第11章-生物传感器
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• 固定化技术：使酶等活性物质固定在各种载体上，并 作为生物敏感膜应用的结合技术
• 目前固定的生物活性物质：酶、辅酶、抗原、抗体、 微生物菌体、激素、抑制ຫໍສະໝຸດ Baidu、细胞器等
• 固定化技术主要有吸附法、共价键合法、物理包埋法 和交联法
生物传感器的分类
根据传感器输出信号的产生方式,可分为生物亲合型生物 传感器、代谢型或催化型生物传感器;
如：
组织芯片
组织芯片与基因芯片、蛋白质 芯片及细胞芯片等一样，属于一种 特殊、新型的生物芯片，是一种新 型的高通量、多样本的研究工具。
1 电化学生物传感器
• 酶催化特定生物物质发生反应，使特定反应 产物的量增减
• 换能器把产物量的增减转换为电信号 • 电化学电极分为电位型电极和电流型电极
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．
基因芯片
基因芯片又称寡核苷酸探针微 阵列。将系列DNA片段固定在载体 上（硅片、尼龙膜）。可同时进行 数百次常规测试。
大量探针分子固定于支持物上 后，利用DNA双链的互补碱基之间 的氢键作用，与标记的样品分子进 行杂交，然后用精密扫描仪或摄像 纪录，通过计算机软件分析处理， 得到有价值的生物信息。
• 当全血样品滴加到固定有裂解剂和氧化试剂的传感器 敏感膜上时,血红细胞在裂解剂作用下发生裂解,释放 出的Hb与氧化试剂作用生成稳定的棕红色产物,Hb浓度 愈高,敏感膜颜色愈深。通过光纤光谱仪检测,反应后 的敏感膜在波长570 nm处产生特异性吸收,且得到的光 反射率与Hb浓度有较好的线性关系。
4 直接产生电信号方式
根据分子识别元件的敏感物质分：酶传感器、微生物传 感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器。
根据换能器分：电极型、测热型、发光型、半导体型、 测声型。
按工作原理分：电化学生物传感器、热效应生物传感器、 光电效应生物传感器。
生物传感器的工作原理
• 将化学变化转变成电信号（间接型） • 将热变化转换为电信号（间接型） • 将光效应转变为电信号（间接型） • 直接产生电信号方式（直接型）
在基因芯片制备过程中，使用 了半导体领域的微加工技术（如右 图中的光刻技术）。
基因芯片可同时对大量核酸分子进行检测分析，已应用 于生物医学、生物分子学、人类基因组研究和医学临床 诊断领域。如基因表达与分析、疾病诊断、药物研究与 开发等。
蛋白质芯片
蛋白质芯片主要是蛋白质如抗 原或抗体在载体上的有序排列，依 据蛋白质 分子、蛋白质与核酸相 互作用的原理进行杂交、检测和分 析。
别功能的生物活性物质——高度特异/高度敏感
如：酶， 抗原，抗体，各种受体。
酶 (Enzyme)
抗体(Antibody)
• 换能器将信号转换为电信号。有电极 （化学变化转换为电信号）、光电转换 器（将光信号转换成电信号）、热电转 换器、离子敏感性场效应管（将离子浓 度变化转换成电信号）等。
• 生物传感器的固定化技术是生物传感器制作的核心
• 上述三原理的生物传感器共同点： 都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物
发生化学反应,将反应后所产生的化学或物理变化再通过 信号转换器转变为电信号进行测量,这种方式统称为间接 测量方式.
• 直接产生电信号方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生 物细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用)在电极表面上 发生.根据所得的电流量即可得底物浓度.
• 组织芯片。
世界著名生物芯片公司:Affymetrix (Santa Clara, California)
其他: Brax Genomics Limited (Cambridge, UK) ， Hyseq (Sunnyvale, California) ， Incyte Pharmaceuticals(Palo Alto, Cali- fornia) 等等。
葡萄糖传感器
C 6 H 1O 2 6 2 H 2 O O 2 葡 萄 糖 C 6 H 1 氧 O 2 7 化 2 H 2 O 酶 2
• 生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜 • 可用的测量量：O2的减少量，葡萄糖酸或H2O2
的产生量
• 信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极
• 此外，还有胆固醇传感器、乳酸传感器、肌酸 和肌酸酐传感器等
• 将光信号转换为电信号 • 如光学DNA生物传感器、血红蛋白检测系
统
DNA
基于光学生物传感器的便携式血 红蛋白检测系统
• 血红蛋白(Hb)存在于血液红细胞中,主要用于氧和二 氧化碳的运输,因此它对人体的新陈代谢起着关键性作 用。
• 所以,Hb 含量的测定对了解机体内循环系统机能水平 及营养状况等信息都是非常重要的。
生物芯片
生物芯片是生物传感器的阵列和集成化。
生物芯片是指包被 在硅片、尼龙膜等固相 支持物上的高密度的组 织、细胞、蛋白质、核 酸、糖类以及其它生物 组分的微点阵。芯片与 标记的样品进行杂交， 通过检测杂交信号即可 实现对生物样品的分析。
生物芯片的类型
常见的生物芯片主要有:
• 基因芯片;
• 蛋白质芯片;
第六章 生物传感器
•生物传感器（biosensor）：生物传感器通常是 指由一种生物敏感部件和换能器紧密结合,对特 定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可 逆响应的分析装置。用于微量物质的检测。
被测物质
生 物 传 物理、化学变化 感 膜
换 能 电信号 器
基本组成和工作原理
• 被识别的生物分子作用于生物传感膜，会产生物理变化或 化学变化。生物敏感膜是生物传感器的关键部分。特定识
2 热效应生物传感器
• 固定化的酶膜与待测生物物质作用，产生热效应 • 热敏元件将热量转换为电阻和电压的变化
TnH/CS
△T：体系的温度变化 n：产物的摩尔数 Cs：体系的热容量 △H：酶催化反应的焓变（能量） 系统温度变化与产物浓度呈线性关系。
3 光电效应生物传感器
• 固定化生物物质与被测生物物质作用， 产生光学现象
• 目前固定的生物活性物质：酶、辅酶、抗原、抗体、 微生物菌体、激素、抑制ຫໍສະໝຸດ Baidu、细胞器等
• 固定化技术主要有吸附法、共价键合法、物理包埋法 和交联法
生物传感器的分类
根据传感器输出信号的产生方式,可分为生物亲合型生物 传感器、代谢型或催化型生物传感器;
如：
组织芯片
组织芯片与基因芯片、蛋白质 芯片及细胞芯片等一样，属于一种 特殊、新型的生物芯片，是一种新 型的高通量、多样本的研究工具。
1 电化学生物传感器
• 酶催化特定生物物质发生反应，使特定反应 产物的量增减
• 换能器把产物量的增减转换为电信号 • 电化学电极分为电位型电极和电流型电极
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．
基因芯片
基因芯片又称寡核苷酸探针微 阵列。将系列DNA片段固定在载体 上（硅片、尼龙膜）。可同时进行 数百次常规测试。
大量探针分子固定于支持物上 后，利用DNA双链的互补碱基之间 的氢键作用，与标记的样品分子进 行杂交，然后用精密扫描仪或摄像 纪录，通过计算机软件分析处理， 得到有价值的生物信息。
• 当全血样品滴加到固定有裂解剂和氧化试剂的传感器 敏感膜上时,血红细胞在裂解剂作用下发生裂解,释放 出的Hb与氧化试剂作用生成稳定的棕红色产物,Hb浓度 愈高,敏感膜颜色愈深。通过光纤光谱仪检测,反应后 的敏感膜在波长570 nm处产生特异性吸收,且得到的光 反射率与Hb浓度有较好的线性关系。
4 直接产生电信号方式
根据分子识别元件的敏感物质分：酶传感器、微生物传 感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器。
根据换能器分：电极型、测热型、发光型、半导体型、 测声型。
按工作原理分：电化学生物传感器、热效应生物传感器、 光电效应生物传感器。
生物传感器的工作原理
• 将化学变化转变成电信号（间接型） • 将热变化转换为电信号（间接型） • 将光效应转变为电信号（间接型） • 直接产生电信号方式（直接型）
在基因芯片制备过程中，使用 了半导体领域的微加工技术（如右 图中的光刻技术）。
基因芯片可同时对大量核酸分子进行检测分析，已应用 于生物医学、生物分子学、人类基因组研究和医学临床 诊断领域。如基因表达与分析、疾病诊断、药物研究与 开发等。
蛋白质芯片
蛋白质芯片主要是蛋白质如抗 原或抗体在载体上的有序排列，依 据蛋白质 分子、蛋白质与核酸相 互作用的原理进行杂交、检测和分 析。
别功能的生物活性物质——高度特异/高度敏感
如：酶， 抗原，抗体，各种受体。
酶 (Enzyme)
抗体(Antibody)
• 换能器将信号转换为电信号。有电极 （化学变化转换为电信号）、光电转换 器（将光信号转换成电信号）、热电转 换器、离子敏感性场效应管（将离子浓 度变化转换成电信号）等。
• 生物传感器的固定化技术是生物传感器制作的核心
• 上述三原理的生物传感器共同点： 都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物
发生化学反应,将反应后所产生的化学或物理变化再通过 信号转换器转变为电信号进行测量,这种方式统称为间接 测量方式.
• 直接产生电信号方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生 物细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用)在电极表面上 发生.根据所得的电流量即可得底物浓度.
• 组织芯片。
世界著名生物芯片公司:Affymetrix (Santa Clara, California)
其他: Brax Genomics Limited (Cambridge, UK) ， Hyseq (Sunnyvale, California) ， Incyte Pharmaceuticals(Palo Alto, Cali- fornia) 等等。
葡萄糖传感器
C 6 H 1O 2 6 2 H 2 O O 2 葡 萄 糖 C 6 H 1 氧 O 2 7 化 2 H 2 O 酶 2
• 生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜 • 可用的测量量：O2的减少量，葡萄糖酸或H2O2
的产生量
• 信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极
• 此外，还有胆固醇传感器、乳酸传感器、肌酸 和肌酸酐传感器等
• 将光信号转换为电信号 • 如光学DNA生物传感器、血红蛋白检测系
统
DNA
基于光学生物传感器的便携式血 红蛋白检测系统
• 血红蛋白(Hb)存在于血液红细胞中,主要用于氧和二 氧化碳的运输,因此它对人体的新陈代谢起着关键性作 用。
• 所以,Hb 含量的测定对了解机体内循环系统机能水平 及营养状况等信息都是非常重要的。
生物芯片
生物芯片是生物传感器的阵列和集成化。
生物芯片是指包被 在硅片、尼龙膜等固相 支持物上的高密度的组 织、细胞、蛋白质、核 酸、糖类以及其它生物 组分的微点阵。芯片与 标记的样品进行杂交， 通过检测杂交信号即可 实现对生物样品的分析。
生物芯片的类型
常见的生物芯片主要有:
• 基因芯片;
• 蛋白质芯片;
第六章 生物传感器
•生物传感器（biosensor）：生物传感器通常是 指由一种生物敏感部件和换能器紧密结合,对特 定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可 逆响应的分析装置。用于微量物质的检测。
被测物质
生 物 传 物理、化学变化 感 膜
换 能 电信号 器
基本组成和工作原理
• 被识别的生物分子作用于生物传感膜，会产生物理变化或 化学变化。生物敏感膜是生物传感器的关键部分。特定识
2 热效应生物传感器
• 固定化的酶膜与待测生物物质作用，产生热效应 • 热敏元件将热量转换为电阻和电压的变化
TnH/CS
△T：体系的温度变化 n：产物的摩尔数 Cs：体系的热容量 △H：酶催化反应的焓变（能量） 系统温度变化与产物浓度呈线性关系。
3 光电效应生物传感器
• 固定化生物物质与被测生物物质作用， 产生光学现象