第 12 章 生物传感器

1. 第12章　生物传感器

2. 一、生物传感器的定义 一般定义：使用固定化的生物分子(immobilized biomolecules)结合换能器，用来侦测生物体内或生物体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置。 Gronow定义：一种含有固定化生物物质(如酶、抗体、全细胞、细胞器或其联合体)并与一种合适的换能器紧密结合的分析工具或系统，它可以将生化信号转化为数量化的电信号。 12.1　概述

3. 二、生物传感器的特点 (1) 测定范围广泛。 (2)生物传感器使用时一般不需要样品的预处理，样品中的被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。 (3) 采用固定化生物活性物质作敏感基元（催化剂），价值昂贵的试剂可以重复多次使用。 (4)测定过程简单迅速。 (5) 准确度和灵敏度高。一般相对误差不超过1％。 (6)由于它的体积小，可以实现连续在线监测，容易实现自动分析。 (7) 专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。 (8)可进入生物体内。 (9)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。

4. 12.1.3 生物传感器的分类 • 根据传感器输出信号的产生方式：亲和型生物传感器、代谢型生物传感器、催化型生物传感器。 • 根据生物传感器中信号检测器（分子识别元件）上的敏感物质分类：生物传感器可分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞及细胞器传感器、基因传感器、免疫传感器等 • 根据生物传感器的信号转换器分类：电化学生物传感器、半导体生物传感器、热学型生物传感器、光学型生物传感器、声学型生物传感器等 • 根据检测对象的多少：以单一化学物质为检测对象的单功能型生物传感器和同时检测微量多种化学物质的多功能型生物传感器。 • 根据生物传感器的用途：免疫传感器、药物传感器等。

5. 12.1.4 生物传感器的应用 • 目前，生物传感器应用较多的领域是在医疗、医药、生物工程、环境保护、食品、农业、畜牧等与生命科学关系密切的一些领域 • 随着社会的进一步信息化，生物传感器必将获得越来越广泛的应用

6. 生物传感器的主要应用领域

7. 生物传感在线分析系统

8. 12.2 生物传感器的基本原理

9. 溶液（Solution） 识别元件（RECOGNITION） 测量信号（Measurable Signal） 感受器（Receptor） 换能器（Transducer） 选择性膜（Thin selective membrane） 生物传感器工作机理 =分析物（Analyte）

10. 分子识别元件 生物活性单元 酶膜 各种酶类 全细胞膜 细菌、真菌、动植物细胞 组织膜 动植物组织切片 细胞器膜 线粒体、叶绿体 免疫功能膜 抗体、抗原、酶标抗原等 一、生物分子特异性识别（生物感受器） 生物感受器是一种可以识别目标分析物的生物材料。 表　生物传感器的分子识别元件

11. 二、生物放大 生物放大作用:指模拟和利用生物体内的某些生化反应，通过对反应过程中产量大、变化大或易检测物质的分析来间接确定反应中产量小、变化小、不易检测物质的(变化)量的方法。 通过生物放大原理可以大幅度提高分析测试的灵敏度。 生物传感器常用的生物放大作用: 酶催化放大 酶溶出放大 酶级联放大 脂质体技术 聚合酶链式反应和离子通道放大等。

12. 由生物活性元件引起的变化（生物学反应信息）由生物活性元件引起的变化（生物学反应信息） 信号处理方法（换能器的选择） 电极活性物质的生成或消耗 电流检测电极法 离子性物质的生成或消耗 电位检测电极法 膜或电极电荷状态的变化 膜电位法、电极电位法 质量变化 压电元件法 阻抗变化 电导率法 热变化（热效应） 热敏电阻法 光谱特性变化（光效应） 光纤和光电倍增管 三、 信号转换与处理 表　生物传感器的信号处理方法

13. 测定项目 酶 固定化方法 使用电极 稳定性／天 测定范围（mg/ml） 葡萄糖 葡萄糖氧化酶 共价 氧电极 100 1～5×102 胆固醇 胆固醇酯酶 共价 铂电极 30 10～5×103 青霉素 青霉素酶 包埋 PH电极 7～14 10～1×103 尿素 尿素酶 交联 铵离子电极 60 10～1×103 磷脂 磷脂酶 共价 铂电极 30 102～5×103 乙醇 乙醇氧化酶 交联 氧电极 120 10～5×103 尿酸 尿酸酶 交联 氧电极 120 10～1×103 L一谷氨酸 谷氨酸脱氨酶 吸附 铵离子电极 2 10～1×104 L一谷酰胺 谷酰胺酶 吸附 铵离子电极 2 10～1×104 L一酪氨酸 L一酪氨酸脱羧酶 吸附 二氧化碳电极 20 10～1×104 几种主要的生物传感器 1、酶传感器(Enzyme Sensor)

14. 酶传感器的特点： 优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛 的应用。 缺点：1.酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差异的梭曼与沙林。 2.酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。

15. 测定项目 组织膜 基础电极 稳定性／天 线性范围 谷氨酸 木瓜 CO2 7 2×10-4～1.3×10-2mol/L 尿素 夹克豆 CO2 94 3.4×10-5～1.5×10-3mol/L L一谷氨酰胺 肾 NH3 30 1×10-4～1.1×10-2mol/L 多巴胺 香蕉 O2 14 丙酮酸 玉米芯 CO2 7 8×10-5～3×10-3mol/L 过氧化氢 肝 O2 14 5×10-3～2.5×10-1U/mL 2、组织传感器(Tissue Sensor)

16. 测定项目 微生物 测定电极 检测范围（mg/L） 葡萄糖 荧光假单胞菌 O2 5～200 乙醇 芸苔丝孢酵母 O2 5～300 亚硝酸盐 硝化菌 O2 51～200 维生素B12 大肠杆菌 O2 谷氨酸 大肠杆菌 CO2 8～800 赖氨酸 大肠杆菌 CO2 10～100 维生素B1 发酵乳杆菌 燃料电池 0.01～10 甲酸 梭状芽胞杆菌 燃料电池 1～300 头孢菌素 费式柠檬酸细菌 pH 烟酸 阿拉伯糖乳杆菌 pH 3、微生物传感器(Microorganism Sensor)

17. 4、免疫传感器 • 免疫传感器是将特异性免疫反应与高灵敏度的传感技术相结合而构成的一类新型生物传感器，用于分析研究免疫原性物质。 • 免疫传感器利用动物体内抗原、抗体能发生特异性吸附反应的特性，将抗原（或抗体）固定在传感器基体上，通过传感技术使吸附发生时产生物理、化学、电学或光学上的变化，并转变成可检测的信号来测定环境中待测分子的浓度。 • 免疫传感器技术具有分析灵敏度高、特异性强、使用简便及成本低的优势，已广泛应用于临床医学与生物检测、食品工业、环境监测与处理等领域。

18. 5、细胞传感器 • 细胞器传感器是20世纪80年代末出现的一种以真核生物细胞、细胞器作为识别元件的生物传感器。 • 1987年Blondin等提出了固定线粒体评价水质；Carpentier 及其合作者用类囊体膜构建的生物传感器, 可在mg/L浓度下测定铅与镉的毒性, 也可对银或铜进行快速测定；Rouillon 等用特殊的固定化技术将叶绿体与类囊体膜包埋在光交联的苯乙烯基吡啶聚乙烯醇(PVA - sbQ) 中, 可以在μg/L浓度水平下检测到汞(Hg)、铅( Pb)、镉(Cd)、镍(Ni)、锌(Zn) 和铜(Cu)等离子的存在。

19. 6、DNA传感器 • DNA传感器是一种能将目标DNA 的存在转化为可检测的电、光、声信号的装置，所检测的是核酸的杂交反应。 • DNA传感器的结构包括一个靶序列识别层和一个信号换能器。识别层通常由固定在换能器上的探针DNA 以及一些其它的辅助物质组成, 它可以特异性地识别靶序列并与其杂交。换能器可将此杂交过程所产生的变化转变为可识别的信号, 根据杂交前后信号量的变化, 可以对靶DNA 进行准确定量。

20. 几种常见生物检测与分析仪器

21. 12.3 生物芯片 • 所谓生物芯片，是通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统，将成千上万与生命相关的信息集成在一块面积约为1cm2的硅、玻璃、塑料等材料制成的芯片上，在待分析样品中的生物分子与生物芯片的探针分子发生相互作用后，对作用信号进行检测和分析，以达到到基因、细胞、蛋白质、抗原以及其他生物组分准确、快速的分析和检测。

22. 几种主要的生物芯片 • 基因芯片。也称DNA芯片，它是在基因探针基础上研制而成的 • 蛋白质芯片。以蛋白质代替DNA作为检测目的物，蛋白质芯片与基因芯片的原理基本相同，但其利用的不是碱基配对而是抗体与抗原结合的特异性，即免疫反应来实现检测 • 细胞芯片。由裸片、封装盖板和底板组成，裸片上密集分布有6000～10000乃至更高密度不同细胞阵列，封装于盖板与底板之间。细胞芯片能够通过控制细胞培养条件使芯片上所有细胞处于同一细胞周期，在不同细胞间生化反应及化学反应结果可比性强；一块芯片上可同时进行多信息量检测 • 组织芯片。是基因芯片技术的发展和延伸，它可以将数十个甚至上千个不同个体的临床组织标本按预先设计的顺序排列在一张玻璃芯片上进行分析研究

23. 12.5 生物传感器的发展 • 开发新材料，采用新工艺 • 研究仿生传感器 • 研究多功能集成的智能式传感器 • 成本低、高灵敏度、高稳定性、高寿命和微型化生物传感器

24. 生物传感器应用举例 快速葡萄糖(glucose)分析仪

25. 德国研发的环境废水BOD分析仪

26. 一种血糖乳酸自动分析仪