感測技術(shù)應(yīng)用課件

生物傳感器簡介制作人生活中生物傳感器的應(yīng)用生物信息學(xué)生物芯片生物控制論仿生學(xué)生物計(jì)算機(jī)生物傳感器中應(yīng)用的生物活性材料對(duì)象大分子（蛋白質(zhì)等）細(xì)胞細(xì)胞器器官人工合成的分子印跡聚合物等一：生物傳感器簡介

概述1．生物傳感器的定義

用生物功能物質(zhì)（固定化的生物體成分：如酶、抗原、抗體、激素等，或生物體本身：細(xì)胞、細(xì)胞體、動(dòng)植物組織）作為敏感元件的傳感器，稱為分子生物傳感器，簡稱生物傳感器（Biosensor）。2生物傳感器的特點(diǎn)

(1)測定范圍廣泛。(2)生物傳感器使用時(shí)一般不需要樣品的預(yù)處理，樣品中的被測組分的分離和檢測同時(shí)完成，且測定時(shí)一般不需加入其它試劑。(3)采用固定化生物活性物質(zhì)作敏感基元（催化劑），價(jià)值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用。(4)測定過程簡單迅速。(5)準(zhǔn)確度和靈敏度高。一般相對(duì)誤差不超過1％。(6)由于它的體積小，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析。(7)專一性強(qiáng)，只對(duì)特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響。(8)可進(jìn)入生物體內(nèi)。(9)傳感器連同測定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀器，便于推廣普及。

生物傳感器組成部分一是生物分子識(shí)別元件(感受器),是具有分子識(shí)別能力的生物活性物質(zhì)(如組織切片、細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞膜、酶、抗體、核酸、有機(jī)物分子等);二是信號(hào)轉(zhuǎn)換器(換能器),主要有電化學(xué)電極(如電位、電流的測量)、光學(xué)檢測元件、熱敏電阻、場效應(yīng)晶體管、壓電石英晶體及表面等離子共振器件等，當(dāng)待測物與分子識(shí)別元件特異性結(jié)合后,所產(chǎn)生的復(fù)合物(或光、熱等)通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭梢暂敵龅碾娦盘?hào)、光信號(hào)等,從而達(dá)到分析檢測的目的。5．生物傳感器的分類大致分為以下幾種：（1）基于構(gòu)成傳感器的生物活性材料的分類方法，如酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器和細(xì)胞傳感器。（2）著眼于測量對(duì)象物質(zhì)的分類方法，如葡萄糖傳感器、膽甾醇傳感器。（3）基于信號(hào)變換原理的分類方法，如光生物傳感器、熱生物傳感器、壓電晶體生物傳感器等。二：生物傳感器的工作原理

工作原理：待測物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入固定生物膜敏感層，經(jīng)分子識(shí)別而發(fā)生生物學(xué)作用，產(chǎn)生的信息如光、熱、音等被相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭啥亢吞幚淼碾娦盘?hào)，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，以電極測定其電流值或電壓值，從而換算出被測物質(zhì)的量或濃度。生物傳感器的原理圖如圖2所示。它主要由兩大部分構(gòu)成，一是生物功能物質(zhì)的分子識(shí)別部分；二是變換部分。圖2生物傳感器原理圖三：

生物傳感器的應(yīng)用目前已經(jīng)問世或正在研究的生物傳感器大致有這樣幾類：酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、有機(jī)物傳感器、生物電子學(xué)傳感器等。下面主要介紹酶傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。1．酶傳感器的結(jié)構(gòu)酶傳感器酶的本質(zhì)和特征產(chǎn)生于生物體內(nèi)具有催化活性分子量巨大（1萬——百萬）高效催化性（常溫、方向性明顯、速度極高）高度專一性（物質(zhì)、產(chǎn)物）2．酶傳感器的分類酶傳感器按照所測電極參數(shù)的不同，一般可分為電位型和電流型兩大類。3．酶傳感器的應(yīng)用（1）葡萄糖傳感器在葡萄糖氧化酶（GOD）膜的作用下，葡萄糖發(fā)生氧化反應(yīng)，消耗氧而生成葡萄糖酸內(nèi)脂和過氧化氫。被消耗的氧或生成的過氧化氫可以用上述的電極檢測到?？焖倨咸烟?glucose)分析儀（2）尿素傳感器尿素傳感器是酶傳感器中比較成熟的一種。在醫(yī)學(xué)臨床檢查中，定量分析患者的血清和體液中的尿素對(duì)于腎功能的診斷是很重要的。對(duì)慢性腎衰竭的患者進(jìn)行人工透析，在確定人工透析次數(shù)和透析時(shí)間時(shí)，尿素的定量分析也是比不可少的。（3）酶熱敏傳感器

這類生物傳感器的測量原理是：由于大多數(shù)酶反應(yīng)是放熱性的，采用識(shí)別元件的催化作用或因構(gòu)造和物性的變化，將引起熱焓變化（通常熱焓的變化范圍在5～100kJ/mol），因此反應(yīng)中產(chǎn)生的總熱量與克分子的熱焓成正比。借助于熱敏電阻可將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。這樣熱敏電阻檢測出的溫度變化與反應(yīng)混合物中熱焓的總變化是有關(guān)系的。（4）生物組織電極傳感器這類傳感器主要利用生物組織中的酶與被分析物產(chǎn)生復(fù)雜的系列反應(yīng)，使氨基酸和其他重要的生物分子產(chǎn)生響應(yīng)。例：用得蕉漿測多巴胺，用玉米測丙酮酸，用黃瓜葉測半光氨酸，用甜菜測酷氨酸，用兔肝測鳥嘌呤，用兔肌肉粉測一磷酸腺苷等。這類傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是原料易取得，靈敏度也很高，但生物組織的成分很復(fù)雜，可能有負(fù)反應(yīng)干擾以及反應(yīng)慢、不易保存和使用壽命短等缺點(diǎn)。

在食品分析的應(yīng)用食品成分分析食品添加劑的分析農(nóng)藥和抗生素殘留量分析微生物和生物毒素的檢驗(yàn)食品鮮度的檢測水質(zhì)分析：一個(gè)典型應(yīng)用是測定生化需氧量（BOD），傳統(tǒng)方法測BOD需5天，且操作復(fù)雜。1977年Karube等首次報(bào)道了BOD微生物傳感器，只需15分鐘即能測出結(jié)果,連續(xù)使用壽命達(dá)17天；廢氣或環(huán)境大氣的監(jiān)測

：可用于測定空氣中SO2、NOX、CO2、NH3、CH4等的含量；農(nóng)藥和抗生素殘留量的分析

：用乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶為敏感材料制作的離子敏場效應(yīng)晶體管酶傳感器可用于蔬菜等樣品中有機(jī)磷農(nóng)藥DDVP和伏殺磷等的測定

在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究：生物傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測生物大分子之間的相互作用。借助于這一技術(shù)動(dòng)態(tài)觀察抗原、抗體之間結(jié)合與解離的平衡關(guān)系，可較為準(zhǔn)確地測定抗體的親和力及識(shí)別抗原表位，幫助人們了解單克隆抗體特性，有目的地篩選各種具有最佳應(yīng)用潛力的單克隆抗體。臨床應(yīng)用：用酶、免疫傳感器等生物傳感器來檢測體液中的各種化學(xué)成分，為醫(yī)生的診斷提出依據(jù)。生物醫(yī)藥：利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)藥物時(shí)，將生物傳感器用于生化反應(yīng)的監(jiān)視，可以迅速地獲取各種數(shù)據(jù)，有效地加強(qiáng)生物工程產(chǎn)品的質(zhì)量管理。

在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

現(xiàn)代戰(zhàn)爭往往是在核武器、化學(xué)武器、生物武器威脅下進(jìn)行的戰(zhàn)爭。偵檢、鑒定和檢測是進(jìn)行有效化學(xué)戰(zhàn)和生物戰(zhàn)防護(hù)的前提。由于具有高度特異性、靈敏性和能快速地探測化學(xué)戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑