 原 ） ；(2)将 酶 标 抗 体 （ 或 酶 标 抗 原 ） 与 样 品 中 的 待 测 抗原 （ 或 抗 体 ） 混 合

16、， 通 过 免 疫 反 应 二 者 即 可 特 异 性地 结 合 在 一 起 ， 形 成 酶 抗 体 抗 原 复 合 物 。(3)通 过 酶 催 化 反 应 的 速 度 即 可 测 定 复 合 物 中 酶 的含 量 ， 进 而 测 出 样 品 中 的 待 测 抗 原 （ 或 抗 体 ） 的 量 。酶 联 免 疫 测 定 2、 环 境 监 测 德 国 研 发 的 环 境 废 水 BOD分 析 仪 3、 发 酵 工 业 微 生 物 传 感 器 具 有 成 本 低 、 设 备 简 单 、 不受 发 酵 液 混 浊 程 度 的 限 制 、 可 能 消 除 发 酵 过 程中 干 扰 物 质 的 干 扰

17、等 特 点 。 微 生 物 传 感 器 可 用 于 测 量 发 酵 工 业 中 的 原材 料 和 代 谢 产 物 。 还 用 于 微 生 物 细 胞 数 目 的 测定 。 利 用 这 种 电 化 学 微 生 物 细 胞 数 传 感 器 可 以实 现 菌 体 浓 度 连 续 、 在 线 的 测 定 。 生 物 传 感 在 线 分 析 系 统 ， 为 发 酵 自 动 控 制 提 供 了 新 的 基 础 平 台 4、 医 学 领 域 在 临 床 医 学 中 ， 酶 电 极 是 最 早 研 制且 应 用 最 多 的 一 种 传 感 器 。 利 用 具 有 不同 生 物 特 性 的 微 生 物 代 替

18、酶 ， 可 制 成 微生 物 传 感 器 。 在 军 事 医 学 中 ， 对 生 物 毒素 的 及 时 快 速 检 测 是 防 御 生 物 武 器 的 有效 措 施 。 生 物 传 感 器 已 应 用 于 监 测 多 种细 菌 、 病 毒 及 其 毒 素 。 SBA-50型 单 电 极 生 物 传 感 分 析 仪谷 氨 酸 (乳 酸 )-葡 萄 糖 双 功 能 分 析 仪 SBA-70型 血 糖 乳 酸 自 动 分 析 仪 手 掌 型 葡 萄 糖 (glucose)分 析 仪 班 氏 试 剂 颜 色 砖 红 橘 红 黄 绿 蓝 胰 岛 素 增 减 量 (单 位 ) 16 12 8 4 0或 -

19、4班 氏 尿 糖 估 计 法 确 定 胰 岛 素 用 量在 葡 萄 糖 传 感 器 问 世 之 前 ， 患 者 需 采 用 所 谓 “ 班 氏试 验 尿 糖 估 计 法 ” 来 指 导 胰 岛 素 注 射 量 。 这 一 方 法相 当 烦 琐 ， 需 备 酒 精 灯 一 个 、 试 管 一 支 、 吸 管 一 支 、班 氏 剂 一 瓶 。 每 次 注 射 胰 岛 素 前 ， 取 班 氏 试 剂 2毫升 放 入 试 管 中 ， 置 酒 精 灯 上 烧 开 ， 开 后 试 剂 保 持 蓝色 不 变 ， 说 明 试 剂 有 效 ， 加 入 病 人 尿 液 3滴 ， 再 置酒 精 灯 上 烧 开 ，

20、根 据 试 剂 的 变 色 情 况 决 定 胰 岛 素 用量 的 增 减 . 葡 萄 糖 传 感 器 传 感 器的 响 应 原 理 :葡 萄 糖 氧 化 酶 （ GOD）参 与 的 酶 促 反 应用 电 化 学 葡 萄 糖 传 感 器测 定 人 体 血 糖 装 置 由 三 部 分 组 成 ： 血 糖传 感 器 、 供 药 泵 、 胰 岛 素药 源 。 传 感 器 、 泵 与 病 人的 血 液 三 者 构 成 一 个 闭 环控 制 系 统 （ 图 ） 。 传 感 器将 测 定 的 信 号 变 为 对 供 药泵 开 启 与 关 闭 的 指 令 ， 使糖 尿 病 病 人 能 像 正 常 人 一样 保 持 最 恰 当 的 血 糖 含 量