第二讲-生物传感器

AdvancedanalyticaltechnologyChapter１生物传感器（Biosensors）1.1Generalization（概述）1.2Principle（基本原理）1.3Classification（分类）1.4Application（应用）主讲：何海波博士讲师（上海大学理学院化学系）传感器是什么？1.1概述人体中的传感器：耳朵、眼睛、手指、鼻子和舌头……嗅觉膜神经细胞大脑神经纤维BIOSENSORS鼻子类似于传感器敏感元件传送器信号处理器实验室中的传感器：石蕊试纸---显色反应pH试纸---混合指示剂pH计---电化学装置传感器是什么？BIOSENSORS1.1概述传感器：能感受(或响应)一种信息并变换成可测量信号(一般指电信号)的装置。生物传感器：将生物体的成份（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）固定化在一器件上作为敏感元件的传感器称为生物传感器。Ⅰ定义BIOSENSORSⅡ生物传感器的基本组成敏感膜（分子识别原件）、换能器（传送和转换）和信号处理器BIOSENSORSⅢ生物传感器的优点测定范围广泛；样品一般无需预处理，被测组分的分离和检测同时完成，且测定时不需加入其它试剂；采用固定化生物活性物质作敏感基元（催化剂），价值昂贵的试剂可以重复多次使用；分析成本远低于大型分析仪器，便于推广普及；可进入生物体内实现活体检测；测定过程简单迅速；准确度和灵敏度高，一般相对误差不超过1％；体积小，便于野外连续自动监测；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。BIOSENSORS第一代生物传感器：1962年，Clark和Lyon报道了用葡萄糖氧化酶与氧电极相结合检测葡萄糖的结果，可认为是最早提出了生物传感器（酶传感器）的原理。Ⅳ生物传感器的发展历程BIOSENSORS第一代生物传感器：1967年Updike和Hicks将葡萄糖氧化酶固定在氧电极表面，研制成功酶电极，被认为是世界上第一个生物传感器，开创了生物传感器的历史。这类传感器抗干扰能力差，背景电流大，易受溶液中氧浓度变化影响。BIOSENSORS1977年,钤木周一等发表了关于对生化需氧量(BOD)进行快速测定的微生物传感器的报告,并在微生物传感器对发酵过程的控制等方面,作了详细报导,正式提出了对生物传感器的命名。第一代生物传感器：上市产品：①1979年，美国YSI公司(维赛仪器公司)，血糖测试用酵素电极。②1988年，美国Medisense公司（1996年，雅培），电化学法血糖仪--ExactechPen，袭卷70%以上的第一代产品市场，成为生物传感器业的盟主。目前全球每天有250万人使用MediSense的血糖仪。第一代生物传感器：BIOSENSORS雅培血糖仪(手握式)第二代生物传感器：Ⅳ生物传感器的发展历程定义为使用抗体或受体蛋白当分子识别组件，换能器的选用则朝向更为多样化，诸如场效半导体(FET)，光纤(FOS)，压晶体管(PZ)，表面声波器(SAW)等。组织、微生物、免疫、酶免疫和细胞器等传感器。上市产品：如瑞典Pharmacia公司推出的BIAcore与BIAlite两项产品(1991年）。BIOSENSORS第三代生物传感器:Ⅳ生物传感器的发展历程最近,人们更关注酶与电极之间的直接电子传递研究,并用于构造第三代生物传感器；将生物技术和集成电路技术结合起来，研制成场效应生物传感器；生物传感器和流动注射分析与电脑技术相结合；定位在更具携带式，自动化，与实时测定功能。BIOSENSORSⅤ国内外得到应用的生物传感器：测定水质的BOD（biochemicaloxygendemand）分析仪，在市场上有以日本和德国为代表产品供应德国研发的环境废水BOD分析仪BIOSENSORS采用丝网印刷和微电子技术的手掌型血糖分析器，已形成规模化生产，年销售量约为10亿美元Ⅴ国内外得到应用的生物传感器：手掌型葡萄糖(glucose)分析仪BIOSENSORS固定化酶传感分析仪，国外以美国的YSI公司和德国BST公司为代表，都有系列分析仪产品，它们主要用于环境监测和食品分析，国内到目前为主只有山东省科学院生物研究所的系列化产品在市场得到应用。SPR(surfaceplasmaresonance)生物传感器，在日、美、德、瑞典等国得到了开发和初步应用。Ⅴ国内外得到应用的生物传感器：BIOSENSORSⅥ生物传感器的发展方向生物传感器是一个多学科交叉的高技术领域，伴随着生物科学、信息科学和材料科学等相关学科的高速发展，生物传感器的发展将会有以下新特点：1.功能更加全面，并向微型化发展未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。当前生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器,即仿生传感器。而且随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化，使人们面前出现各种便携式生物传感器的。2.智能化程度更高未来的生物传感器将会和计算机完美紧密的结合，能够自动采集数据、处理数据，可以更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、最终形成检测的自动化系统。同时,芯片技术将越来越多地进入传感器领域,实现检测系统的集成化、一体化。BIOSENSORS1.2生物传感器原理无论是基于电化学、光学、热学或压电晶体等不同类型的生物传感器，其探头均由两个主要部分组成，一是感应器，它是由对被测定的物质（底物）具有高选择性分子识别功能的膜构成。二是转换器，它能把膜上进行的生化反应中消耗或生成的化学物质，或产生的光、热等转变成电信号，最后把所得的电信号经过电子技术的处理后，在仪器上显示或记录下来。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BIOSENSORS换能器（Transducer）感受器（Receptor）=分析物（Analyte）溶液（Solution）选择性膜（Thinselectivemembrane）识别元件（Recognition）生物传感器工作机理测量信号（MeasurableSignal）BIOSENSORS生物功能物质和分子识别：分子识别过程是分子在特定的条件下通过分子间作用力的协同作用达到相互结合的过程。“特定的条件”即是指分子要依靠预组织达到互补的状态，“分子间相互作用力”即是指存在于分子之间非共价相互作用，而“协同作用”则是强调了分子需要依靠大环效应或者螯合效应使得各种相互作用之间产生一致的效果。具有识别能力的生物分子称为生物功能物质。例如：葡萄糖氧化酶能从多种糖分子的混合溶液中，高选择性地识别出葡萄糖，并把它迅速地氧化为葡萄糖酸内酯。这种葡萄糖氧化酶即称为生物功能物质。生物传感器原理BIOSENSORS生物功能物质能够识别相应的生物分子，具有很高的选择性。犹如钥匙和锁的关系一样，一把钥匙只能打开一把锁。因此所制备的生物传感器具有很高的选择性，可以从不经前处理的样品中，直接测定出欲测的物质。生物功能物质和分子识别偶氮染料环糊精BIOSENSORS生物功能物质的固定化将具有分子识别能力的生物功能物质，如酶、抗原、抗体等，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。固定化技术的研究是生物传感器的研究和开发中最为重要的工作。生物传感器原理BIOSENSORS生物功能物质的固定化方法①直接化学结合法：将电极表面先经过化学处理或修饰，然后将生物功能物质以共价，离子或配位等方式结合固定于电极表面。TiO2电极BIOSENSORS②架桥化固定法：用多功能的试剂，如戊二醛与酶蛋白分子相互结合，起着桥梁的作用，从而使酶固定于电极表面，是酶固定化用得比较多的方法。生物功能物质的固定化方法BIOSENSORS③高分子载体包埋法：将生物功能物质与合成高分子Nafion(全氟磺酸树脂)或生物高分子丝素蛋白经溶剂混合而使酶包埋其中，制备成具有活性的感应膜，再把它覆盖到转换器即电极的表面，构成生物传感器。生物功能物质的固定化方法其中：m=1,2或3;n=6～7;x≈1000是一种由四氟乙烯与全氟-2-(磺酸乙氧基)丙基乙烯基醚的共聚物,Nafion为美国杜邦公司注册的商品名。BIOSENSORS④高分子膜吸附法：先在电极表面上修饰一层合成高分子或生物高分子，然后将生物功能物质吸附到高分子膜上，制备成感应器，再与转换器结合，构成传感器。⑤电聚合高分子包埋法：将单体和生物功能物质同时混合于电解液内，通电使单体在电极表面电聚合成高分子，与此同时可以将酶包埋于高分子膜内，直接固定于电极表面，构成生物传感器。生物功能物质的固定化方法BIOSENSORS生物功能物质的固定化方法BIOSENSORS⑥分子自组装固定法：在单晶金电极表面，新修饰一层硫醇化合物，这是通过分子间的引力自组装构成的单分子层，然后在通过自组装方法将媒介体和酶一层层地修饰于电极上，构成传感器。⑦无机材料吸附结合法：利用无机材料如分子筛或氧化铝等的强烈的吸附性，以此作为载体，先将分子筛用聚乙烯调制后固定于电极表面，然后使生物功能物质吸附固定于分子筛膜内，即可构成生物传感器。⑧碳糊固定法：将酶用石蜡油等溶剂调匀，再加入石墨粉调制成糊状物，填充于玻璃管内制备成碳糊电极。生物功能物质的固定化方法BIOSENSORS生物传感器原理信号转换：在感应器即具有生物功能活性的膜内发生的化学反应中，必然会消耗或产生一些化学物质，或者产生热和光等，这些变化都必须先转变成电信号，然后经过电子技术的处理之后才能从仪表上显示或记录下来。目前在生物传感器中研究最多的是电化学生物传感器，其转换器主要有电流型和电位型两类。BIOSENSORS大都是基于对于某种离子或气体具有选择性的电极。1.pH键连：是最简单的电位型生物传感器，可用于任何当化学反应时有pH变化的体系。制作传感器必须有合适的酶固定在pH电极上。BIOSENSORS电位型生物传感器a)青霉素：青霉素（penicillin）青霉噻唑盐b）葡萄糖：电位型生物传感器实例----pH键连BIOSENSORS葡萄糖氧化酶(glucoseoxidase)+H2O2+O2葡萄糖(glucose)葡萄糖酸（gluconicacid)C）尿素：尿素酶固定在pH电极上。CO(NH2)2+2H2O2NH4++CO32-电位型生物传感器实例----pH键连BIOSENSORS尿素酶2.氨键连：反应产物为氨的任何反应都可以用氨选择性电极来检测。a)尿素：尿素酶固定在氨电极的聚丙烯膜上。b)肌酸酐：肌酸酶固定在氨电极的聚丙烯膜上。电位型生物传感器实例肌酸（Creatine）肌酸酐(Creatinine)+NH3BIOSENSORSc)苯丙氨酸电位型生物传感器实例----氨键连BIOSENSORS+NH3L-苯丙氨酸(phenylalanine)反式肉桂酸盐（trans-3-phenylacrylicacid）苯丙氨酸胺裂解酶d)腺苷：电位型生物传感器实例----氨键连腺苷（Adenosine)+NH3肌苷(Inosine)腺嘌呤脱氧氨基酶BIOSENSORS3.二氧化碳连：用二氧化碳选择性气体电极来测定溶液中析出的二氧化碳。a)尿素：CO(NH2)2+2H+2NH3+CO2b)草酸：C2H2O4CO2+HCOOHc)地谷新（异羟基洋地黄毒苷原）将地谷新固定在聚苯乙烯珠上，样品地谷新与过氧化酶标记的抗体一起加入，然后络合过的过氧化酶与1，2，3-苯三酚和过氧化氢反应。H2O2+1，2，3-苯三酚CO2电位型生物传感器实例----CO2连BIOSENSORS草酸脱酸酶过氧化酶电位型生物传感器实例4.碘选择性电极：a)葡萄糖：BIOSENSORS葡萄糖+O2葡萄糖酸+H2O2葡萄糖氧化酶H2O2+2I-+2H+I2+2H2O过氧化酶碘化物电极跟踪着碘化物浓度的减小，而碘化物被过氧化氢所消耗。b)雌三醇：H2O2+2I