生物传感器检测技术

生物传感器的工作原理
（1）将化学信号变化转换成电信号
大部分生物传感器均属于这种类 型。以酶传感器为例，酶催化特定 底物发生反应，从而使特定生成物 的量有所增减。用能把这类物质的 量的改变转换为电信号的装置和固 定化酶耦合，即组成酶传感器。 （2）将热变化转化成电信号 固定化的生物材料与相应的被 测物作用时常伴随有热的变化。
将热变化转变成电信号的生物传 感器
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生物传感器的工作原理
（3）将光信号转变为电信号 有些酶，例如过氧化氢酶，能催化过氧化氢/鲁米诺体系 发光，如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前 端，再和光电流测定装置相连，即可测定过氧化氢含量。 （4）直接产生电信号方式 前3种原理的生物传感器都是化学或物理变化再通过信号 转换器转变为电信号进行测量，统称为间接测量方式。 酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接在电极 表面上发生，根据所得到的电流量即可得底物浓度。这就是 直接测量方式。
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3.生物传感器在发酵工业中的应用
各种生物传感器中微生物传感器最适合发酵工业中的测 量。由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器具有的 成本低、设备简单的特点，占了极大的优势。 微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测量，代 谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、 乳酸等的测量。测量的装置用适合的微生物电极与氧电极 组成，利用微生物的同化作用耗氧，测量氧电极电流的变 化量来测量氧气的减少量。 除在上述几个方面外，还广泛应用于军事和医学领域。 军事上使用最多的是乙酰胆碱酯酶传感器，可以检测出沙林， 该方法至今仍被应用于神经性毒剂毒包和报警器中。
S

R 受体
SR
S

R SR P 受体 生物体
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底物
底物
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（2）根据传感器中分子识别元件上的敏感物质分类 根据所用的敏感物质将生物传感器分为酶传感器、微生 物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。 （3）根据传感器的信号转换器分类 生物传感器的信号转换器有：电化学电极、离子敏场效应 晶体管、热敏电阻、光电转换器、SAW装置等。据此又将生 物传感器分为电化学生物传感器、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。
(C) 生物传感器的响应快、样品用量少，且由于敏感材料 是固定化的，可以反复多次使用。 (D) 生物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。
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二、生物传感器在食品与农产品加工中的应用
1. 生物传感器在食品检验中的应用
（1）食品鲜度的测定 （A）鱼鲜度传感器 （B）肉鲜度传感器 肉类在腐败过程中会产生各种胺类，故胺类测定也能反 映肉类的新鲜度。 （C）牛乳鲜度传感器 牛乳放置过程中，受细菌作用而产生乳酸，因此乳酸含量 可表示牛乳的新鲜度。此外也可从牛乳放置过程由于脂分解 作用产生的短链脂肪酸的含量来判断牛乳及其制品的新鲜度， 这类传感器也已开发出来了。
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2.生物传感器在食品卫生检测中的应用
（1）食品中细菌和病原菌的测定 食品中微生物的检测一直用平皿计数法，方法繁琐耗时。 1979年等开发了非染料偶合的燃料电池型微生物电极系统, 该电极基于微生物在呼吸代谢过程中产生电子，在阳极上 放电，放电产生的电流大小可反映测定液中微生物的浓度。 采用光纤传感器可直接放入生长溶液的培养瓶中，通过测定 微生物代谢过程中的副产物二氧化碳浓度来估算细菌数量。采 用酶联电流型免疫传感器可测到食品中低数量的沙门氏菌。 免疫传感器也成功地测定了污染食品的大肠杆菌、金黄色 葡萄球菌和鼠伤寒沙门氏菌。
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2. 生物传感器的组成
在生物传感器中除敏 感元件之外还有信号转换 器件，常用的信号转换器 有电化学电极、离子敏场 效应晶体管、热敏电阻及 微光管等。生物传感器的 组成可形象地如图所示。
生物传感器的基本构成示意图
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（4）检测食品中添加剂 亚硫酸盐通常用于食品工业。除具有漂白作用外，还有 防止食品氧化和微生物生长的作用。采用导电介体四氰基 对醌二甲烷、四硫富瓦烯和亚硫酸盐氧化酶顺序沉积在玻 璃碳电极敏感面上，结合FIA制成测定亚硫酸盐的传感器， 检出限为5μmmol／L，电极在20s可达最大反应的90%。 生物传感器在食品与农产品抗氧化剂测定中已有不少 报道。例如用菠菜叶或牛蒡植物叶与氧电极构成的植物组 织电极可用于食品中儿茶酚的测定，测定范围可高至 1500mg／L。
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按检测对象可以分成两大类：物理传感器和化学传感器。
物理传感器是检测力、热、光、电、磁等物理量的传感器; 化学传感器则是能检测化学量的传感器。 从20世纪60年代起，化学传感器领域又增加了一个新
的分支——生物传感器。 有人把生物传感器和物理传感器及化学传感器并列起 来，看作是传感器的第3个类别。
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3. 生物传感器的分类
按敏感材料分类
分子识别部分 信号转换部分
酶 微生物 抗体或抗原 电化学测定装置 场效应晶体管 光纤和光敏二极管
按信号转换器分类 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 测声型生物传感器
酶传感器
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一、生物传感器的一般知识
1. 生物传感器的定义
用固定化的生物体成分（酶、抗体、抗原、激素）或 生物体本身（细胞、细胞器、组织）作为敏感元件的传感 器称为生物传感器。生物传感器既不是指专用于生物领域 的传感器，也不是指被测量对象必须是生物量的传感器 （尽管用它也能测定生物量），而是基于它的敏感材料来 自生物体。
微生物传感器 免疫传感器 细胞器物传感器 组织传感器
细胞器 动、植物组织
热敏电阻 SAW装置
生物传感器的分类
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4. 生物传感器的特点
（A） 生物传感器是由选择性好的生物体材料构成的分 子识别元件，因此一般不需要进行样品的预处理，它利用 优异的选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体， 测定时一般不需另加其它试剂。 (B) 生物传感器由于它的体积小，可以实现连续在线检测。
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3. 生物传感器的分类
（1）根据传感器输出信号的产生方式分类 产生传感器输出信号的方式有两类。一类是被测物与分 子识别元件上敏感物质具有生物亲合作用，这类传感器称 为亲合生物传感器；一类是底物与分子识别元件上的敏感 物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物 的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型 生物传感器，
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（2）检测食品中毒素
有人采用光纤传感器测定了食品中的肉毒杆菌毒素A， 检测下限可达5mg／mL，lmin内可完成测定。
（3）检测食品中残留农药 采用电导型生物传感器对食品中有机磷农药：甲基马拉 松、乙基马拉松、敌百虫、二乙丙基磷酸进行了测定，检出 下限分别为5×10-7、1×10-8、5×10-7、5×10-11mol／L。 磺胺可进入动物来源的食品，对人体健康产生不良影响。 采用免疫传感器测定了牛奶中硫胺二甲嘧啶，检出限低于 1×10-9，平均相对标准差为2%。