葡萄糖傳感器電子科技大學(xué)PPT課件

1、1目錄 11.1 簡要介紹 11.2 酶傳感器 11.3 微生物傳感器 11.4 免疫傳感器 11.5 半導(dǎo)體生物傳感器 11.6 生物傳感器應(yīng)用與未來 本章小結(jié)第1頁/共51頁211.1 簡要介紹 生物傳感器的發(fā)展史 定義及說明 生物傳感器的基本組成和工作原理 生物傳感器的分類 生物傳感器的固定方法 生物傳感器的特點(diǎn)第2頁/共51頁3生物傳感器的發(fā)展史(1) 最先問世的生物傳感器是酶電極Clark和Lyons最先提出組成酶電極的設(shè)想; 70年代中期，人們注意到酶電極的壽命一般都比較短，提純的酶價格也較貴，而各種酶多數(shù)都來自微生物或動植物組織，因此自然地就啟發(fā)人們研究酶電極的衍生型：微生物電極

2、、細(xì)胞器電極、動植物組織電極以及免疫電極等新型生物傳感器，使生物傳感器的類別大大增多; 進(jìn)入本世紀(jì)80年代之后，隨著離子敏場效 應(yīng) 晶 體 管 的 不 斷 完 善 ， 于 1 9 8 0 年Caras和Janafa率先研制成功可測定青霉素的酶FET。 年代 特點(diǎn) 研究內(nèi)容 60 生物傳感器初期 酶電極70 發(fā)展時期 微生物傳感器，免疫傳感器，細(xì)胞類脂質(zhì)傳感器，組織傳感器，生物親和傳感器80進(jìn)入生物電子學(xué)傳感器時期酶FET酶光二極管第3頁/共51頁4生物傳感器發(fā)展的整體劃分: 第一代生物傳感器以將生物成分截留在膜上或結(jié)合在膜上為基礎(chǔ)，這類器件由透析器(膜)、反應(yīng)器(膜)和電化學(xué)轉(zhuǎn)換器所組成，其實(shí)

3、驗(yàn)設(shè)備相當(dāng)簡單 第二代生物傳感器是指將生物成分直接吸附或共價結(jié)合在轉(zhuǎn)換器的表面上，從而可略去非活性的基質(zhì)膜 第三代生物傳感器是把生物成分直接固定在電子元件上，例如FET的柵極上，它可直接感知和放大界面物質(zhì)的變化，從而將生物識別和電信號處理集合在一起這種放大器可采用差分方式以消除干擾生物傳感器的發(fā)展史(2)第4頁/共51頁5生物傳感器定義及說明 生物傳感器利用生物活性物質(zhì)選擇性的識別和測定實(shí)現(xiàn)測量，主要由兩大部分組成：一為功能識別物質(zhì)（分子識別元件），由其對被測物質(zhì)進(jìn)行特定識別；其二是電、光信號轉(zhuǎn)換裝置（換能器），由其把被測物所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)碾娦盘柣蚬庑盘枴?第5頁/共51頁6生

4、物傳感器的基本組成和工作原理 生物傳感器的基本組成 生物傳感器的工作原理分類第6頁/共51頁7生物傳感器基本構(gòu)成示意圖第7頁/共51頁8生物傳感器的分子識別元件 分子識別元件 生物活性材料酶膜全細(xì)胞膜組織膜細(xì)胞器膜免疫功能膜各類酶類細(xì)菌，真菌，動植物細(xì)胞動植物組織切片線粒體，葉綠體抗體，抗原，酶標(biāo)抗原等第8頁/共51頁9生物傳感器的工作原理1.將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號（間接型）2.將熱變化轉(zhuǎn)換為電信號（間接型）3.將光效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ㄩg接型）4.直按產(chǎn)生電信號方式（直接型） 化學(xué)物質(zhì) 物理 熱被測 化學(xué) （產(chǎn)生 光 ） 電信號物質(zhì) 變化 聲生物敏感膜電化學(xué)器件熱敏元件光敏元件聲敏元件 第9頁/

5、共51頁10將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號的生物傳感器第10頁/共51頁11將熱變化轉(zhuǎn)換為電信號的生物傳感器第11頁/共51頁12將光效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕纳飩鞲衅?被測物 h 電信號固定化酶光檢測器第12頁/共51頁13例4、直按產(chǎn)生電信號方式的生物傳感器 Cass 等提出一種測定葡萄糖的傳感器，是用二茂絡(luò)鐵為電子傳遞體。G、GL代表葡萄糖和葡萄糖內(nèi)脂，GODox和GODred為氧化型和還原型的GOD，而Fecp2R和Fecp2R+則為還原型和氧化型二茂絡(luò)鐵。葡萄糖被GOD氧化的同時，GOD被還原成GODred，氧化型的電子傳遞體2Fecp2R+可將GODred再氧化成GODox第13頁/共51頁14

6、生物傳感器的特點(diǎn)1. 根據(jù)生物反應(yīng)的奇異和多樣性，從理論上講可以制造出測定所有生物物徹質(zhì)的多種多樣的生物傳感器；2. 這類生物傳感器是在無試劑條件下工作的(緩沖液除外)，比各種傳統(tǒng)的生物學(xué)和化學(xué)分析法操作簡便、快速、準(zhǔn)確；3. 可連續(xù)測量、聯(lián)機(jī)操作、直接顯示與讀出測試結(jié)果。第14頁/共51頁15生物傳感器的分類 按分子識別元件分類 按換能器分類第15頁/共51頁16 固定化酶 固定化 微生物 固定化免疫物質(zhì) 固定化細(xì)胞器 生物組織切片微生物傳感器分子識別元件酶傳感器免疫傳感器細(xì)胞器傳感器組織傳感器按分子識別元件分類第16頁/共51頁17按器件分類 電化學(xué)電極 光學(xué)換能器 介體 半導(dǎo)體 傳遞系統(tǒng)

7、 換能器 熱敏電阻 壓電晶體介體生物傳感器換能器半導(dǎo)體生物傳感器生物電極光生物傳感器熱生物傳感器壓電晶體生物傳感器第17頁/共51頁18生物傳感器的固定方法固定方法固定方法：現(xiàn)已經(jīng)成為生物工程中一門重要技術(shù)1. 物理方法：夾心法、吸附法、包埋法；2. 化學(xué)方法:共價連接法、交聯(lián)法3. 近年來, 由于半導(dǎo)體生物傳感器迅速發(fā)展, 因而又出現(xiàn)了采用集成電路工藝制膜技術(shù)，如光平板印刷法、噴射法等。第18頁/共51頁19夾心法 將生物活性材料封閉在雙層濾膜之間，形象地稱為夾心法。 這種方法的特點(diǎn)是操作簡單，不需要任何化學(xué)處理，固定生物量大，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好。第19頁/共51頁20吸附法 用非水溶性固

8、相載體物理吸附或離子結(jié)合，使蛋白質(zhì)分子固定化的方法 載體種類較多，如活性炭、高嶺土、硅膠、玻璃、纖維素、離子交換體等。第20頁/共51頁21包埋法 把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基質(zhì)中。 此方法的持點(diǎn)是一般不產(chǎn)生化學(xué)修飾，對生物分子活性影響較??；缺點(diǎn)是分子量大的底物在凝膠網(wǎng)格內(nèi)擴(kuò)散較固難。第21頁/共51頁22共價連接法 使生物活性分子通過共價鍵與固相載體結(jié)合固定的方法。 此方法的特點(diǎn)是結(jié)合牢固，生物活性分子不易脫落，載體不易被生物降解，使用壽命長； 缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)固定化麻煩，酶活性可能因發(fā)生化學(xué)修飾而降低。第22頁/共51頁23交聯(lián)法 依靠雙功能團(tuán)試劑使蛋白質(zhì)結(jié)合到惰性載

9、體或蛋白質(zhì)分子彼此交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 這種方法廣泛用于酶膜和免疫分子膜制備，操作簡單。第23頁/共51頁2411.2 酶傳感器酶傳感器 酶傳感器信號變換方式 尿酸用固定化酶膜傳感器 葡萄糖傳感器第24頁/共51頁25信號變換方式信號變換方式(1)電位法 電位法是通過不同離子生成在不同感受體， 從測得膜電位去計算與酶反應(yīng)有關(guān)的各種離子的濃度。一般采用銨離子電極（氨氣電極）、氫離子電極、氧化碳電極等(2)電流法 電流法是從與酶反應(yīng)有關(guān)的物質(zhì)的電極反應(yīng)得到的電流值來計算被測物質(zhì)的方法。電化學(xué)裝置采用的是氧電極。燃料電池型電極和過氧化氫電極等 酶電極：酶傳感器由固定酶和基礎(chǔ)電極組成，酶電極的設(shè)計主要考慮

10、酶催化過程產(chǎn)生或消耗的電極活性物質(zhì)，如一個酶催化反應(yīng)是耗過程，就可以使用電極或電極；若酶催化反應(yīng)過程產(chǎn)生酸，即可使用電極。第25頁/共51頁26尿酸用固定化酶膜傳感器第26頁/共51頁27葡萄糖傳感器葡萄糖傳感器 工作原理 測量氧消耗量的葡萄糖傳感器 測22生成量的葡萄糖傳感器第27頁/共51頁28工作原理 故葡萄糖濃度測試方法有三種：測耗量 測生成量 測由葡萄糖酸而產(chǎn)生的變化。 葡萄糖氧化酶（）葡萄糖+H2O葡萄糖酸第28頁/共51頁29測量氧消耗量的葡萄糖傳感器測量氧消耗量的葡萄糖傳感器第29頁/共51頁30測量氧消耗量的葡萄糖傳感器測量氧消耗量的葡萄糖傳感器1.氧電極構(gòu)成：由b陽極和t陰

11、極浸入堿溶液，陰極表面用氧穿透葡萄糖（基質(zhì)）膜覆蓋特氟隆，厚約mm2.氧電極測O2原理：溶液中的O2穿過特氟隆膜到達(dá)Pt陰極上，按下式有被還原的陰極電流通過，其電流值與含O2濃度成比例。 3.2+2+e= 第30頁/共51頁31測測22生成量的葡萄糖傳感器生成量的葡萄糖傳感器1.Pt陽極2.聚四氟乙烯膜（作用）3.固相酶膜4.半透膜多孔層5.半透膜致密層第31頁/共51頁32聚四氟乙烯膜（作用） 它避免了電極與被測液直接相接觸，防止了電極毒化；如電極Pt為開放式，它浸入含蛋白質(zhì)的介質(zhì)中，蛋白質(zhì)會沉淀在電極表面上從而減小電極有效面積，使電流下降，使傳感器受到毒化。第32頁/共51頁33 葡萄糖氧

12、化產(chǎn)生，而通過選擇性透氣膜，在Pt電極上氧化，產(chǎn)生陽極電流。葡萄糖含量與電流成正比，由此可測出葡萄糖溶液濃度。 在t電極上加0.6V電壓時，則產(chǎn)生的陽極電流為： 葡萄糖氧化酶（）葡萄糖+H2O葡萄糖酸第33頁/共51頁3411.3 微生物傳感器微生物傳感器分類 好氣性微生物傳感器 厭氣性微生物傳感器 注： 氣微生物固定方式及工作原理第34頁/共51頁35好氣性微生物傳感器好氣性微生物傳感器微生物的呼吸可用氧電極或二氧化碳電極來測定結(jié)構(gòu)被測 氧消化變化 電信號物質(zhì) （呼吸技能）微生物固定化膜封閉式氧電極或CO2電極第35頁/共51頁36O2電極好氣性微生物傳感器電極好氣性微生物傳感器1.電解液2

13、.O型環(huán)3.Pb陰極4.聚四氟乙烯5.固化微生物膜6.尼龍網(wǎng)7.Pt陽極第36頁/共51頁37O2電極好氣性電極好氣性微生物傳感器響應(yīng)曲線微生物傳感器響應(yīng)曲線第37頁/共51頁38厭氣性微生物傳感器厭氣性微生物傳感器 可測定微生物代謝產(chǎn)物，可用離子選擇電可測定微生物代謝產(chǎn)物，可用離子選擇電極來測定極來測定微生物固定化模電化學(xué)敏感電極被測物質(zhì)新陳代謝變化（代謝機(jī)能）電信號第38頁/共51頁39甲酸傳感器甲酸傳感器(H2電極厭氣性微生物傳感器電極厭氣性微生物傳感器)1. 圓環(huán)2. 液體連接面3. 電解液(100mol/m3磷酸緩沖液)4. Ag2O2電極(陰極)5. Pt電極(陽極)6. 聚四氟乙

14、烯膜第39頁/共51頁40甲酸傳感器甲酸傳感器原理 將產(chǎn)生氫的酪酸梭狀芽菌固定在低溫膠凍膜上，并把它固定在燃料電池Pt電極上； 當(dāng)傳感器浸入含有甲酸的溶液時，甲酸通過聚四氟乙烯膜向酪酸梭狀芽菌擴(kuò)散，被資化后產(chǎn)生H2,而H2又穿過Pt電極表面上的聚四氟乙烯膜與Pt電極產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生電流，此電流與微生物所產(chǎn)生的H2含量成正比，而H2量又與待測甲酸濃度有關(guān)，因此傳感器能測定發(fā)酵溶液中的甲酸濃度。第40頁/共51頁4111.4 免疫傳感器免疫傳感器 免疫傳感器的工作原理 免疫傳感器的結(jié)構(gòu)第41頁/共51頁42免疫傳感器的工作原理免疫傳感器的工作原理 利用抗體對抗原的識別功能和與抗原結(jié)合功能研制

15、成功的。 抗原或抗體一經(jīng)固定于膜上，就形成具有識別免疫反應(yīng)強(qiáng)烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纖維素膜上進(jìn)行固定化，由于蛋白質(zhì)為雙極性電解質(zhì)，（正負(fù)電極極性隨值而變）所以抗原固定化膜具有表面電荷。其膜電位隨膜電荷要變化。故根據(jù)抗體膜電位的變化，可測知抗體的附量。第42頁/共51頁43免疫傳感器的結(jié)構(gòu)免疫傳感器的結(jié)構(gòu)第43頁/共51頁4411.5 半導(dǎo)體生物傳感器半導(dǎo)體生物傳感器 酶光敏二極管 酶FET第44頁/共51頁45酶光敏二極管 酶光敏二極管由催化發(fā)光反應(yīng)的酶和光敏二極管(或晶體管)半導(dǎo)體器件構(gòu)成； 在硅光敏三極管的表面透鏡上涂上一層過氧化氫酶膜，即構(gòu)成了檢測過氧化氫的酶光敏二極管； 當(dāng)二

16、極管表面接觸到過氧化氫時，由于過氧化氫酶的催化作用，加速發(fā)光反應(yīng)，產(chǎn)生的光子照射到硅光敏二極管pn結(jié)點(diǎn)，從而改變了二極管的導(dǎo)通狀態(tài)。即將發(fā)光效應(yīng)轉(zhuǎn)換成光敏二極管的光電流，從而檢測出過氧化氫及其濃度大小。第45頁/共51頁46酶光敏二極管的結(jié)構(gòu)第46頁/共51頁47酶FET第47頁/共51頁48結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 結(jié)構(gòu)：大多數(shù)由以有機(jī)物所制作的敏感膜與HFET(氫離子場效應(yīng)管)組成。 制法：去掉FET的柵極金屬，在此處固定生物敏感膜，如氮化硅膜氮化硅膜，它易于被離子和水分滲透，而且表面一旦與若干水分溶化在一起時（稱為水合作用），下式中的電位與氫離子濃度倒數(shù)的對數(shù)(即PH值)成比例。NoImagepHFRTEE303.20第4