14生物医学传感-生物传感器

10:16:301第十三章生物传感器10:16:302上次课回顾1、检测原理、特性（二）电化学气体传感器（三）半导体气体传感器1、电阻型2、MOSFET（非电阻型）2、气敏电极（一）离子敏场效应晶体管(ISFET)1、结构2、工作原理3、特性（1）O2电极(Po2电极）（2）CO2电极(Pco2电极）10:16:303生物传感器（biosensors)生物传感器的概述生物传感器的基本组成和工作原理生物传感器的分类及特点生物敏感材料的固定化技术几种主要的生物传感器10:16:304一、生物传感器的概述利用生物活性物质的选择性识别和测定各种生物化学物质的传感器。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。主要由两大部分组成：一是功能识别物质（分子识别元件），由其对被测物质进行特定识别；二是电、光信号转换装置（换能器），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或光信号。1、生物传感器的定义10:16:3052.生物传感器的发展史最先问世的生物传感器是酶电极，1962年Clark将酶与ISE结合，最先提出组成酶电极的设想。上世纪70年代中期，人们注意到酶电极的寿命一般都比较短，提纯的酶价格也较贵，而各种酶多数都来自微生物或动植物组织，因此自然地就启发人们研究酶电极的衍生型：微生物电极、细胞器电极、动植物组织电极以及免疫电极等新型生物传感器，使生物传感器的类别大大增多。进入上世纪80年代之后，随着离子敏场效应晶体管的不断完善，如1980年Caras和Janafa率先研制成功可测定青霉素的酶FET。本世纪：纳米技术和生物传感技术的结合10:16:306年代特点研究内容上世纪60生物传感器初期酶电极上世纪70发展时期微生物传感器，免疫传感器，细胞类脂质传感器，组织传感器，生物亲和传感器上世纪80进入生物电子学传感器时期酶FET酶光二极管本世纪：进入纳米生物传感器时期10:16:307从整体划分:第一代生物传感器以将生物成分截留在膜上或结合在膜上为基础，这类器件由透析器(膜)、反应器(膜)和电化学转换器所组成，其实验设备相当简单。第二代生物传感器是指将生物成分直接吸附或共价结合在转换器的表面上，从而可略去非活性的基质膜。第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子元件上，例如FET的栅极上，它可直接感知和放大界面物质的变化，从而将生物识别和电信号处理集合在一起。这种放大器可采用差分方式以消除干扰。10:16:308目前国内外得到广泛应用的生物传感器主要包括：1、测定水质的BOD分析仪、在市场上有以日本和德国为代表产品供应。2、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，年销售量约为十亿美元；3、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。4、SPR生物传感器，在日、美、德、瑞典等国得到了开发和初步应用。极大多数同类其它研究还都处在探索性阶段10:16:309德国研发的环境废水BOD分析仪10:16:3010手掌型葡萄糖(glucose)分析仪10:16:3011SBA-50型单电极生物传感分析仪-乳酸分析仪10:16:3012发酵罐主机计算机SBA-60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10:16:3013SBA-70型血糖乳酸自动分析仪10:16:3014在我国发酵工厂普及应用的SBA-40型谷氨酸-葡萄糖双功能分析仪工厂发酵车间化验员正在分析样品10:16:3015二、生物传感器的基本组成和工作原理转换器生物敏感膜待测物1、基本组成生物传感器基本构成示意图生物敏感膜（分子识别元件）---决定传感器的功能和质量物理或化学转换器（换能器）10:16:3016（1）生物敏感膜（分子识别元件）由生物活性材料作为敏感基元构成。酶、抗体、抗原、细胞、生物组织、DNA等酶(Enzyme)抗体(Antibody)DNA具有高度的选择性和敏感性10:16:3017几种主要的生物活性材料及反应A、酶及酶促反应B、抗原与抗体及免疫反应C、微生物及微生物反应D、受体及受体配体结合反应10:16:3018生物敏感膜生物活性材料酶膜全细胞膜组织膜细胞器膜免疫功能膜各类酶类细菌，真菌，动植物细胞动植物组织切片线粒体，叶绿体抗体，抗原，酶标抗原等生物敏感膜按所选材料不同分类：10:16:3019生物敏感膜按其分子识别原理可分为三种不同类型：A、基于生物催化反应的生物敏感膜B、基于生物吸附的生物敏感膜C、基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜10:16:3020（2）信号转换器：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（电信号）。作用：当待测物与分子识别元件特异性结合后，所产生的复合物通过信号转换器转变为可输出的电信号、光信号等。主要有：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。10:16:3021将化学变化转变成电信号（间接型）将热变化转换为电信号（间接型）将光效应转变为电信号（间接型）直按产生电信号方式（直接型）转换器转化为电信号的方式：10:16:3022酶传感器为例，酶催化特定底物发生反应,从而使特定生成物的量有所增减，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，即组成酶传感器。常用转换装置有：氧电极、过氧化氢电极。（a）将化学变化转变成电信号（间接型）10:16:3023（b）将热变化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伴有热的变化。例如大多数酶反应的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围.这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化，后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。热辐射热传导10:16:3024（c）将光信号转变为电信号例如，过氧化氢酶能催化过氧化氢/鲁米诺体系发光，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量。还有很多细菌能与特定底物发生反应，产生荧光，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生化学反应，将反应后所产生的化学或物理变化再通过信号转换器转变为电信号进行测量，这种方式统称为间接测量方式。10:16:3025（d）直接产生电信号方式这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用)在电极表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度。例：Cass等提出一种测定葡萄糖的传感器，是用二茂络铁为电子传递体。反应直接在电极表面上发生10:16:30262、生物传感器工作原理待测物生物敏感膜信号转换器扩散分子识别电信号检测处理电路放大、输出待测物的量或浓度10:16:3027换能器（Transducer）感受器（Receptor）测量信号（MeasurableSignal）=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10:16:3028固定化酶固定化微生物固定化免疫物质固定化细胞器生物组织切片微生物传感器分子识别元件酶传感器免疫传感器细胞器传感器组织传感器1、按分子识别元件分类三、生物传感器分类及特点10:16:3029按换能器分类电化学电极光学换能器介体半导体传递系统换能器热敏电阻压电晶体介体生物传感器换能器半导体生物传感器生物电极光生物传感器热生物传感器压电晶体生物传感器10:16:30303、生物传感器特点1）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，因而测定范围广泛。2）一般不需进行样品的预处理，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。3）体积小、响应快、样品用量少，可以实现连续在线检测。10:16:30314）通常其敏感材料是固定化生物元件，可反复多次使用。5）准确度高，一般相对误差可达到1%以内。6）可进行活体分析。7）传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪，因而便于推广普及。8）有的微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。10:16:3032四、生物敏感材料的固定化技术生物传感器制作的核心部分固定化的目的：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。固定化技术：把生物活性材料与载体固定化成为生物敏感膜。1.物理方法：吸附法、夹心法、包埋法；2.化学方法:共价连接法、交联法；3.近年来,由于半导体生物传感器迅速发展,因而又出现了采用集成电路工艺制膜技术。10:16:30331）夹心法将生物活性材料封闭在双层滤膜之间，形象地称为夹心法。特点是：操作简单，不需要任何化学处理，固定生物量大，响应速度快，重复性好。10:16:3034离子交换吸附法：选用具有离子交换性质的载体，在适宜的PH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。2）吸附法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。物理吸附：通过极性键、氢键、疏水力或电子的相互作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、纤维素、离子交换体等。10:16:30353）包埋法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构基质中。特点是：一般不产生化学修饰，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格内扩散较固难。10:16:30364）共价连接法使生物活性分子通过共价键与固相载体结合固定的方法。特点是结合牢固，生物活性分子不易脱落，载体不易被生物降解，使用寿命长；缺点是实现固定化麻烦，酶活性可能因发生化学修饰而降低。10:16:30375）交联法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的方法。这种方法广泛用于酶膜和免疫分子膜制备，操作简单。10:16:30386）LB膜技术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。10:16:3039酶生物传感器一、酶的本质和特征（一）酶的本质酶是生物体内产生的、具有催化活性的一类蛋白质酶纯蛋白酶：只含有蛋白质结合蛋白酶蛋白质+非蛋白质辅基：非蛋白部分与酶蛋白结合的牢固，不易分离辅酶：结合的不牢，可在溶液中离解（组合）五、几种生物传感器10:16:3040酶（催化反应类型）氧化还原酶转移酶水解酶异构酶（二）酶的催化性质1、高效催化性2、高度专一性10:16:3041（三）影响酶活性的因素1、温度一方面升高温度增加底物分子的热能，从而增高反应的速率040C另一方面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多数哺乳动物的酶，最适温度为37左右C2、PH影响酶促反应的速率每种酶都有一个最适PH,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（最适6.8）10:16:3042二、酶生物传感器应用固定化酶作为敏感元件的生物传感器酶生物传感器酶电极传感器酶场效应管传感器酶热敏电阻传感器酶光纤传感器10:16:3043(一)酶电极传感器定义：由固定化酶与离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极等电化学电极组合而成的生物传感器酶电极电流型酶电极电势型酶电极10:16:30441、电流型酶电极（固定化酶＋电流型化学电极）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产生的电流作为测量信号，在一定条件下，利用测得的电流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物组分的活度或浓度．电极：氧电极，过氧化氢电极酶氧化酶：用氧作受体的酶（常用）还原酶222OHO氧化酶底物产物氧电极：（还原反应）22244OHOeOH过氧化氢电