生物传感器原理及应用

Chapter １生物传感器

（Biosensors）☐ 1.1 Generalization（概述）☐ 1.2 Principle （基本原理）☐ 1.3 Classification（分类）☐ 1.4 Application（应用）

1.2 生物传感器工作原理

被测对象生物敏

感膜

（分子

识别感

受器）

电

信

号

换

能

器

物理、化学反应

化学物质

力

热

光

声

.

.

.

图16-1 生物传感器原理图

BIOSENSORS

1.2 生物传感器原理

无论是基于电化学、光学、热学或压电晶

体等不同类型的生物传感器，其探头均由两个

主要部分组成，一是感应器，它是由对被测定

的物质（底物）具有高选择性分子识别功能的

膜构成。二是转换器，它能把膜上进行的生化

反应中消耗或生成的化学物质，或产生的光、

热等转变成电信号，最后把所得的电信号经过

电子技术的处理后，在仪器上显示或记录下来。

换能器（T r a n s d u c e r ）感受器（R e c e p t o r ）= 分析物（Analyte ）

溶液（Solution ）选择性膜（Thin selective membrane ）

识别元件（Recognition ）

生物传感器工作机理

测量信号（Measurable Signal ）

BIOSENSORS

（1）将化学变化转变成电信号

酶传感器为例,酶催化特定底物发生化学反应,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。

（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.

（3）将光信号转变为电信号

例如，过氧化氢酶,能催化过氧化氢/鲁米诺体系发光,因此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。

还有很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧光。也可以用这种方法测定底物浓度。

（4）直接产生电信号方式

这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用)在电极表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度。

有关的几个概念BIOSENSORS

◆生物功能物质和分子识别：

分子识别过程是分子在特定的条件下通过分子间作用力的协同作用达到相互结合的过程。“特定的条件”即是指分子要依靠预组织达到互补的状态，“分子间相互作用力”即是指存在于分子之间非共价相互作用，而“协同作用”则是强调了分子需要依靠大环效应或者螯合效应使得各种相互作用之间产生一致的效果。

具有识别能力的生物分子称为生物功能物质。

例如：葡萄糖氧化酶能从多种糖分子的混合溶液中，高选择性地识别出葡萄糖，并把它迅速地氧化为葡萄糖酸内酯。这种葡萄糖氧化酶即称为生物功能物质。

生物功能物质能够识别相应的生物分子，具有很高的选择性。生物功能物质和分子识别BIOSENSORS 对底物选择性地结合，

避免其它物质干扰。

专一性：锁和钥匙的关系。这种关系在生物大分子的相互作用中具有普遍性。

锁和钥匙的关系偶氮染料

环糊精

生物传感器原理BIOSENSORS ◆生物功能物质的固定化

●将具有分子识别能力的生物功能物质，如酶、抗原、抗体等，包藏或吸附于某些高分子材料，生物高分子或无机材料，如分子筛内制备成感应器，称为生物功能物质的固定化。

●固定化技术的研究是生物传感器的研究和开发中最为重要的工作。

BIOSENSORS 生物功能物质的固定化方法

①直接化学结合法：

将电极表面先经过化学处理或修饰，

然后将生物功能物质以共价，离子或

配位等方式结合固定于电极表面。

②架桥化固定法：

用多功能的试剂，如戊二醛与酶蛋白分子相互结合，起着桥梁的作用，从而使酶固定于电极表面，是酶固定化用得比较多的方法。

③高分子载体包埋法：

将生物功能物质与合成高分子Nafion(全氟磺酸树脂)或生物高分子丝素蛋白经溶剂混合而使酶包埋其中，制备成具有活性的感应膜，再把它覆盖到转换器即电极的表面，构成生物传感器。

④高分子膜吸附法：

先在电极表面上修饰一层合成高分子或生物高分子，然后将生物功能物质吸附到高分子膜上，制备成感应器，再与转换器结合，构成传感器。

⑤电聚合高分子包埋法：

将单体和生物功能物质同时混合于电解液内，通电使单体在电极表面电聚合成高分子，与此同时可以将酶包埋于高分子膜内，直接固定于电极表面，构成生物传感器。

⑥分子自组装固定法：

在单晶金电极表面，新修饰一层硫醇化合物，这是通过分子间的引力自组装构成的单分子层，然后在通过自组装方法将媒介体和酶一层层地修饰于电极上，构成传感器。

⑦无机材料吸附结合法：

利用无机材料如分子筛或氧化铝等的强烈的吸附性，以此作为载体，先将分子筛用聚乙烯调制后固定于电极表面，然后使生物功能物质吸附固定于分子筛膜内，即可构成生物传感器。

⑧碳糊固定法：

将酶用石蜡油等溶剂调匀，再加入石墨粉调制成糊状物，填充于玻璃管内制备成碳糊电极。