生物医学传感生物传感器课件.ppt

第十三章第十三章 生物传感器生物传感器2023/2/21上次课回顾上次课回顾1 1 1 1、检测原理、特性、检测原理、特性、检测原理、特性、检测原理、特性（二）电化学气体传感器（二）电化学气体传感器（二）电化学气体传感器（二）电化学气体传感器（三）半导体气体传感器（三）半导体气体传感器（三）半导体气体传感器（三）半导体气体传感器1 1 1 1、电阻型、电阻型、电阻型、电阻型2 2 2 2、MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET（非电阻型）（非电阻型）（非电阻型）（非电阻型）2 2 2 2、气敏电极、气敏电极、气敏电极、气敏电极（一）离子敏场效应晶体管（一）离子敏场效应晶体管（一）离子敏场效应晶体管（一）离子敏场效应晶体管(ISFET)(ISFET)(ISFET)(ISFET)1 1 1 1、结构、结构、结构、结构2 2 2 2、工作原理、工作原理、工作原理、工作原理3 3 3 3、特性、特性、特性、特性（1 1 1 1）O O O O2 2 2 2电极电极电极电极(PoPoPoPo2 2 2 2电极）电极）电极）电极）（2 2 2 2）COCOCOCO2 2 2 2电极电极电极电极(PcoPcoPcoPco2 2 2 2电极）电极）电极）电极）2023/2/22生物传感器生物传感器（biosensors)biosensors)n生物传感器的概述生物传感器的概述n生物传感器的基本组成和工作原理生物传感器的基本组成和工作原理n生物传感器的分类及特点生物传感器的分类及特点n生物敏感材料的固定化技术生物敏感材料的固定化技术n几种主要的生物传感器几种主要的生物传感器2023/2/23一、生物传感器的概述一、生物传感器的概述n n利利利利用用用用生生生生物物物物活活活活性性性性物物物物质质质质的的的的选选选选择择择择性性性性识识识识别别别别和和和和测测测测定定定定各各各各种种种种生生生生物物物物化化化化学学学学物质的传感器。物质的传感器。物质的传感器。物质的传感器。oo 对特定种类化学物质或生物活性物质对特定种类化学物质或生物活性物质对特定种类化学物质或生物活性物质对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应具有选择性和可逆响应具有选择性和可逆响应具有选择性和可逆响应。主要由两大部分组成：主要由两大部分组成：主要由两大部分组成：主要由两大部分组成：一是一是一是一是功能识别物质功能识别物质功能识别物质功能识别物质（分子识别元件分子识别元件分子识别元件分子识别元件），由其对），由其对），由其对），由其对被测物质进行特定识别；被测物质进行特定识别；被测物质进行特定识别；被测物质进行特定识别；二是二是二是二是电、光信号转换装置电、光信号转换装置电、光信号转换装置电、光信号转换装置（换能器换能器换能器换能器），由其把），由其把），由其把），由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。或光信号。或光信号。或光信号。1 1 1 1、生物传感器的定义、生物传感器的定义、生物传感器的定义、生物传感器的定义2023/2/242.2.2.2.生物传感器的发展史生物传感器的发展史生物传感器的发展史生物传感器的发展史n最最先先问问世世的的生生物物传传感感器器是是酶酶酶酶电电电电极极极极，19621962年年ClarkClark将将酶酶与与ISEISE结合，最先提出组成酶电极的设想。结合，最先提出组成酶电极的设想。n上上世世纪纪7070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寿寿命命命命一一般般都都比比较较短短短短，提提纯纯的的酶酶价价格格也也较较贵贵，而而各各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酶酶电电电电极极极极的的的的衍衍衍衍生生生生型型型型：微微微微生生生生物物物物电电电电极极极极、细细细细胞胞胞胞器器器器电电电电极极极极、动动动动植植植植物物物物组组组组织织织织电电电电极极极极以以及及免免免免疫疫疫疫电电电电极极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器的的类类别别大大大增多。大增多。n进进入入上上世世纪纪8080年年代代之之后后，随随着着离离离离子子子子敏敏敏敏场场场场效效效效应应应应晶晶晶晶体体体体管管管管的的不不断断完完善善，如如19801980年年CarasCaras和和JanafaJanafa率率先先研研制制成成功功可可测测定定青霉素的青霉素的酶酶酶酶FETFETFETFET。本世纪：纳米技术和生物传感技术的结合本世纪：纳米技术和生物传感技术的结合本世纪：纳米技术和生物传感技术的结合本世纪：纳米技术和生物传感技术的结合2023/2/25 年代年代年代年代 特点特点特点特点 研究内容研究内容研究内容研究内容上世纪上世纪60606060 生物传感器初期生物传感器初期 酶电极酶电极上世纪上世纪70707070发展时期发展时期 微生物传感器，免疫传微生物传感器，免疫传感器，细胞类脂质传感感器，细胞类脂质传感器，组织传感器，生物器，组织传感器，生物亲和传感器亲和传感器上世纪上世纪80808080进入生物电子学进入生物电子学传感器时期传感器时期酶酶FETFET酶光二极管酶光二极管本世纪：进入纳米生物传感器时期本世纪：进入纳米生物传感器时期本世纪：进入纳米生物传感器时期本世纪：进入纳米生物传感器时期2023/2/26从整体划分从整体划分:n n第第第第一一一一代代代代生生生生物物物物传传传传感感感感器器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透透析析析析器器器器(膜膜膜膜)、反反反反应应应应器器器器(膜膜膜膜)和和和和电电电电化化化化学转换器学转换器学转换器学转换器所组成，其实验设备相当简单。所组成，其实验设备相当简单。n n第第第第二二二二代代代代生生生生物物物物传传传传感感感感器器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转换器的表面在转换器的表面上，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。n n第第第第三三三三代代代代生生生生物物物物传传传传感感感感器器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。这这种种放放大器可采用差分方式以消除干扰。大器可采用差分方式以消除干扰。2023/2/27目前国内外得到广泛应用的生物传感器主要包括：目前国内外得到广泛应用的生物传感器主要包括：目前国内外得到广泛应用的生物传感器主要包括：目前国内外得到广泛应用的生物传感器主要包括：1 1 1 1、测测定定水水质质的的BODBOD分分析析仪仪、在在市市场场上上有有以以日日本本和和德德国国为代表产品供应。为代表产品供应。2 2、采采用用丝丝网网印印刷刷和和微微电电子子技技术术的的手手掌掌型型血血糖糖分分析析器器，已形成规模化生产，已形成规模化生产，年销售量约为十亿美元年销售量约为十亿美元；3 3、固固定定化化酶酶传传感感分分析析仪仪：国国外外以以美美国国的的YSIYSI公公司司和和德德国国BSTBST公公司司为为代代表表，都都有有系系列列分分析析仪仪产产品品，它它们们主主要要用用于于环环境境监监测测和和食食品品分分析析，国国内内到到目目前前为为主主只只有有山山东东省省科科学学院院生生物物研研究究所所的的系系列列化化产产品品在在市市场场得得到到应应用。用。4 4、SPRSPR生生物物传传感感器器，在在日日、美美、德德、瑞瑞典典等等国国得得到到了了开发和初步应用。开发和初步应用。极大多数同类其它研究还都处在探索性阶段极大多数同类其它研究还都处在探索性阶段极大多数同类其它研究还都处在探索性阶段极大多数同类其它研究还都处在探索性阶段2023/2/28德国研发的环境废水德国研发的环境废水BODBOD分析仪分析仪2023/2/29手掌型葡萄糖手掌型葡萄糖(glucose)(glucose)分析仪分析仪2023/2/210SBA-50SBA-50型单电极生物传感分析仪型单电极生物传感分析仪-乳酸分析仪乳酸分析仪2023/2/211发酵罐发酵罐主机主机计算机计算机SBA-60SBA-60型生物传感在线分析系统，为发酵自动型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控制提供了新的基础平台2023/2/212SBA-70SBA-70型血糖乳酸自动分析仪型血糖乳酸自动分析仪2023/2/213在我国发酵工厂普及应用的在我国发酵工厂普及应用的SBA-40SBA-40型型谷氨酸谷氨酸-葡萄糖双功能分析仪葡萄糖双功能分析仪工厂发酵车间化验工厂发酵车间化验员正在分析样品员正在分析样品2023/2/214二、生物传感器的基本组成和工作原理二、生物传感器的基本组成和工作原理转换器转换器转换器转换器生物敏感生物敏感生物敏感生物敏感膜膜膜膜待测物待测物待测物待测物1 1 1 1、基本组成、基本组成、基本组成、基本组成生物传感器基本构成示意图生物传感器基本构成示意图生物传感器基本构成示意图生物传感器基本构成示意图生物敏感膜（生物敏感膜（分子识别元件）分子识别元件）-决定传感器的功能和质量决定传感器的功能和质量物理或化学转换器（物理或化学转换器（换能器换能器）2023/2/215（1 1）生物敏感膜（分子识别元件）生物敏感膜（分子识别元件）由由生物活性材料生物活性材料作为敏感基元构成。作为敏感基元构成。酶、抗体、抗原、细胞、生物组织、酶、抗体、抗原、细胞、生物组织、DNADNA等等酶酶 (Enzyme)(Enzyme)抗体抗体(Antibody)(Antibody)DNADNA具有高度的具有高度的具有高度的具有高度的选择性选择性选择性选择性和和和和敏感性敏感性敏感性敏感性2023/2/216几种主要的几种主要的生物活性材料生物活性材料及反应及反应A A A A、酶及酶促反应、酶及酶促反应、酶及酶促反应、酶及酶促反应B B B B、抗原与抗体及免疫反应、抗原与抗体及免疫反应、抗原与抗体及免疫反应、抗原与抗体及免疫反应C C C C、微生物及微生物反应、微生物及微生物反应、微生物及微生物反应、微生物及微生物反应D D D D、受体及受体配体结合反应、受体及受体配体结合反应、受体及受体配体结合反应、受体及受体配体结合反应2023/2/217生物敏感膜生物敏感膜生物敏感膜生物敏感膜生物活性材料生物活性材料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，酶标抗原等生物敏感膜生物敏感膜生物敏感膜生物敏感膜按所选材料按所选材料按所选材料按所选材料不同分类：不同分类：不同分类：不同分类：2023/2/218生物敏感膜按其生物敏感膜按其生物敏感膜按其生物敏感膜按其分子识别原理分子识别原理分子识别原理分子识别原理可分为三种不同类可分为三种不同类可分为三种不同类可分为三种不同类型：型：型：型：A A A A、基于生物、基于生物、基于生物、基于生物催化反应催化反应催化反应催化反应的生物敏感膜的生物敏感膜的生物敏感膜的生物敏感膜B B B B、基于生物、基于生物、基于生物、基于生物吸附吸附吸附吸附的生物敏感膜的生物敏感膜的生物敏感膜的生物敏感膜C C C C、基于、基于、基于、基于天然生物膜天然生物膜天然生物膜天然生物膜和和和和人工生物膜人工生物膜人工生物膜人工生物膜的生物敏感膜的生物敏感膜的生物敏感膜的生物敏感膜2023/2/219（2 2 2 2）信号转换器）信号转换器）信号转换器）信号转换器：将各种生物的、化学的和物理的信将各种生物的、化学的和物理的信号转换为可输出的有用信号（号转换为可输出的有用信号（电信号）电信号）。作用：作用：作用：作用：当待测物与分子识别元件特异性结合后，当待测物与分子识别元件特异性结合后，所产生的复合物所产生的复合物通过通过通过通过信号转换器信号转换器信号转换器信号转换器转变为可输出的电信转变为可输出的电信号、光信号等号、光信号等。主要有：主要有：主要有：主要有：电化学电极、光学检测元件、场效应电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振等。晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振等。2023/2/220v将将化学变化化学变化转变成电信号（间接型）转变成电信号（间接型）v将将热变化热变化转换为电信号（间接型）转换为电信号（间接型）v将将光效应光效应转变为电信号（间接型）转变为电信号（间接型）v直按产生电信号方式（直接型）直按产生电信号方式（直接型）转换器转化为电信号的方式：转换器转化为电信号的方式：转换器转化为电信号的方式：转换器转化为电信号的方式：2023/2/221 酶传感器酶传感器酶传感器酶传感器为例，酶催化特定底物发生反应为例，酶催化特定底物发生反应,从而从而使特定使特定生成物的量有所增减生成物的量有所增减，用能把这类物质的量的，用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合，即组成酶改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合，即组成酶传感器。传感器。常用转换装置有：常用转换装置有：氧电极、过氧化氢电极氧电极、过氧化氢电极。（a a a a）将）将）将）将化学变化化学变化化学变化化学变化转变成电信号（间接型）转变成电信号（间接型）转变成电信号（间接型）转变成电信号（间接型）2023/2/222（b b b b）将）将）将）将热变化热变化热变化热变化转换成电信号转换成电信号转换成电信号转换成电信号固定化的生物材料与相应的被测物作用时常固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热伴有热伴有热伴有热的变化的变化的变化的变化。例如大多数酶反应的热焓变化量在。例如大多数酶反应的热焓变化量在25-25-100kJ/mol100kJ/mol的范围的范围.这类生物传感器的工作原理是把反应这类生物传感器的工作原理是把反应的的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化热效应借热敏电阻转换为阻值的变化，后者通过有放，后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。大器的电桥输入到记录仪中。热辐射热辐射热辐射热辐射热传导热传导热传导热传导2023/2/223（c c c c）将）将）将）将光信号光信号光信号光信号转变为电信号转变为电信号转变为电信号转变为电信号例如，过氧化氢酶能催化过氧化氢例如，过氧化氢酶能催化过氧化氢/鲁米诺体系鲁米诺体系发发光光，如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的，如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端，再和光电流测定装置相连，即可测定过氧化氢含前端，再和光电流测定装置相连，即可测定过氧化氢含量。还有很多细菌能与特定底物发生反应，产生量。还有很多细菌能与特定底物发生反应，产生荧光荧光，也可以用这种方法测定底物浓度。也可以用这种方法测定底物浓度。上述三原理的生物传感器上述三原理的生物传感器共同点共同点：都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应，将反应后所产生的生化学反应，将反应后所产生的化学或物理变化化学或物理变化再通过再通过信号信号转换器转变为电信号转换器转变为电信号进行测量，这种方式统称为进行测量，这种方式统称为间间间间接测量方式接测量方式接测量方式接测量方式。2023/2/224 （d d）直接产生电信号直接产生电信号方式方式 这种方式可以使这种方式可以使酶反应伴随的电子转移酶反应伴随的电子转移、微生微生物细胞的氧化物细胞的氧化直接直接(或通过电子递体的作用或通过电子递体的作用)在电极在电极表面上发生。根据所得的表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度电流量即可得底物浓度。例：例：CassCass等提出一种测定葡萄糖的传感器，是用等提出一种测定葡萄糖的传感器，是用二二茂络铁茂络铁为电子传递体。为电子传递体。反应直接在电极表面上发生反应直接在电极表面上发生反应直接在电极表面上发生反应直接在电极表面上发生2023/2/2252 2、生物传感器工作原理、生物传感器工作原理待测物待测物待测物待测物生物敏感膜生物敏感膜生物敏感膜生物敏感膜信号转换器信号转换器信号转换器信号转换器扩散扩散扩散扩散分子识别分子识别分子识别分子识别电信号电信号电信号电信号检测处检测处检测处检测处理电路理电路理电路理电路放大、输出放大、输出放大、输出放大、输出待测物的待测物的待测物的待测物的量或浓度量或浓度量或浓度量或浓度2023/2/226换能器换能器（TransducerTransducer）感受器感受器（ReceptorReceptor）测量信号测量信号（Measurable Measurable SignalSignal）=分析物分析物（AnalyteAnalyte）溶液（溶液（SolutionSolution）选择性膜（选择性膜（Thin selective Thin selective membranemembrane）识别元件（识别元件（RECOGNITIONRECOGNITION）生物传感器工作机理生物传感器工作机理2023/2/227 固定化酶固定化酶 固定化固定化 微生物微生物 固定化免疫物质固定化免疫物质 固定化细胞器固定化细胞器 生物组织切片生物组织切片微生微生物传物传感器感器分子识分子识别元件别元件酶传感器酶传感器免疫传感器免疫传感器细胞器传细胞器传感器感器组织传组织传感器感器1 1、按分子识别元件分类、按分子识别元件分类三、生物传感器分类及特点三、生物传感器分类及特点2023/2/228按换能器分类按换能器分类按换能器分类按换能器分类 电化学电极电化学电极 光学换能器光学换能器 介体介体 半导体半导体 传递系统传递系统 换能器换能器 热敏电阻热敏电阻 压电晶体压电晶体介体生物传感器介体生物传感器换能器半导体生物半导体生物传感器传感器生物电极生物电极光生物传感器光生物传感器热生物传感器热生物传感器压电晶体生物传感器压电晶体生物传感器2023/2/2293 3、生物传感器特点生物传感器特点1 1）根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测定所有生物物质的传感器，因而定所有生物物质的传感器，因而测定范围广泛测定范围广泛测定范围广泛测定范围广泛。2 2）一般）一般不需进行样品的预处理不需进行样品的预处理不需进行样品的预处理不需进行样品的预处理，它利用本身具备的优异选，它利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂，使测定过程简便迅速，容易时一般不需另加其他试剂，使测定过程简便迅速，容易实现自动分析。实现自动分析。3 3）体积小、响应快、样品用量少，可以实现连续在线检测。体积小、响应快、样品用量少，可以实现连续在线检测。体积小、响应快、样品用量少，可以实现连续在线检测。体积小、响应快、样品用量少，可以实现连续在线检测。2023/2/2304 4 4 4）通常其敏感材料是固定化生物元件，可通常其敏感材料是固定化生物元件，可通常其敏感材料是固定化生物元件，可通常其敏感材料是固定化生物元件，可反复多次反复多次反复多次反复多次 使用。使用。使用。使用。5 5 5 5）准确度高准确度高准确度高准确度高，一般相对误差可达到，一般相对误差可达到，一般相对误差可达到，一般相对误差可达到1%1%1%1%以内。以内。以内。以内。6 6 6 6）可进行活体分析。可进行活体分析。可进行活体分析。可进行活体分析。7 7 7 7）传感器连同测定仪的）传感器连同测定仪的）传感器连同测定仪的）传感器连同测定仪的成本成本成本成本远远远远低低低低于大型的分析仪，于大型的分析仪，于大型的分析仪，于大型的分析仪，因而便于推广普及。因而便于推广普及。因而便于推广普及。因而便于推广普及。8 8 8 8）有的微生物传感器能可靠地指示有的微生物传感器能可靠地指示有的微生物传感器能可靠地指示有的微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统微生物培养系统微生物培养系统微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。物理化学传感器综合作用才能获得的信息。物理化学传感器综合作用才能获得的信息。物理化学传感器综合作用才能获得的信息。2023/2/231四、生物敏感材料的固定化技术四、生物敏感材料的固定化技术生物传感器制作的核心部分生物传感器制作的核心部分生物传感器制作的核心部分生物传感器制作的核心部分固定化的目的固定化的目的：将生物敏感物质限制在一定的空间，但：将生物敏感物质限制在一定的空间，但又不妨碍被分析物的自由扩散。又不妨碍被分析物的自由扩散。固定化技术固定化技术固定化技术固定化技术：把生物活性材料与把生物活性材料与载体载体载体载体固定化成为生物敏固定化成为生物敏 感膜。感膜。1.1.物理方法物理方法：吸附法、夹心法、包埋法；：吸附法、夹心法、包埋法；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,因因而而又又出现了出现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。2023/2/2321 1 1 1）夹心法）夹心法）夹心法）夹心法n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之间，形象地称为夹心法。膜之间，形象地称为夹心法。n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。2023/2/233离子交换吸附法：离子交换吸附法：选用具有离子交换性质的载体，在适宜的选用具有离子交换性质的载体，在适宜的PHPH条件下，使生物分子与离子交换剂通过离子键结合，形成条件下，使生物分子与离子交换剂通过离子键结合，形成固定化层。固定化层。2 2）吸附法）吸附法 用非水溶性载体用非水溶性载体物理吸附物理吸附或或离子离子结合结合，使蛋白质分子固定化的方法。，使蛋白质分子固定化的方法。物理吸附：物理吸附：通过极性键、氢键、疏水力或通过极性键、氢键、疏水力或 电子的相互作电子的相互作用将生物组分吸附在不溶性的惰性载体上用将生物组分吸附在不溶性的惰性载体上。载体种类较多，如活性炭、高岭土、硅胶、玻璃、载体种类较多，如活性炭、高岭土、硅胶、玻璃、载体种类较多，如活性炭、高岭土、硅胶、玻璃、载体种类较多，如活性炭、高岭土、硅胶、玻璃、纤维素、离子交换体等。纤维素、离子交换体等。纤维素、离子交换体等。纤维素、离子交换体等。2023/2/2343 3 3 3）包埋法）包埋法）包埋法）包埋法n把生物活性材料包埋并固定在把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结高分子聚合物三维空间网状结构基质中。构基质中。n特点是：特点是：一般不产生化学修饰，一般不产生化学修饰，对生物分子活性影响较小；缺对生物分子活性影响较小；缺点是分子量大的底物在凝胶网点是分子量大的底物在凝胶网格内扩散较固难。格内扩散较固难。2023/2/2354 4 4 4）共价连接法）共价连接法）共价连接法）共价连接法n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。n特点特点是结合牢固，生物活性是结合牢固，生物活性分子不易脱落，载体不易被分子不易脱落，载体不易被生物降解，使用寿命长；生物降解，使用寿命长；n缺点缺点是实现固定化麻烦，酶是实现固定化麻烦，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。2023/2/2365 5 5 5）交联法）交联法）交联法）交联法 借助于双功能试剂的作用，使蛋白质结合到惰性借助于双功能试剂的作用，使蛋白质结合到惰性载体或使蛋白质分子彼此交联，形成不溶性网状结构载体或使蛋白质分子彼此交联，形成不溶性网状结构的方法。的方法。vv 这种方法广泛用于酶膜和免疫分子膜制备，操作简单这种方法广泛用于酶膜和免疫分子膜制备，操作简单这种方法广泛用于酶膜和免疫分子膜制备，操作简单这种方法广泛用于酶膜和免疫分子膜制备，操作简单。2023/2/2376 6 6 6）LBLBLBLB膜技术膜技术膜技术膜技术 一种能在低温低压下制成高密度、分子排列方向一种能在低温低压下制成高密度、分子排列方向一致的单分子层或双分子层超薄膜的技术。一致的单分子层或双分子层超薄膜的技术。2023/2/238 酶生物传感器酶生物传感器一、酶的本质和特征一、酶的本质和特征（一）（一）酶的本质酶的本质酶是生物体内产生的、具有酶是生物体内产生的、具有催化活性催化活性的一类的一类蛋白质蛋白质酶酶纯蛋白酶纯蛋白酶：只含有蛋白质：只含有蛋白质结合蛋白酶结合蛋白酶蛋白质蛋白质+非非蛋白质蛋白质辅基辅基：非蛋白部分与酶蛋白结合：非蛋白部分与酶蛋白结合的牢固，不易分离的牢固，不易分离辅酶：辅酶：结合的不牢，可在溶液中结合的不牢，可在溶液中离解离解（组合）（组合）五、几种生物传感器五、几种生物传感器2023/2/239酶（催化反应类型）酶（催化反应类型）氧化还原酶氧化还原酶转移酶转移酶水解酶水解酶异构酶异构酶（二）酶的催化性质（二）酶的催化性质1 1、高效催化性、高效催化性2 2、高度专一性、高度专一性2023/2/240（三）影响酶活性的因素（三）影响酶活性的因素1 1、温度、温度 一方面一方面升高温度增加底物分子的热能，从而增高反升高温度增加底物分子的热能，从而增高反应的速率应的速率 另一方面另一方面温度的升高也会增加酶本身结构的分子热温度的升高也会增加酶本身结构的分子热能，导致酶的变性或催化活性的降低能，导致酶的变性或催化活性的降低多数哺乳动物的酶，最适温度为多数哺乳动物的酶，最适温度为37 37 左右左右2 2、PHPH 影响酶促反应的速率影响酶促反应的速率每种酶都有一个最适每种酶都有一个最适PH,PH,微小偏差会降低酶的活性，较微小偏差会降低酶的活性，较大偏差会导致酶蛋白自身的变性大偏差会导致酶蛋白自身的变性（最适（最适6.86.8）2023/2/241二、酶生物传感器二、酶生物传感器应用应用固定化酶固定化酶作为敏感元件的生物传感器作为敏感元件的生物传感器酶生物传感器酶生物传感器酶电极传感器酶电极传感器酶场效应管传感器酶场效应管传感器酶热敏电阻传感器酶热敏电阻传感器酶光纤传感器酶光纤传感器2023/2/242(一一)酶电极传感器酶电极传感器定义：定义：由由固定化酶固定化酶与离子选择电极、气敏电极、氧与离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极等化还原电极等电化学电极电化学电极组合而成的生物传感器组合而成的生物传感器酶电极酶电极电流型酶电极电流型酶电极电势型酶电极电势型酶电极2023/2/2431 1、电流型酶电极（固定化酶电流型化学电极）、电流型酶电极（固定化酶电流型化学电极）原理：原理：将酶促反应产生的物质在电极上发生氧化或还原反应将酶促反应产生的物质在电极上发生氧化或还原反应产生的产生的电流电流作为测量信号，在一定条件下，利用测得的作为测量信号，在一定条件下，利用测得的电流电流信号与待测物活度或浓度的函数关系信号与待测物活度或浓度的函数关系，来测定样品中某一生，来测定样品中某一生物组分的活度或浓度物组分的活度或浓度电极电极：氧电极，过氧化氢电极氧电极，过氧化氢电极酶酶氧化酶氧化酶：用氧作受体的酶（常用）：用氧作受体的酶（常用）还原酶还原酶氧电极：（还原反应）氧电极：（还原反应）过氧化氢电极过氧化氢电极：（氧化反应）：（氧化反应）2023/2/244葡萄糖传感器：葡萄糖氧化酶膜电化学电极葡萄糖传感器：葡萄糖氧化酶膜电化学电极依据反应中消耗的氧依据反应中消耗的氧,生成的葡萄糖酸及过氧化氢的量，可生成的葡萄糖酸及过氧化氢的量，可用氧电极，电极，过氧化氢电极来测定葡萄糖的含量用氧电极，电极，过氧化氢电极来测定葡萄糖的含量测定酶促反应所产生的葡萄糖酸的量来计算样品中葡萄糖的含量测定酶促反应所产生的葡萄糖酸的量来计算样品中葡萄糖的含量2023/2/245优点：优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛 的应的应用。用。缺点：缺点：1.1.酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差异的梭曼与沙林。异的梭曼与沙林。2.2.酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。3 3 3 3、酶传感器的特点：、酶传感器的特点：、酶传感器的特点：、酶传感器的特点：、电势型酶电极（固定化酶电势型化学电极）、电势型酶电极（固定化酶电势型化学电极）原理原理：将酶促反应引起的物质量的变化转变成电势信号的输：将酶促反应引起的物质量的变化转变成电势信号的输出，电势信号大小与底物浓度的对数值呈线性关系出，电势信号大小与底物浓度的对数值呈线性关系2023/2/246微生物和组织传感器微生物和组织传感器一一一一 、微生物传感器微生物传感器微生物传感器微生物传感器典型：典型：典型：典型：微生物电极（用微生物取代酶作生物活性物质）微生物电极（用微生物取代酶作生物活性物质）微生物电极（用微生物取代酶作生物活性物质）微生物电极（用微生物取代酶作生物活性物质）意义意义意义意义：1 1 1 1、克服酶的价格昂贵，提取困难及不稳定等缺、克服酶的价格昂贵，提取困难及不稳定等缺、克服酶的价格昂贵，提取困难及不稳定等缺、克服酶的价格昂贵，提取困难及不稳定等缺点，对于复杂反应，还可同时利用微生物体内的辅酶。点，对于复杂反应，还可同时利用微生物体内的辅酶。点，对于复杂反应，还可同时利用微生物体内的辅酶。点，对于复杂反应，还可同时利用微生物体内的辅酶。2 2 2 2、微生物传感器尤其适合于、微生物传感器尤其适合于、微生物传感器尤其适合于、微生物传感器尤其适合于发酵过程发酵过程发酵过程发酵过程的测定，因的测定，因的测定，因的测定，因为在发酵过程中存在对酶的干扰物质，应用微生物传感为在发酵过程中存在对酶的干扰物质，应用微生物传感为在发酵过程中存在对酶的干扰物质，应用微生物传感为在发酵过程中存在对酶的干扰物质，应用微生物传感器则有可能排除这些干扰。器则有可能排除这些干扰。器则有可能排除这些干扰。器则有可能排除这些干扰。2023/2/247（一）微生物传感器基础（一）微生物传感器基础（一）微生物传感器基础（一）微生物传感器基础微生物传感器所用的微生物主要是微生物传感器所用的微生物主要是微生物传感器所用的微生物主要是微生物传感器所用的微生物主要是细菌细菌细菌细菌和和和和酵母菌酵母菌酵母菌酵母菌1 1 1 1、微生物的特性及分类、微生物的特性及分类、微生物的特性及分类、微生物的特性及分类微生物的代谢微生物的代谢微生物的代谢微生物的代谢：微生物从周围环境中提取营养物质。：微生物从周围环境中提取营养物质。：微生物从周围环境中提取营养物质。：微生物从周围环境中提取营养物质。通过通过通过通过生物催化生物催化生物催化生物催化即酶的作用，在体内进行一系列即酶的作用，在体内进行一系列即酶的作用，在体内进行一系列即酶的作用，在体内进行一系列生物生物生物生物分解分解分解分解和和和和生物合成生物合成生物合成生物合成反应，以保持正常的生长和繁殖。反应，以保持正常的生长和繁殖。反应，以保持正常的生长和繁殖。反应，以保持正常的生长和繁殖。酶酶酶酶胞内酶胞内酶胞内酶胞内酶胞外酶胞外酶胞外酶胞外酶2023/2/248微生物微生物的代谢的代谢同化作用同化作用异化作用异化作用微生物微生物好气性微生物好气性微生物：必须在有空气的环境中才易：必须在有空气的环境中才易生长生长厌气性微生物厌气性微生物：必须在无分子氧的环境生长：必须在无分子氧的环境生长繁殖繁殖：细胞将底物摄入通过一系列生化：细胞将底物摄入通过一系列生化 反应转变成自身的组成物质，并储反应转变成自身的组成物质，并储存能量。存能量。：细胞将自身的组成物质分解以：细胞将自身的组成物质分解以释放能量或排出体外。释放能量或排出体外。2023/2/2492 2、微生物传感器的特点及分类、微生物传感器的特点及分类微生物敏感膜：微生物敏感膜：微生物固定在载体上微生物固定在载体上微生物固定在载体上微生物固定在载体上特点特点：（：（1 1）价格低价格低、便于推广普及、便于推广普及 （2 2）微生物细胞内的酶在适当环境下活性不易）微生物细胞内的酶在适当环境下活性不易降低，因此微生物传感器的降低，因此微生物传感器的寿命更长寿命更长 （3 3）即使微生物体内酶的催化活性已经丧失，）即使微生物体内酶的催化活性已经丧失，也还可以因细胞的增值使之产生也还可以因细胞的增值使之产生 （4 4）对于需要辅助因子的复杂的连续反应，用）对于需要辅助因子的复杂的连续反应，用微生物更易于完成微生物更易于完成2023/2/250分类：分类：微生物传感器微生物传感器微生物传感器微生物传感器呼吸机能型微生物传感器呼吸机能型微生物传感器代谢机能型微生物传感器代谢机能型微生物传感器微生物传感器微生物传感器微生物传感器微生物传感器电流型微生物传感器电流型微生物传感器电势型微生物传感器电势型微生物传感器2023/2/251（二）微生物传感器的结构和工作原理（二）微生物传感器的结构和工作原理（二）微生物传感器的结构和工作原理（二）微生物传感器的结构和工作原理 微生物传感器是以微生物传感器是以固定化微生物固定化微生物作为分子识别作为分子识别系统，与相应的系统，与相应的电化学转换元件电化学转换元件组合构成。组合构成。不同微生物需要不同的营养物质进行它的新陈不同微生物需要不同的营养物质进行它的新陈代谢，因此可利用不同微生物作为分子识别系统制代谢，因此可利用不同微生物作为分子识别系统制作微生物传感器测定相应的物质。作微生物传感器测定相应的物质。2023/2/2521 1、呼吸机能型微生物传感器、呼吸机能型微生物传感器 以好气性微生物作生物活性物质，通常与氧以好气性微生物作生物活性物质，通常与氧电极组合而成的，以细菌呼吸活性物质为基础实电极组合而成的，以细菌呼吸活性物质为基础实现被测物的测量现被测物的测量2 2、代谢机能型微生物传感器、代谢机能型微生物传感器 以厌气性微生物作生物活性物质，与相应的电以厌气性微生物作生物活性物质，与相应的电化学电极组合而成的，以细菌代谢活性物质为基础化学电极组合而成的，以细菌代谢活性物质为基础实现被测物的测量实现被测物的测量2023/2/253二、生物组织传感器二、生物组织传感器二、生物组织传感器二、生物组织传感器定义：定义：以以动植物组织切片动植物组织切片作为分子识别元件与相应的作为分子识别元件与相应的信号转换元件信号转换元件组合构成的生物传感器。组合构成的生物传感器。特点特点：1 1、酶活性高、酶活性高2 2、稳定性强、稳定性强3 3、所用材料易于获取，价格便宜、所用材料易于获取，价格便宜4 4、识别元件制作简便，一般不需采用固定化技术、识别元件制作简便，一般不需采用固定化技术信号转换元件：气敏元件信号转换元件：气敏元件原因：原因：1 1、选择性好、选择性好2 2、有利于组织电极组装、有利于组织电极组装2023/2/254免疫传感器免疫传感器一、免疫传感器基础一、免疫传感器基础酶和微生物传感器：酶和微生物传感器：低分子有机化合物低分子有机化合物免疫传感器：免疫传感器：高分子有机化合物高分子有机化合物-免疫反应的检测免疫反应的检测1 1、标记法、标记法 采用酶、荧光物质、电活性化合物