生物传感器ppt

biosensor生物传感器授课老师：周东坡学生：寇秋莉贾丽丽Outline：生物传感器概念生物传感器类生物传感器结构和原理生物传感器应用领域生物传感器的信号转换器微生物传感器一、whatisbiosensor?1、概述传感器是一种信息获取与处理的装置。对物质成分传感的器件就是化学传感器，它是一种小型化的、能专一和可逆地对某种化学成分进行应答反应的器件，并能产生与该成分浓度成比例的可测信号。生物传感器是一类特殊的化学传感器，它是以生物活性单元(如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜、微生物、细胞等)作为识别元件，将生化反应转变成可定量的物理、化学信号，从而能够进行生命物质和化学物质检测和监控的装置。2、生物传感器与传统的分析方法相比，具有如下的优点：1）.生物传感器是由选择性好的生物材料构成的分子识别元件，因此一般不需要样品的预处理，样品中的检测组分的分离和检测同时完成，且测定时一般不需加入其它试剂；2）.由于它的体积小，可以实现连续在线监测；3）.响应快，样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用；4）.传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，便于推广普及。二、生物传感器分类1、根据传感器输出信号的产生方式：生物亲和型生物传感器（affinitybiosensor）代谢型生物传感器催化型生物传感器2、根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感物质分：酶传感器（enzymesensor）微生物传感器（microbialsensor）组织传感器（tis-suesensor）基因传感器细胞传感器（organallsensor）免疫传感器（immunolsensor）生物传感器分类示意图生物传感器按生物分子识别元件敏感物质分类组织传感器固定化微生物微生物传感器固定化酶免疫传感器酶传感器固定化抗体生物组织切片固定化寡链核苷酸生物分子识别元件基因传感器3、根据生物传感器的信号转化器分：电化学生物传感器（bioelectrode）半导体生物传感器（semiconductbiosensor）测热型生物传感（calorimetricbiosensor）测光型生物传感器（opticalbiosensor）压电晶体生物传感器（piezoelectricbiosensor）三、生物传感器结构和原理转换器（换能器transducer）分子识别元件即感受器，具有分子识别能力的生物活性物质（如组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等）；主要有电化学电极（如电位、电流的测量）、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等，从而达到分析监测的目的。生物传感器的选择性取决于它的生物敏感元件，而生物传感器的其他性能则和它的整体组成有关。生物传感器的传感原理电信号电极、半导体等热敏电阻光纤、光度计压电晶体等表面等离子共振信号转换器生物功能性膜分子识别化学物质热光质量介电性质四、生物传感器中的信号转换器1.电化学型信号转换器电化学电极（固体电极、离子选择性电极、气敏电极等）作为信号转换器已广泛用于酶传感器、微生物传感器及其他类型的生物传感器中。化学反应与电荷变化密切相关，将待测物质以适当形式置于电化学反应池，测量其电化学性质（如电位、电流和电容等）变化可实现物质含量的测定。1.1基本电化学概念（1）固体电极的相间电位将金属电极插入电解质溶液中，从外表看，似乎不起什么变化。但实际上，金属晶格上原子被水分子极化、吸引，最终有可能脱离晶格以水合离子形式进入溶液。同样，溶液中金属离子也有被吸附到金属表面的，最终二者达到一个平衡。由于核电粒子在界面间的净转移而产生了一定的界面电位差。该类电位主要产生于金属为基体的电极，它与金属本性、溶液性质、浓度等有关。固体电极的相间电位（2）液体接界电位（浓差电位）其产生的条件是相互接触的两液存在浓差梯度，同时扩散的离子其淌度不同。界面两侧HCl浓度不同，左侧的H+和Cl-不断向右侧扩散，同时由于H+的淌度比Cl-淌度大，最终界面右侧将分布过剩正电荷，左侧有相应的负电荷，形成了液体接界电位。液体接界电位（浓差电位）（3）膜电极电位一个离子选择性膜与两侧溶液相接触，膜相中离子I+与溶液中I+发生交换反应，最终在两个界面处会形成两个液体接界电位（即道南电位1和2）由于膜较厚，膜相内也会存在不同离子扩散所产生的扩散电位d，因此整个膜电位m=D1+D2+d1.2基本电化学信号测量技术（1）电位信号测量方法对于一个选择性膜电极，当其他外界条件固定时，膜电位与溶液中待测离子活度（或浓度）的对数值呈线性关系，即符合能斯特关系式。由于单个电极电位值是无法测量的，通常将待测电极与一个参比电极组成一个电池，测量其电位差值。采用的参比电极处理可使用标准氢电极外常常使用甘汞电极和银-氯化银电极（结构如下图）。生物传感器中常涉及用电位法测量H+NH3、CO2的浓度。1.电引线2.电极帽3.甘汞芯4.玻璃外壳5.饱和KCl6.多孔陶瓷塞7.KCl补液口甘汞电极（2）电流信号测量方法物质在电极上发生氧化还原反应与其自身的电极电位相关，控制电极电位可以有选择地使溶液中某成分发生氧化或还原反应。当电路中有电流通过时电极将发生极化现象，使得电极电位偏离平衡电位值。为了有效的测量和控制研究电极的电位，通常可采用三电极测量体系如图所示。用于电流测量的三电极测量体系电解回路由工作电极和对电极构成，电位的测量和控制由参比电极与工作电极回路实现。测量时采用线性扫描法、恒电位法等方式，测量的电流信号与发生电极氧化（或还原）的物质浓度相关。生物传感器中常涉及用电流法测量O2、H2O2等其他活性物质浓度。1.3特点与应用电化学电极及相关的电化学测试技术具有性能稳定、适用范围广、易微型化特点，已在酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、DNA传感器中得到应用。目前，微电极技术也已应用于探讨细胞膜结构与功能、脑神经系统的在体研究（如多巴胺、去甲肾上腺素在体测量）等生物医学领域。2.离子敏场效应晶体管型信号转器ionsensitiveeffecttransistor，简称ISFET2.1结构与原理场效应晶体管结构图场效应晶体管（FET）有四个末端，当栅极与基-片P-Si短路时，源极与漏极之间的电流为漏电流。如果施加外电压，同时栅极电压对基片为正，电子便被吸引到栅极下面，促进了源极和漏极两个n区导通。因此栅极电压变化将控制沟道区导电性能-漏电流的相应变化。因此只要设法利用生物反应过程所产生的物质来影响栅极电压，便可设计出半导体生物传感器。氢离子敏的FET是常用的信号转换器。将生物活性物质如酶固定在栅极氢离子敏感膜（SiO2水化层）表面，样品溶液中的待测底物扩散进入酶膜。假设是检测酶催化后的产物（反应速率取决于底物浓度），产物向离子选择性膜扩散的分子浓度不断积累增加，并在酶膜和离子选择性膜界面达到衡定。通常，酶-FET传感器都含有双栅极，一只栅极涂有酶膜，作为指示用FET，另一支涂上非活性酶膜或清蛋白膜作为参比FET，两个FET制作在同一芯片上，对pH和温度以及外部溶液电场变化具有同样的敏感性，也就是说，如果两支FET漏电流出现了差值，那只能是酶FET中催化反应所致，而与环境温度pH加样体积和电场噪声等无关，故其差值与被测产物的浓度呈比例关系。2.2特点与应用FET的特点：①结构简单，体积小，便于批量制作，成本低：②属于固态传感器，机械性能好、耐震动、寿命长；③输出阻抗低，与检测器的连接线甚至不用屏蔽，不受外来电场干扰，测试电路简化；④可在同一硅片上集成多种传感器，对样品中不同成分同时进行测量分析。FET的应用：离子敏场效应晶体管可作为酶（水解酶）、微生物传感器中的信号转换器。3.热敏电阻型信号转换器热敏电阻是由铁、镍、钴、钛等金属氧化物构成的半导体。从外形上分类有珠型、片型、棒型、厚膜型、薄膜型与触点型等。凡有生物体反应的地方，大都可观察到放热或吸热反应的热量变化（焓变化）。热敏电阻生物传感器就是以测定生化反应焓（enthalpy)变化作为测定基础。若测量系统是一个绝热系统，借助于热敏电阻，可根据对系统温度变化的测量实现试样中待测成分的测定。酶热敏电阻的测量系统3.2特点与应用作为温度传感器的热敏电阻具有如下几个特点：1.灵敏度高，温度系数为-4.5%/K，灵敏度约为金属的10倍；2.因体积很小故热容量小、响应速度快；3.稳定性好，使用方便，价格便宜。因为对于许多生物体反应都可观察到放热或吸热反应的热量变化（焓变化），所以酶热敏电阻生物传感器测量对象范围广泛，使用于的分子识别元件包括酶、抗原、抗体、细胞器、微生物、动物细胞、植物细胞、组织等。在检测时，由于识别元件的催化作用或因构造和物性变化引起焓变化，可借助热敏电阻把其变换为电信号输出。现已在医疗、发酵、食品、环境、分析测量等很多方面得到应用，如在发酵生化生产过程中，广泛用于测定青霉素、头孢菌素、酒精、糖类和苦杏仁等。4.压电晶体信号转换器4.1结构与原理压电晶体型信号转换器是基于石英晶体的压电效应。在一定方向上施加机械力时石英晶体产生变形，就会引起它们内部正负电荷中心相对位移而产生极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷，当外力消失后，又恢复到不带电状态。当外力发生变化时表面电荷极性随之改变，这种现象物理学称为（顺）压电效应。压电晶体型转换器若对石英晶体施加电场作用时，同样会引起内部正、负电荷中心的相对位移而导致石英晶体变形，且应变与外电场强度成正比；外电场方向改变，石英晶体形变方向也随之改变。当外加电场的振荡频率与石英晶体固有振荡频率一致时，石英晶体处于谐振状态。通常使用的是AT切割型石英晶体（频率温度系数最小），并在其两面真空喷镀一层导电用的金属电极。采用TTL-IC振荡电路驱使石英晶体谐振于其固有的频率，图是压电石英晶体传感器的工作系统。压电石英晶体传感器的工作系统当石英晶体便面附着层的质量改变时其频率随之改变，用Sauerbrey方程来描述。即△F=KF2△m/A，式中，△F是晶体吸附外表物质后振动频率（Hz）的变化；K为常数；F为压电晶体的基础频率（MHz）；△m为附着层物质的质量变化。通常可检测低至10-10g/cm2级的痕量物质，因此常称之为石英晶体微天平。4.2特点与应用压电石英晶体传感器的特点：1.仪器装置简单、成本低廉；2.灵敏度高、易自动化、使用范围广；3.可发展一类非标记的亲和型生物传感器检测方法。在免疫学、微生物学、基因检测、血液流变、药理研究以及环境等科学领域具有重要应用价值和开发前景。5.光纤光学型信号转换器5.1结构与原理光纤是用来传输光波能量的。在传播过程中，光波的导波参量会发生变化，如振幅、相位、偏振度、强度、波长、频率等，尤其是外界因素（如压力、温度、振动、浓度）对光纤的作用更会引起上述参量发生较大的变化。光纤生物传感信号转换器主要由光纤和生物敏感膜组成。分析测试时将传感器端插入待测溶液中，当光通过光纤达到传感端时，由于传感膜中生物活性成分和待测组分之间的相互作用引起传感层光学性质变化。将酶、辅酶、生物的受体、抗原、抗体、核酸、动植物组织或细胞、微生物等敏感膜安装在光纤、平面波导或毛细血管波导面上，对样品中的待测物质进行选择性的分子识别，再转换成各种光信息，如紫外光、可见光及红外光的吸收与反射，荧光、磷光、化学发光和生物发光、拉曼辐射、光声和表面等离子体共振等信号输出。组成感受器和换能器的可以是同一物质或不同物质构成的单层膜，也可以是不同物质构成的双层膜。大多数情况下，光纤只起光的传输作用，也有传感器是基于被测物质能直接影响光纤的波导性质（如张力和折射率的变化）来进行化学或生物传感的。5.2特点与应用光纤生物传感器具有如下独特特点：轻、细长、小，很细小的光纤探针可应用于生物体内研究；抗电磁干扰强，适用于在强电磁干扰、高温高压、易燃易爆和强放射性等恶劣环境中应用，使远距离遥测成为现实；应用范围广，成本低且操作方便；可应用于多波长和时间分辨测量技术，从而改进分析结果的重现性，大大提高方法的选择性。