第7章 生物传感器
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微生物
环境微生物复习题第一章绪论一、名词解释反硝化作用（或脱氮作用）硝化作用微生物环境微生物清洁生产二、填空题１．、、三大公害严重污染人类的生存环境，环境污染事件屡有发生，被称为工业三废。
2．大气中的、和等气体可导致酸雨的产生。
酸雨中所含有的主要成分是和，这些强酸的雨水能直接伤害植物，造成农作物的明显减产。
而另一废气成分的大量排入大气，引起世界性的气候变化异常，造成全球性的温室效应和厄尔尼诺现象。
3．生物群落由、、三部分组成。
4．微生物包括：细胞结构不能独立生活的病毒、亚病毒；具有细胞结构的真细菌、古生菌；具有细胞结构的真菌（酵母菌、霉菌等）、单细胞藻类等。
5．在生态系统中充当了重要的角色，在自然界的物质循环和转化中起着极为重要的作用。
三、判断题1．（）微生物是人类生存环境中必不可少的成员，它们使得物质循环得以顺利进行，如果没有微生物，地球上的所有生命将无法正常的繁衍下去。
2．（）所有的微生物都是肉眼看不见的，必须借助显微镜才能看到。
3．（）微生物学的建立虽然比高等动植物学晚，但发展却很迅速，其重要原因是动植物的结构复杂，要求的技术较高而受到限制。
4．（）在基因工程的带领下，传统的微生物发酵工业已从多方面发生了质的变化，成为现代生物技术的重要组成部分。
5．（）因为微生物具有个体微小、结构简单、代谢灵活、易变异等特性，所以，与动植物相比，微生物非常难用于做实验材料。
6．（）充分利用有益微生物资源，防止、控制、消除微生物的有害活动，是环境微生物的研究方向和具体任务。
7．（）由于微生物个体极其微小，结构简单，所以，灭菌时不必太彻底，少量的微生物不会有什么大影响。
8．（）微生物生产已与动植物生产并列成为生物产业三大支柱之一，但对微生物资源的开发还仅仅开始，所以，微生物资源更是一个极其重要的资源库。
四、简答题1．微生物具有哪些特点？2．简述环境微生物的研究内容及任务。
第二章环境中的主要微生物一、名词解释原核微生物真核微生物菌落芽孢糖萼二、判断题1、（）细菌的个体形态有球形、杆状、螺旋状三种。
《传感器与智能检测技术》 第7章习题答案
第7章思考题与习题一、填空题1.霍尔传感器是一种磁敏传感器，它是把磁学物理量转换成电信号的装置，广泛应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等各个领域。
它的最大特点是非接触测量。
2.霍尔电势U H与输入电流I及磁感应强度B成正比，其灵敏度K H与霍尔系数R H成正比而与霍尔片厚度d成反比。
所以，为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。
3.霍尔元件的结构很简单，它通常由霍尔片、引线和壳体组成。
4.半导体材料的电阻率随磁场强度的增强而变大，这种现象称为磁阻效应，利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻。
二、简答题1.简述你理解中的霍尔效应。
1879年，美国物理学家霍尔（E.H.Hall）经过大量的实验发现：如果让一恒定电流通过一金属或半导体薄片，并将薄片置于强磁场中，在金属薄片的另外两侧将产生与磁场强度成正比的电动势，这个现象后来被人们称为霍尔效应。
假设霍尔元件为N型半导体薄片，薄片厚度为d，磁感应强度为B的磁场方向垂直于薄片。
在薄片前后两端通以控制电流I，那么半导体中的载流子（电子）将沿着与电流I相反的方向运动。
由于外磁场B的作用，使电子受到洛仑兹力F L而发生偏转，结果在半导体的右端面上电子积累带负电，而左端面缺少电子带正电，在半导体的左右端面间形成电场。
该电场产生的电场力F E阻止电子继续偏转。
当F E和F L相等时，电子积累达到动态平衡。
这时在半导体左右两端面之间（即垂直于电流和磁场方向）建立电场，称为霍尔电场E H，相应的电势U H称为霍尔电势。
2.制成霍尔元件常用的材料有哪些？1948年以后，由于半导体技术迅速发展，人们找到了霍尔效应比较明显的半导体材料，并制成了锑化铟、砷化镓、砷化铟、硅、锗等材料的霍尔元件。
目前常用的霍尔元件材料是N型硅，它的灵敏度、温度特性、线性度均较好。
3.简述集成霍尔传感器的分类、特点及应用场合。
集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。
其输出信号快，传送过程中无抖动现象，且功耗低，对温度的变化是稳定的，灵敏度与磁场移动速度无关。
生物传感器检测技术
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。
第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术
3. 生物传感器的分类
（1）根据传感器输出信号的Fra bibliotek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，
生物传感器检测技术
第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术
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。
第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 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
第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术
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5／，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、5×10-11／L。
得底物浓度。这就是直接测量方式。
第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术
3. 生物传感器的分类
（1）根据传感器输出信号的Fra bibliotek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，
生物传感器检测技术
第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术
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。
第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 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
第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术
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5／，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、5×10-11／L。
生物物理学：7.第七章 生物分子电子学
原子力显微镜(AFM)
生物细胞的表面形态观测；生物大分子的结构及其他性质的观测研究； 生物分子之间力谱曲线的观测。
透射电子显微镜(TEM)
主要用于无机材料的 显微形貌、晶体结构 和相组织的观察与分 析，及各种材料微区 化学成分的定性和定 量检测。广泛应用于 生物学、医学、化学、 物理学、地质学、金 属、半导体、高分子、 陶瓷、纳米材料等。
• 1960s: 二极管的发明：开发可植入的电子器 件刺激器官(起搏器：pacemaker)；
• 1970-1980s: Erwin Neher 和Bert Sakmann膜 片钳：细胞层次上的多信号检测、刺激
• 1990s-单分子分析
研究对象尺度
新技术的出现为生物电子学提供了分析手段
高分辨显微镜 微流控技术 激光共聚焦显微镜
• (1)器件是利用分子组成成分的物理和化学 作用来实现其功能的.
• 能制成高密度线路 • 能构成永久元件 • 极少量的能量就能有极高的工作效率----克
为什么生物电子学出现了新的发展？ （II）
• 纳米科学的兴起，新兴的生物纳米材料
• 电子、信息科学的发展需要新的思路和突破
– 生物科学为电子、信息科学的发展提供了有益 的借鉴（材料、结构、组织…)
• 信息科学是在微电子技术基础上发展出来。
– 上世纪70年代后，神经生理学和信息科学的交 叉产生人工智能领域：如机器人视觉和人工网 络的研究等，开发新的信息处理模式。
1.生物电子学的发展历史
Bioelectronics的名词最早在1912年;
二战后,电子学与生物、医学的出现大交叉;
1960年开始生物医学工程，生物物理学，生物力学，生物医学电 子学的快速发展带动生物电子学的发展
第7章 生物特征识别概述
生物特征
2
生物识别与传统识别方式
持有物 (“something I have”)
广泛性 •Keys 唯一性 •Passport 安全性 •Smart Card 可采集 易接受
知识 (“something I know”)
•Password •PIN 广泛性 唯一性 安全性 可采集 易接受
每个虹膜都包含一个独一无二的基于像冠、水晶体、 细丝、斑点、结构、凹点、射线、皱纹和条纹的特 征的结构； 虹膜具有随机的细节特征和纹理图像，人在出生半 年至一年内虹膜发育完全，此后终身不变；
虹膜识别技术是错误率最低的一种生物特征识 别技术。
13
（1）虹膜识别
14
（1）虹膜识别
虹膜识别的特性 惟一性高。由信息组合的复杂性决定。同卵双胞胎的 虹膜纹理信息不同，同一个人左右眼的虹膜纹理也不 同。 稳定性高。虹膜纹理在胎儿7个月时已形成，出生618个月后终身不变，不随年龄、职业、生活方式的变 化而变化，不被污染，不会磨损，不因疾病改变纹理 结构。 抗欺骗性强。不能人工仿造或手术仿造他人虹膜组织， 使用克隆技术也不能复制。虹膜不留印迹，不会因痕 迹残留导致他人非法获取特征信号。 可采集性强。虹膜具有可见外形，可从一定的距离处 采集信号，不需用户接触设备，可在无光照情况下进 行采集。 15
11
7.3 生物特征识别技术比较
常用的生物特征识别技术
虹膜识别 人脸识别 人耳识别 指纹识别 掌纹识别 手形识别 静脉识别
12
（1）虹膜识别
虹膜识别技术：是基于在自然光或红外光照射 下，对虹膜上可见的外在特征进行计算机识别 的一种生物识别技术。 虹膜：环绕着瞳孔的一层有色的细胞组织；
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ATP
有地球生物的能量“通用货币”之称 ATP 就是 .
ADP AMP ATT 三磷酸腺苷 二磷酸腺苷
一磷酸腺苷
四磷酸腺苷
具有共同起源
生命的本质所表现出化学成分的同一性是地球生命 的一 种表现。
能够适应进化 具有物种不变性
机械论将生命现象简单地归结为物理和化学的过程，即生 命过程的实质就是一架结构极其复杂的机器。这种观 点。
当代生物学以__为带头学科，加上细胞学、神经生物 学及生态学构成四大支柱 在生物体的整个运动过程中，贯穿了物质、__、信息 三者的变化、协调和统一 只有能进行__、自动调节、自我增殖的系统才是有生 命的 生命要与外界环境进行物质和能量的交换，所以它是 个__系统 只有能进行新陈代谢、自我调节、__的系统才是有生 命的
与非生命物质没有本质区别 完全正确 基本完美 尚有可取之处
完全错误
物质
从生物物理学角度的定义，“生命”有三要素， 即 、能 量、信息。
形态 流动
结构
物理学
生命的演化过程总是朝着熵减少的方向进行，一旦负熵的 增加趋近于零，生命将趋向终结，走向死亡。这是从 角 度来理解“生命”的定义。
生物化学 数学
拓扑学
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体细胞杂交(细胞融合技术)使两个不同种类的体细胞融合在一起，从 而产生具有其中一个亲本遗传性状的新细胞。 体细胞杂交(细胞融合技术)的方法有生物学、化学或物理学的。 细胞工程是将一种生物细胞中携带全套遗传信息的基因或染色体全部 转入另一种生物细胞，从而改变细胞的遗传性，改造生物的性状和功 能。 细胞工程中不改变细胞的遗传性。 细胞工程包括细胞融合、细胞器移植、染色体工程、细胞和组培技术 等。 在细胞工程中转移基因是在不同种之间进行的。 将一种生物细胞中携带部分基因或染色体转入另一种生物细胞是细胞 工程。 利用基因工程技术可以将固氮基因转到其他植物中，这样可以免去施 氮肥。 基因工程技术可以应用于疾病诊断。 利用基因工程技术可以生产人胰岛素、生长激素等。 基因工程的目的除了能在受体稳定传代，还要能够表达。 只要目的基因能在受体中复制自己稳定传代，即达到了基因工程的目 的。 免疫学方法筛选带有抗药性基因的质粒用特异性抗体检测基因从而筛 选阳性克隆的方法。 利用核酸杂交法筛选带有抗药性基因的质粒用到的是醋酸纤维薄 膜。 利用核酸杂交法筛选带有抗药性基因的质粒，需要用到放射自显影技 术。 遗传学方法筛选对于带有抗药性基因的质粒，可通过检测受体菌是否 由抗药状态变成敏感状态进行筛选。 筛选就是从大量携带重组体 DNA 的宿主细胞中分离出携带目的基因 的细胞。 转染完整病毒感染细胞或原生质体的过程。 转导用细菌做载体，将一个细胞的基因传递给另一个细胞的过程。 转染是某一基因型细胞从周围介质中吸收另一基因型细胞的 DNA， 而使其基因型和表型发生相应变化的现象。 转导是某一基因型细胞从周围介质中吸收另一基因型细胞的 DNA， 而使其基因型和表型发生相应变化的现象。 转化是用噬菌体做载体，将一个细胞的基因传递给另一个细胞的过 程。 转化是除去蛋白质外壳的病毒核酸感染细胞或原生质体的过程。 转染是用噬菌体做载体，将一个细胞的基因传递给另一个细胞的过 程。 转导是除去蛋白质外壳的病毒核酸感染细胞或原生质体的过程。 转导是用噬菌体做载体，将一个细胞的基因传递给另一个细胞的过 程。
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ATP
有地球生物的能量“通用货币”之称 ATP 就是 .
ADP AMP ATT 三磷酸腺苷 二磷酸腺苷
一磷酸腺苷
四磷酸腺苷
具有共同起源
生命的本质所表现出化学成分的同一性是地球生命 的一 种表现。
能够适应进化 具有物种不变性
机械论将生命现象简单地归结为物理和化学的过程，即生 命过程的实质就是一架结构极其复杂的机器。这种观 点。
当代生物学以__为带头学科，加上细胞学、神经生物 学及生态学构成四大支柱 在生物体的整个运动过程中，贯穿了物质、__、信息 三者的变化、协调和统一 只有能进行__、自动调节、自我增殖的系统才是有生 命的 生命要与外界环境进行物质和能量的交换，所以它是 个__系统 只有能进行新陈代谢、自我调节、__的系统才是有生 命的
与非生命物质没有本质区别 完全正确 基本完美 尚有可取之处
完全错误
物质
从生物物理学角度的定义，“生命”有三要素， 即 、能 量、信息。
形态 流动
结构
物理学
生命的演化过程总是朝着熵减少的方向进行，一旦负熵的 增加趋近于零，生命将趋向终结，走向死亡。这是从 角 度来理解“生命”的定义。
生物化学 数学
拓扑学
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体细胞杂交(细胞融合技术)使两个不同种类的体细胞融合在一起，从 而产生具有其中一个亲本遗传性状的新细胞。 体细胞杂交(细胞融合技术)的方法有生物学、化学或物理学的。 细胞工程是将一种生物细胞中携带全套遗传信息的基因或染色体全部 转入另一种生物细胞，从而改变细胞的遗传性，改造生物的性状和功 能。 细胞工程中不改变细胞的遗传性。 细胞工程包括细胞融合、细胞器移植、染色体工程、细胞和组培技术 等。 在细胞工程中转移基因是在不同种之间进行的。 将一种生物细胞中携带部分基因或染色体转入另一种生物细胞是细胞 工程。 利用基因工程技术可以将固氮基因转到其他植物中，这样可以免去施 氮肥。 基因工程技术可以应用于疾病诊断。 利用基因工程技术可以生产人胰岛素、生长激素等。 基因工程的目的除了能在受体稳定传代，还要能够表达。 只要目的基因能在受体中复制自己稳定传代，即达到了基因工程的目 的。 免疫学方法筛选带有抗药性基因的质粒用特异性抗体检测基因从而筛 选阳性克隆的方法。 利用核酸杂交法筛选带有抗药性基因的质粒用到的是醋酸纤维薄 膜。 利用核酸杂交法筛选带有抗药性基因的质粒，需要用到放射自显影技 术。 遗传学方法筛选对于带有抗药性基因的质粒，可通过检测受体菌是否 由抗药状态变成敏感状态进行筛选。 筛选就是从大量携带重组体 DNA 的宿主细胞中分离出携带目的基因 的细胞。 转染完整病毒感染细胞或原生质体的过程。 转导用细菌做载体，将一个细胞的基因传递给另一个细胞的过程。 转染是某一基因型细胞从周围介质中吸收另一基因型细胞的 DNA， 而使其基因型和表型发生相应变化的现象。 转导是某一基因型细胞从周围介质中吸收另一基因型细胞的 DNA， 而使其基因型和表型发生相应变化的现象。 转化是用噬菌体做载体，将一个细胞的基因传递给另一个细胞的过 程。 转化是除去蛋白质外壳的病毒核酸感染细胞或原生质体的过程。 转染是用噬菌体做载体，将一个细胞的基因传递给另一个细胞的过 程。 转导是除去蛋白质外壳的病毒核酸感染细胞或原生质体的过程。 转导是用噬菌体做载体，将一个细胞的基因传递给另一个细胞的过 程。
生物传感器
（一）电位型电极
1 离子选择电极 离子选择性电极是一类对特定的离子呈选择 性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、价廉等 优点，因此应用范围很广．离子选择性电极作为 生物传感器的信号转换器只是它的一种应用，在 生物医学领域也常直接用它测定体液中的一些成 分（如H+，K+，Na+，Ca2+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。
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。
2 酶的固定化技术
固定化酶(Immobilized Enzyme）是20世纪60年代发展起来的— 项新技术。以往使用的酶绝大多数是水溶性的酶。这些水溶性酶 催化结束后，极难回收，因而阻碍了酶工业的进一步发展。60年 代后，在酶学研究领域内涌现出固定化酶。它是通过物理的或化 学的手段，将酶束缚于水不溶的载体上，或将酶柬缚在一定的空 间内，限制酶分子的自由流动，但能使酶充分发挥催化作用；过 去曾称其为水不溶酶或固相酶。1971年第一届国际酶工程会上正 式建议采用固定化酶的名称。 从60年代起，固定化酶的研究发展很快，起初人们把注意力 集中在酶的固定化方法研究上，近年来，不但固定化方法和载体 开发有了长足发展，并且已转向它在工业、医药、化学分析、亲 和层析、环境保护、能源开发以及理论研究等方面的应用研究。
（二）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。
第七章 基因传感器
第七章 基因传感器 Genosensor
一、基因传感器概述 1. 基因传感器及原理
以DNA为敏感元件，通过信号转换器将
DNA与DNA、DNA与RNA、DNA与其它有机
无机离子之间的作用的生物学信号转变为可检 测的光、电等物理信号。
2.基本结构 DNA探针 信号转换器
3. 基因传感器的制备步骤
● ● ● ●
电化学活性的小分子物质能与DNA分子
发生可逆性相互作用，其中一些物质能够专
一性地嵌入dsDNA 分子双螺旋结构的碱基对
之间，这一类物质称为杂交指示剂。
电化学活性杂交指示剂的电活性可使检
测电流增大，提高检测灵敏度。
●
寡聚核苷酸上修饰电化学活性的官能团 合成带有电化学活性基团的寡聚核苷酸，
与电极表面固定的ssDNA选择性地进行杂交反
肌酸酐水解酶 肌酸酐 H 2O 肌酸 脒基肌酸水解酶 肌酸 H 2O 肌氨酸 脲
肌氨酸 H 2O O2 甘氨酸+HCHO H 2O2
肌氨酸氧化酶
2. 请设计一种免疫传感器测定甲胎蛋白。
封闭
将目标DNA均匀分布在电极表面， 杂交形成ds-DNA
置于杂交指示剂溶液中，取出 洗去表面未被吸附的指示剂
选择DNA探针遵循的原则：
●
探针的长度 GC碱基的组成 探针分子内不能存在互补区
●
●
二、基因传感器的类型
● ● ●
电化学DNA传感器
光纤DNA传感器
压电型DNA传感器
1. 电化学DNA传感器
（2）检测原理
检测时，将ssDNA探针固定在电极表面，加入
具有电活性的物质作为标识物，浸入含有被测目标 DNA分子的溶液中，通过检测电极在待测溶液中 电化学信号的变化，确定靶基因的序列。 或者将待测基因片段固定在电极表面，然后与
一、基因传感器概述 1. 基因传感器及原理
以DNA为敏感元件，通过信号转换器将
DNA与DNA、DNA与RNA、DNA与其它有机
无机离子之间的作用的生物学信号转变为可检 测的光、电等物理信号。
2.基本结构 DNA探针 信号转换器
3. 基因传感器的制备步骤
● ● ● ●
电化学活性的小分子物质能与DNA分子
发生可逆性相互作用，其中一些物质能够专
一性地嵌入dsDNA 分子双螺旋结构的碱基对
之间，这一类物质称为杂交指示剂。
电化学活性杂交指示剂的电活性可使检
测电流增大，提高检测灵敏度。
●
寡聚核苷酸上修饰电化学活性的官能团 合成带有电化学活性基团的寡聚核苷酸，
与电极表面固定的ssDNA选择性地进行杂交反
肌酸酐水解酶 肌酸酐 H 2O 肌酸 脒基肌酸水解酶 肌酸 H 2O 肌氨酸 脲
肌氨酸 H 2O O2 甘氨酸+HCHO H 2O2
肌氨酸氧化酶
2. 请设计一种免疫传感器测定甲胎蛋白。
封闭
将目标DNA均匀分布在电极表面， 杂交形成ds-DNA
置于杂交指示剂溶液中，取出 洗去表面未被吸附的指示剂
选择DNA探针遵循的原则：
●
探针的长度 GC碱基的组成 探针分子内不能存在互补区
●
●
二、基因传感器的类型
● ● ●
电化学DNA传感器
光纤DNA传感器
压电型DNA传感器
1. 电化学DNA传感器
（2）检测原理
检测时，将ssDNA探针固定在电极表面，加入
具有电活性的物质作为标识物，浸入含有被测目标 DNA分子的溶液中，通过检测电极在待测溶液中 电化学信号的变化，确定靶基因的序列。 或者将待测基因片段固定在电极表面，然后与
《传感器与检测技术(胡向东,第2版)》习题解答
《传感器与检测技术(胡向东,第2版)》习题解答传感器与检测技术习题解答王涛第1章概述什么是传感器？答：传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常敏感元件和转换元件组成。
传感器的共性是什么？答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量输入转换成电量输出。
传感器一般哪几部分组成？答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。
另外还需要信号调理与转换电路，辅助电源。
被测量敏感元件传感元件信号调节转换电路辅助电源传感器是如何分类的？答：传感器可按输入量、输出量、工作原理、基本效应、能量变换关系以及所蕴含的技术特征等分类，其中按输入量和工作原理的分类方式应用较为普遍。
①按传感器的输入量进行分类按输入量分类的传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
②按传感器的工作原理进行分类根据传感器的工作原理，可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
③按传感器的基本效应进行分类根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
改善传感器性能的技术途径有哪些？答：①差动技术；②平均技术；③补偿与修正技术；④屏蔽、隔离与干扰抑制；⑤稳定性处理。
第2章传感器的基本特性什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。
静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。
衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。
利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。
设压力为0MPa时输出为0mV，压力为时输出最大且为。
压力/MPa 输出值/mV 第一循环第二循环第三循环正行程反行程正行程反行程正行程反行程解：①求非线性误差，首先要求实际特性曲线与拟合直线之间的最大误差，拟合直线在输入量变化不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段。
生物传感器
二、酶生物传感器 应用固定化酶 固定化酶作为敏感元件的生物传感器 应用固定化酶作为敏感元件的生物传感器 酶电极 酶场效应管传感器 酶生物传感器 酶热敏电阻传感器 酶光纤传感器 (一)、酶电极传感器 一、 定义： 固定化酶与离子选择电极 气敏电极、 与离子选择电极、 定义：由固定化酶与离子选择电极、气敏电极、氧化还原 电极等电化学电极 电化学电极组合而成的生物传感器 电极等电化学电极组合而成的生物传感器 电流型酶电极 酶电极 电势型酶电极
二、生物敏感材料的固定化技术 生物传感器制作的核心部分 1、固定化的目的：将生物敏感物质限制在一定的空间，但 、固定化的目的：将生物敏感物质限制在一定的空间， 又不妨碍被分析物的自由扩散 2、固定化的方法 、 1）吸附法 ） 用非水溶性载体物理吸附 离子结合， 物理吸附或 用非水溶性载体物理吸附或离子结合，使蛋白质分子固定 化的方法。 化的方法。 物理吸附：通过极性键、氢键、 物理吸附：通过极性键、氢键、疏水力或 π 电子的相互作 用将生物组分吸附在不溶性的惰性载体上。 用将生物组分吸附在不溶性的惰性载体上。 离子交换吸附法：选用具有离子交换性质的载体， 离子交换吸附法：选用具有离子交换性质的载体，在适宜 条件下， 的PH条件下，使生物分子与离子交换剂通过离子键结合， 条件下 使生物分子与离子交换剂通过离子键结合， 形成固定化层。 形成固定化层。
待测物 的浓度
放大、 放大、输出 检测处理电路
电信号
二、生物传感器的分类及特点 ）、分类 （一）、分类 酶传感器 免疫传感器
光生物传感器
热生物传感器
微生物传感器 生物传感器 生物传 半导体生物 感器 信号转换器） 组织传感器 （信号转换器） 传感器 敏感物质） （敏感物质） 电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ学生物 细胞传感器 传感器 基因传感器 声波生物 传感器
第七章 生物监测
3、PFU微型生物群落监测法
PFU法是以聚氨酯泡沫塑料块（PFU）作为人工 基质沉入水体中，经一定时间后，水体中大部分微型 生物种类均可群集到PFU内，达到种数平衡，通过观 察和测定该落结构与功能的各种参数来评价水质状 况。
根据水环境条件确定采样时间，一般在静水中采 样约需四周，在流水中采样约需两周；采样结束后， 带回实验室，把PFU中的水全部挤于烧杯内，用显微 镜进行微型生物种类观察和活体计数。
高分子化合物分解产 生氨基酸、氨等
硫化铁氧化成氢氧化 铁，底泥不呈黑色 细菌较多，每毫升在 10万个以上
β-中污带
寡污带
氧化作用更 因氧化使无机化
强烈
达到矿化阶段
较多
很多
较低
低
无
无
大部分有机 物已完成无 机化过程
有Fe2O3存 在
数量减少， 每毫升在10 万个以下
有机物全分解
大部分氧化 数量少，每毫升 在100个以下
的肉眼可见的水生无脊椎动物。
鱼类
微生物
生物群落监测方法
1、生物指数监测法（贝克生物指数 、贝克-津田 生物指数 、生物种类多样性指数 、硅藻生 物指数 ）
2、污水生物系统法 3、 PFU微型生物群落监测法（简称PFU法）
1、生物指数监测法
（1）.贝克生物指数和贝克-津田生物指数
生物指数（BI）=2A+B
式中：A、B——分别为敏感底栖动物种类数和耐污底栖动物种类数。
贝克生物指数： 从采样点采到的底栖大型无脊椎动物
当BI＞10时，为清洁水域；BI为1~6时，为中等污 染水域；BI=0时，为严重污染水域。
贝克－津田生物指数： 所有拟评价或监测的河段各种底栖大型无脊椎动物
生物传感器-讲义(学生完整版)
医用传感器应具有以下特性：
（1） （2） （3） （4） （5） （6） 足够高的灵敏度。能够检测出微弱的生物信号。 尽可能高的信噪比。以便在干扰和噪声背景中提取有用的信息。 良好的精确性。以保证检测出的信息准确、可靠。 足够快的响应速度。能够跟随生物体信息量的变化。 良好的稳定性。保持长时间检测漂移很小，输出稳定。 较好的互换性，调试、维修方便。
第三节
一、医用传感器的用途
医用传感器的用途和分类
医学领域有很多反映生命体征的量，常见的各种量如表 1-1 所示。
反映生命的信息绝大多数属于非电量， 其放大和处理是很困难的。 医用传感器是把非电量转换成电量的器件。 表 1-1 中所列的生物电本身就是电量，但在生物体内处于离子导电的状态，需要采用医用电极将离子导电转换成 导体内的电子导电，然后才能进行放大和处理，所以医用电极也可以被看做是一种特殊的医用传感器。
2
第二章 传感器的基本特性
传感器的特性主要指其转换信息的能力和性质。这种能力和性质常用传感器输人和输出的对应关系来描述。 传感器的输人量可分为静态量和动态量，静态量是指常量或变化缓慢的量，动态量是指周期变化、瞬态变化或随 机变化的量。
第一节 一、静态特性
传感器的静态特性
传感器的输入量在较长时间维持不变或发生极其缓慢的变化， 则传感器的输出量与输人量间的关系即为静态 特性。这种关系一般是由传感器的物理、化学或生物的特性来决定。 输出与输人的关系可分为线性特性和非线性特性。 通常人们都希望传感器的输出和输人之间具有确定的对应 关系，并且具有线性关系，即满足理想的输出输人关系，以便如实反映待测的信息。但实际遇到的传感器大多为 非线性特性，其静态特性可用下列多项式代数方程表示： （2-1） y=a0＋a1x＋a2 x2＋...＋anxn 式中，y 是输出信号；x 是输人信号；a0 是无输入时的输出，零位输出；a1 是传感器的线性灵敏度；a2 ,a3,...,an 是 非线性项的待定常数。 此方程又称为传感器静态特性的数学模型。若 a0 = 0，则静态特性过原点，此时静态特性由线性项和非线性 项叠加而成。一般有以下几种典型情况： （一） 、理想线性特性 当 a2=a3=...=an=0 时，输人与输出之间具有理想的线性关系，特性曲线如图 2-1 （a）所示。此时传感器的静 态特性为 （2-2） y = a1x 静态特性曲线为一条直线。具有这种特性的传感器称为线性传感器。 若 a0≠0，a1≠0， a2 =a3 =a4 =…=0，仍表示线性，只是这时的直线不通过原点，有零偏 a0； 若输人分别为 x，x＋△x，则对应于两者的输出差△y 为 （2-3） △y =a1△x 。 这时的 a1 称为传感器的灵敏度（sensitivity） （二） 、非线性项次数为偶数 当 a3 =a5 =a7 =...=0 时，特性曲线如图 2-1 （b）所示。此时传感器的静态特性为 （2-4） y=a1x+a2 x+a4 x4 +... 不具有对称性，且线性范围较窄，所以传感器设计时一般很少采用这种特性。 （三） 、非线性项次数为奇数 当 a2 =a4＝…=时，传感器的静态特性为 （2-5） y=a1x+a3 x3 + a5 x5+... 特性曲线如图 2-1 （c）所示。特性曲线关于原点对称 y（x）＝-y（-x） ，在原点有较宽的线性区，不少差动 式传感器具有这种特性。在实际应用中，差动式传感器就是将电器元件对称排列以消除电器元件的偶次分量，使 线性得到改善，同时也使灵敏度提高一倍。
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生物活性材料
各种酶类 细菌，真菌，动植物细胞 动植物组织切片 线粒体，叶绿素 抗体，抗原，酶标抗原
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
➢按照其分子识别原理，生物敏感膜可包括:
1. 基于生物催化反应的生物敏感膜 2. 基于生物吸附的生物敏感膜 3. 基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜
➢ 生物活性物质：
•迅速识别被测物质并与之发生化学反应； •具有高特异性和敏感性。
➢ 膜材料：天然，人工
图 7.2.1 生物敏感膜示意图
Slide 4
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
➢按照生物活性材料的不同，生物敏感膜可包括:
生物敏感膜
酶膜 全细胞膜 组织膜 细胞器膜 免疫功能膜
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
以上仅举了固定化酶、固定化细胞的例子； 实际上，根据感受器的不同，可以将生物传感器分成以下几种类型：
◦ 酶传感器——固定化酶； ◦ 微生物传感器——固定化细胞； ◦ 免疫传感器——固定化抗原/抗体； ◦ ……
下面我们从酶传感器开始，进一步为大家介绍上述生物传感器。
Slide 15
图 7.2.7 共价连接法示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
酶蛋白上可供载体结合的功能基团有以下几种：
（1）酶蛋白N末端的α-氨基或赖氨酸残基的ε-氨基。 （2）酶蛋白C末端的α-羧基、天门冬氨酸残基的β-羧基以及谷
氨酸残基的γ-羧基。 （3）半胱氨酸残基的巯基。 （4）丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基的羟基。 （5）组氨酸残基的咪唑基。 （6）色氨酸残基的吲哚基。 （7）苯丙氨酸和酪氨酸残基的苯环。
固定化活细胞与固定化酶相比有何优越之处？
都以酶的应用为目的，其制备方法也基本相同。固定化活 细胞的制备条件比固定化酶更要温和，其制备方法主要有物理吸 附法和包埋法两种。
固定化活细胞保持了酶的原始状态，酶的稳定性更高，对 污染的抵抗力更强；通常采用微生物细胞，生长力强，细胞多， 反应快。
Slide 23
原理： LAPS利用调制光从正面或背面对EIS结构
进行光照寻址，通过检测绝缘体表面不同光照 部位的电势变化而实现对溶液中特定离子的浓 度的检测。
优点： 1) 通过光照 LAPS的不同敏感部位， 可实现多 参数测量； 2) 稳定性好； 3) 易于封装； 4) 检测时间短。
半导体
Slide 32
参考文献：梁卫国等. 光寻址电位传感器的机理研究. 半导体光电, 2001, 22(3):184-187, 210.
Slide 27
§7-3 酶传感器
➢ 课本上例子（相同原理）：
§7-3 酶传感器
极谱式氧电极（Clark氧电极）原理： Slide 28
实际应用举例：针状酶电极传感器
§7-3 酶传感器
➢ 我们注意到，葡萄糖氧化酶电极、乳酸酶电极等多数酶电极，其反应式：
➢ 其中，都需要分子氧参与氧化还原反应。
那么如果在缺氧，或氧分压不断变化的环境下怎么办呢？
Slide 24
§7-3 酶传感器
酶传感器的组成和工作原理：
➢ 固定化酶膜：选择性地“识别”被检测的物质，并且催化被“识别”出的 物质发生化学反应； ➢ 变换器：把这一催化反应中底物或产物的变量转换成电信号，进而通过仪 表显示出来。
Slide 25
图 7.3.1 酶传感器的工作原理
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
§7-3 酶传感器
Slide 12
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
图 7.2.4 酶的固定化方法
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 将生物活性材料封闭在双层滤膜之间
优点： ➢ 操作简单； ➢ 不需要任何化学处理； ➢ 固定生物量大； ➢ 响应速度快； ➢ 重现性好。
制备方法如图所示：
Slide 21
图 7.2.10 LB膜成膜方法
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
Slide 22
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
➢ 固定化死细胞——只利用其酶活性； ➢ 固定化活细胞——经固定化后，细胞仍保存活性，能进行正常的生长、 繁殖和新陈代谢，所以称为固定化活细胞或固定化增殖细胞。
§7-2 生物敏感膜与固定化技术 §7-3 酶传感器
第7章 生物传感器
上节内容回顾
生物传感器的基本组成
§7-2
生
敏
二
被测物质
物 敏 生物学反应信息
感 元
电信号
次 仪
感
件
表
膜
Slide 2
第7章 生物传感器
生
敏
二
被测物质
物 敏 生物学反应信息
感 元
电信号
次 仪
感
件
表
膜
生物学反应： •酶促反应 •免疫学反应 •微生物反应 •受体配体结合反应
生物学反应信息： •离子变化 •质子变化 •气体分压变化
……
传感器元件： •离子选择性电极 •场效应晶体管 •热敏元件
……
Slide 3
传 ➢ 酶传感器
§7-3
感 ➢ 微生物和组织及细胞传感器
器 ➢ 免疫传感器
第7章 生物传感器
7-2-1 生物敏感膜
➢ 生物传感器的最关键部分；
➢ 载有生物活性物质的膜层；
Slide 6
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
基于敏感膜中的特定酶与底物反应； 在接触生物物质或有机物质后，发生催化反应； 生成的化学产物，其中一种产物可有传感器元件所感知。
Slide 7
图 7.2.2 基于生物催化反应的生物敏感膜示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
基于生物亲和性物质（抗体-抗原，DNA-RNA等）； 一方固定在膜上作为分子识别元件； 特异性反应引起膜电位变化。
Slide 8
图 7.2.3 基于生物吸附的生物敏感膜示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
直接利用具有生物活性的天然生物膜或人工生物膜；
缺点：稳定性较差（酶膜）。
适用范围：微生物和组织膜。
Slide 13
图 7.2.5 夹心法示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 通过非水溶性载体的物理吸附或 离子结合，使蛋白分子固定。
优点： ➢ 不需要化学试剂； ➢ 对酶活性影响小。
缺点：分子易脱落。固常与其他方法结 合使用，如吸附交联法。
➢酶电极：
在基础电极的敏感面上装有固定化酶膜，当电极插入待测溶液时，酶膜中的 酶发生催化反应产生电极活性物质（如氧，过氧化氢，氨等），引起基础电极电位 变化，转化成电信号，由此测出该酶所催化的反应中反应物或反应产物的浓度。
➢根据酶电极的输出信号方式，可有电流型和电位型两类电极。
• 电流型：由催化反应有关物质的电极反应得到的电流来确定反映物质浓度。 如氧电极，燃料电池型电极，过氧化氢电极等。
必须注意，参加共价结合的氨基酸残基应当是酶催化活性非必需基团，如 若共价结合包括了酶活性中心有关的基团，会导致酶的活力损失。
Slide 16
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 将酶分子或细胞包埋并固定在 高分子聚合物三维空间网状结构 基质中。
优点： ➢ 一般不产生化学修饰，对分子 活性影响小； ➢ 膜的孔径和形状可以任意控制； ➢ 被包埋物不易渗漏； ➢ 底物分子可在膜中任意扩散。
Slide 9
图 7.2.4 天然生物膜和人工脂质双分子膜
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
➢ 生物敏感膜必须满足一定的性能，才能够达到实用的目的。 生物敏感膜需要满足哪些性能？
➢ 稳定性；可重复使用；能直接进行底物分析；操作简单；使用方便。 怎样才能够使得生物敏感膜满足以上特点？
➢ 生物敏感膜的制备技术——固定化技术
Slide 29
7.3.2 介体酶电极
§7-3 酶传感器
——以介体（Mediator）取代O2/H2O2在酶反应和电极间进行电子传递。
以二茂铁单羧酸（Fc）电极为例，介绍工作原理：
Fc作为GOD 的氧化剂，在酶反应与电极过 程间迅速传递电子。
这种传感器可以较好地解决前面所述的问 题，而且能降低工作电位，缩短响应时间，提 高酶电极的选择性和重现性。
Slide 30
参考文献：金利通等. 羧酸二茂铁为介体的生物传感器的研究. 华 东师范大学学报, 1995, 2:60-64.
§7-3 酶传感器
7.3.3 酶敏FET
意义：传感器的微型化 结构：在pH ISFET基础上制备一层GOD膜。（pH ISFET见书249页） 原理： 1）反应式： 2）该反应使酶膜中的pH下降； 3）白蛋白膜为对葡萄糖不敏感的参考膜。
• 电位型：通过测量敏感膜电位来确定与催化反应有关的各种离子浓度。 如氨电极，二氧化碳电极，氢电极等。
Slide 26
7.3.1 电流型生物传感器基本原理
我们以葡萄糖传感器为例，来 介绍电流型生物传感器的基本原理。
➢ 反应原理：
➢ 反应过程：
1．底物S由液相传质到传感器表面 2．底物S通过透析膜 3．底物S在液相与酶层中进行分配 4．底物S在酶层中传质与反应 5．反应产物粒子通过透析膜进入基础 电极室 6．反应产物粒子在基础电极上发生电 荷转移反应
微生物燃料电池(MFC)是一种以微生物为阳极催化剂，将化学能直接转化成 电能的装置。利用MFC不仅可以直接将水中或者污泥中的有机物降解，而且同时 可以将有机物在微生物代谢过程中产生的电子转化成电流，从而获得电能。
生物活性材料
各种酶类 细菌，真菌，动植物细胞 动植物组织切片 线粒体，叶绿素 抗体，抗原，酶标抗原
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
➢按照其分子识别原理，生物敏感膜可包括:
1. 基于生物催化反应的生物敏感膜 2. 基于生物吸附的生物敏感膜 3. 基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜
➢ 生物活性物质：
•迅速识别被测物质并与之发生化学反应； •具有高特异性和敏感性。
➢ 膜材料：天然，人工
图 7.2.1 生物敏感膜示意图
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
➢按照生物活性材料的不同，生物敏感膜可包括:
生物敏感膜
酶膜 全细胞膜 组织膜 细胞器膜 免疫功能膜
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
以上仅举了固定化酶、固定化细胞的例子； 实际上，根据感受器的不同，可以将生物传感器分成以下几种类型：
◦ 酶传感器——固定化酶； ◦ 微生物传感器——固定化细胞； ◦ 免疫传感器——固定化抗原/抗体； ◦ ……
下面我们从酶传感器开始，进一步为大家介绍上述生物传感器。
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图 7.2.7 共价连接法示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
酶蛋白上可供载体结合的功能基团有以下几种：
（1）酶蛋白N末端的α-氨基或赖氨酸残基的ε-氨基。 （2）酶蛋白C末端的α-羧基、天门冬氨酸残基的β-羧基以及谷
氨酸残基的γ-羧基。 （3）半胱氨酸残基的巯基。 （4）丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基的羟基。 （5）组氨酸残基的咪唑基。 （6）色氨酸残基的吲哚基。 （7）苯丙氨酸和酪氨酸残基的苯环。
固定化活细胞与固定化酶相比有何优越之处？
都以酶的应用为目的，其制备方法也基本相同。固定化活 细胞的制备条件比固定化酶更要温和，其制备方法主要有物理吸 附法和包埋法两种。
固定化活细胞保持了酶的原始状态，酶的稳定性更高，对 污染的抵抗力更强；通常采用微生物细胞，生长力强，细胞多， 反应快。
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原理： LAPS利用调制光从正面或背面对EIS结构
进行光照寻址，通过检测绝缘体表面不同光照 部位的电势变化而实现对溶液中特定离子的浓 度的检测。
优点： 1) 通过光照 LAPS的不同敏感部位， 可实现多 参数测量； 2) 稳定性好； 3) 易于封装； 4) 检测时间短。
半导体
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参考文献：梁卫国等. 光寻址电位传感器的机理研究. 半导体光电, 2001, 22(3):184-187, 210.
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§7-3 酶传感器
➢ 课本上例子（相同原理）：
§7-3 酶传感器
极谱式氧电极（Clark氧电极）原理： Slide 28
实际应用举例：针状酶电极传感器
§7-3 酶传感器
➢ 我们注意到，葡萄糖氧化酶电极、乳酸酶电极等多数酶电极，其反应式：
➢ 其中，都需要分子氧参与氧化还原反应。
那么如果在缺氧，或氧分压不断变化的环境下怎么办呢？
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§7-3 酶传感器
酶传感器的组成和工作原理：
➢ 固定化酶膜：选择性地“识别”被检测的物质，并且催化被“识别”出的 物质发生化学反应； ➢ 变换器：把这一催化反应中底物或产物的变量转换成电信号，进而通过仪 表显示出来。
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图 7.3.1 酶传感器的工作原理
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
§7-3 酶传感器
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
图 7.2.4 酶的固定化方法
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 将生物活性材料封闭在双层滤膜之间
优点： ➢ 操作简单； ➢ 不需要任何化学处理； ➢ 固定生物量大； ➢ 响应速度快； ➢ 重现性好。
制备方法如图所示：
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图 7.2.10 LB膜成膜方法
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
➢ 固定化死细胞——只利用其酶活性； ➢ 固定化活细胞——经固定化后，细胞仍保存活性，能进行正常的生长、 繁殖和新陈代谢，所以称为固定化活细胞或固定化增殖细胞。
§7-2 生物敏感膜与固定化技术 §7-3 酶传感器
第7章 生物传感器
上节内容回顾
生物传感器的基本组成
§7-2
生
敏
二
被测物质
物 敏 生物学反应信息
感 元
电信号
次 仪
感
件
表
膜
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第7章 生物传感器
生
敏
二
被测物质
物 敏 生物学反应信息
感 元
电信号
次 仪
感
件
表
膜
生物学反应： •酶促反应 •免疫学反应 •微生物反应 •受体配体结合反应
生物学反应信息： •离子变化 •质子变化 •气体分压变化
……
传感器元件： •离子选择性电极 •场效应晶体管 •热敏元件
……
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传 ➢ 酶传感器
§7-3
感 ➢ 微生物和组织及细胞传感器
器 ➢ 免疫传感器
第7章 生物传感器
7-2-1 生物敏感膜
➢ 生物传感器的最关键部分；
➢ 载有生物活性物质的膜层；
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
基于敏感膜中的特定酶与底物反应； 在接触生物物质或有机物质后，发生催化反应； 生成的化学产物，其中一种产物可有传感器元件所感知。
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图 7.2.2 基于生物催化反应的生物敏感膜示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
基于生物亲和性物质（抗体-抗原，DNA-RNA等）； 一方固定在膜上作为分子识别元件； 特异性反应引起膜电位变化。
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图 7.2.3 基于生物吸附的生物敏感膜示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
直接利用具有生物活性的天然生物膜或人工生物膜；
缺点：稳定性较差（酶膜）。
适用范围：微生物和组织膜。
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图 7.2.5 夹心法示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 通过非水溶性载体的物理吸附或 离子结合，使蛋白分子固定。
优点： ➢ 不需要化学试剂； ➢ 对酶活性影响小。
缺点：分子易脱落。固常与其他方法结 合使用，如吸附交联法。
➢酶电极：
在基础电极的敏感面上装有固定化酶膜，当电极插入待测溶液时，酶膜中的 酶发生催化反应产生电极活性物质（如氧，过氧化氢，氨等），引起基础电极电位 变化，转化成电信号，由此测出该酶所催化的反应中反应物或反应产物的浓度。
➢根据酶电极的输出信号方式，可有电流型和电位型两类电极。
• 电流型：由催化反应有关物质的电极反应得到的电流来确定反映物质浓度。 如氧电极，燃料电池型电极，过氧化氢电极等。
必须注意，参加共价结合的氨基酸残基应当是酶催化活性非必需基团，如 若共价结合包括了酶活性中心有关的基团，会导致酶的活力损失。
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 将酶分子或细胞包埋并固定在 高分子聚合物三维空间网状结构 基质中。
优点： ➢ 一般不产生化学修饰，对分子 活性影响小； ➢ 膜的孔径和形状可以任意控制； ➢ 被包埋物不易渗漏； ➢ 底物分子可在膜中任意扩散。
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图 7.2.4 天然生物膜和人工脂质双分子膜
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
➢ 生物敏感膜必须满足一定的性能，才能够达到实用的目的。 生物敏感膜需要满足哪些性能？
➢ 稳定性；可重复使用；能直接进行底物分析；操作简单；使用方便。 怎样才能够使得生物敏感膜满足以上特点？
➢ 生物敏感膜的制备技术——固定化技术
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7.3.2 介体酶电极
§7-3 酶传感器
——以介体（Mediator）取代O2/H2O2在酶反应和电极间进行电子传递。
以二茂铁单羧酸（Fc）电极为例，介绍工作原理：
Fc作为GOD 的氧化剂，在酶反应与电极过 程间迅速传递电子。
这种传感器可以较好地解决前面所述的问 题，而且能降低工作电位，缩短响应时间，提 高酶电极的选择性和重现性。
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参考文献：金利通等. 羧酸二茂铁为介体的生物传感器的研究. 华 东师范大学学报, 1995, 2:60-64.
§7-3 酶传感器
7.3.3 酶敏FET
意义：传感器的微型化 结构：在pH ISFET基础上制备一层GOD膜。（pH ISFET见书249页） 原理： 1）反应式： 2）该反应使酶膜中的pH下降； 3）白蛋白膜为对葡萄糖不敏感的参考膜。
• 电位型：通过测量敏感膜电位来确定与催化反应有关的各种离子浓度。 如氨电极，二氧化碳电极，氢电极等。
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7.3.1 电流型生物传感器基本原理
我们以葡萄糖传感器为例，来 介绍电流型生物传感器的基本原理。
➢ 反应原理：
➢ 反应过程：
1．底物S由液相传质到传感器表面 2．底物S通过透析膜 3．底物S在液相与酶层中进行分配 4．底物S在酶层中传质与反应 5．反应产物粒子通过透析膜进入基础 电极室 6．反应产物粒子在基础电极上发生电 荷转移反应
微生物燃料电池(MFC)是一种以微生物为阳极催化剂，将化学能直接转化成 电能的装置。利用MFC不仅可以直接将水中或者污泥中的有机物降解，而且同时 可以将有机物在微生物代谢过程中产生的电子转化成电流，从而获得电能。