新型生物传感器.

发酵过程控制（ControlofFermentationProcess)生物传感器生物传感器1概述2生物传感器基本原理3酶传感器4微生物传感器5其他生物传感器什么是传感器？某工艺参数传感器电、热、光变换器电信号转换器数字量传感器三要素：（1）直接触被测物；（2）可传递性；（3）输出信号与被测参数有明确的关系，最好是线性关系。1概述1.1什么是生物传感器功能：被测物质浓度→生物传感器→可传递信号→数字量组成：生物传感器固定化生物材料——具有专一性功能（感受器）转换器——具有传递性功能生物传感器的发展历程：•酶法分析——具有高度专一性，但操作复杂、时间长。•固定化酶——使酶法分析自动化，但不具备传递性，只能取样检测。•电极——具传递性，但不具备专一性。氧电极pH电极生物传感器的发展历程：生物传感器电极固定化酶酶法分析1.2生物传感器的特点（1）特异性好：能从复杂的系统中准确测出某一物质的浓度。（2）灵敏度高：可检测0.1~1.0ppm浓度的物质，最小极限为10-10g/mL。（3）稳定性相对较差：检测结果易受物理和化学环境因素的影响。（4）不能加热杀菌处理：其中的生物物质有失活的可能，因此一般不能加热杀菌处理。（5）制作工艺精细，废品率高，成本昂贵。1.3生物传感器的分类（1）根据生物物质分类（感受器）酶传感器各种酶微生物传感器微生物细胞细胞器传感器细胞膜、线粒体、电子传递体、微粒体等细胞器组织传感器细胞组织免疫传感器抗原、抗体基因（DNA）传感器核酸（DNA、RNA）生物传感器感受器转换器（2）根据转换器分类生物物质发出的信号转换器可传递信号信号转换器生物反应产生的信号电极式各种电极活性物质，如O2、CO2、H+、NH4+等热敏电阻式热光电纤维式光半导体式电场压电晶体式气体等离子体共振式磁场1.4应用领域与前景1.4.1生物传感器的应用领域（1）在酵工业方面：主要是各种酶传感器和微生物传感器如：糖、甲醇、乙醇、醋酸、甲酸、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸、天冬氨酸、抗生物质、氨、甲烷、BOD及菌体数等生物传感器。（2）环境检测方面：应用较多的是各种微生物传感器如：BOD、NH3、NOX、SOX、甲烷及各种重金属离子等BOD、NH3、NOX、SOX、甲烷及各种重金属离子等。（3）医疗方面：主要是酶传感器、免疫传感器、基因传感器如：血清检查和尿样检查等。（4）食品分析：主要是各种酶传感器、免疫传感器2生物传感器的原理2.1电极式生物传感器原理电极式生物传感器转换器的功能电极识别被测物质的功能固定化生物催化剂膜电极式生物传感的组成：电极活性物质电极被测物质膜生物催化剂酶、微生物抗体、抗原细胞器、细胞组织输出电信号电化学反应电极式生物传感器原理示意图电极式生物传感器原理模式：被测物质固定化生物催化剂膜电极活性物质电极电信号生物化学反应电化学反应2.2电极活性物质•电极活性物质——指易于在电极上反应的物质，如：O2、CO2、H2O2、H+、NH3等。例如：被测物质生物催化剂膜电极活性物质(反应生成或消耗物质)电极乳酸乳酸氧化酶膜消耗O2氧电极(电流↓)L-赖氨酸L-赖氨酸脱羧酶膜生成CO2CO2电极(电压↑)2.3电极的转换方式★电流法——电极活性物质在电极上反应产生电流。常用电极有：氧电极、H2O2电极、燃料电池型电极等。★电压法——电极活性物质有选择地感应产生膜电压。常用电极有：离子选择电极、氨电极、CO2电极等。2.4其它生物传感器原理被测物质固定化生物催化剂膜热热敏电阻电信号生物化学反应被测物质固定化生物催化剂膜光光计数器电信号生物化学反应其他信号：电场电场磁场3酶传感器△酶传感器是应用固定酶膜作为识别被测物质敏感元件（感受器）的生物传感器。△酶传感器包括酶电极传感器、酶光纤传感器和酶热敏电阻传感器等。△Clack最初提出了使用酶进行电化学测定的原理。△希克斯（Hicks）和厄迪克（Updick）首先研制成了测定葡萄糖的酶传感器。3.1酶反应与转换器的耦联•耦联关系是指酶反应所生成（如：H2O2、CO2等）或消耗（如O2等）的某种物质，能被转换器转换成电信号。酶传感器中转换器与酶反应的耦联关系酶例耦联物质转换器转换器输出信号氧化酶、过氧化氢酶等O2氧电极电流H2O2H2O2电极电流脱氢酶NADH燃料电极电流尿酶、酰氨酶NH4+（酸性）铵电极电压尿酶、脱氨酶NH3（碱性）氨电极电压脱羧酶CO2CO2电极电压脂肪酶、青霉素酶H+玻璃电极电压3.2固定化酶膜（EBM）的制备（1）固定化方法•包埋法：活性损失最小，但不适于测量大分子底物；•共价法、交联法：活性损失较大，适应性较广。（2）酶膜制备EBMEBM用透析膜包容颗粒等其它状膜状固定化酶交联法共价法包埋法载体酶酶膜制备实例:•将乙醇氧化酶和聚乙烯亚胺及牛血清蛋白溶液混合起来，加入5%（V）戊二醛溶液，在5℃下，存放4小时。•这种酶的混合物包在聚碳酸脂膜（孔径0.03μm）和醋酸纤维素膜之间，并在5℃使其风干24h。•用0.02%（V）戊二醛溶液处理，并用磷酸盐缓冲液洗涤，即制得乙醇氧化酶膜(厚度约20μm)。（3）酶膜的性质②使用寿命：与使用环境条件（温度、pH等）有关，一般为一个月左右。①响应特性:响应时间较短交联法共价法响应时间较长包埋法3.3酶传感器实例例1：葡萄糖传感器：①传感器组成：葡萄糖氧化酶聚丙烯酰胺凝胶包埋法葡萄糖氧化酶膜氧电极葡萄糖传感器葡萄糖传感器示意图PbPt记录仪空气被测溶液电解质溶液聚四氟乙稀膜固定化葡萄糖氧化酶膜例：葡萄糖传感器：②电极反应：C6H12O6+O2葡萄糖氧化酶C6H10O6+H2O2葡萄糖葡萄糖酸在酶膜上：在氧电极上：在Pb阳极：Pb→Pb2++2e在Pt阴极：1/2O2+H2O+2e→2OHˉPbPt记录仪空气被测溶液电解质溶液聚四氟乙稀膜固定化葡萄糖氧化酶膜③测定原理：④主要性能测量范围：1~500mg/L响应时间：10~30s使用寿命：60~100day葡萄糖酶催化反应电极旁O2浓度↓电化学反应电流值↓→葡萄糖浓度酶膜上氧电极上氧化酶膜与过氧化氢电极组成葡萄糖传感器：葡萄糖传感器电极葡萄糖氧化酶膜22OH某些酶传感器一览表待测物质固定化酶转换器测量范围(mg/L)响应时间（min）稳定性(day)葡萄糖葡萄氧化酶铂电(H2O2)氧电极(O2)1~5×1031~5×10215(S)10(S)60~100100各种糖蔗糖酶、变旋酶葡萄糖氧化酶氧电极(O2)100~5000514乳酸乳酸脱氢酶燃料电极(NADH)~100030(S)14乙醇乙醇脱氢酶乙醇氧化酶原电池铂电极(H2O2)46000~30%(V)4020(S)1430尿素尿酶铵电极(NH4+)氨电极(NH3)10~100010~10000.5~12~42130青霉素青霉素酶玻璃电极(H+)10~10000.5~27~14L-酪氨酸酪氨酸脱羧酶CO2电极(CO2)10~1041~2204微生物传感器•在酶传感器制造中，首先遇到的困难就是酶的提取与精制。微生物传感器转换器固定化微生物膜固定于高分子膜上微生物微生物膜作为分子识别元件利用：①利用微生物细胞内单一或多个酶的机能——类似于酶传感器；②利用微生物的生理机能。4.1微生物传感器的原理与分类•酶活性测定型——以微生物酶催化反应的活性为指标；（类似于酶传感器）•呼吸活性测定型——以微生物呼吸活性为指标；•电极活性物质测定型——以微生物代谢产物为指标。（1）呼吸活性测定型——必须是好气性微生物氧浓度↓氧电极电流值↓CO2生成CO2电极电位值↑氧微生物利用的被测物质好气微生物膜（2）电极活性物质测定型——包括厌氧和好氧微生物待测物质固定化微生物膜CO2CO2电极电位式H2铂阳极，Ag2O2阴极电流式NH3氨电极电位式H+玻璃电极电位式还原型辅酶燃料电极电流式4.2微生物传感器特点（1）微生物较酶易获得，价格相对较低；（2）稳定性好，连续使用时间可达一个月左右；（3）响应时间比酶传感器长，多数在10分钟左右；（4）特异性较酶传感器差。4.3微生物传感器实例例：谷氨酸传感器谷氨酸脱羧酶催化谷氨酸的反应为：HOOC-(CH2)2-CHNH2-COOH谷氨酸脱羧酶HOOC-(CH2)2-CH2NH2+CO2测定谷氨酸传感器电极活性的微生物膜具有较高谷氨酸脱羧酶2CO（1）传感器制备大肠杆菌细胞↓冷冻干燥↓用水调匀↓涂布于尼龙网（60目，ф7mm）两面↓置于CO2电极上↓外用赛璐酚膜盖住↓谷氨酸传感器电极膜（硅橡胶膜）细胞尼龙网(大肠杆菌)赛璐酚膜CO2电极（2）测定原理（3）主要性能A．响应时间：5min左右；B．测量范围：10~800mg/L；C．使用寿命：20day。推算谷氨酸含量电极电位有谷氨酸不产生无谷氨酸222COCOCO在无氧条件下（4）专一性：A．对谷氨酰胺有响应，对其它氨基酸的作用可忽略。B．葡萄糖7.9g/L、醋酸0.2g/L时，无影响。C．无机离子影响可忽略。某些微生物传感器一览表待测物质微生物膜电极测定范围（mg/L）响应时间(min)稳定性(day)葡萄糖P.flourescens氧电极5～201014乙醇T.brassicae氧电极5～301030醋酸T.Brassicae氧电极10～1001020甲酸C.butyricum铂阳极、Ag2O2阴极1～3003030谷氨酸E.ColiSarcinaflaveCO2电极NH3电极10～80020～1000552014赖氨酸E.coliCO2电极10～200514天冬氨酸B.CacaverisNH3电极0.5～90510头孢菌素CitrobacterfenundipH电极100～5001075其他生物传感器5.1免疫电极传感器•免疫电极(immunobioelectrode)是以免疫物质（抗原或抗体）作为敏感元件的电化学生物传感器。•免疫物质的高特异性识别使免疫电极具有很高的特异性。•根据测定过程是否需要标记物可分为直接免疫电极（directimmunoelectrode）和间接免疫电极（indirectimmunoelectrode）。（1）直接免疫电极——不用任何标记物例如（设抗体为被测物）：抗体电信号（电压）离子淌度变化离子通透性变化膜电位变化电导率变化介电常数变化固定化抗原膜电化学或电学变化电极膜电压变化特点：不需额外试剂，仪器要求简单，操作容易，响应快；缺点：灵敏度低，因而难以作为标准检测方法（2）间接免疫电极——需要制备酶标抗体或酶标抗原结合物▲利用标记物将免疫反应的信号放大后间接测定抗原或抗体，这类电极称为间接免疫电极，亦称酶联免疫测定法或ELISA法（enzymelinkedimmunoassay）。例如（设抗体为被测物）：推测试样中抗体浓度抗体↓固定化酶标抗原膜抗体与酶标抗原结合↓改变酶标抗原存在状态↓固定化酶标抗原膜←底物状态改变的酶标抗原催化底物反应↓反应速度与试样中抗体浓度有关↓5.2DNA传感器•DNA测定主要指靶DNA的检测、DNA序列测定和DNA杂交测定。•DNA测定在分子生物学及其基因操作研究、临床诊断、反恐侦检、食品安全、检疫等方面应用广泛。•传统的DNA检测主要依靠膜上分子杂交和电泳，其特点是技术要求高，时间长、成本高、效率低。•近年来DNA传感器和DNA列阵的出现，使DNA的检测大大减化。（1）DNA传感器的特点①特异性好。②稳定性好—离体DNA比蛋白质（酶）分子稳定。③制备简单，DNA可用仪器批量合成。④DNA的操作方法具有通用性，容易标准化。⑤结合芯片技术，可制备DNA列阵，实现高通量测定。⑥灵敏度高，可以达到10-11mol/L以上。⑦用途极其广泛。（2）DNA传感器的分类★按转换器的不同可分为电极型（电化学型）、光学型和质量型等。其中应用最广泛的电极型DNA传感器，根据其作用原理的不同可分为五大类：A.直接DNA电化学型（directDNAelec