第11章---生物传感器

电子科技大学传感技术课程组制作1生物传感器（biosensor）电子科技大学传感技术课程组制作2目录11.1简要介绍11.2酶传感器11.3微生物传感器11.4免疫传感器11.5半导体生物传感器11.6生物传感器应用与未来本章小结电子科技大学传感技术课程组制作311.1简要介绍生物传感器的发展史定义及说明生物传感器的基本组成和工作原理生物传感器的分类生物传感器的固定方法生物传感器的特点电子科技大学传感技术课程组制作4生物传感器的发展史(1)最先问世的生物传感器是酶电极，Clark和Lyons最先提出组成酶电极的设想。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；进入本世纪80年代之后，随着离子敏场效应晶体管的不断完善，于1980年Caras和Janafa率先研制成功可测定青霉素的酶FET。年代特点研究内容60生物传感器初期酶电极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80进入生物电子学传感器时期酶FET酶光二极管电子科技大学传感技术课程组制作5生物传感器发展的整体划分: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。生物传感器的发展史(2)电子科技大学传感技术课程组制作6快速葡萄糖分析仪电子科技大学传感技术课程组制作7血糖乳酸自动分析仪电子科技大学传感技术课程组制作8生物传感器定义及说明生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定实现测量，主要由两大部分组成：一为功能识别物质（分子识别元件），由其对被测物质进行特定识别；其二是电、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。电子科技大学传感技术课程组制作9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生物传感器的工作原理分类电子科技大学传感技术课程组制作10生物传感器基本构成示意图电子科技大学传感技术课程组制作11生物传感器的分子识别元件分子识别元件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，酶标抗原等电子科技大学传感技术课程组制作12生物传感器的工作原理电子科技大学传感技术课程组制作13生物传感器的工作原理1.将化学变化转变成电信号（间接型）2.将热变化转换为电信号（间接型）3.将光效应转变为电信号（间接型）4.直按产生电信号方式（直接型）化学物质物理热被测化学（产生光）电信号物质变化声生物敏感膜电化学器件热敏元件光敏元件声敏元件电子科技大学传感技术课程组制作14将化学变化转变成电信号的生物传感器电子科技大学传感技术课程组制作15将热变化转换为电信号的生物传感器热辐射热传导电子科技大学传感技术课程组制作16将光效应转变为电信号的生物传感器被测物————h————电信号固定化酶光检测器电子科技大学传感技术课程组制作17直按产生电信号方式的生物传感器例：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。G、GL代表葡萄糖和葡萄糖内脂，GODox和GODred为氧化型和还原型的葡萄糖氧化酶，而Fecp2R和Fecp2R+则为还原型和氧化型二茂络铁。葡萄糖被GOD氧化的同时，GOD被还原成GODred，氧化型的电子传递体2Fecp2R+可将GODred再氧化成GODox反应直接在电极表面上发生电子科技大学传感技术课程组制作18Loveiseverthebeginningofknowledgeasfireisoflight.——ThomasCarlyle知识总是从爱好开始，犹如光总是从火开始一样。电子科技大学传感技术课程组制作19生物传感器的特点1.根据生物反应的奇异和多样性，从理论上讲可以制造出测定所有生物物质的多种多样的生物传感器；2.这类生物传感器是在无试剂条件下工作的(缓冲液除外)，比各种传统的生物学和化学分析法操作简便、快速、准确；3.可连续测量、联机操作、直接显示与读出测试结果。电子科技大学传感技术课程组制作20生物传感器的分类按分子识别元件分类按换能器分类电子科技大学传感技术课程组制作21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按分子识别元件分类电子科技大学传感技术课程组制作22按器件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电子科技大学传感技术课程组制作23生物传感器的固定方法固定化技术：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：夹心法、吸附法、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。电子科技大学传感技术课程组制作24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。这种方法的特点是操作简单，不需要任何化学处理，固定生物量大，响应速度快，重复性好。电子科技大学传感技术课程组制作25吸附法用非水溶性固相载体物理吸附或离子结合，使蛋白质分子固定化的方法。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。电子科技大学传感技术课程组制作26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。此方法的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。电子科技大学传感技术课程组制作27A.单体氧化剂配比为1：2B.单体氧化剂配比为1：4C.单体氧化剂配比为1：5D.单体氧化剂配比为1：6E．聚合反应时间为15分钟F.聚合反应时间为25分钟G.聚合反应时间为35分钟电子科技大学传感技术课程组制作28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。此方法的特点是结合牢固，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。电子科技大学传感技术课程组制作29交联法依靠双功能团试剂使蛋白质结合到惰性载体或蛋白质分子彼此交联成网状结构。这种方法广泛用于酶膜和免疫分子膜制备，操作简单。电子科技大学传感技术课程组制作3011.2酶传感器酶传感器信号变换方式葡萄糖传感器电子科技大学传感技术课程组制作31酶传感器：酶敏感膜+电化学器件酶的催化作用是在一定条件下使底物分解，故酶的催化作用实质上是加速底物分解速度。电子科技大学传感技术课程组制作32信号变换方式(1)电位法电位法是通过不同离子生成在不同感受体，从测得膜电位去计算与酶反应有关的各种离子的浓度。一般采用铵离子电极（氨气电极）、氢离子电极、氧化碳电极等；(2)电流法电流法是从与酶反应有关的物质的电极反应得到的电流值来计算被测物质的方法。电化学装置采用的是氧电极。燃料电池型电极和过氧化氢电极等；酶电极：酶传感器由固定酶和基础电极组成，酶电极的设计主要考虑酶催化过程产生或消耗的电极活性物质，如一个酶催化反应是耗Ｏ２过程，就可以使用Ｏ２电极或Ｈ２Ｏ２电极；若酶催化反应过程产生酸，即可使用ＰＨ电极。电子科技大学传感技术课程组制作33葡萄糖传感器工作原理测量氧消耗量的葡萄糖传感器测Ｈ2Ｏ2生成量的葡萄糖传感器电子科技大学传感技术课程组制作34工作原理故葡萄糖浓度测试方法有三种：①测耗量Ｏ２②测Ｈ２Ｏ２生成量③测由葡萄糖酸而产生的ＰＨ变化。葡萄糖氧化酶（ＧＯＤ）葡萄糖+H2O＋Ｏ２――――――→葡萄糖酸＋Ｈ２Ｏ２电子科技大学传感技术课程组制作35测量氧消耗量的葡萄糖传感器电子科技大学传感技术课程组制作36测量氧消耗量的葡萄糖传感器1.氧电极构成：①由Ｐb阳极和Ｐt阴极浸入碱溶液，②阴极表面用氧穿透葡萄糖（基质）膜覆盖[特氟隆，厚约１０μm]2.氧电极测O2原理：利用氧在阴极上首先被还原的特性。溶液中的O2穿过特氟隆膜到达Pt阴极上，当外加一个直流电压为氧的极化电压(如0.7V)时，则氧分子在Pt阴极上得电子，被还原:其电流值与含O2浓度成比例。Ｏ2+２Ｈ2Ｏ+４e=======４ＯＨ－电子科技大学传感技术课程组制作37聚四氟乙烯膜（作用）它避免了电极与被测液直接相接触，防止了电极毒化；如电极Pt为开放式，它浸入含蛋白质的介质中，蛋白质会沉淀在电极表面上从而减小电极有效面积，使电流下降，使传感器受到毒化。电子科技大学传感技术课程组制作38测Ｈ2Ｏ2生成量的葡萄糖传感器1.Pt阳极2.聚四氟乙烯膜（作用）3.固相酶膜4.半透膜多孔层5.半透膜致密层电子科技大学传感技术课程组制作39葡萄糖氧化产生Ｈ２Ｏ２，而Ｈ２Ｏ２通过选择性透气膜，在Pt电极上氧化，产生阳极电流。葡萄糖含量与电流成正比，由此可测出葡萄糖溶液浓度。在Ｐt电极上加0.6V电压时，则产生的阳极电流为：葡萄糖氧化酶（ＧＯＤ）葡萄糖+H2O＋Ｏ２―――――――→葡萄糖酸＋Ｈ２Ｏ２H2O2O2+2H++2e电子科技大学传感技术课程组制作4011.3微生物传感器※分类好气性微生物传感器厌气性微生物传感器注：气→Ｏ２※微生物固定方式及工作原理传感器放入含有有机化合物的被测溶液中，有机物向微生物膜扩散而被微生物摄取（称为资化）。电子科技大学传感技术课程组制作41好气性微生物传感器微生物的呼吸可用氧电极或二氧化碳电极来测定结构被测氧消耗变化电信号物质（呼吸技能）微生物固定化膜封闭式氧电极或CO2电极电子科技大学传感技术课程组制作42O2电极好气性微生物传感器1.电解液2.O型环3.Pb阴极4.聚四氟乙烯5.固化微生物膜6.尼龙网7.Pt阳极电子科技大学传感技术课程组制作43O2电极好气性微生物传感器响应曲线电子科技大学传感技术课程组制作44厌气性微生物传感器可测定微生物代谢产物，可用离子选择电极来测定微生物固定化模电化学敏感电极被测物质新陈代谢变化（代谢机能）电信号电子科技大学传感技术课程组制作45甲酸传感器(H2电极厌气性微生物传感器)1.圆环2.液体连接面3.电解液(100mol/m3磷酸缓冲液)4.Ag2O2电极(阴极)5.Pt电极(阳极)6.聚四氟乙烯膜电子科技大学传感技术课程组制作46甲酸传感器原理将产生氢的酪酸梭状芽菌固定在低温胶冻膜上，并把它固定在燃料电池Pt电极上；当传感器浸入含有甲酸的溶液时，甲酸通过聚四氟乙烯膜向酪酸梭状芽菌扩散，被资化后产生H2,而H2又穿过Pt电极表面上的聚四氟乙烯膜与Pt电极产生氧化还原反应而产生电流，此电流与微生物所产生的H2含量成正比，而H2量又与待测甲酸浓度有关，因此传感器能测定发酵溶液中的甲酸浓度。电子科技大学传感技术课程组制作4711.4免疫传感器免疫传感器的工作原理免疫传感器的结构电子科技大学传感技术课程组制作48免疫传感器的工作原理基本原理是免疫反应。利用固定化抗体（或抗原）膜与相应的抗原（或抗体）的特异反应，使得生物敏感膜的电位发生变化。抗原或抗体一经固定于膜上，就形成具有识别免疫反应强烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纤维素膜上进行固定化，由于蛋白质为双极性电解质，（正负电极极性随ＰＨ值而变）所以抗原固定化膜具有表面电荷。其膜电位随膜电荷要变化。故根据抗体膜电位的变化，可测知抗体的附量。电子科技大学传感技术课程组制作49免疫传感器的结构3室注入含有抗体的盐水抗体与固定化抗原膜上的抗原相结