生物传感器
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• • • • 产生于生物体内 具有催化活性 分子量巨大（1万——百万） 高效催化性（常温、方向性明显、速 度极高） • 高度专一性（物质、产物）
酶传感器的类型
酶传感器是应用固定化酶作为敏感元件 的生物传感器，依据信号转换器的类 型，酶传感器大致可分为酶电极、酶 场效应管传感器、酶热电阻传感器等
• 名词解释 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应测量的 部分.
碱性磷酸酶
对硝基苯磷酸酯+H2O
对硝基苯酚+磷酸
测量在404nm波长下光吸收的变化，即可确定对硝基苯磷酸酯的含量，线 性范围为0-400μmol/L，生物体内许多脂类和脂肪类物质都可用类似
传感器进行测定。
目前，研究和应用最多的当属检测NADH的光纤光学型酶传感器。这类传 感器的探头是基于脱氢酶进行分子识别，例如 乳酸+NAD(+)
80年代生物传感器研究领域已 基本形成
——1985年“生物传感器”国际刊 物在英国创刊 ——1987年生物传感器经典著作在 牛津出版社出版； ——1990年首届世界生物传感器学 术大会在新加坡召开，并且确定以 后每隔二年召开一次。
中国已产业化和应用的主要生 物传感器种类
手掌型血糖分析器 胰岛素泵 固定化酶生物传感分析仪和系统 BOD微生物传感器 SPR生物传感器
进行传感。在此传感器中，用固定化谷氨酸脱氢酶、
NADH、FMN氧化还原酶和海生细菌荧光素酶制成混合生物 催化层。某些生物催化反应所残生的物质不能直接给出光学信号，使 其转变为能进行光检测的物质，形成复合光极。在酶的作用下，被测 底物的浓度是酶层微环境中氢离子、氧气、氨气、二氧化碳或过氧化 氢浓度的函数，他们含量的变化可悲光导纤维传感层中的相应光极所 检测。这类传感器的设计已有40余种，有的已用于临床分析。
分子印迹生物传感器
1.概述
分子印迹（molecular imprinting，MIP）是一种利用对特定化合 物具有的预定选择性来制备合成识别位点的技术。虽然此概念 已经存在了多年，但实验方法学及应用只是在近年才有了长足 的进展。 在MIP基质中，印迹部分特异性地互补于模板分子，因而对模板 分子具有选择性。只有当主体和客体的结合部位在分子大小、 形状和化学基团功能互补时，才发生分子受体与底物之间的分 子识别与结合。 这种分子识别与结合，类似于酶-底物复合物、 抗体-抗原结合物、激素-受体系统等天然的分子识别性能，故 MIP生物传感器的开拓者之一Mosbach教授将MIP诙谐地称为 “塑料抗体”（plastic antibody）.
图1 MIP制备的一般步骤
3.分子印迹与换能器的结合
MIP可以与各种物理换能器和化学换能器整合，构成MIP 生物 传感器。已报道的有关研究大多属于分子间的识别与结合，所采用 换能器包括电化学能器、场效应晶体管（FET）换能器、压电 （PZ或SAW）换能器或光学换能器。这里只就电化学换能器作一 下介绍。
2.MIP制备基本原理
图1为MIP制备的一般过程，其过程包括三个步骤：①模板分子和 配体（如单体分子，即聚合物前体分子）间的相互作用，形成模板分 子－配体分子复合物；②在交联剂存在下，在模板－配体复合物周围 进行主体聚合反应；③洗脱去除聚合物中的模板分子，留下印迹聚合 物。 将印迹聚合物与换能器耦合，形成MIP传感器（图2）。也可以在 换能器表面直接进行聚合反应，制备MIP传感器。分析物经扩散进入 敏感层，经过换能器转换成可检测信号，完成传感器过程。
—0.1.mmol/L，检测下限为2μmol/L，当溶液pH为7.4时，上述反应
逆向进行，在含有丙酮酸的试液中加入少量NADH，则可根据生物催化 层中荧光信号的降低，测定丙酮酸的含量。测定范围为0——
0.1.mmol/L ，检测下限为1μmol/L.
在生物催化层中生成的也可利用耦合的 FMN（黄素单核苷酸）生物发光反应，通过光导纤维
酶传感器的类型
热 光 测 定 物 质
热敏电阻传感器 光纤传感器
H正离子 透气膜 氧气 过氧化氢 氨气 二氧化碳 酶膜
电位（电极） 电流（场效应管）
铂阴电极 铂阳电极
电流测量 电极 电位测量
氢正离子敏感膜
光纤光学型酶传感器
• 工作原理
光纤探头 酶膜
酶 底物 产物
底物
产物
• 工作原理
利用固定化酯酶或脂肪酶做成生物催化层进行 分子识别，在通过产物的光吸收对底物浓度进行传感。如下述反应
碱性磷酸酶
丙酮酸+NADH
此反应是可逆的，增高溶液pH，有利于
NADH的生成。在含有乳酸的试液中加入
NAD(+)(氧化态辅酶I)，当pH为8.6时，在探头中 固定化乳酸脱氢酶的催化作用下生成的NADH， 可用荧光法进行检测。激发波长为350nm，荧光 发射波长为450nm，荧光强度与乳酸含量成比例，测定范围为0—
生物传感器
组长：潘凯强 组员：傅笑晨 蔡常青 胡宗满
生物传感器的活跃性
生物信息学 生物芯片 生物控制论 仿生学 生物计算机
生物传感器中应用的生物活性 材料对象 大分子（蛋白质等）
细胞 细胞器 器官 人工合成的分子印迹聚合物
等
第一种生物传感器—— 葡萄糖酶ห้องสมุดไป่ตู้极
1967年Updike和Hicks
葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜 + 氧电极组
4.分子印迹传感器的应用
分子印迹传感器的应用范围十分广泛，主要包括生物毒素 检测、农药测定、药物检测、体液生化测定、小分子肽和蛋白 质测定、模拟酶传感器、结合－开关模式测定等。下面是农药 测定的实例。 2，4－D是广泛使用的除草剂，同时也造成环境污染。采用 甲基丙烯酸（MAA）作为功能单体，成功地印记了具有2，4－ D结合特征的聚合物。 Yamazaki等利用MIP方法制备一种电流型有机酸三酯杀虫剂 传感器。聚合物中的2价钴－imidazoles复合是模拟有机磷酸三 酯杀虫剂水解酶（磷酸酯酶）的活性中心。该聚合物能够水解 对硫磷产生对硝基酚和二乙基磷酸。对硝基酚继而在传感器系 统的阳极被氧化。检测下限为100nmol/L，检测时间为4min， 操作温度为40摄氏度。
国内外差距的比较
——产业正处在发展阶段，有较大经济潜力的 项目主要是手掌型血糖分析仪及胰岛素泵二类 产品； ——生产单位不多，都属于中小型企业。但是 行业竞争激烈； ——与外资公司同类产品相比较，技术上差距 不大；
生物传感器的发展
临床诊断 工业控制 食品和药物分析 环境保护
酶传感器
酶的本质和特征
图2 MIP传感器结构原理
电化学换能器的工作原理是化学反应中常常与电相关，反应 电位取决于反应物与生成物之间的吉布斯自由能的差值与它们 的浓度值，通过测量化学反应的电势等就可以鉴定物质及其浓 度。电化学换能器包括电流型和电位型两种。其中电流型换能 器容易制作，所需设备成本也比较低。电流型装置的信号取决 于反应物在电极表面的会传导速率。多数常用的装置是通过测 定氧分压降低、过氧化氢的产生或介体分子的氧化电位等对分 析底物进行检测。电换能器由生物膜的选择透过性保证，常用 于测定各种离子（如钙、硝酸盐、钾等）
酶传感器的类型
酶传感器是应用固定化酶作为敏感元件 的生物传感器，依据信号转换器的类 型，酶传感器大致可分为酶电极、酶 场效应管传感器、酶热电阻传感器等
• 名词解释 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应测量的 部分.
碱性磷酸酶
对硝基苯磷酸酯+H2O
对硝基苯酚+磷酸
测量在404nm波长下光吸收的变化，即可确定对硝基苯磷酸酯的含量，线 性范围为0-400μmol/L，生物体内许多脂类和脂肪类物质都可用类似
传感器进行测定。
目前，研究和应用最多的当属检测NADH的光纤光学型酶传感器。这类传 感器的探头是基于脱氢酶进行分子识别，例如 乳酸+NAD(+)
80年代生物传感器研究领域已 基本形成
——1985年“生物传感器”国际刊 物在英国创刊 ——1987年生物传感器经典著作在 牛津出版社出版； ——1990年首届世界生物传感器学 术大会在新加坡召开，并且确定以 后每隔二年召开一次。
中国已产业化和应用的主要生 物传感器种类
手掌型血糖分析器 胰岛素泵 固定化酶生物传感分析仪和系统 BOD微生物传感器 SPR生物传感器
进行传感。在此传感器中，用固定化谷氨酸脱氢酶、
NADH、FMN氧化还原酶和海生细菌荧光素酶制成混合生物 催化层。某些生物催化反应所残生的物质不能直接给出光学信号，使 其转变为能进行光检测的物质，形成复合光极。在酶的作用下，被测 底物的浓度是酶层微环境中氢离子、氧气、氨气、二氧化碳或过氧化 氢浓度的函数，他们含量的变化可悲光导纤维传感层中的相应光极所 检测。这类传感器的设计已有40余种，有的已用于临床分析。
分子印迹生物传感器
1.概述
分子印迹（molecular imprinting，MIP）是一种利用对特定化合 物具有的预定选择性来制备合成识别位点的技术。虽然此概念 已经存在了多年，但实验方法学及应用只是在近年才有了长足 的进展。 在MIP基质中，印迹部分特异性地互补于模板分子，因而对模板 分子具有选择性。只有当主体和客体的结合部位在分子大小、 形状和化学基团功能互补时，才发生分子受体与底物之间的分 子识别与结合。 这种分子识别与结合，类似于酶-底物复合物、 抗体-抗原结合物、激素-受体系统等天然的分子识别性能，故 MIP生物传感器的开拓者之一Mosbach教授将MIP诙谐地称为 “塑料抗体”（plastic antibody）.
图1 MIP制备的一般步骤
3.分子印迹与换能器的结合
MIP可以与各种物理换能器和化学换能器整合，构成MIP 生物 传感器。已报道的有关研究大多属于分子间的识别与结合，所采用 换能器包括电化学能器、场效应晶体管（FET）换能器、压电 （PZ或SAW）换能器或光学换能器。这里只就电化学换能器作一 下介绍。
2.MIP制备基本原理
图1为MIP制备的一般过程，其过程包括三个步骤：①模板分子和 配体（如单体分子，即聚合物前体分子）间的相互作用，形成模板分 子－配体分子复合物；②在交联剂存在下，在模板－配体复合物周围 进行主体聚合反应；③洗脱去除聚合物中的模板分子，留下印迹聚合 物。 将印迹聚合物与换能器耦合，形成MIP传感器（图2）。也可以在 换能器表面直接进行聚合反应，制备MIP传感器。分析物经扩散进入 敏感层，经过换能器转换成可检测信号，完成传感器过程。
—0.1.mmol/L，检测下限为2μmol/L，当溶液pH为7.4时，上述反应
逆向进行，在含有丙酮酸的试液中加入少量NADH，则可根据生物催化 层中荧光信号的降低，测定丙酮酸的含量。测定范围为0——
0.1.mmol/L ，检测下限为1μmol/L.
在生物催化层中生成的也可利用耦合的 FMN（黄素单核苷酸）生物发光反应，通过光导纤维
酶传感器的类型
热 光 测 定 物 质
热敏电阻传感器 光纤传感器
H正离子 透气膜 氧气 过氧化氢 氨气 二氧化碳 酶膜
电位（电极） 电流（场效应管）
铂阴电极 铂阳电极
电流测量 电极 电位测量
氢正离子敏感膜
光纤光学型酶传感器
• 工作原理
光纤探头 酶膜
酶 底物 产物
底物
产物
• 工作原理
利用固定化酯酶或脂肪酶做成生物催化层进行 分子识别，在通过产物的光吸收对底物浓度进行传感。如下述反应
碱性磷酸酶
丙酮酸+NADH
此反应是可逆的，增高溶液pH，有利于
NADH的生成。在含有乳酸的试液中加入
NAD(+)(氧化态辅酶I)，当pH为8.6时，在探头中 固定化乳酸脱氢酶的催化作用下生成的NADH， 可用荧光法进行检测。激发波长为350nm，荧光 发射波长为450nm，荧光强度与乳酸含量成比例，测定范围为0—
生物传感器
组长：潘凯强 组员：傅笑晨 蔡常青 胡宗满
生物传感器的活跃性
生物信息学 生物芯片 生物控制论 仿生学 生物计算机
生物传感器中应用的生物活性 材料对象 大分子（蛋白质等）
细胞 细胞器 器官 人工合成的分子印迹聚合物
等
第一种生物传感器—— 葡萄糖酶ห้องสมุดไป่ตู้极
1967年Updike和Hicks
葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜 + 氧电极组
4.分子印迹传感器的应用
分子印迹传感器的应用范围十分广泛，主要包括生物毒素 检测、农药测定、药物检测、体液生化测定、小分子肽和蛋白 质测定、模拟酶传感器、结合－开关模式测定等。下面是农药 测定的实例。 2，4－D是广泛使用的除草剂，同时也造成环境污染。采用 甲基丙烯酸（MAA）作为功能单体，成功地印记了具有2，4－ D结合特征的聚合物。 Yamazaki等利用MIP方法制备一种电流型有机酸三酯杀虫剂 传感器。聚合物中的2价钴－imidazoles复合是模拟有机磷酸三 酯杀虫剂水解酶（磷酸酯酶）的活性中心。该聚合物能够水解 对硫磷产生对硝基酚和二乙基磷酸。对硝基酚继而在传感器系 统的阳极被氧化。检测下限为100nmol/L，检测时间为4min， 操作温度为40摄氏度。
国内外差距的比较
——产业正处在发展阶段，有较大经济潜力的 项目主要是手掌型血糖分析仪及胰岛素泵二类 产品； ——生产单位不多，都属于中小型企业。但是 行业竞争激烈； ——与外资公司同类产品相比较，技术上差距 不大；
生物传感器的发展
临床诊断 工业控制 食品和药物分析 环境保护
酶传感器
酶的本质和特征
图2 MIP传感器结构原理
电化学换能器的工作原理是化学反应中常常与电相关，反应 电位取决于反应物与生成物之间的吉布斯自由能的差值与它们 的浓度值，通过测量化学反应的电势等就可以鉴定物质及其浓 度。电化学换能器包括电流型和电位型两种。其中电流型换能 器容易制作，所需设备成本也比较低。电流型装置的信号取决 于反应物在电极表面的会传导速率。多数常用的装置是通过测 定氧分压降低、过氧化氢的产生或介体分子的氧化电位等对分 析底物进行检测。电换能器由生物膜的选择透过性保证，常用 于测定各种离子（如钙、硝酸盐、钾等）