环境分析化学 生物传感器 Biosensor

2.生物传感器的应用
(1)医学与卫生保健上
微生物传感器、植物组织传感器、酶免疫传感器等用来测定 致癌物、谷氨酸盐、甲脂蛋白、葡萄糖、尿酶、梅毒、血型、 肝癌、脑癌、心肌缺血等。
(2) 环境监测中的应用 A. 水环境监测
· 酶类微生物传感器：Cu、CN-、苯、甲苯、二甲苯、碳酸盐、S、磷。。 · BOD生物传感器 ·阴离子表面活性传感器 ·NO3- NO2- NH3-N生物传感器 ·水体富营养化生物传感器 ·赤潮(浮游生物传感器、藻类传感器)
２、工作原理
待测物质
分 子 识 别
感 应 器
信 号 转 换
换 能 器
信号 检测器
图１ 生物传感器的工作原理示意图
敏感元件（分子识别元件）和待测物质之间的 相互作用有以下几种类型：
（１）化学能变化；(如:质子H+浓度变化等) （２）热变化； （３）光效应转变； （４）声波变化; （５）场效应变化; （６）直接产生电信号方式。
生物传感器 Biosensor
第一部分 生物传感器简介 生物传感器的性能特点 生物传感器的基本组成、工作原理及分类 传感器的发展和应用
一、 生物传感器的性能特点
1．生物传感器的概念：
·生物传感器（Biosensor）是一类特殊的化学传感器，它
应用的是生物机理, 将生物化学传感同电子信号转换技术 相结合的一种测量装置。
３、生物传感器的分类
可以从三个角度进行分类：
生物亲和型Biosensor
(1)根据传感器输出信号的产生方式，分为 代谢型或催化型
(受体与基质的反应特性及受体来源)
仿生生物传感器
(2)根据生物传感器中分子识别元件上的敏感物质分类；
酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免 疫传感器等。
细胞内含有残粒体、微粒体等细胞器,他们是高度机 能的分子集合体。用他们构成生物催化层并与敏感 膜电极结合可构成细胞器电极。
特点:细胞器仍需从天然环境中分离出来,故有酶电 极类似的缺点。
3. 细菌(微生物)传感器
它是直接利用酶源——细菌作生物催化层的膜电极。
特点:选择性不如酶电极,但寿命较长,稳定性较好,响应时间长。
细胞器
热敏电阻
动植物细胞 SAW装置
传感器类型
电化学生物传感器 半导体生物传感器 测光型生物传感器 测热型生物传感器
测热型生物传感器
图２ 生物传感器的分类
1. 酶传感器
以酶作为生物催化层，它是由离子选择性电极涂一 含酶层构成。
特点:酶纯化条件苛刻,且酶离开其天然生活环境较 易失活。
2. 细胞器传感器
性分析。响应范围 10-1—10-7mol/L。
二、生物传感器的基本组成、原理及分类
１、基本组成 由敏感元件（即生物元件）、信号传导器组
成。 生物元件：生物体、动植物组织、细胞、细
胞器、细胞膜、酶、酶组分、感受器、抗体、 抗原、核酸、神经受体、有机物分子等。 传导器：电热测量式、电流测定式、电导率 测量式、阻抗测定式、机械式、光强测量式、 热量测定式、声强测量式、 “分子”电子式。
(3)根据生物传感器的信号转化器分类
电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、 测光型生物传感器、测声型生物传感器等。
传感器类型 敏感物质 信号传感器
酶传感器
(生物膜传感器)
微生物传感器
免疫传感器
酶
电化学测定装置
微生物
场效应晶体管
抗体或抗原 光纤 光敏二极管
细胞器传感器 细胞传感器
·２０世纪７０年代中期，人们研究酶电极的衍生物：微生 物电极、细胞器电极、动植物组织电极、以及免疫电极等 新型生物传感器，使生物传感器的种类大大增多。
·２０世纪８０年代生物传感器开始出现研究热潮。（固定 化技术的研究）
·２０世纪末本世纪初，生物、化学、生物技术、生物化学、 物理、机械工程、电子技术等各领域开始多学科结合用于 生物传感器的开发。
·用生物体成分(酶、抗原、抗体等)或生物体本身(微生物、 细胞器、动植物组织等)为敏感材料, 经过适当的方法固定 在惰性基质上构成分子识别元件，再和信号转换器件(传 导器)组成的传感器，它可以将生物信号转化为数量化的 电信号。
简言之: 生物传感器是将生物感应元件的专一性与一个能 够和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的一种小型 化分析装置。
(2) 环境监测中的应用
B. 大气环境监测
·CO2 Biosensor、亚硫酸Biosensor、 NOx Biosensor 氨Biosensor、甲烷Biosensor等。
C. 残留农药监测
·杀虫剂Biosensor、除草剂Biosensor
D. 海洋污染物监测
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
E. 其它环境监测
·有毒有害物质
5. 免疫传感器
非标记免疫传感器:使抗原或抗体与膜良好结合,与待测物中的抗原或抗 体起免疫反应,形成抗原或抗体复合物,引起信号变化。
标记免疫传感器:放射免疫、酶免疫。
三、生物传感器的发展和应用
1. 生物传感器的发展 ·１９６２年 Clark 和Lyons最先提出酶电极的设想，将电
极与含有葡萄糖氧化酶的膜结合应用于葡萄糖检测。此后， 不同底物酶电极的报道相继出现。１９７５年第一台以酶 电极为检测器的临床血糖分析仪问世。
2．生物传感器的特点
（1） 一般不需要样品的前处理，不需加入其 他试剂。
（2） 体积小，可以实现连续在线检测。 （3） 响应速度快、样品用量少，且由于敏感
元件是固定化的，可以反复多次使用。 （4） 选择性好、灵敏度高。 （5） 传感器连同测定仪的成本远低于大型的
分析仪器，因而便于推广普及。 生物传感器应用于单一分析物的广谱性和特异
4. 组织传感器
以动植物的某些器官切片,或以其它方式固定这些组织或完整细胞,与敏 感性电极结合形成组织传感器。
特点: 1)可用于不清楚或无法分离获取但又是所需要的酶,及其生物催化 途径尚不清楚的系统;2) 天然组织含有必需的副酶及其它必要的成分,并 处于最佳环境中,组织膜中的酶相当于被优化固定,所以电极寿命较长。 3) 在某些完整的细胞体系中,具有一定生物催化活性的诱导或再生能力, 活性可稳定至数周及数月;4)工艺简单,造价便宜。