环境生物监测与安全性评价
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• 体积小，可以实现连续在线监测；
• 响应快，样品用量少，敏感材料固定化可以反复多次 使用；
• 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 BOD生物传感器
• 生化需氧量（biochemical oxygen demand, BOD）表 征有机污染程度的综合性指标；
• 目前的BOD测定法是测定5天内20℃下水样的溶解氧 消耗，测定周期长、操作复杂、重现性差、干扰性大 、不宜现场监测；
• 电化学免疫传感器：测量由于形成抗体-抗原复合物 导致的电极表面的离子浓度或电子密度变化；
• 微机械免疫传感器：利用悬臂将形成免疫复合物产生 的信号转化为机械运动，通过原子力显微镜测量。
生物因素考虑
• 抗体的开发：多克隆抗体可从动物血清中得到，单克 隆抗体可以利用细胞杂交技术大量生产；抗体的选择 取决于多种因素；
用于BOD生物传感器的微生物及其基本特性
生物膜式BOD传感器的基本构造
反应器式BOD传感器的基本构造
换能器（传导器）
• 识别并处理生化反应中产生的某些物质或微生物的浓 度变化，并将其转化成可以定量表示的信号输出：
– 溶解氧电极：直接测量溶氧浓度，精度差； – 光纤换能器：溶解氧与荧光发生关联，精度高； – 压电晶体系统：溶氧与导电性关联，不需对微生物进行固
• 工作原理决定于敏感元件和待测物质之间的相互作用 ：
– 将化学变化转化为电信号； – 将热变化转化为电信号； – 将光效应转化为电信号； – பைடு நூலகம்接产生电信号；
生物传感器基本原理示意
生物传感器的分类
• 根据传感器输出信号的产生方式：
– 生物亲合型生物传感器； – 代谢型或催化型生物传感器。
• 根据生物传感器的信号转化器：
PNA与DNA的碱基配对
• 肽核酸（peptide nucleic acids, PNA） ，以肽为骨架的DNA 模拟物，易合成，易 靠近DNA形成杂交分 子，形成的PNADNA杂交分子的稳定 性高。
• 趋势：
– 选择适当的微生物； – 提高生物敏感元件的稳定性； – 微生物膜和固定化方法的改进，保证敏感元件的一致性； – 适当的水样预处理，提高响应速度； – 更新换能器和信号处理设备，实现微型化、便携化和实用化。
3 免疫传感器
• 基于抗体与特殊抗原间的分子识别；
• 基于固定在换能器表面的生物分子（抗体/抗原）与 待检测的污染物之间的相互作用，产生可以检测的信 号；
– 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 。
生物传感器的分类
各种生物传感器
生物传感器的特点
• 由选择性好的生物材料构成的分子识别元件，一般不 需要样品预处理；
• 利用优异的选择性把样品中的被测组分的分离和检测 统一为一体，测定时一般不需加入其他试剂；
生物识别元件
• 对有机物具有广谱分解能力的单一微生物；
• 对于活的微生物构成的敏感元件，不使用时也需保存 和培养；
• 热灭活细胞也可用于敏感元件，利用灭活细胞中的酶 活性；
• 混合菌种具有广谱性好、识别性强、活性高等优点， 今年来得到应用；
• 酶、光细菌等也可用于识别元件。
用于BOD生物传感器的微生物及其基本特性
定化，寿命短； – 生物燃料电池换能器：利用细菌的电化学活性，信号强，
精度高； – 其他信号处理方式：如恒定溶氧测量连续流反应器的稀释
比。
部分商业化的BOD生物传感 器
存在问题及发展趋势
• 问题：
– 微生物培养的不稳定性； – 不同菌种对不同有机物降解能力不同； – 膜电极响应时间长； – 微生物活性逐步下降，测量前需活化，更换后需校准； – 测量物含有毒有害有机物时，结果会出现偏差 。
• 最先使用的是酶电极，衍生物有微生物电极、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。
生物传感器的基本组成和工作原理
• 由敏感元件，即生物元件和信号传导器组成：
– 生物元件包括：生物体、组织、细胞、细胞器、细胞膜、 酶、酶组分、感受器、抗体、核酸、有机物分子；
– 传导器包括：电势测量式、电流测定式、电导率测量式、 阻抗测定式、光强测量式、热量测定式、声强测量式、机 械式、“分子”电子式；
• 专一性和灵敏度高，可检测低浓度的环境污染物。
非标记免疫传感器的原理
标记免疫传感器的原理
免疫传感器的类型
• 光学免疫传感器：基于测量换能器表面由于形成抗体 -抗原复合物所引起的光学性能的变化，包括光纤换 能器、猝灭波换能器、荧光换能器、表面胞质共振换 能器；
• 压电晶体免疫传感器：基于测量在晶体表面由于形成 抗体－抗原复合物所引起的质量微小变化；
• 1977年利用微生物传感器原理研制的BOD测定仪由 固定化土壤菌群与氧电极组成，可在15min内测得废 水的BOD值，但10天即可失活。
BOD传感器的基本组成
• 微生物分解有机物过程中消耗溶氧，导致的溶氧浓度 变化由换能器检出，并产生相应的信号，利用信号与 BOD值的线性关系可得到其值；
• 测定温度较高，同时进行水样曝气，测定时间缩短。
14环境生物监测与安全性评 价
1 生物传感器简介
• 生物传感器是一类特殊的化学传感器，具有选择性高 ，灵敏度高，稳定性好，成本低，能在复杂的体系中 进行快速连续检测等优势，在环保领域具有广阔的应 用前景；
• 生物传感器是将生物感应元件的专一性与能够产生与 待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置 ；
• 核酸识别稳定，并宜于合成或再生以重复利用；
• 形成的杂交体置于电化学活性指示剂溶液中，指示剂 可强烈的但可逆的结合到杂交体上，产生的信号可以 用电化学法检测；
• 可用于环境样品的微生物检测，也可用于研究污染物 与DNA之间的相互作用，以解释污染物毒性作用机 理。
电化学DNA生物传感器杂交检测原理
• 半抗原设计：半抗原是靶分子的衍生物，含有附着到 载体蛋白上的合适的基团，污染物分子首先必须与载 体蛋白分子连接，使其具有免疫性；
• 半抗原与载体蛋白的结合；
• 免疫方法；
• 交叉反应性和专一性。
用于农药检测的免疫传感器
4 DNA生物传感器
• 核酸杂交生物传感器理论基础是DNA碱基配对原理 ；
• 响应快，样品用量少，敏感材料固定化可以反复多次 使用；
• 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 BOD生物传感器
• 生化需氧量（biochemical oxygen demand, BOD）表 征有机污染程度的综合性指标；
• 目前的BOD测定法是测定5天内20℃下水样的溶解氧 消耗，测定周期长、操作复杂、重现性差、干扰性大 、不宜现场监测；
• 电化学免疫传感器：测量由于形成抗体-抗原复合物 导致的电极表面的离子浓度或电子密度变化；
• 微机械免疫传感器：利用悬臂将形成免疫复合物产生 的信号转化为机械运动，通过原子力显微镜测量。
生物因素考虑
• 抗体的开发：多克隆抗体可从动物血清中得到，单克 隆抗体可以利用细胞杂交技术大量生产；抗体的选择 取决于多种因素；
用于BOD生物传感器的微生物及其基本特性
生物膜式BOD传感器的基本构造
反应器式BOD传感器的基本构造
换能器（传导器）
• 识别并处理生化反应中产生的某些物质或微生物的浓 度变化，并将其转化成可以定量表示的信号输出：
– 溶解氧电极：直接测量溶氧浓度，精度差； – 光纤换能器：溶解氧与荧光发生关联，精度高； – 压电晶体系统：溶氧与导电性关联，不需对微生物进行固
• 工作原理决定于敏感元件和待测物质之间的相互作用 ：
– 将化学变化转化为电信号； – 将热变化转化为电信号； – 将光效应转化为电信号； – பைடு நூலகம்接产生电信号；
生物传感器基本原理示意
生物传感器的分类
• 根据传感器输出信号的产生方式：
– 生物亲合型生物传感器； – 代谢型或催化型生物传感器。
• 根据生物传感器的信号转化器：
PNA与DNA的碱基配对
• 肽核酸（peptide nucleic acids, PNA） ，以肽为骨架的DNA 模拟物，易合成，易 靠近DNA形成杂交分 子，形成的PNADNA杂交分子的稳定 性高。
• 趋势：
– 选择适当的微生物； – 提高生物敏感元件的稳定性； – 微生物膜和固定化方法的改进，保证敏感元件的一致性； – 适当的水样预处理，提高响应速度； – 更新换能器和信号处理设备，实现微型化、便携化和实用化。
3 免疫传感器
• 基于抗体与特殊抗原间的分子识别；
• 基于固定在换能器表面的生物分子（抗体/抗原）与 待检测的污染物之间的相互作用，产生可以检测的信 号；
– 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 。
生物传感器的分类
各种生物传感器
生物传感器的特点
• 由选择性好的生物材料构成的分子识别元件，一般不 需要样品预处理；
• 利用优异的选择性把样品中的被测组分的分离和检测 统一为一体，测定时一般不需加入其他试剂；
生物识别元件
• 对有机物具有广谱分解能力的单一微生物；
• 对于活的微生物构成的敏感元件，不使用时也需保存 和培养；
• 热灭活细胞也可用于敏感元件，利用灭活细胞中的酶 活性；
• 混合菌种具有广谱性好、识别性强、活性高等优点， 今年来得到应用；
• 酶、光细菌等也可用于识别元件。
用于BOD生物传感器的微生物及其基本特性
定化，寿命短； – 生物燃料电池换能器：利用细菌的电化学活性，信号强，
精度高； – 其他信号处理方式：如恒定溶氧测量连续流反应器的稀释
比。
部分商业化的BOD生物传感 器
存在问题及发展趋势
• 问题：
– 微生物培养的不稳定性； – 不同菌种对不同有机物降解能力不同； – 膜电极响应时间长； – 微生物活性逐步下降，测量前需活化，更换后需校准； – 测量物含有毒有害有机物时，结果会出现偏差 。
• 最先使用的是酶电极，衍生物有微生物电极、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。
生物传感器的基本组成和工作原理
• 由敏感元件，即生物元件和信号传导器组成：
– 生物元件包括：生物体、组织、细胞、细胞器、细胞膜、 酶、酶组分、感受器、抗体、核酸、有机物分子；
– 传导器包括：电势测量式、电流测定式、电导率测量式、 阻抗测定式、光强测量式、热量测定式、声强测量式、机 械式、“分子”电子式；
• 专一性和灵敏度高，可检测低浓度的环境污染物。
非标记免疫传感器的原理
标记免疫传感器的原理
免疫传感器的类型
• 光学免疫传感器：基于测量换能器表面由于形成抗体 -抗原复合物所引起的光学性能的变化，包括光纤换 能器、猝灭波换能器、荧光换能器、表面胞质共振换 能器；
• 压电晶体免疫传感器：基于测量在晶体表面由于形成 抗体－抗原复合物所引起的质量微小变化；
• 1977年利用微生物传感器原理研制的BOD测定仪由 固定化土壤菌群与氧电极组成，可在15min内测得废 水的BOD值，但10天即可失活。
BOD传感器的基本组成
• 微生物分解有机物过程中消耗溶氧，导致的溶氧浓度 变化由换能器检出，并产生相应的信号，利用信号与 BOD值的线性关系可得到其值；
• 测定温度较高，同时进行水样曝气，测定时间缩短。
14环境生物监测与安全性评 价
1 生物传感器简介
• 生物传感器是一类特殊的化学传感器，具有选择性高 ，灵敏度高，稳定性好，成本低，能在复杂的体系中 进行快速连续检测等优势，在环保领域具有广阔的应 用前景；
• 生物传感器是将生物感应元件的专一性与能够产生与 待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置 ；
• 核酸识别稳定，并宜于合成或再生以重复利用；
• 形成的杂交体置于电化学活性指示剂溶液中，指示剂 可强烈的但可逆的结合到杂交体上，产生的信号可以 用电化学法检测；
• 可用于环境样品的微生物检测，也可用于研究污染物 与DNA之间的相互作用，以解释污染物毒性作用机 理。
电化学DNA生物传感器杂交检测原理
• 半抗原设计：半抗原是靶分子的衍生物，含有附着到 载体蛋白上的合适的基团，污染物分子首先必须与载 体蛋白分子连接，使其具有免疫性；
• 半抗原与载体蛋白的结合；
• 免疫方法；
• 交叉反应性和专一性。
用于农药检测的免疫传感器
4 DNA生物传感器
• 核酸杂交生物传感器理论基础是DNA碱基配对原理 ；