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生物传感器魏铭7130070郑棋月71300692014.3.14目录一.生物传感器的发展历史二.生物传感器的基本概念三.生物传感器的基本原理四.生物传感器的分类五.生物传感器在食品工业中的应用六.生物传感器的发展现状七.生物传感器的发展趋势和展望一.生物传感器的发展历史第一阶段：20世纪60一70年代，为起步阶段，以Clark传统酶电极为代表。第二阶段：20世纪70年代末期到80年代，大量的学科交叉出现各种不同原理和技术的生物传感器，尤其80年代中期是生物传感器发展的第一个高潮时期，其代表之一是介体酶电极，它不仅开辟了酶电子学的新研究方向，还为酶传感器的商品化奠定了重要基础。第三阶段：20世纪90年代以后，有两个象征：一是生物传感器的市场开发获得显著成绩；二是生物亲和传感器的技术突破，以表面等离子体和生物芯片为代表，成为生物传感器发展的第二个高潮。一.生物传感器的发展历史1962年，Clark教授→酶电极1967年，Updike,Hicks→酶传感器1975年，C.Divis提出用完整的微生物活细胞取代纯酶制作的传感器1977年，美国A.Rchnitz研制出检测精氨酸的微生物电极1979年，A.Rchnitz成功研制出了测定谷氨酰胺的组织传感器20世纪80年代，牛津出版社《生物传感器：基础与应用》1990年，在新加坡召开了“首届世界生物传感器学术大会”一.生物传感器的发展历史生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。它们的共同特征是：探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律，探讨应用于人类经济活动等的基本方法。生物传感器技术的研究重点是：广泛地应用各种生物活性材料与传感器的结合，研究和开发具有识别功能的换能器，并成为制造新型的分析仪器和分析方法的原创技术，研究和开发它们的应用。生物传感器中应用的生物活性材料对象范围包括：生物大分子、细胞、细胞器、组织、器官等，以及人工合成的分子印迹聚合物。目前，研究DNA分子或蛋白质分子的识别技术已形成生物芯片独立学科领域。二.传感器的基本概念1.生物传感器(biosensor)：是指对生物物质敏感,并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。生物传感器的组成主要分为两个部分：分子识别元件（生物敏感膜）和换能器（一次仪表）。二.传感器的基本概念1.1分子识别元件是指固定化的生物敏感材料，是生物传感器的关键元件，直接决定传感器的功能与质量。依生物敏感膜所选材料不同，其组成可以是酶、核酸、免疫物质、全细胞、组织、细胞器或它们的不同组合。二.传感器的基本概念1.2换能器换能器的作用是将各种生物的、化学的和物理的信息转变成电信号。生物学反应过程产生的信息是多元化的，微电子学和传感技术的现代成果为检测这些信息提供了丰富的手段，使得研究者在设计生物传感器时对换能器的选择有足够的回旋余地。主要的换能器包括氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等。二.传感器的基本概念1.3生物功能物质的固定化概念：将具有分子识别能力的生物功能物质，包藏或吸附于某些高分子材料，生物高分子或无机材料，如分子筛内制备成感应器，称为生物功能物质的固定化。常用固定化方法：夹心法（隔离法）、包埋法、吸附法、共价结合法、交联法、微胶囊法。二.传感器的基本概念1.3.1夹心法是将生物活性材料封闭在双层滤膜之间。依生物材料的不同而选择各种孔径的滤膜。尤其适用于微生物和组织膜的制作。商品BOD传感器的膜就是用这种方法制作的。用于酶膜制作时稳定性较差。滤膜的选择生物组分膜孔径膜类型酶10~300A°超滤膜、透析膜组织0.5~10μm微滤膜微生物0.05~10μm微滤膜二.传感器的基本概念1.3.2吸附法是用非水溶性载体物理吸附或离子结合，使蛋白质分子固定化的方法。载体种类繁多，如活性炭、高岭土、羟基石灰石、铝粉、硅胶、玻璃、胶原、磷酸钙凝胶、纤维素和离子交换器等。吸附法主要用于制备酶和免疫膜，吸附过程一般不需要化学试剂，对蛋白质分子活性影响较小，使蛋白质分子容易脱落，特别在环境条件改变时。故常常与其它固定化方法结合使用，如吸附交联法。二.传感器的基本概念1.3.3包埋法将酶分子或细胞包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。包埋法的特点是一般不产生化学修饰，对生物分子活性影响较小，膜的孔径和几何形状可任意控制，被包埋物质不易渗漏，底物分子可以在膜中任意扩散，缺点是分子量大的底物在凝胶网格内扩散较困难，因此，不适合大分子底物的测定。二.传感器的基本概念1.3.4共价结合法是生物活性分子通过共价键与不溶性载体结合而固定的方法。蛋白质分子中能与载体形成共价键的基团有游离氨基、羧基、巯基、酚基和羟基等。有机载体如纤维素及其衍生物、葡聚糖、琼脂粉、骨胶原等，无机载体使用较少，主要有多孔玻璃、石墨等。根据酶与载体之间的结合形式可以有重氮法、肽键法、烷化法等，以重氮法较为多用。共价结合法多用于酶膜和免疫分子膜的制作。二.传感器的基本概念1.3.5交联法此法借助双功能试剂使蛋白质结合到惰性载体或蛋白质分子彼此交联呈网状结构。交联法广泛用于酶膜和免疫分子膜制备，操作简单，结合牢固，在酶源困难时常常需要加入数倍酶的惰性蛋白质作为基质。本法存在的问题是在进行固定化时需要严格控制pH，一般在蛋白质的等电点附近操作。在交联反应中，酶分子不可避免地会部分失活。三.生物传感器的基本原理被分析物扩散进入固定化生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的化学换能器或物理换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表(检测放大器)放大并输出，便可知道待测物浓度。三.生物传感器的基本原理与传统的分析方法相比，生物传感器这种新的检测手段具有如下的优点：①生物传感器是由选择性好的生物材料构成的分子识别元件，因此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，且测定时一般不需加入其他试剂；②由于它的体积小，可以实现连续在线监测；③响应快，样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用；④传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，便于推广普及。三.生物传感器的基本原理生物传感器的优点可现场检测灵敏度高快捷可微型化可操作性强测定简便选择性好便于携带四.生物传感器的分类31、根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感物质分：核酸传感器分子印迹生物传感器√√√四.生物传感器的分类4.1.1分子印迹生物传感器通过对抗原抗体、酶和底物反应原理的研究和理解,科学家大胆提出了通过化学反应合成模拟抗体的设想,开创了一项崭新的技术—分子印迹技术(molecularimprintingtechnique,MIT)。通过MIT合成的分子印迹聚合物(molecularlyimprintedpolymers,MIPs)被称为“塑料抗体”,科学家因此实现了不依赖生物活体获得“抗体”的宿愿,以此“塑料抗体”取代生物分子作为识别元件研制分子印迹仿生传感器(MIPs仿生传感器)的工作,在20世纪90年代后逐渐成为传感器领域的研究热点。四.生物传感器的分类分子印迹聚合物的制备包括3个步骤:(1)通过共价键或/和非共价键使模板或印迹分子(即待测分子)与功能单体形成官能团和空间结构互补的复合物,所用的功能单体须带有能与印迹分子发生作用的功能基。常用的功能单体有丙烯酸、甲基丙烯酸、三氟甲基丙烯酸及苯乙烯等;(2)加入交联剂,在印迹分子-功能单体复合物周围产生聚合反应,将官能团和空间结构互补的形式固定在聚合物中。常用的交联剂有:双甲基丙烯酸乙二醇酯、季戊四醇三丙烯酸酯及三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯等;(3)从聚合物中除去模板,形成能特异识别、结合模板的空穴,这个聚合物即MIPs。四.生物传感器的分类4.1.2组织传感器是利用动植物组织中的酶，特异性的催化底物，产生生物活性物质，引起基础电极的响应。第一支组织电极是用动物组织牛肝在美Rechnitz实验室于1978年面世，1981年开创了植物组织电极的研制。其工作原理类似于酶传感器，是酶传感器的衍生性电极。四.生物传感器的分类组织传感器的优点：1、组织电极中酶活性比酶电极所用的离析酶的活性高2、酶的稳定性增强。因为组织中的酶除了处于最适宜的环境，同时又相当于被固定化了3、组织电极用的生物材料，如动物的肝，肾，肠、肌肉，植物的叶、茎、花、果等易于获得，可代替昂贵的酶试剂4、不清楚是什么酶的催化反应，或对生物催化途径不清楚的反应系统，无法用酶电极，只有用组织电极四.生物传感器的分类4.1.3免疫传感器•基本原理：免疫反应。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变化。•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ＰＨ值而变）所以抗原固定化膜具有表面电荷。其膜电位随膜电荷要变化。故根据抗体膜电位的变化，可测知抗体的附量。四.生物传感器的分类4.1.3免疫传感器免疫传感器的结构：四.生物传感器的分类2、根据传感器输出信号的产生方式分：生物亲和型生物传感器、代谢型生物传感器、催化型生物传感器4.2.1生物亲和型生物传感器是利用分子间特异的亲和性，即生物活性物质对底物的亲和或键合作用而建立起来的，如免疫传感器、受体传感器和DNA传感器等，根据生物反应产生信息的物理或化学性质，可采用电化学、光谱、热、压电和表面声波等技术进行检测。四.生物传感器的分类3、根据生物传感器的信号转化器分：电化学生物传感器（bioelectrode）半导体生物传感器（semiconductbiosensor）测热型生物传感（calorimetricbiosensor）测光型生物传感器（opticalbiosensor）压电晶体生物传感器（piezoelectricbiosensor）√四.生物传感器的分类4.3.1压电晶体生物传感器利用压电石英晶体对表面电极区附着质量的敏感性，并结合生物功能分子(如抗原和抗体)之间的选择特异性，使压电晶体表面产生微小的压力变化，引起其振动频率改变可制成压电生物传感器。它主要由压电晶体、振荡电路、差频电路、频率计数器及计算机等部分组成。常用压电晶体材料：石英（SiO2）、钽酸锂（LiTaO3）晶体振动两种类型：体声波(bulkacousticwave,BAW)表面声波(Surfaceacousticwave,SAW)五.生物传感器的在食品工业的应用食品工业中应用ACB4.1食品品质检测4.2食品成分分析4.3食品安全检测五.生物传感器的在食品工业的应用4.1食品品质检测•新鲜度检测•例如畜禽肉、鱼肉和牛乳新鲜度的评定。•食品滋味及熟度的检测•例如酱卤肉制品及骨汤类制品。五.生物传感器的在食品工业的应用4.1食品品质检测例：畜禽肉生物传感器肉类在腐败过程中会产生各种胺类,故测定胺类也能反映肉类的新鲜程度。用腐胺氧化酶与过氧化氢电极构成多胺生物传感器,即肉鲜度传感器,测定鱼肉在贮藏过程上的鲜度,响应时间40s,测定腐胺线性范围为3×10-8～3×10-6mol/L。有些肉鲜度传感器是通过测定葡萄糖浓度来评价肉类食品的新鲜度。五.生物传感器的在食品工业的应用4.1食品品质检测待分析物识别元件化学变化换能器可定量分析的电信号5’－核苷酸酶核苷磷酸化酶黄嘌呤氧化酶电化学元件氧电极例：鱼鲜度传感器鱼死后体内ATP→ADP→AMP→IMP→肌苷→次黄嘌呤→尿酸五.生物传感器的在食品工业的应用4.1食品品质检测例：牛乳鲜度传感器牛乳鲜度传感器实际上是一个菌数测定仪。探头是一种燃烧电池，它包括一个铂阴极和一个Ag2O2阳极，两极间用阳离子交换膜隔开。被测定样品与阳极接触，样品中的细菌可在阳极氧化，加入电子传递介质，如亚甲基蓝、二氯酚靛酚等可加快电极反应速度，增大电流。电流值与样品中的细菌浓度成比例，菌数越多，表明牛乳越不新鲜。牛乳放置过程中，受细菌作用而产生乳酸，因此乳酸含量