生物传感器概述及应用

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:oxygenelectrode􀂄1962,L.C.Clark:biosensorconcept(electrochemicalsensor+enzymetransducersasmembrane=enzymeelectrode)oxygenelectrodeenzymeelectrode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，或产生的光或热等转换为可用信号，并呈现一定的比例关系。被测对象生物敏感膜（分子识别感受器）电信号换能器物理、化学反应化学物质力热光声...图16-1生物传感器原理图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、生物反应中的物理量变化4、微生物反应1、酶促反应E+S→ES→E+P2、免疫化学反应抗体Ab抗原Ag3、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、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+RCHO→FMN+R·CO2H+E+H2O+hυ细菌发光其强度取决于积累的还原型FMN的量。H＋+NADH+FMNFMNH2+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：（１）按照生物敏感物质相互作用的类型分类（２）按照其感受器中所采用的生命物质分类（３）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（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、DNA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。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，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发酵罐主机计算机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＋40或-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，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