生物傳感器概述

1、生物傳感器概述及應(yīng)用生物傳感器概述及應(yīng)用概述概述n傳感器（傳感器（sensorsensor，transducertransducer）n 感受被測量物，轉(zhuǎn)換成輸出信號的器件或裝置，通常由感受被測量物，轉(zhuǎn)換成輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件敏感元件和和轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件組成。組成。n按檢測對象劃分按檢測對象劃分傳感器物理傳感器化學(xué)傳感器生物傳感器感受器為非生命物質(zhì)感受器為生命物質(zhì)生物傳感器定義n生物傳感器是以固定化的生物材料作為生物傳感器是以固定化的生物材料作為敏感元件敏感元件，與適當?shù)?，與適當?shù)霓D(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件結(jié)合所結(jié)合所構(gòu)成的一類傳感器。構(gòu)成的一類傳感器。酶具有識別特定分子的能力酶具有識別

2、特定分子的能力1962年，年， L.C.Clark酶與電極結(jié)合起來測定酶的底物酶與電極結(jié)合起來測定酶的底物葡萄糖電極葡萄糖電極1967年，年，Updike和和Hicks第一個酶電極第一個酶電極使用溶解性酶，難重復(fù)固定化葡萄糖氧化酶（固定化葡萄糖氧化酶（GODGOD）氧電極）氧電極生物傳感器原理配體干擾酶酶輔酶輔酶維 生 素維 生 素抗原抗原抗體抗體生物功能膜（酶、微生物、細胞器、組織、生物功能膜（酶、微生物、細胞器、組織、細胞、抗原、抗體）細胞、抗原、抗體）待測物質(zhì)擴散作用固定化生物敏感膜層分子識別生物學(xué)反應(yīng)電信號換能器分類識別元件微生物傳感器細胞傳感器酶傳感器免疫傳感器組織傳感器換能器光生物

3、傳感器熱生物傳感器生物電極傳感器半導(dǎo)體傳感器壓電晶體傳感器檢測方法生物傳感器的信號處理方法生物傳感器的信號處理方法由生物活性元件引起的變化由生物活性元件引起的變化（生物學(xué)反應(yīng)信息）（生物學(xué)反應(yīng)信息）信號處理方法信號處理方法（換能器的選擇）（換能器的選擇）電極活性物質(zhì)的生成或消耗電極活性物質(zhì)的生成或消耗電流檢測電極法電流檢測電極法離子性物質(zhì)的生成或消耗離子性物質(zhì)的生成或消耗電位檢測電極法電位檢測電極法膜或電極電荷狀態(tài)的變化膜或電極電荷狀態(tài)的變化膜電位法、電極電位法膜電位法、電極電位法質(zhì)量變化質(zhì)量變化壓電元件法壓電元件法阻抗變化阻抗變化電導(dǎo)率法電導(dǎo)率法熱變化（熱效應(yīng)）熱變化（熱效應(yīng)）熱敏電阻法熱敏

4、電阻法光譜特性變化（光效應(yīng)）光譜特性變化（光效應(yīng)）光纖和光電倍增管光纖和光電倍增管生物傳感器分子識別機理1 1、酶促反應(yīng)、酶促反應(yīng)2 2、免疫化學(xué)反應(yīng)、免疫化學(xué)反應(yīng) 3 3、微生物反應(yīng)、微生物反應(yīng)4 4、生物學(xué)反應(yīng)中的物理量變化、生物學(xué)反應(yīng)中的物理量變化酶促反應(yīng)E + S ES E + P免疫化學(xué)反應(yīng) 抗體抗體Ab 抗原抗原Ag 微生物反應(yīng)微生物反應(yīng)微生物呼吸或代謝產(chǎn)生一些產(chǎn)生一些電活性物質(zhì)電活性物質(zhì)消耗溶液中消耗溶液中的的溶解氧溶解氧檢測生物學(xué)反應(yīng)中的物理量變化生物學(xué)反應(yīng)中的物理量變化n（1 1）熱焓熱焓變化變化根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一個能自發(fā)進行的反應(yīng)，總伴隨著自由能的降低。根據(jù)熱力學(xué)第二定

5、律，一個能自發(fā)進行的反應(yīng)，總伴隨著自由能的降低。 G GH HTTS S 酶促反應(yīng)和微生物反應(yīng)常常釋放出可觀的熱量，根據(jù)焓變可定量測定底物酶促反應(yīng)和微生物反應(yīng)常常釋放出可觀的熱量，根據(jù)焓變可定量測定底物的濃度。的濃度。n（2 2）生物）生物發(fā)光發(fā)光 生物發(fā)光是由于某些生物體內(nèi)的一些特殊物質(zhì)（如熒光素）的氧化而產(chǎn)生的生物發(fā)光是由于某些生物體內(nèi)的一些特殊物質(zhì)（如熒光素）的氧化而產(chǎn)生的現(xiàn)象。（現(xiàn)象。（細菌發(fā)光其強度取決于積累的還原型細菌發(fā)光其強度取決于積累的還原型FMNFMN的量。的量。）生物學(xué)反應(yīng)中的物理量變化生物學(xué)反應(yīng)中的物理量變化n（4 4）阻抗變化阻抗變化n（3 3）顏色反應(yīng)顏色反應(yīng)生物體內(nèi)

6、產(chǎn)生色素酶與底物作用后產(chǎn)生有顏色物質(zhì)培養(yǎng)基中的電惰性物質(zhì)培養(yǎng)基中的電惰性物質(zhì)電活性產(chǎn)電活性產(chǎn)物物微生物代謝培養(yǎng)液的導(dǎo)電性增培養(yǎng)液的導(dǎo)電性增大，阻抗降低大，阻抗降低生物傳感器應(yīng)用領(lǐng)域食品工業(yè) n食品鮮度食品鮮度魚鮮度傳感器魚鮮度傳感器 在日本、加拿大等國廣泛用于魚類鮮度的測定。魚死后體內(nèi)在日本、加拿大等國廣泛用于魚類鮮度的測定。魚死后體內(nèi)ATP經(jīng)酶解依次形經(jīng)酶解依次形成成ADP、AMP、IMP、肌苷、次黃嘌呤和尿酸。、肌苷、次黃嘌呤和尿酸。n肉鮮度傳感器肉鮮度傳感器 肉類在腐敗過程中會產(chǎn)生各種胺類，故肉類在腐敗過程中會產(chǎn)生各種胺類，故胺類胺類測定能反映肉類的新鮮程度。測定能反映肉類的新鮮程度。

7、用腐胺氧化酶與過氧化氫電極構(gòu)成多胺生物傳感器，或用單胺氧化酶膜和氧用腐胺氧化酶與過氧化氫電極構(gòu)成多胺生物傳感器，或用單胺氧化酶膜和氧電極組成的酶傳感器測定肉在貯藏過程中的鮮度。電極組成的酶傳感器測定肉在貯藏過程中的鮮度。環(huán)境監(jiān)測n水體檢測水體檢測 生化需氧量（生化需氧量（BODBOD） 通過微生物吸收有機物時消耗氧而引起電極電流的變化來測定通過微生物吸收有機物時消耗氧而引起電極電流的變化來測定BODBOD。n大氣檢測大氣檢測 NHNH3 3 ，SOSO2 2通過氧電極和硝化菌，氧電極和肝微粒體通過氧電極和硝化菌，氧電極和肝微粒體( ( 含亞硫酸鹽氧化酶含亞硫酸鹽氧化酶) )來測定傳感器來測定傳

8、感器周圍氧氣濃度變化。周圍氧氣濃度變化。發(fā)酵工業(yè)n微生物檢測微生物檢測通過免疫學(xué)方法，即獲得相應(yīng)的特異性抗原和抗體進行分析和通過免疫學(xué)方法，即獲得相應(yīng)的特異性抗原和抗體進行分析和檢測。檢測。n微生物傳感器可用于測量發(fā)酵工業(yè)中的原材料和代謝產(chǎn)物。微生物傳感器可用于測量發(fā)酵工業(yè)中的原材料和代謝產(chǎn)物。n還用于微生物細胞數(shù)目的測定。還用于微生物細胞數(shù)目的測定。n利用這種電化學(xué)微生物細胞數(shù)傳感器可以實現(xiàn)菌體濃度連續(xù)、在線的測定。利用這種電化學(xué)微生物細胞數(shù)傳感器可以實現(xiàn)菌體濃度連續(xù)、在線的測定。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域n臨床醫(yī)學(xué)臨床醫(yī)學(xué)酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器。利用具有不同生物特性的微酶電極是最早研制且應(yīng)用

9、最多的一種傳感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器。生物代替酶，可制成微生物傳感器。膽固醇測定膽固醇測定用膽固醇氧化酶和辣根過氧化物制備酶修飾電極，用膽固醇氧化酶和辣根過氧化物制備酶修飾電極，催化膽固醇生成催化膽固醇生成 H H2 2O O2 2，而生成的而生成的 H2O2 H2O2在辣根過氧化物酶的作用下被氧化，釋放出氧化電流在辣根過氧化物酶的作用下被氧化，釋放出氧化電流目前市場上的主流儀器n德國研發(fā)的環(huán)境廢水德國研發(fā)的環(huán)境廢水BODBOD分析儀（市場上以德國和日本的儀器占主導(dǎo)）分析儀（市場上以德國和日本的儀器占主導(dǎo)）手掌型葡萄糖(glucose)分析儀SBA-50型單

10、電極生物傳感分析儀n葡萄糖葡萄糖/ /乳酸乳酸/ /谷氨酸谷氨酸/ /乙醇生物傳感分析儀乙醇生物傳感分析儀全自動發(fā)酵系統(tǒng)最新進展n新型凝膠材料：讓電路能自主修復(fù)新型凝膠材料：讓電路能自主修復(fù)美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員，開發(fā)出第一種不需要外部的刺美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員，開發(fā)出第一種不需要外部的刺激即可自我修復(fù)的凝膠材料，材料本身還具備極強的導(dǎo)電性。這項突破將給生激即可自我修復(fù)的凝膠材料，材料本身還具備極強的導(dǎo)電性。這項突破將給生物傳感器等設(shè)備的研制提供幫助。物傳感器等設(shè)備的研制提供幫助。無創(chuàng)血糖測量n香港理工大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)系成功研發(fā)極靈敏的晶體管生物傳感器，能針對性香港理工大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)系成功研發(fā)極靈敏的晶體管生物傳感器，能針對性地反映唾液中的糖分水平，只須小量唾液即可反映其中的糖分水平，更屬全地反映唾液中的糖分水平，只須小量唾液即可反映其中的糖分水平，更屬全球首項同類成功研究。球首項同類成功研究。n利茲大學(xué)的研究團隊聲稱，他們也開發(fā)出了一款無創(chuàng)血糖檢測設(shè)備。目前這利茲大學(xué)的研究團隊聲稱，他們也開發(fā)出了一款無創(chuàng)血糖檢測設(shè)備。目前這項技術(shù)已經(jīng)授權(quán)給項技術(shù)已經(jīng)授權(quán)給GlucosenseGlucosense。這項檢測設(shè)備目前沒有命名，研發(fā)團隊也沒。這項檢測設(shè)