第七章 生物传感器
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环境分析化学 生物传感器 Biosensor
(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
·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。
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。
·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。
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
生物传感器
工作原理：待测物质经扩散作用进入固定 生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学 作用，产生的信息如光、热、音等被相应 的信号转换器变为可定量和处理的电信号， 再经二次仪表放大并输出，以电极测定其 电流值或电压值，从而换算出被测物质的 量或浓度。
2 生化过程的检测与控制
3 生化过程的检测与控制
（1） 将化学变化转变成电信号
17 生化过程的检测与控制
2.3.5 生物传感器组成部分
生物分子识别元件(感受器)：是具有分子识别能 力的生物活性物质(如组织切片、细胞、细胞器、 细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等); 信号转换器(换能器)：主要有电化学电极(如电位、 电流的测量)、光学检测元件、热敏电阻、场效应 晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等， 当待测物与分子识别元件特异性结合后,所产生的 复合物(或光、热等)通过信号转换器变为可以输 出的电信号、光信号等,从而达到分析检测的目的。
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. 常用转换装置有氧电极、过氧化氢。
4 生化过程的检测与控制
（2）将热变化转换成电信号
固定化的生物材料与相应的被测物作用 时常伴有热的变化.例如大多数酶反应的热 焓变化量在25-100kJ/mol的范围.这类生物 传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏 电阻转换为阻值的变化,后者通过有放大器 的电桥输入到记录仪中.
15 生化过程的检测与控制
2.3.4 生物传感器优点
(1)根据生物反应的特异性和多样性,理论上可以 制成测定所有生物物质的传感器,因而测定范围 广泛 (2)一般不需进行样品的预处理,它利用本身具备 的优异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他试剂,使测 定过程简便迅速,容易实现自动分析 (3)体积小、响应快、样品用量少,可以实现连续 在位检测
2 生化过程的检测与控制
3 生化过程的检测与控制
（1） 将化学变化转变成电信号
17 生化过程的检测与控制
2.3.5 生物传感器组成部分
生物分子识别元件(感受器)：是具有分子识别能 力的生物活性物质(如组织切片、细胞、细胞器、 细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等); 信号转换器(换能器)：主要有电化学电极(如电位、 电流的测量)、光学检测元件、热敏电阻、场效应 晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等， 当待测物与分子识别元件特异性结合后,所产生的 复合物(或光、热等)通过信号转换器变为可以输 出的电信号、光信号等,从而达到分析检测的目的。
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. 常用转换装置有氧电极、过氧化氢。
4 生化过程的检测与控制
（2）将热变化转换成电信号
固定化的生物材料与相应的被测物作用 时常伴有热的变化.例如大多数酶反应的热 焓变化量在25-100kJ/mol的范围.这类生物 传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏 电阻转换为阻值的变化,后者通过有放大器 的电桥输入到记录仪中.
15 生化过程的检测与控制
2.3.4 生物传感器优点
(1)根据生物反应的特异性和多样性,理论上可以 制成测定所有生物物质的传感器,因而测定范围 广泛 (2)一般不需进行样品的预处理,它利用本身具备 的优异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他试剂,使测 定过程简便迅速,容易实现自动分析 (3)体积小、响应快、样品用量少,可以实现连续 在位检测
生物传感器检测原理、类型
③ 酶催化一般在温和条件下进行 由于酶是蛋白质，极端的环境条件(如高温、酸碱)容易 使酶失活。 ④ 有些酶(如脱氢酶)需要辅酶或辅基 若从酶蛋白分子中除去辅助成分，则酶不表现催化活性。 ⑤ 酶在体内的活力常常受多种方式调控 包括基因水平调控、反馈调节、激素控制、酶原激活等。 ⑥ 酶促反应产生的信息变化有多种形式， 如热、光、电、离子化学等。
3.1 酶及酶反应
2） 酶的蛋白质性质
酶是蛋白质，这一结论最早由sumner提出，他在1926年首次 从刀豆中提取了脲酶结晶，并证明这个结晶具有蛋白质的一切性质。 以后人们又陆续获得了多种结晶酶，在已经鉴定的2000余种酶中， 多数已被结晶或纯化，检索SIGMA目录，作为商品出售的酶已经达 400多种。 证明酶是蛋白质有4点依据： ① 蛋白质是氨基酸组成的，而酶的水解产物都是氨基酸，即酶是由 氨基酸组成的。 ② 酶具有蛋白质所具有的颜色反应，如双缩脲反应、茚三酮反应、 乙醛酸反应等。 ③ 一切能使蛋白质变性的因素，如热、酸、碱、紫外线等，同样可 以使酶变性失活。 ④ 酶同样具有蛋白质所具有的大分子性质，如不能透过半透膜，可 以电泳，并有一定等电点。
催化C-C、C-O、C-N或C=S键裂解或缩合，其代表反应式为：
如脱羧酶、碳酸酐酶等。
(5) 异构酶类(isomerases)
催化异构化反应，使底物分子内发生重排，一般反应式为：
这类酶包括消旋酶(如L-氨基酸转变成D-氨基酸)、变位酶(如 葡萄糖-6-磷酸转变为葡萄糖-l-磷酸)等。
(6) 合成酶类(1igases) 或称连接酶类，
生物学反应信息 离子变化 电阻、电导变化 质子变化 气体分压变化 换能器选择 离子选择性电极 阻抗计、电导仪 场效应晶体管 气敏电极 生物学反应信息 光学变化 颜色变化 质量变化 力变化 换能器选择 光纤、光敏管 光纤、光敏管 压电晶体等 微悬臂梁
生物传感器
号放大装置构成的分析工具或系统
原理
• 被分析物扩散进入固定化生物敏感膜，经分子识别，发生生物 学反应，产生的信息继而被相应的化学换能器或物理换能器转变 成可定量和可处理的电信号，再经检测放大器放大并输出，便可 知道待测物浓度。
生 物 敏 感 膜 换
待分析物
化学量或 物理量变化
能 器
可定量加工 的电信号
pH 测量原理
测量系统是： – pH 玻璃电极 – 参比电极 E = EGlas - ERef
玻璃电 极
pH 计
参比电 极
此方程是用来测量溶液中pH电极与参 比电极的电位之差。
pH电极构造
玻璃电极
S7 接口 填充口 铂金属丝 参比电解液 参比系统 内参比液 电极膜玻璃 膜玻璃
参比电极
生物传感器
微生物传感器——BOD传感器（示例）
• 发展背景：传统标准稀释法所需时间长、操作繁琐、准确度差。 BOD传感器不仅能满足实际监测的要求，并且有快速、灵敏的特 点。 • BOD传感器的工作原理：以微生物的单一菌种或混合种群作为BOD 微生物电极，由于水体中BOD物质的加人或降解代谢的发生，导 致水中的微生物内外源呼吸方式的变化或转化，藕联着电流强弱 信号的改变，一定条件下传感器输出的电流值与BOD的浓度呈线 性关系。 • 制作BOD生物传感器的微生物主要有酵母、假单胞菌、芽抱杆菌、 发光菌和嗜热菌等。
压电晶体生物传感器
• 利用压电石英晶体对表面电极区附着质量的敏感性，并结合生物 功能分子(如抗原和抗体)之间的选择特异性，使压电晶体表面产 生微小的压力变化，引起其振动频率改变可制成压电生物传感 器 。 • 它主要由压电晶体、振荡电路、差频电路、频率计数器及计算机 等部分组成。 • 常用压电晶体材料：石英（SiO2）、钽酸锂（LiTaO3） • 晶体振动两种类型：体声波(bulk acoustic wave, BAW)表面声 波(Surface acoustic wave, SAW)
生物传感器
广泛
高
无/低
初级版
适配体 传感器
提高版
适配体+ 纳米材料
Enzyme-assisted
核酸放大策略
Enzyme-free
适配体+核酸 放大策略
适配体+纳米材 料+核酸放大
进阶版
3、基于不同换能器的生物传感器
热敏生物传感器
电化学传感器
换能器
光生物传感器
半导体传感器
压电晶体传感器
3.1 电化学生物传感器
（磁微粒）化学发光 量子点荧光免疫法
ELISA
耗时
45分钟 2小时 8-15分钟
10分钟 30-60分钟
3-5小时
2.4 功能型核酸传感器
• 功能性核酸是指除了作为遗传信息的载体等传统生 物功能之外,具有催化活性、基因表达的调控、以 及特异的结合能力等功能的核酸类分子。
适配体(aptamer)
功能型核酸
Aptamer
适配体与目标分子间通过碱基堆积作用、氢键、静电和疏水等协同作用
靶标 分子
适配体与抗体的比较
特性 分子量 热/化学稳定性 修饰程度 获得手段 可识别靶点 免疫原性
抗原-抗体
适配体
大，约150000
小，约6000~30000
不可逆变性
高
容易
难
动物实验或细胞实验 体外筛选或人工合成
仅识别免疫原性靶点
• 电化学生物传感器主要采用固体电极为基础电极，将生物活 性作为分子识别物固定在电极表面，然后通过生物分子间特 异地识别作用，将目标分子捕获到电极表面，电极将浓度信 号转换成电热，电流，电阻或电容等可测的电信号作为响应 信号，实现对目标分析物的定量分析。
《生物传感器》PPT课件
生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜 可用的测量量：O2的减少量，葡萄糖酸或H2O2的
产生量
信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极
一种葡萄糖传感器-Glucowatch
•Glucose pulled through the skin by charged molecules •The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) •Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxide •The reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor
灵敏。
完整版课件ppt
3
敏感元件：
酶、抗体、核酸、细胞等。
转换器：
电化学电极、光学检测元件、 场效应晶体管、压电石英晶体、 表面等离子共振。
酶 (Enzyme)
抗体(Antibody)
完整版课件ppt
DNA
4
2. 分类
根据输出信号产生的方式 生物亲和型、代谢型、催化型
根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基 因传感器等
根据信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器等
其他分类 被测对象、大小、功能
完整版课件ppt
6
3. 生物传感器的特点
➢ 高选择性。生物传感器是由选择性好的主 体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不 需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其 它试剂。
➢ 体积小、可以实现连续在位监测。
➢ 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。
产生量
信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极
一种葡萄糖传感器-Glucowatch
•Glucose pulled through the skin by charged molecules •The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) •Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxide •The reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor
灵敏。
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3
敏感元件：
酶、抗体、核酸、细胞等。
转换器：
电化学电极、光学检测元件、 场效应晶体管、压电石英晶体、 表面等离子共振。
酶 (Enzyme)
抗体(Antibody)
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DNA
4
2. 分类
根据输出信号产生的方式 生物亲和型、代谢型、催化型
根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基 因传感器等
根据信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器等
其他分类 被测对象、大小、功能
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6
3. 生物传感器的特点
➢ 高选择性。生物传感器是由选择性好的主 体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不 需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其 它试剂。
➢ 体积小、可以实现连续在位监测。
➢ 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。
生物传感器
当待测物与分子识别元件(由具有识别能力的生物功能物质如酶、微生物、抗原和抗体等构成)特异性地结合后,产生的光、热等通过信号转换器转变为可以输出的电信号、光信号等,由检测器经过电子技术处理,在仪器上显示或记录下来,从而达到分析检测的目的。
其分类方式很多,根据生物分子识别元件上的敏感物质可分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、基因传感器、免疫传感器等[15 ]用于农药残留分析的传感器技术主要集中在酶生物传感器( EBS)上生物传感器(biosensor)对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。
是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。
生物传感器具有接受器与转换器的功能。
固定感受膜的方法有直接化学结合法；高分子载体法；高分子膜结合法。
现已发展了第二代生物传感器（微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器），研制和开发第三代生物传感器，将生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器。
由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能，只对特定反应起催化活化作用，因此生物传感器具有非常高的选择性。
缺点是生物固化膜不稳定。
生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。
生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。
生物传感器的原理：待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。
生物传感器概述
生物传感器1 生物传感器概述生物传感器是指“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、外环境化学物质或与之起特异性交互作用，并产生响应的一种分析检测装置”。
其工作原理是：待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，达到检测待测物浓度的目的。
与传统分析方法相比，生物传感器将分离和检测统一为一体，具有体积小、响应快、准确度高，可以实现活体连续在线自动检测，以及成本低和易普及等优点，与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起处在生命科学和信息科学的交叉区域，是发展生物技术不可或缺的一种先进检测与监控装置。
生物传感器有多种分类方式：根据生物活性物质的类别，生物传感器可以分为酶传感器、免疫传感器、DNA 传感器、组织传感器和微生物传感器等；根据检测原理，生物传感器可以分为光学传感器、电化学传感器及压电生物传感器等；根据生物敏感物质相互作用的类型，生物传感器可以分为亲和型和代谢型2种；此外，还可根据所监测的物理量、化学量或生物量而命名为热传感器、光传感器、胰岛素传感器等。
生物传感器由两个主要关键部件所构成，一是分子识别组件，此组件为生物传感器信号接收或产生部件；另一是物理信号转换组件，为硬件仪器部件。
因此，如何利用已有的生化分离和纯化方法或设计合成特定的生物活性分子（biological active materials），结合精确而且响应快速的物理换能器（transducers）组合成生物传感器反应系统，是研究生物传感器的主要任务。
目前，尽管已有多种生物传感器已经商业化，但是这方面的研究和应用仍然处于起步阶段，如何研究和开发新的专一性强、结构稳定、寿命较长、生产廉价、适应高通量分子识别和监测的分子识别组件是当今生物传感器研究的关键。
生物传感器ppt
生物传感器是一类特殊的化学传感 器，它是以生物活性单元(如酶、 蛋白质、DNA、抗体、抗原、生 物膜、微生物、细胞等)作为识别 元件，将生化反应转变成可定量 的物理、化学信号，从而能够进 行生命物质和化学物质检测和监 控的装置。
2、生物传感器与传统的分析方法 相比，具有如下的优点：
1）.生物传感器是由选择性好的生 物材料构成的分子识别元件，因 此一般不需要样品的预处理，样 品中的检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；
转换器（换能器transducer ）
生物传感器的选择性取决于它 的生物敏感元件，而生物传感器 的其他性能则和它的整体组成有 关。
生物传感器的传感原理
分子识别 生物功能性膜
化学物质 热 光 质量
介电性质
电极、半导体等
热敏电阻
电
光纤、光度计 信
压电晶体等
号
表面等离子共振
信号转换器
四、生物传感器中的信 号转换器
采用TTL-IC振荡 电路驱使石英晶 体谐振于其固有 的频率，图是压 电石英晶体传感 器的工作系统。
压电石英晶体传感器的工作系统
当石英晶体便面附着层的质量改变时 其频率随之改变，用Sauerbrey方程来 描述。即△F =KF2 △m /A，式中， △F 是晶体吸附外表物质后振动频率 （Hz）的变化；K为常数；F为压电晶 体的基础频率（MHz）； △m 为附 着层物质的质量变化。通常可检测低 至10-10g/cm2级的痕量物质，因此常称 之为石英晶体微天平。
三、生物传即感感受器器，结具有构分子和识原别能理 力的生物活性物质（如组织 切片、细胞、细胞器、细胞 膜、酶、抗体、核酸、有机 分子识别元物件分子等）； 主要有电化学电极（如电位、电流 的测量）、光学检测元件、热敏电阻、 场效应晶体管、压电石英晶体及表面等 离子共振器件等，从而达到分析监测的 目的。
生物医学传感生物传感器
物理吸附：通过极性键、氢键、疏水力或 电子的相互作用将生物组分吸附在不溶性的惰性载体上。
载体种类较多，如活性炭、高岭土、硅胶、玻璃、纤维素、离子交换体等。
*
*
3）包埋法
把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。 特点是：一般不产生化学修饰，对生物分子活性影响较小；缺点是分子量大的底物在凝胶网格内扩散较固难。
介体生物传感器
换能器
半导体生物传感器
生物电极ห้องสมุดไป่ตู้
光生物传感器
热生物传感器
压电晶体生物传感器
*
*
3、 生物传感器特点
1） 根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测定所有生物物质的传感器，因而测定范围广泛。 2）一般不需进行样品的预处理，它利用本身具备的优异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他试剂，使测定过程简便迅速，容易实现自动分析。 3）体积小、响应快、样品用量少，可以实现连续在线检测。
主要有：电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振等。
*
*
将化学变化转变成电信号（间接型） 将热变化转换为电信号（间接型） 将光效应转变为电信号（间接型） 直按产生电信号方式（直接型）
转换器转化为电信号的方式：
*
*
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。 常用转换装置有：氧电极、过氧化氢电极。
（a）将化学变化转变成电信号（间接型）
*
*
（b）将热变化转换成电信号
固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化。例如大多数酶反应的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围.这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化，后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。
载体种类较多，如活性炭、高岭土、硅胶、玻璃、纤维素、离子交换体等。
*
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3）包埋法
把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。 特点是：一般不产生化学修饰，对生物分子活性影响较小；缺点是分子量大的底物在凝胶网格内扩散较固难。
介体生物传感器
换能器
半导体生物传感器
生物电极ห้องสมุดไป่ตู้
光生物传感器
热生物传感器
压电晶体生物传感器
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3、 生物传感器特点
1） 根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测定所有生物物质的传感器，因而测定范围广泛。 2）一般不需进行样品的预处理，它利用本身具备的优异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他试剂，使测定过程简便迅速，容易实现自动分析。 3）体积小、响应快、样品用量少，可以实现连续在线检测。
主要有：电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振等。
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将化学变化转变成电信号（间接型） 将热变化转换为电信号（间接型） 将光效应转变为电信号（间接型） 直按产生电信号方式（直接型）
转换器转化为电信号的方式：
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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。 常用转换装置有：氧电极、过氧化氢电极。
（a）将化学变化转变成电信号（间接型）
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（b）将热变化转换成电信号
固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化。例如大多数酶反应的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围.这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化，后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。
生物传感器
在食品分析的应用
• 食品成分分析
• 食品添加剂的分析 • 农药和抗生素残留量分析 • 微生物和生物毒素的检验 • 食品鲜度的检测
在环境监测中的应用
•水质分析：一个典型应用是测定生化需氧量 （BOD），传统方法测BOD需5天，且操作复杂。 1977年Karube等首次报道了BOD微生物传感器， 只需15分钟即能测出结果,连续使用寿命达17天；
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。
2、组织传感器(Tissue Sensor)
测定项目 谷氨酸 组织膜 木瓜 基础电极 CO2 稳定性／ 天 7 线性范围 2×10-4～1.3×102mol/L 3.4×10-5～1.5×103mol/L 1×10-4～1.1×102mol/L
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。
• (2)一般不需进行样品的预处理,它利用本身具备 的优异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他试剂,使 测定过程简便迅速,容易实现自动分析
第七章 生物传感器
FL IR GC LC MS NMR ……
样品 现场
传感器
on line real time
是一种将化学信息(例如化学组成与浓度)连续地转换为分析仪 器易测量的物理信号的装置。由敏感(识别)元件、转换元件、电子 线路及相应结构附件组成。
化学传感器中基本的功能单元
(a) 分子识别元件 (感受器，receptor)是发生选择性识别的区域， 可以引起能够被transducer(转换器)检测的化学或物理变化。识别 过程可以基于不同的原理，例如，化学原理，被分析物涉及到一 个化学反应；物理原理，无化学反应，但被分析物可以产生吸光 度、温度、质量或电导等的变化，这些量与被分析物的浓度有特 定的关系；生化原理，涉及到生化反应等。 (b) 信号转换器(换能器，Transducer)是将被分析物有关的化学信 息转换为可测量的分析有用的信号，然后记录和进一步处理。主 要有电化学电极(如电势、电流的测量)，光学检测元件，热敏电 阻，场效应晶体管，压电石英体及表面等离子共振器件等。 有些传感器还包括一个分离器，一种膜，目的是增强选择性。 一个理想的化学传感器应该具有高选择性、高灵敏度，稳定性好 和耐用，并且响应时间短！
二是信号转换器(换能器) 主要有电化学电极(如电位、电流的测量)、光学检测元 件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离 子共振器件等，当待测物与分子识别元件特异性结合后， 所产生的复合物(或光、热等)通过信号转换器变为可以输出 的电信号、光信号等，从而达到分析检测的目的。
第七章 生物传感器
——若接受的是光、声波、压力、温度等物理信息，这样的
传感器称为物理传感器。 2.化学或生物传感器
——若接受的是嗅觉、味觉等信息，这样的传感器称为化学
或生物传感器。 目前最常用的传感器有：温度传感器、红外线传感器、
样品 现场
传感器
on line real time
是一种将化学信息(例如化学组成与浓度)连续地转换为分析仪 器易测量的物理信号的装置。由敏感(识别)元件、转换元件、电子 线路及相应结构附件组成。
化学传感器中基本的功能单元
(a) 分子识别元件 (感受器，receptor)是发生选择性识别的区域， 可以引起能够被transducer(转换器)检测的化学或物理变化。识别 过程可以基于不同的原理，例如，化学原理，被分析物涉及到一 个化学反应；物理原理，无化学反应，但被分析物可以产生吸光 度、温度、质量或电导等的变化，这些量与被分析物的浓度有特 定的关系；生化原理，涉及到生化反应等。 (b) 信号转换器(换能器，Transducer)是将被分析物有关的化学信 息转换为可测量的分析有用的信号，然后记录和进一步处理。主 要有电化学电极(如电势、电流的测量)，光学检测元件，热敏电 阻，场效应晶体管，压电石英体及表面等离子共振器件等。 有些传感器还包括一个分离器，一种膜，目的是增强选择性。 一个理想的化学传感器应该具有高选择性、高灵敏度，稳定性好 和耐用，并且响应时间短！
二是信号转换器(换能器) 主要有电化学电极(如电位、电流的测量)、光学检测元 件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离 子共振器件等，当待测物与分子识别元件特异性结合后， 所产生的复合物(或光、热等)通过信号转换器变为可以输出 的电信号、光信号等，从而达到分析检测的目的。
第七章 生物传感器
——若接受的是光、声波、压力、温度等物理信息，这样的
传感器称为物理传感器。 2.化学或生物传感器
——若接受的是嗅觉、味觉等信息，这样的传感器称为化学
或生物传感器。 目前最常用的传感器有：温度传感器、红外线传感器、
生物传感器
（3）.根据生物传感器的信号 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、测光型生传感器、测 声型生物传感器等．
以上后两种分类方法之间还可互相交叉，因而生 物传感器的类别就更加增多，例如酶传感器又分为酶 电极、酶热敏电阻、酶FET、酶光极等． 上面介绍的各种名称都是类别的名称，每一类又 都包含许多种具体的生物传感器，例如，仅酶电极一 类，根据所用酶的不同就有几十种，如葡萄糖电极、 尿素电极、尿酸电极、胆固醇电极、乳酸电极、丙酮 酸电极等等．就是葡萄糖电极也并非只有一种，有用 pH电极或碘离子电极作为转换器的电位型葡萄糖电极， 有用氧电极或过氧化氢电极作为转换器的电流型葡萄 糖电极等．实际上还可再细分。总之，生物传感器是 传感器中类别较多、内容较广的一大类传感器，随着 科学技术的不断发展，它所包含的内容也必将更为丰 富．为醒目起见，现将生物传感器的分类示于图中．
(4).酶的固定化技术
固定化酶使酶的利用率、稳定性与 机械强度等方面均较可溶性酶有所提高， 使用固定化酶为酶电极的制备提供了良 好的条件．
1.惰性载体——物理吸附法
此法是酶分子通过极性键、氢键、 疏水力或π电子相互作用等吸附于不溶性 载体上．常用的载体有：多孔玻璃、活 性炭、氧化铝、石英砂、纤维素酯（包 括硝酸纤维素、醋酸纤维素）、葡聚糖、 琼脂精、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，已用 此法固定化的酶如：脂肪酶、 α － D 葡萄 糖苷酶、过氧化物酶等．
2．氧化还原电极 氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一类电位型电 极．这里指的主要是零类电极。
Ⅱ．电流型电极
电化学生物传感器中采用电流型电极为 信号转换器的趋势日益增加，这是因为这类 电极和电位型电极相比有以下优点： （1）电极的输出直接和被测物的浓度呈线性关 系，不像电位型电极那样和被测物浓度的对 数呈线性关系． （2）电极输出值的读数误差所对应的待测物浓 度的相对误差比电位型电极的小． （3）电极的灵敏度比电位型电极的高．
生物传感器介绍
4 医学
(1)临床医学
在临床医学中，酶电极是最早研制且应用最多的一种传感 器，目前，已成功地应用于血糖、乳酸、维生素C、尿酸、 尿素、谷氨酸等物质的检测。利用具有不同生物特性的微生 物代替酶，可制成微生物传感器，在临床中应用的微生物传 感器有葡萄糖、乙醉、胆固醇等传感器。
DNA传感器是目前生物传感器中报道最多的一种，用于临 床疾病诊断是DNA传感器的最大优势，它可以帮助医生从 DNA、RNA、蛋白质及其相互作用层次上了解疾病的发生、 发展过程，有助于对疾病的及时诊断和治疗。
发展方向：微型化、集成化、便携式测 试仪
成就：生物表达化学、表面定性、分子 标记以及纳米科技，带动了生物传感器 在各种环境下应用的增长
纳米材料在生物传感器中的应用，使其 研究进入崭新的阶段。
纳米颗粒能增强酶生物传感器的敏感性
纳米颗粒表面积大、表面自由能高，吸 附能力较强，能固定酶分子
纳米颗粒尺寸很小，有可能与酶内部的 亲水基团发生作用，从而引起酶构型上 的变化
生物传感器的基本组成 分子识别元件+信号转换器件+信号检测
分子识别元件
分子识别元件 酶膜 全细胞膜 组织膜 细胞器膜 免疫功能膜
生物活性单元
各种酶类
细菌、真菌、动 植物细胞 动植物组织切片
线粒体、叶绿体
抗体、抗原、酶 标抗原等
酶 (Enzyme) 抗体(Antibody)
DNA
转换器：
电化学电极、 离子敏场效应晶体 管、 热敏电阻、 光电转换器等
微生物 传感器
微生物
酶传感器 固定化酶
分子识别 元件
固定化免疫物质
免疫传感器
固定化细胞器 细胞器传感器
生物组织切片 组织传感器
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温度传感器
第七章 生物传感器
红外线传感器——实现无接触测量
应用领域：
航空摄影、卫星遥感、家电遥控、防盗防火报警器、
自动门、生物探测器……
第七章 生物传感器
生物传感器——用以检测和识别生物体内化学成分。
SBA-70型生物传感 在线分析系统
我国第一种实用化的 生物传感器—SBA30型乳酸分析仪
应用领域：
(b) 信号转换器(换能器，Transducer)是将被分析物有关的化学信 息转换为可测量的分析有用的信号，然后记录和进一步处理。主 要有电化学电极(如电势、电流的测量)，光学检测元件，热敏电 阻，场效应晶体管，压电石英体及表面等离子共振器件等。
有些传感器还包括一个分离器，一种膜，目的是增强选择性。
目前最常用的传感器有：温度传感器、红外线传感器、 生物传感器等。此外还有压力传感器、气体传感器、味觉传 感器等。
第七章 生物传感器
气体传感器
鼻(嗅觉)
无机盐传感器 有机物传感器
舌(味觉)
(化学量传感器)
目(视觉) 耳(听觉)
光传感器 声传感器
皮肤(触觉)
温度传感器 压力传感器
(物理量传感器)
第七章 生物传感器
“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点现在 已为全世界所公认。科学技术越发达、自动化程度越高， 对各种传感器的需求越大....
第七章 生物传感器
各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关 键之一。我国从20世纪80年代以来也将传感器技术列入国家 高新技术发展的重点。
传感器作为向自然界获取信息的工具，几乎渗透到科 学技术、社会生产和人民生活的每一个角落，彩电、冰箱、 空调……
C. 生物修饰感受器：生物传感器是指用固定化的生物体成分(酶、 抗原、抗体、激素等)或生物体本身(细胞、细胞器、组织等)作 为敏感元件的传感器。
第七章 生物传感器
根据转换器不同:
在化学传感器中主要采用的转换技术如下： A. 电化学转换器：建立在电化学与电量测技术基础上将分析
物与电极相互作用所产生的信息转换为电 信号。
第七章 生物传感器
现代传感器既是高科技的结晶，又在高科技中起举足 轻重的作用。
如美国‘阿波罗’ 登月飞行器每个安装的 各种传感器达3200个。
在现代的飞机、汽 车、甚至家用电器也是 如此….
哥伦比亚号
一辆现代化汽车所用 传感器达数十种……
第七章 生物传感器
二、常用传感器
传感器是用以完成视觉、听觉、触觉功能的。 1.物理传感器 ——若接受的是光、声波、压力、温度等物理信息，这样的 传感器称为物理传感器。 2.化学或生物传感器 ——若接受的是嗅觉、味觉等信息，这样的传感器称为化学 或生物传感器。
第七章 生物传感器
传感器是一类能选择性获取并处理信息的装置。它将各 种非电量（物理量、化学量及生物量等）按一定规律转换成 便于处理和传输的另一种物理量，成为信号处理系统能接受 的信号。
第七章 生物传感器
科学技术的发展推动传感器技术的进步。上世纪实现 的工业生产的自动化，几乎主要依靠传感器来监视和控制 生产过程的各个参数，使设备和系统正常运行在最佳状态， 保证生产的高效率和高质量。
最典型的应用是在医疗卫生行业、医院里各种进行生
化分析的仪器之中……
第七章 生物传感器
§7-2 化学传感器的基本概念
off
line
样品 现场
分
信信
子
号号
识
转传
析 GC
实 LC
MS
验 NMR
室 ……
on line real time
是一种将化学信息(例如化学组成与浓度)连续地转换为分析仪 器易测量的物理信号的装置。由敏感(识别)元件、转换元件、电子 线路及相应结构附件组成。
一个理想的化学传感器应该具有高选择性、高灵敏度，稳定性好 和耐用，并且响应时间短！
第七章 生物传感器
化学传感器的分类
通常可根据识别元件和转换器来进行分类。
根据识别元件不同：
A. 非功能型传感器：直接检测样品的化学信息，无需通过化学 或生物反应进行信息的变换。
B. 化学修饰感受器：将一种或多种化学试剂修饰到识别器件的表 面所构成的传感器。基于各种化学作用，例如基于各种平衡反 应(酸碱、络合、氧化还原) 的识别过程；基于形状和大小的识 别过程(各种冠醚、杯芳烃、抗菌素)以及分子印迹高分子和 Aptamers。
➢ 电势型传感器：基于测量在零电流下电池的电势。 ➢ 伏安(安培)型传感器：测量被分析物发生氧化-还原时所
产生电流。 ➢ 电导型传感器：测量由被分析物所引起的电导的变化。 ➢ 电容型传感器：测量由被分析物所引起的电容的变化。
第七章 生物传感器
B. 光学转换器：建立在光谱化学和光学波导与量测技术基础上 的将由被分析对象的化学信息以光学性质来表 达。光导纤维广泛地应用于这方面，基于光导 纤维所发展的传感器又称为光极(optode)。
化学传感器中基本的功能单元
(a) 分子识别元件 (感受器，receptor)是发生选择性识别的区域， 可以引起能够被transducer(转换器)检测的化学或物理变化。识别 过程可以基于不同的原理，例如，化学原理，被分析物涉及到一 个化学反应；物理原理，无化学反应，但被分析物可以产生吸光 度、温度、质量或电导等的变化，这些量与被分析物的浓度有特 定的关系；生化原理，涉及到生化反应等。
第七章 生物传感器 Biosensor
【问题】
§7-1 传感器概述
1.电饭煲为什么能自动加热和保温而不会使饭烧焦？
2.电冰箱、空调为什么可以自动控制电机的运转而保持恒温？
3.全自动洗衣机为什么可以自动完成洗衣过程？
4.电梯门为什么不夹人？
5.自动门为什么会自动开启？
6.怎样实现自动通风、自动喷水、自动报警？
➢ 吸收型传感器 ➢ 反射型传感器 ➢ 折射型传感器 荧光传感器 ➢ 发光型传感器 磷光传感器 ➢ 散射型传感器 化学发光传感器
…………
这一切，都要归功于现代传感器技术的发展和应用。
第七章 生物传感器
一、传感器的概念
广义上讲——传感器就是能感知外界信息并能按一定规律 将这些信息转换成可用信号的装置。 简单地说——传感器是将外界信号转换为电信号的装置。
所以传感器由敏感元器件（感知元件）和转换器件 （将敏感元件的输出量转换成适宜传输和测量的器件，如 电学量）两部分组成；有的半导体敏感元器件可以直接输 出电信号，本身就构成传感器。