生物传感器

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
生物传感器组成部分
• 一是生物分子识别元件(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);
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；
•废气或环境大气的监测 ：可用于测定空气中SO2、 NOX、CO2、NH3、CH4等的含量； •农药和抗生素残留量的分析 ：用乙酰胆碱酯酶 和丁酰胆碱酯酶为敏感材料制作的离子敏场效应 晶体管酶传感器可用于蔬菜等样品中有机磷农药 DDVP和伏杀磷等的测定
在生物医学上的应用
•基础研究：生物传感器可实时监测生物大分子之间 的相互作用。借助于这一技术动态观察抗原、抗体 之间结合与解离的平衡关系，可较为准确地测定抗 体的亲和力及识别抗原表位，帮助人们了解单克隆 抗体特性，有目的地筛选各种具有最佳应用潜力的 单克隆抗体 。
生物传感器
概述
生物传感器的定义
一般定义：使用固定化的生物分子(immobilized biomolecules)结合换能器， 用来侦测生物体内或生物体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产 生响应的一种装置。 Gronow定义：一种含有固定化生物物质(如酶、抗体、全细胞、细胞器或其 联合体)并与一种合适的换能器紧密结合的分析工具或系统，它可以将生化 信号转化为数量化的电信号。
几种主要的生物传感器
1、酶传感器(Enzyme Sensor)
测定项目 葡萄糖 胆固醇 青霉素 尿素 磷脂 酶 葡萄糖氧化酶 胆固醇酯酶 青霉素酶 尿素酶 磷脂酶 固定化方法 共价 共价 包埋 交联 共价 使用电极 氧电极 铂电极 PH电极 铵离子电极 铂电极 稳定性／天 100 30 7～14 60 30 测定范围 （mg/ml） 1～5×102 10～5×103 10～1×103 10～1×103 102～5×103
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
生物传感器应用举例
快速葡萄糖(glucose)分析仪
德国研发的环境废水BOD分析仪
一种血糖乳酸自动分析仪
生物传感器的发展
• • • • 开发新材料，采用新工艺 研究仿生传感器 研究多功能集成的智能式传感器 成本低、高灵敏度、高稳定性、高寿命和 微型化生物传感器
• 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。
生物传感器工作原理
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。
• 生物传感器的工作原理是待测物质经扩 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。
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
•临床应用：用酶、免疫传感器等生物传感器来检测 体液中的各种化学成分，为医生的诊断提出依据。 •生物医药： 利用生物工程技术生产药物时，将生物 传感器用于生化反应的监视，可以迅速地获取各种 数据，有效地加强生物工程产品的质量管理。
在军事上的应用
现代战争往往是在核武器、化学武器、生 物武器威胁下进行的战争。侦检、鉴定和检测 是进行有效化学战和生物战防护的前提。由于 具有高度特异性、灵敏性和能快速地探测化学 战剂和生物战剂（包括病毒、细菌和毒素等） 的特性，生物传感器将是最重要的一类化学战 剂和生物战剂侦检器材。如烟碱乙酰胆碱受体 生物传感器和某种麻醉剂受体生物传感器能在 10s内侦检出10-9浓度级的生化战剂，包括委内 瑞拉马脑炎病毒、黄热病毒、炭疽杆菌、流感 病毒等。
乙醇
尿酸 L一谷氨酸 L一谷酰胺 L一酪氨酸
乙醇氧化酶
尿酸酶 谷氨酸脱氨酶 谷酰胺酶 L一酪氨酸脱羧 酶
交联
交联 吸附 吸附 吸附
氧电极
氧电极 铵离子电极 铵离子电极 二氧化碳电 极
120
120 2 2 20
10～5×103
10～1×103 10～1×104 10～1×104 10～1×104
酶传感器的特点：
尿素
L一谷氨酰 胺 多巴胺 丙酮酸 过氧化氢
夹克豆
肾 香蕉 玉米芯 肝
CO2
NH3 O2 CO2 O2
94
30 14 7 14
8×10-5～3×10-3mol/L 5×10-3～2.5×101U/mL
3、微生物传感器(Microorganism Sensor)
测定项目 葡萄糖 微生物 荧光假单胞菌 测定电极 O2 检测范围（mg/L） 5～200
乙醇
亚硝酸盐 维生素B12 谷氨酸 赖氨酸 维生素B1 甲酸 头孢菌素 烟酸
芸苔丝孢酵母
硝化菌 大肠杆菌 大肠杆菌 大肠杆菌 发酵乳杆菌 梭状芽胞杆菌 费式柠檬酸细菌 阿拉伯糖乳杆菌
O2
O2 O2 CO2 CO2 燃料电池 燃料电池 pH pH
5～300
51～200
8～800 10～100 0.01～10 1～300
• (2)一般不需进行样品的预处Hale Waihona Puke Baidu,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
• (4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反复多次使 用
• (5)准确度高,一般相对误差可达到1%以内 • (6)可进行活体分析 • (7)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪,因 而便于推广普及 • (8)有的微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统 内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的 物理化学传感器综合作用才能获得的信息