第二讲 生物传感器

1.2 生物传感器原理
BIOSENSORS
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。
1.1 概述
Ⅰ 定义
BIOSENSORS
传感器：能感受(或响应)一种信息并变换成可测 量信号(一般指电信号)的装置。 生物传感器：将生物体的成份（酶、抗原、抗体、 激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）固 定化在一器件上作为敏感元件的传感器称为生物 传感器。
Ⅱ 生物传感器的基本组成
BIOSENSORS
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。
生物传感器原理 信号转换：
BIOSENSORS
在感应器即具有生物功能活性的膜内发生的化学 反应中，必然会消耗或产生一些化学物质，或者产 生热和光等，这些变化都必须先转变成电信号，然 后经过电子技术的处理之后才能从仪表上显示或记 录下来。目前在生物传感器中研究最多的是电化学 生物传感器，其转换器主要有电流型和电位型两类。
1.1 概
述
BIOSENSORS
传 感 器 是 什 么？
人体中的传感器：
耳朵、眼睛、手指、鼻子和舌头 ……
嗅觉膜 敏感元件
神经细胞
神经纤维
大脑 信号处理器
传送器
鼻子类似于传感器
传感器是什么？
实验室中的传感器：
石蕊试纸 --- 显色反应 pH试纸 --- 混合指示剂
BIOSENSORS
pH 计 --- 电化学装置
第一代生物传感器： 1977年,钤木周一等发表了关于对生化需氧 量(BOD)进行快速测定的微生物传感器的报 告 ,并在微生物传感器对发酵过程的控制等 方面 ,作了详细报导 ,正式提出了对生物传 感器的命名。
第一代生物传感器：
BIOSENSORS
上市产品： ① 1979年，美国YSI公司(维赛仪器公司) ，血糖测试用
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）
主 讲： 何海波 博士 讲师
（上海大学理学院化学系） Advanced analytical technology
生物功能物质的固定化方法
BIOSENSORS
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。
是一种由四氟乙烯与 全氟-2-(磺酸乙氧基) 丙基乙烯基醚的共聚 物, Nafion为美国杜 邦公司注册的商品名。
c) 苯丙氨酸
苯丙氨酸胺裂解酶
+ NH3
L-苯丙氨酸 (phenylalanine)
反式肉桂酸盐 （trans-3-phenylacrylic acid ）
BIOSENSORS
电位型生物传感器实例 ---- 氨 键连
d) 腺苷：
腺嘌呤脱氧氨基酶
+ NH3
腺苷 （Adenosine)
Ⅳ 生物传感器的发展历程
BIOSENSORS
第一代生物传感器：
1962年，Clark和 Lyon报道了用葡萄糖氧化酶与 氧电极相结合检测葡萄糖的结果，可认为是最早 提出了生物传感器（酶传感器）的原理。
第一代生物传感器：
BIOSENSORS
1967年Updike和 Hicks将葡萄糖氧化酶固定在氧电极表面， 研制成功酶电极，被认为是世界上第一个生物传感器，开创 了生物传感器的历史。这类传感器抗干扰能力差，背景电流 大，易受溶液中氧浓度变化影响。
偶氮染料
环糊精
生物传感器原理
生物功能物质的固定化
BIOSENSORS
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。
生物功能物质的固定化方法
①
BIOSENSORS
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。
TiO2电极
生物功能物质的固定化方法
BIOSENSORS
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。
测量信号 （Measurable Signal）
选择性膜（Thin selective membrane）
= 分析物（Analyte）
生物传感器原理
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。
b）葡萄糖：
葡萄糖氧化酶 (glucose oxidase )
+ O2
+ H2 O2
葡萄糖 (glucose )
葡萄糖酸 （gluconic acid)
BIOSENSORS
电位型生物传感器实例 ---- pH 键连
C）尿素： 尿素酶固定在pH 电极上。
尿素酶
CO(NH2)2 + 2H2O
2NH4+ + CO32-
其中：m=1, 2或3; n=6～7; x≈1000
生物功能物质的固定化方法
BIOSENSORS
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。
敏感膜（分子识别原件）、换能器（传送 和转换）和 信号处理器
Ⅲ 生物传感器的优点
BIOSENSORS
可进入生物体内实现活体检测； 样品一般无需预处理，被测组 测定过程简单迅速； 分的分离和检测同时完成，且 准确度和灵敏度高，一般相 对误差不超过1％； 测定时不需加入其它试剂； 体积小，便于野外连续自动 采用固定化生物活性物质作敏 监测； 感基元（催化剂），价值昂贵 专一性强，只对特定的底物 的试剂可以重复多次使用； 起反应，而且不受颜色、浊 分析成本远低于大型分析仪器， 度的影响。 便于推广普及； 测定范围广泛；
手掌型葡萄糖(glucose)分析仪
Ⅴ 国内外得到应用的生物传感器： 固定化酶传感分析仪，国外以美国的YSI 公司和德国BST公司为代表，都有系列分析仪 产品，它们主要用于环境监测和食品分析， 国内到目前为主只有山东省科学院生物研究 所 的 系 列 化 产 品 在 市 场 得 到 应 用 。
SPR (surface plasma resonance)生物传感器，在 日、美、德、瑞典等国得到了开发和初步应用。
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。
生物功能物质和分子识别
BIOSENSORS
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。犹如钥匙和锁的关系一样，一把钥匙只能打开一把 锁。因此所制备的生物传感器具有很高的选择性，可以从 不经前处理的样品中，直接测定出欲测的物质。
BIOSENSORS
Ⅳ 生物传感器的发展历程
第三代生物传感器:
最近,人们更关注酶与电极之间的直接电子传递研究,
并用于构造第三代生物传感器；
将生物技术和集成电路技术结合起来，研制成场效应 生物传感器； 生物传感器和流动注射分析与电脑技术相结合； 定位在更具携带式，自动化，与实时测定功能。
BIOSENSORS
电位型生物传感器实例
BIOSENSORS
2. 氨键连： 反应产物为氨的任何反应都可以用氨选 择性电极来检测。 a) 尿素：尿素酶固定在氨电极的聚丙烯膜上。 b) 肌酸酐：肌酸酶固定在氨电极的聚丙烯膜上。
+ NH3
肌酸酐 (Creatinine)
肌酸 （Creatine）
电位型生物传感器实例 ---- 氨键连
Ⅴ 国内外得到应用的生物传感器：
测定水质的BOD（biochemical oxygen demand） 分析仪，在市场上有以日本和德国为代表产品供应
德国研发的环境废水BOD分析仪
BIOSENSORS
Ⅴ 国内外得到应用的生物传感器：
BIOSENSORS
采用丝网印刷和微电子技术的手掌型血糖分析器， 已形成规模化生产，年销售量约为10亿美元
BIOSENSORS
定义为使用抗体或受体蛋白当分子识别组件，换能器 的选用则朝向更为多样化，诸如场效半导体(FET)，光 纤(FOS)，压晶体管(PZ)，表面声波器(SAW)等。 组织、微生物、免疫、酶免疫和细胞器等传感器。
上市产品：如瑞典Pharmacia公司推出的BIAcore与 BIAlite两项产品(1991年）。
化学物质 力 热 光
声 被 测 对 象 生物敏 感膜 （分子 识别感 受器） 物理、化学反应 换 能 器 电 信 号
图16-1 生物传感器原理图
. . .
生物传感器工作机理
溶液（Solution） 识别元件（Recognition）
BIOSENSORS
换能器（Transducer）
感受器（Receptor）
电位型生物传感器
BIOSENSORS
大都是基于对于某种离子或气体具有选择性的电极。
1.
pH键连：是最简单的电位型生物传感器，可用于任何
当化学反应时有pHFra Baidu bibliotek变化的体系。制作传感器必须有合适的 酶固定在pH电极上。 a) 青霉素：
青霉素 （penicillin ）
青霉噻唑盐
电位型生物传感器实例 ---- pH 键连
BIOSENSORS
Ⅵ 生物传感器的发展方向
BIOSENSORS
生物传感器是一个多学科交叉的高技术领域，伴随着生物科学、信息科学和 材料科学等相关学科的高速发展，生物传感器的发展将会有以下新特点：
1. 功能更加全面，并向微型化发展
未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、食品检测、环境监测、 发酵工业的各个领域。当前生物传感器研究中的重要内容之一就是研究 能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器,即仿生传感器。 而且随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化， 使人们面前出现各种便携式生物传感器的。 2. 智能化程度更高 未来的生物传感器将会和计算机完美紧密的结合，能够自动采集数据、 处理数据，可以更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、最终形成 检测的自动化系统。同时, 芯片技术将越来越多地进入传感器领域,实现检测 系统的集成化、一体化。
酵素电极。
② 1988年，美国Medisense公司（1996年，雅培），电 化学法血糖仪-- ExactechPen ，袭卷70%以上的第一
代产品市场，成为生物传感器业的盟主。目前全球每天有 250万人使用MediSense的血糖仪。
雅培血糖仪(手握式)
Ⅳ 生物传感器的发展历程
第二代生物传感器：
生物功能物质的固定化方法
BIOSENSORS
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。
生物功能物质的固定化方法
BIOSENSORS
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。