生物传感器课件

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1、主要内容：主要内容：u1.1.生物传感器的发展历程简述生物传感器的发展历程简述u2.2.生物传感器的定义和基本原理生物传感器的定义和基本原理u3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u4.4.生物传感器的发展与应用生物传感器的发展与应用1.1.生物传感器的发展历程简述生物传感器的发展历程简述u最最先先问问世世的的生生物物传传感感器器是是酶酶电电极极，ClarkClark和和LyonsLyons最最先先提提出出组组成成酶酶电电极极的的设想。设想。u7070年年代代中中期期，人人们们注注意意到到酶酶电电极极的的寿寿命命一一般般都都比比较较短短，提提纯纯的的酶酶价价格格也也较较贵贵，而而各各

2、种种酶酶多多数数都都来来自自微微生生物物或或动动植植物物组组织织，因因此此自自然然地地就就启启发发人人们们研研究究酶酶电电极极的的衍衍生生型型：微微生生物物电电极极、细细胞胞器器电电极极、动动植植物物组组织织电电极极以以及及免免疫疫电电极极等等新新型型生生物物传传感感器器，使使生生物物传传感感器的类别大大增多；器的类别大大增多；u 进进入入本本世世纪纪8080年年代代之之后后，随随着着离离子子敏敏场场效效应应晶晶体体管管的的不不断断完完善善，于于19801980年年CarasCaras和和JanafaJanafa率率先先研研制制成成功功可可测测定青霉素的定青霉素的酶酶FETFET。年代年代 特

3、点特点 研究内容研究内容 60 60 生物传生物传感器初期感器初期 酶电极酶电极7070 发展时发展时期期 微生物传感器，微生物传感器，免疫传感器，免疫传感器，细胞类脂质传细胞类脂质传感器，组织传感器，组织传感器，生物亲感器，生物亲和传感器和传感器8080进入生物进入生物电子学传电子学传感器时期感器时期酶酶FETFET酶光二极管酶光二极管u生物传感器发展的整体划分生物传感器发展的整体划分:u第第一一代代生生物物传传感感器器以以将将生生物物成成分分截截留留在在膜膜上上或或结结合合在在膜膜上上为为基基础础，这这类类器器件件由由透透析析器器(膜膜)、反反应应器器(膜膜)和和电电化化学学转换器所组成，

4、其实验设备相当简单。转换器所组成，其实验设备相当简单。u第第二二代代生生物物传传感感器器是是指指将将生生物物成成分分直直接接吸吸附附或或共共价价结结合合在在转换器的表面转换器的表面上，从而可略去非活性的基质膜。上，从而可略去非活性的基质膜。u第第三三代代生生物物传传感感器器是是把把生生物物成成分分直直接接固固定定在在电电子子元元件件上上，例例如如FETFET的的栅栅极极上上，它它可可直直接接感感知知和和放放大大界界面面物物质质的的变变化化，从从而而将将生生物物识识别别和和电电信信号号处处理理集集合合在在一一起起。这这种种放放大大器器可采用差分方式以消除干扰。可采用差分方式以消除干扰。1.1.生

5、物传感器的发展历程简述生物传感器的发展历程简述u生物传感器定义及说明生物传感器定义及说明u生生物物传传感感器器利利用用生生物物活活性性物物质质选选择择性性的的识识别别和和测测定定实实现现测测量量，主主要要由由两两大大部部分分组组成成：一一为为功功能能识识别别物物质质（分分子子识识别别元元件件），由由其其对对被被测测物物质质进进行行特特定定识识别别；其其二二是是电电、光光信信号号转转换换装装置置（换换能能器器），由由其其把把被被测测物物所所产产生生的的化化学学反反应应转换成便于传输的电信号或光信号。转换成便于传输的电信号或光信号。2.2.生物传感器的生物传感器的概念和基本概念和基本原理原理u生物

6、传感器基本构成示意图生物传感器基本构成示意图2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理u生物传感器的分子识别元件生物传感器的分子识别元件 分子识别元件分子识别元件 生物活性材料生物活性材料酶膜酶膜全细胞膜全细胞膜组织膜组织膜细胞器膜细胞器膜免疫功能膜免疫功能膜各类酶类各类酶类细菌，真菌，动植物细胞细菌，真菌，动植物细胞动植物组织切片动植物组织切片线粒体，叶绿体线粒体，叶绿体抗体，抗原，酶标抗原等抗体，抗原，酶标抗原等2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理u将化学变化转变成电信号（间接型）将化学变

7、化转变成电信号（间接型）u将热变化转换为电信号（间接型）将热变化转换为电信号（间接型）u将光效应转变为电信号（间接型）将光效应转变为电信号（间接型）u直按产生电信号方式（直接型）直按产生电信号方式（直接型）2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理被测被测物质物质生生物物敏敏感感膜膜物理化学反应物理化学反应化学物质化学物质声声光光热热电化学器件电化学器件声敏元件声敏元件光敏元件光敏元件热敏元件热敏元件电信号电信号生物传感器基本原理图生物传感器基本原理图2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理u将化学变化转变成电信号的生物传感器将化学变化转变成电信号的生物传

8、感器2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理热辐射热辐射热传导热传导u将热变化转换为电信号的生物传感器将热变化转换为电信号的生物传感器2.2.生物生物传感器的概念和基本传感器的概念和基本原理原理 u将光效应转变为电信号的生物传感器将光效应转变为电信号的生物传感器固固定定化化酶酶hh光光检检测测器器被测被测物质物质电信号电信号2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理u生物传感器的分类生物传感器的分类：按分子识别元件分子识别元件分类和按换能器类型按换能器类型分类换能器换能器分类法分类法悬臂梁悬臂梁生物传感器生物传感器阻抗阻抗/电导电导生物传感器生物传感器声波

9、声波生物传感器生物传感器电化学电化学生物传感器生物传感器半导体半导体生物传感器生物传感器热热生物传感器生物传感器光光生物传感器生物传感器分子识别元分子识别元件分类法件分类法分子印记分子印记生物传感器生物传感器微生物微生物生物传感器生物传感器DNA生物传感器生物传感器细胞细胞生物传感器生物传感器组织组织生物传感器生物传感器免疫免疫生物传感器生物传感器酶酶生物传感器生物传感器u生物生物敏感元件的敏感元件的固定方法固定方法u固固定定化化技技术术：把把生生物物活活性性材材料料与与载载体体固固定定化化成成为为生生物物敏敏感感膜。膜。1.1.物理方法：物理方法：夹心法、吸附法、包埋法夹心法、吸附法、包埋法

10、；2.2.化学方法化学方法:共价连接法、交联法共价连接法、交联法；3.3.近近年年来来,由由于于半半导导体体生生物物传传感感器器迅迅速速发发展展,因因而而又又出出现现了了采用集成电路工艺制膜技术采用集成电路工艺制膜技术。2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理u夹心法夹心法u将将生生物物活活性性材材料料封封闭闭在在双双层层滤滤膜膜之之间间，形形象象地地称为称为夹心法夹心法。u这这种种方方法法的的特特点点是是操操作作简简单单，不不需需要要任任何何化化学学处处理理，固固定定生生物物量量大大，响应速度快，重复性好。响应速度快，重复性好。2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器

11、的概念和基本原理u吸附法吸附法u用用非非水水溶溶性性固固相相载载体体物物理理吸吸附附或或离离子子结结合合，使使蛋蛋白白质质分分子子固固定定化化的的方方法。法。u载载体体种种类类较较多多，如如活活性性炭炭、高高岭岭土土、硅硅胶胶、玻玻璃璃、纤纤维维素素、离离子子交交换换体等。体等。2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理u包埋法包埋法u把生物活性材料包埋并固把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。间网状结构基质中。u此方法的特点是一般不产此方法的特点是一般不产生化学修饰，对生物分子生化学修饰，对生物分子活性影响较小；缺点是分活性影响

12、较小；缺点是分子量大的底物在凝胶网格子量大的底物在凝胶网格内扩散较固难。内扩散较固难。2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理u共价连接法共价连接法u使生物活性分子通过使生物活性分子通过共价键共价键与固相载体结合固定的方法。与固相载体结合固定的方法。u此方法的特点是结合牢固，此方法的特点是结合牢固，生物活性分子不易脱落，载生物活性分子不易脱落，载体不易被生物降解，使用寿体不易被生物降解，使用寿命长；命长；u缺点是实现固定化麻烦，酶缺点是实现固定化麻烦，酶活性可能因发生化学修饰而活性可能因发生化学修饰而降低。降低。2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理u

13、交联法交联法u依靠双功能团依靠双功能团试剂试剂使蛋使蛋白质结合到惰性载体或白质结合到惰性载体或蛋白质分子彼此交联成蛋白质分子彼此交联成网状结构。网状结构。u这种方法广泛用于酶膜这种方法广泛用于酶膜和免疫分子膜制备，操和免疫分子膜制备，操作简单。作简单。2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u酶电极传感器酶电极传感器u微生物传感器微生物传感器u免疫传感器免疫传感器u基因传感器基因传感器u酶传感器酶传感器u酶是生物体内产生的具有催化作用的蛋白质，它的主要特性是酶是生物体内产生的具有催化作用的蛋白质，它的主要特性是催化作用。催化作

14、用。u酶传感器是最早问世的生物传感器，应用固定化酶作为敏感器酶传感器是最早问世的生物传感器，应用固定化酶作为敏感器件。件。u根据信号转换器的类别，酶传感器大致分为根据信号转换器的类别，酶传感器大致分为酶电极传感器、酶酶电极传感器、酶场效应晶体管传感器、酶热敏电阻传感器场效应晶体管传感器、酶热敏电阻传感器等我们主要介绍等我们主要介绍酶电酶电极传感器极传感器3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u酶电极生物传感器的原理及分类酶电极生物传感器的原理及分类u酶电极生物传感器主要由固定化酶膜与电化学电极系统复合而成。酶电极生物传感器主要由固定化酶膜与电化学电极系统复合而成。u它即具有酶的分子识

15、别功能和选择催化功能，又具有电化学电极响应速度它即具有酶的分子识别功能和选择催化功能，又具有电化学电极响应速度快、操作简单的优点。快、操作简单的优点。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器酶电极传感器的基本构成图酶电极传感器的基本构成图u根据酶电极的输出信号方式，酶电极的传感器可以分根据酶电极的输出信号方式，酶电极的传感器可以分为为电流型电流型和和电位型电位型。u电流型电流型酶电极是从与酶电极是从与催化反应有关物质的电极反应催化反应有关物质的电极反应所所得到的得到的电流电流来确定反应物浓度的，一般有氧电极、燃来确定反应物浓度的，一般有氧电极、燃料电池型电极、料电池型电极、H2O2电极

16、等。电极等。u电位型电位型酶电极通过测量酶电极通过测量酶膜电位酶膜电位来确定与来确定与催化反应催化反应有有关的各种关的各种离子浓度离子浓度。一般采用铵离子电极（氨气电极）。一般采用铵离子电极（氨气电极）、氢离子电极、二氧化碳电极等；、氢离子电极、二氧化碳电极等；3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u酶传感器的典型应用酶传感器的典型应用u葡萄糖酶传感器葡萄糖酶传感器 葡萄糖氧化酶电极是研究最早、最成熟的酶电极，葡萄糖氧化酶电极是研究最早、最成熟的酶电极，它由葡萄糖氧化酶（它由葡萄糖氧化酶（GODGOD）膜和电化学电极组成。）膜和电化学电极组成。C C6 6H H1212O O6 6+

17、O+O2 2 C C6 6H H1212O O6 6+H+H2 2O O2 2依据反应中消耗的依据反应中消耗的氧氧、生成的、生成的葡萄糖酸葡萄糖酸内脂及内脂及过氧化氢过氧化氢的量，应用氧电极、的量，应用氧电极、PHPH电极及电极及H H2 2O O2 2电极来测定，从而测电极来测定，从而测的葡萄糖浓度。的葡萄糖浓度。GOD3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u测量氧消耗量的葡萄糖传感器测量氧消耗量的葡萄糖传感器3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u测量氧消耗量的葡萄糖传感器测量氧消耗量的葡萄糖传感器u氧氧电电极极构构成成：由由b b（铅铅）阳阳极极和和t t（铂铂）阴阴

18、极极浸浸入入碱碱溶溶液液，阴阴极极表表面面用用氧氧穿穿透透葡葡萄萄糖糖（基基质质）膜膜覆覆盖盖 特特氟氟隆隆，厚厚约约mmu氧氧电电极极测测O O2 2原原理理：利利用用氧氧在在阴阴极极上上首首先先被被还还原原的的特特性性。溶溶液液中中的的O O2 2穿穿过过特特氟氟隆隆膜膜到到达达PtPt阴阴极极上上，在在施施加加一一定定电电位位的的情情况况下下，氧氧电电极极的的还还原原电电流流减减小小，通通过过测测量量电电流流值值的的变变化化就就可可以以测测定定葡葡萄糖浓度。萄糖浓度。2 2+2 2+e e 3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u测测H2O2生成量的葡萄糖生成量的葡萄糖酶酶传感

19、器传感器1.1.PtPt阳极阳极2.2.聚四氟乙烯膜（防聚四氟乙烯膜（防止电极毒化）止电极毒化）3.3.固相酶膜固相酶膜4.4.半透膜多孔层半透膜多孔层5.5.半透膜致密层半透膜致密层3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u葡萄糖氧化产生葡萄糖氧化产生H H2 2O O2 2，而，而H H2 2O O2 2通过选择性透气膜，在通过选择性透气膜，在PtPt电电极上氧化，产生阳极电流。葡萄糖含量与电流成正比，极上氧化，产生阳极电流。葡萄糖含量与电流成正比，由此可测出葡萄糖溶液浓度。由此可测出葡萄糖溶液浓度。u在在P Pt t电极上加电极上加0.6V0.6V电压时，则产生的阳极电流为电压时

20、，则产生的阳极电流为：葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶葡萄糖葡萄糖+H H2 2O OO O2 2 葡萄糖酸葡萄糖酸H H2 2O O2 23.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器H H2 2O O2 2 O O2 2+2H+2H+2e+2eu微生物传感器微生物传感器u微生物传感器由微生物传感器由分子识别元件（微生物敏感膜）分子识别元件（微生物敏感膜）和和信号转换器信号转换器组成。在组成。在不损坏微生物机能不损坏微生物机能的前提下，应用固定化技术将微生的前提下，应用固定化技术将微生物固定到载体上，从而制得微生物敏感膜，通常情况下采用的物固定到载体上，从而制得微生物敏感膜，通常情况下采用的载体是

21、多孔醋酸纤维膜和胶原膜。信号转换器可采用载体是多孔醋酸纤维膜和胶原膜。信号转换器可采用电化学电电化学电极、场效应晶体管极、场效应晶体管等。等。u微生物传感器的分类微生物传感器的分类u其从工作原理上可以分为两大类：其从工作原理上可以分为两大类：呼吸机能型和代谢机能型呼吸机能型和代谢机能型。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u呼吸机能性微生物传感器呼吸机能性微生物传感器u呼吸机能性生物传感器是由呼吸机能性生物传感器是由固定有好气性微生物的膜固定有好气性微生物的膜和和氧电极（也可用二氧电极（也可用二氧化碳电极）氧化碳电极）组成。组成。u被测物质中的有机化合物扩散至微生物固化膜内被测物质

22、中的有机化合物扩散至微生物固化膜内被微生物同化被微生物同化，微生物呼，微生物呼吸作用在同化后会有所提高，这样扩散到氧探头的氧就会减少，吸作用在同化后会有所提高，这样扩散到氧探头的氧就会减少，电流值降电流值降低低，被测溶液中氧的扩散速度与微生物的耗氧量达到平衡，向电极扩散的，被测溶液中氧的扩散速度与微生物的耗氧量达到平衡，向电极扩散的氧量趋于恒定，得到一个恒定的电流，此电流与试液中的有机化合物含量氧量趋于恒定，得到一个恒定的电流，此电流与试液中的有机化合物含量之间存在着一定的关系，由此可以测出被微生物同化的有机物含量。之间存在着一定的关系，由此可以测出被微生物同化的有机物含量。微生物固微生物固定

23、化膜定化膜封闭式氧封闭式氧电极或电极或COCO2 2电极电极被测被测物质物质电信号电信号氧消耗变化氧消耗变化（呼吸机能（呼吸机能）呼吸技能呼吸技能微生物传感器微生物传感器原理示意图原理示意图3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u 呼吸机能性微生物传感器呼吸机能性微生物传感器1.1.电解液电解液2.2.O O型环型环3.3.PbPb阴极阴极4.4.聚四氟乙烯聚四氟乙烯5.5.固化微生物膜固化微生物膜6.6.尼龙网尼龙网7.7.PtPt阳极阳极3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u代谢技能型微生物传感器代谢技能型微生物传感器u代谢技能型微生物传感器代谢技能型微生物传感器是以

24、是以厌气微生物厌气微生物作为敏感材作为敏感材料，把料，把微生物敏感膜微生物敏感膜与与离子选择性电极（或者燃料电离子选择性电极（或者燃料电池型电极）池型电极）相结合而构成的一种生物传感器。相结合而构成的一种生物传感器。微生物固微生物固定化膜定化膜电化学敏电化学敏感电极感电极被测被测物质物质电信号电信号新陈代谢变化新陈代谢变化（代谢机能）（代谢机能）厌气性微生物传感器厌气性微生物传感器原理示意图原理示意图3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u代谢机能微生物代谢机能微生物传感器原理传感器原理u将产生氢的将产生氢的产氢菌产氢菌固定在低温固定在低温胶冻膜胶冻膜上，并把它固定在燃上，并把它固定

25、在燃料电池料电池PtPt电极上；电极上；u当传感器浸入含有当传感器浸入含有有机化合物有机化合物的溶液时，的溶液时，有机化合物有机化合物通过通过聚四氟乙烯膜向聚四氟乙烯膜向产氢菌产氢菌扩散，被扩散，被同同化后化后产生产生H H2 2,而而H H2 2又穿过又穿过PtPt电极表面上的聚四氟乙烯膜电极表面上的聚四氟乙烯膜，在，在PtPt电极电极上被上被氧化而产生氧化而产生电流电流，此电流与，此电流与扩散来扩散来的的H H2 2含量成正比，而含量成正比，而H H2 2量又与待测量又与待测有机化合物有机化合物浓度浓度有关，因此传感器能测定发酵溶液中的有关，因此传感器能测定发酵溶液中的有有机化合物机化合物

26、浓度。浓度。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u微生物传感器的应用及特点微生物传感器的应用及特点u生物化学耗氧量（生物化学耗氧量（BODBOD）的测量）的测量是微生物传感器的一个典型应是微生物传感器的一个典型应用。生物化学耗氧量是废水的污浊指标之一，生物化学耗氧用。生物化学耗氧量是废水的污浊指标之一，生物化学耗氧量微生物传感器可以快速的测出结果，对环境保护有很大实量微生物传感器可以快速的测出结果，对环境保护有很大实用意义。用意义。u苯丙氨酸测量苯丙氨酸测量u苯丙氨酸传感器采用苯丙氨酸传感器采用代谢机能型微生物传感器代谢机能型微生物传感器进行测量，利用进行测量，利用此种传感器可以方

27、便快捷的测出未知浓度的苯丙氨酸试液。此种传感器可以方便快捷的测出未知浓度的苯丙氨酸试液。u微生物传感器和酶传感器相比微生物传感器和酶传感器相比价格便宜价格便宜、性能稳定性能稳定、使用寿命使用寿命长长，但其，但其响应时间较长响应时间较长、重复性较差重复性较差。微生物传感器尤其适。微生物传感器尤其适合于发酵过程的测定，因为在发酵过程中合于发酵过程的测定，因为在发酵过程中常存在对酶的干扰常存在对酶的干扰物质物质，应用微生物传感器很可能排除这些干扰。，应用微生物传感器很可能排除这些干扰。u目前微生物传感器以成功的应用于目前微生物传感器以成功的应用于发酵工业发酵工业和和环境测量环境测量中。中。3.3.常

28、见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u免疫传感器免疫传感器u免疫是机体对病原生物感染的抵抗能力。免疫传感器就是免疫是机体对病原生物感染的抵抗能力。免疫传感器就是基于基于抗原抗原抗体反应的高亲和性和分子识别的特点抗体反应的高亲和性和分子识别的特点而制备的传感器。而制备的传感器。u免疫传感器具有免疫传感器具有三元复合物三元复合物的结构，即的结构，即分子识别元件（感受器）分子识别元件（感受器）、信号转换器（换能器）信号转换器（换能器）和和电子放大器。电子放大器。在感受元件中的抗体在感受元件中的抗体与抗原选择性结合，产生的信号敏感地传送给分子识别元件。与抗原选择性结合，产生的信号敏感地传送给分子识别

29、元件。抗体与被分析物的亲和性结合具有抗体与被分析物的亲和性结合具有高度的特异性高度的特异性。免疫传感器。免疫传感器的优劣取决于的优劣取决于抗体与被检测物结合的选择性亲和力抗体与被检测物结合的选择性亲和力。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u免疫传感器的工作原理免疫传感器的工作原理u基本原理是免疫反应。基本原理是免疫反应。利用固定化抗体（或抗原）膜与相应利用固定化抗体（或抗原）膜与相应的抗原（或抗体）的特异反应，使得生物敏感膜的电位发生的抗原（或抗体）的特异反应，使得生物敏感膜的电位发生变化。变化。u抗原或抗体一经固定于膜上，就形成具有识别免疫反应强烈抗原或抗体一经固定于膜上，就形

30、成具有识别免疫反应强烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纤维素膜上进行固定化，的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纤维素膜上进行固定化，由于蛋白质为双极性电解质，（正负电极极性随值而变）由于蛋白质为双极性电解质，（正负电极极性随值而变）所以所以抗原固定化膜具有表面电荷抗原固定化膜具有表面电荷。其。其膜电位膜电位随随膜电荷要变化膜电荷要变化。故根据故根据抗体膜电位抗体膜电位的变化，可测知抗体的附量。的变化，可测知抗体的附量。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u免疫传感器的结构免疫传感器的结构3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器3 3室注入含室注入含有抗体有抗体的盐水的盐水抗体与固

31、抗体与固定化抗原定化抗原膜上的抗膜上的抗体相结合体相结合膜表面吸膜表面吸附抗体附抗体膜带电状膜带电状态变化态变化1 1、2 2室内室内的电极产的电极产生电位差生电位差免疫免疫传感器传感器结构原理结构原理u免疫传感器的分类免疫传感器的分类u根据根据检测抗体结合反应检测抗体结合反应的两种基本方法，免疫传感器可分成的两种基本方法，免疫传感器可分成非非标记免疫传感器标记免疫传感器和和标记免疫传感器标记免疫传感器两类。两类。u标记免疫传感器标记免疫传感器u标记免疫传感器（也称标记免疫传感器（也称间接免疫传感器间接免疫传感器）以酶、红细胞、核糖）以酶、红细胞、核糖体、放射性同位素、稳定的游离基、金属、脂质

32、体等为标记物。体、放射性同位素、稳定的游离基、金属、脂质体等为标记物。u同时为了同时为了增大其灵敏度增大其灵敏度，使用，使用标记酶标记酶对其进行化学放大。此类对其进行化学放大。此类传感器的传感器的选择性依赖抗体的识别功能选择性依赖抗体的识别功能，其，其灵敏度依赖于酶的放灵敏度依赖于酶的放大作用大作用。一个酶分子每半分钟就可以使。一个酶分子每半分钟就可以使103106个底物分子转个底物分子转变为产物，因此标记免疫传感器的变为产物，因此标记免疫传感器的灵敏度很高灵敏度很高。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u非标记免疫传感器非标记免疫传感器u非标记免疫传感器（非标记免疫传感器（也称直

33、接免疫传感器也称直接免疫传感器）不用任何标记物，）不用任何标记物，在抗体与其相应的抗原结合时，会产生若干在抗体与其相应的抗原结合时，会产生若干电化学和电学变化电化学和电学变化，从而导致从而导致相关参数相关参数如介电常数、电导率、膜电位、离子通透性、如介电常数、电导率、膜电位、离子通透性、离子浓度等的变化，这些都是可测信号，从而测的免疫反应的离子浓度等的变化，这些都是可测信号，从而测的免疫反应的发生及被测量（抗原）的多少。发生及被测量（抗原）的多少。u非标记传感器的特点：非标记传感器的特点：u优点优点：不需要额外试剂，仪器要求简单，操作容易，响应快。：不需要额外试剂，仪器要求简单，操作容易，响应

34、快。u缺点缺点：灵敏度较低，样品需求量较大。：灵敏度较低，样品需求量较大。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u免疫传感器的应用及发展免疫传感器的应用及发展u免疫传感器和其他生物生物传感器一样，在医学上已经得到了免疫传感器和其他生物生物传感器一样，在医学上已经得到了很好的应用，很好的应用，例如测量例如测量人体胰岛素含量人体胰岛素含量以及以及人绒毛膜促性腺激素人绒毛膜促性腺激素的测定等等的测定等等u尽管免疫传感器有很多的有点，但免疫传感器的发展仍然有很尽管免疫传感器有很多的有点，但免疫传感器的发展仍然有很多的问题急待解决。多的问题急待解决。例如：例如：来自于基体和共存物的干扰来自于基

35、体和共存物的干扰，抗体敏感性抗体敏感性和和可逆性可逆性等等。等等。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u基因传感器基因传感器u基因传感器也称基因传感器也称DNADNA或或核酸生物传感器核酸生物传感器，是一种能将，是一种能将目的目的DNADNA的的存在转变为可检测的电、光、声等信号的传感装置。存在转变为可检测的电、光、声等信号的传感装置。u基因传感器基因传感器也也主要由两部分组成，即主要由两部分组成，即分子识别器分子识别器(DNA)(DNA)和和换能换能器器。识别器主要用来感知样品中是否含有。识别器主要用来感知样品中是否含有(或含有多少或含有多少)待测物待测物质，转换器则将识别器感知

36、的信号转化为可以观察记录的信号质，转换器则将识别器感知的信号转化为可以观察记录的信号如电流大小、频率变化、荧光和光吸收的强度等。在待测物、如电流大小、频率变化、荧光和光吸收的强度等。在待测物、识别器以及转换器之间由一些生物、化学、生化作用或物理作识别器以及转换器之间由一些生物、化学、生化作用或物理作用过程彼此联系。用过程彼此联系。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u设计原理设计原理u其设计原理其设计原理：在在电极电极上固定一条含有十几到上千个核苷酸的上固定一条含有十几到上千个核苷酸的单单链链DNADNA，通过，通过DNA DNA 分子杂交分子杂交，对另一条含有，对另一条含有互补互

37、补碱基序列的碱基序列的DNADNA进行识别，结合成进行识别，结合成双链双链DNADNA。杂交反应在敏感元件上直接完成，。杂交反应在敏感元件上直接完成，换能器将杂交过程所产生的变化转变成电信号，根据杂交前后换能器将杂交过程所产生的变化转变成电信号，根据杂交前后电信号的变化量，推断出电信号的变化量，推断出被检测被检测DNADNA的量的量。基因传感器不仅能。基因传感器不仅能测定测定DNADNA的浓度，还能的浓度，还能识别部分碱基的排列顺序识别部分碱基的排列顺序，可确定微生，可确定微生物的种属，这是一般生物传感器所不具备的特性物的种属，这是一般生物传感器所不具备的特性 。按换能器。按换能器转换信号的不

38、同，可以将基因传感器分为转换信号的不同，可以将基因传感器分为DNADNA电化学传感器电化学传感器、DNADNA压电传感器压电传感器、DNADNA光学传感器光学传感器等类别。等类别。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器uDNADNA电化学传感器电化学传感器uDNADNA电化学传感器是利用电化学传感器是利用单链单链DNADNA作为敏感元件，通过共价键合作为敏感元件，通过共价键合或化学吸附固定在固体电极表面，加上识别杂交信息的或化学吸附固定在固体电极表面，加上识别杂交信息的电活性电活性指示剂指示剂(称为杂交指示剂称为杂交指示剂)共同构成的检测特定基因的装置共同构成的检测特定基因的装置。3

39、.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器uDNADNA电化学传感器电化学传感器原理原理u其工作原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的其工作原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的ssDNAssDNA与与溶液中的互补序列溶液中的互补序列DNADNA的特异识别作用的特异识别作用(分子杂交分子杂交)形成双链形成双链DNA(dsDNA)DNA(dsDNA)，同时借助一能识别，同时借助一能识别ssDNAssDNA和和dsDNA dsDNA 的杂交指示剂的杂交指示剂的电化学响应信号的改变来确定被检测基因是否存在，达到定的电化学响应信号的改变来确定被检测基因是否存在，达到定性的目的。性的目的。u同时

40、，当互补序列同时，当互补序列DNA DNA 的浓度发生改变时，指示剂嵌入后的响的浓度发生改变时，指示剂嵌入后的响应信号也会发生相应变化。一定范围内指示剂的响应信号与待应信号也会发生相应变化。一定范围内指示剂的响应信号与待测测DNADNA物质的量浓度成线性关系，从而得以检测基因含量，达物质的量浓度成线性关系，从而得以检测基因含量，达到定量的目的。到定量的目的。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u光学生物传感器光学生物传感器u光学方法是最成熟和最好的生物敏感技术，因为它有两个最重要的优点：光学方法是最成熟和最好的生物敏感技术，因为它有两个最重要的优点：非破坏性非破坏性和和高度灵敏度高

41、度灵敏度。根据光学和所选检测材料的不同，光学基因传感。根据光学和所选检测材料的不同，光学基因传感器可以分为许多种类：器可以分为许多种类：uSPR(SPR(表面等离子共振）基因传感器表面等离子共振）基因传感器u该传感器以该传感器以表面等离子共振作表面等离子共振作为信号转换器，其对基因敏感的原理如电化为信号转换器，其对基因敏感的原理如电化学基因传感器一样，只不过检测的信号是光学信号。学基因传感器一样，只不过检测的信号是光学信号。uSPRSPR基因传感器的特点：基因传感器的特点：u优点：不采用标记物，简化分子杂交的检测过程，检测时所需的时间较短优点：不采用标记物，简化分子杂交的检测过程，检测时所需的

42、时间较短（几分钟），测定快速、安全，传感器重复利用度较高。（几分钟），测定快速、安全，传感器重复利用度较高。u缺点：该方法选择性较差，难以排除非特异性吸附的干扰，且需要缺点：该方法选择性较差，难以排除非特异性吸附的干扰，且需要DNADNA嵌合嵌合剂剂，所用的仪器复杂且价格昂贵。，所用的仪器复杂且价格昂贵。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u发光基因传感器发光基因传感器u发光基因传感器的发光机理有荧光、电化学发光和化学发光三种。发光基因传感器的发光机理有荧光、电化学发光和化学发光三种。u下图为一种单分子显微荧光基因传感器：该传感器单链下图为一种单分子显微荧光基因传感器：该传感器单链

43、DNADNA包含包含A A、B B两部分，两部分，B B为待测的靶序列，为待测的靶序列，A A则与载体上的固定序列则与载体上的固定序列A1A1互补，利用互补单链互补，利用互补单链DNADNA之间之间的特异性相互作用，通过的特异性相互作用，通过A A将被测单链将被测单链DNADNA固定后，再利用与序列固定后，再利用与序列B B互补的探互补的探针针B1B1进行检测。固定序列和探针序列上分别标记具有不同发射波长的荧光进行检测。固定序列和探针序列上分别标记具有不同发射波长的荧光素素F1F1和和F2F2，结合成像技术，在，结合成像技术，在F1F1的发射波长能看到的亮点为固定的发射波长能看到的亮点为固定D

44、NADNA序列，序列，在在F2F2的发射波长能看到的亮点为探针的发射波长能看到的亮点为探针DNADNA分子。由此可以判断：被检测分子。由此可以判断：被检测DNADNA分子中分子中哪些是非特异性吸附的哪些是非特异性吸附的，哪些是通过杂交结合在载体表面的哪些是通过杂交结合在载体表面的。单分子显微荧光基因传感器单分子显微荧光基因传感器3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u压电晶体基因传感器压电晶体基因传感器u压电晶体基因传感技术的理论基石是压电晶体基因传感技术的理论基石是石英晶体振荡器表面质量石英晶体振荡器表面质量的变化与频率的变化成负相关关系的变化与频率的变化成负相关关系。将单链的。将

45、单链的DNADNA探针固定到探针固定到电极表面上，然后浸入含有被测目标单链电极表面上，然后浸入含有被测目标单链DNADNA分子的溶液中，分子的溶液中，当电极上的单链当电极上的单链DNADNA探针与溶液中的互补序列的目标单链探针与溶液中的互补序列的目标单链DNADNA分分子杂交形成双链子杂交形成双链DNADNA时，石英晶体振荡器的振动频率就会发生时，石英晶体振荡器的振动频率就会发生变化。变化。压电晶体基因传感器基本原理压电晶体基因传感器基本原理3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u压电晶体基因传感器的特点：压电晶体基因传感器的特点：u优点：它可以检测到优点：它可以检测到亚纳克级亚纳克

46、级即即 （在在10-710-7到到 10-8 10-8 范围内范围内 ，介于微克与纳克这两种尺度，介于微克与纳克这两种尺度）的物质，该方法不需要任何标）的物质，该方法不需要任何标记，且仪器简单操作方便。记，且仪器简单操作方便。u缺点：灵敏度不高，易受杂质干扰等。缺点：灵敏度不高，易受杂质干扰等。u基因传感器的应用和研究涉及微电子学、界面化学及分析化学基因传感器的应用和研究涉及微电子学、界面化学及分析化学等多个学科的知识，许多不同分子识别元件及技术相继在基因等多个学科的知识，许多不同分子识别元件及技术相继在基因传感器中得到应用，其发展和应用前景非常广阔。传感器中得到应用，其发展和应用前景非常广阔

47、。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u总结：生物传感器的种类繁多，除了前面介绍的外还有总结：生物传感器的种类繁多，除了前面介绍的外还有细胞生物传感器、细胞生物传感器、组织生物传感器，半导体生物传感器组织生物传感器，半导体生物传感器等。此类传感器涉及的学科领域广阔、等。此类传感器涉及的学科领域广阔、技术先进、优点突出，从而得到了广泛的应用。技术先进、优点突出，从而得到了广泛的应用。4.4.生物传感器的发展与应用生物传感器的发展与应用u生物传感器未来发展的趋势生物传感器未来发展的趋势u近年来随着生物科学，信息科学，微电子技术光电子技术和材近年来随着生物科学，信息科学，微电子技术光电子

48、技术和材料科学的发展，不同学科背景的研究者密切合作使得生物传感料科学的发展，不同学科背景的研究者密切合作使得生物传感器设计和应用都有了很大的发展，未来生物传感器将会有如下器设计和应用都有了很大的发展，未来生物传感器将会有如下的特点：的特点：1.1.功能多样化功能多样化2.2.微型化微型化3.3.智能化和集成化智能化和集成化4.4.低成本、高灵敏度、高稳定性和长寿命低成本、高灵敏度、高稳定性和长寿命4.4.生物传感器的发展与应用生物传感器的发展与应用4.4.生物传感器的发展与应用生物传感器的发展与应用手掌型血糖分析仪手掌型血糖分析仪维生素维生素c c的检测器的检测器快速葡萄糖分析仪快速葡萄糖分析

49、仪谷氨酸谷氨酸(乳酸乳酸)-)-葡萄糖双葡萄糖双功能分析仪功能分析仪纳米生物纳米生物传感器传感器光纤生物光纤生物传感器传感器4.4.生物传感器的发展与应用生物传感器的发展与应用胰岛素泵胰岛素泵腕表式血糖检测仪腕表式血糖检测仪4.4.生物传感器的发展与应用生物传感器的发展与应用血糖乳酸自动分析仪血糖乳酸自动分析仪4.4.生物传感器的发展与应用生物传感器的发展与应用德国研发的环境废水德国研发的环境废水BOD(BOD(生化需氧量生化需氧量)分析仪分析仪4.4.生物传感器的发展与应用生物传感器的发展与应用生物传感器在赛车比赛的应用生物传感器在赛车比赛的应用分子马达微动力生物传感器分子马达微动力生物传感器4.4.生物传感器的发展与应用生物传感器的发展与应用SBA-60SBA-60型生物传感器乳酸在线分析系统型生物传感器乳酸在线分析系统