生物传感器的原理及应用

压电晶体生物传感器
• 利用压电石英晶体对表面电极区附着质量的敏感性，并结 合生物功能分子(如抗原和抗体)之间的选择特异性，使压 电晶体表面产生微小的压力变化，引起其振动频率改变可 制成压电生物传感器 。 • 它主要由压电晶体、振荡电路、差频电路、频率计数器及 计算机等部分组成。 • 常用压电晶体材料：石英（SiO2）、钽酸锂（LiTaO3） • 晶体振动两种类型：体声波(bulk acoustic wave, BAW) 表面声波(Surface acoustic wave, SAW)
生物传感器的原理及应用
卢余盛
110420205 生物化工
一、传感器的含义
传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、 流量、声强、光照度等）转换成易于测量、传输、处理的电学量 （如电压、电流、电容等）的一种组件，起自动控制作用。一般由 敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，如：
非电物理量 敏感元件 转换器件 转换电路 电学量
pH 测量原理
玻璃 电极 参比 电极
pH 计
测量系统是： – pH 玻璃电极 – 参比电极
E = EGlas - ERef
此方程是用来测量溶液中pH电极 与参比电极的电位之差。
pH电极构造
玻璃电极
S7 接口 填充口 铂金属丝 参比电解液 参比系统 内参比液 电极膜玻璃 膜玻璃
参比电极
复合电极
• 动物组织电极主要有:肾组织电极、肝组织电极、肠组织 电极、肌肉组织电极、胸腺组织电极等。测定对象主要有: 谷氨酰胺、葡萄糖胺 6 磷酸盐、Ｄ 氨基酸、Ｈ2Ｏ2、地 高辛、胰岛素、腺苷、ＡＭＰ等。 • 植物组织电极敏感元件的选材范围很广,包括不同植物的 根、茎、叶、花、果等。植物组织电极制备比动物组织电 极更简单,成本更低并易于保存。 • 细胞器电极传感器是利用动植物细胞器作为敏感元件的传 感器。细胞器是指存在于细胞内的被膜包围起来的微小 “器官”,如线粒体、微粒体、溶酶体、过氧化氢体、叶 绿体、氢化酶颗粒、磁粒体等等。 • 其原理是利用细胞器内所含的酶(往往是多酶体系)。
组织电极与细胞器电极传感器
• 直接采用动植物组织薄片作为敏感元件的电化学传感器称 组织电极传感器。 • 其原理是利用动植物组织中的酶, • 优点：酶活性及其稳定性均比离析酶高,材料易于获取,制 备简单,组织中酶处于适宜的环境，同时又相当于被固定 化了，使用寿命长等。 • 缺点：但在选择性、灵敏度、响应时间等方面还存在不足。
热生物传感器
酶传感器
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
应用举例：葡萄糖传感器
工作原理
葡萄糖氧化酶（ＧＯＤ）
葡萄糖+H2O＋Ｏ２――――――→葡萄糖酸＋Ｈ２Ｏ２
原理
• 被分析物扩散进入固定化生物敏感膜，经分子识别， 发生生物学反应，产生的信息继而被相应的化学换能器或 物理换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经检测放 大器放大并输出，便可知道待测物浓度。
待分析物
生 物 敏 感 膜
换
化学量或 物理量变化
能 器
可定量加工 的电信号
分子识别原件
换能器
•
换能器的作用是将各种生物的、化学的和物理的信息 转换成电信号。生物学反应过程产生的信息是多元化的， 微电子学和传感器技术的现代成果为检测这些信息提供了 丰富的手段，使得研究者在设计生物传感器时换能器的选 择有足够的回旋余地。 主要的换能器包括氧电极、光敏管、场效应管、和压 电晶体等。
按分子识别元件分类
酶传感器
固定化酶 固定化 微生物
微生物 传感器
固定化免疫物质
分子识别 元件 免疫传感器
固定化细胞器
生物组织切片
细胞器传感器
组织传感器
按器件分类
生物电极 光生物传感器
电化学电极 介体
介体生物传感器
光学换能器 半导体 换能器 压电晶体
压电晶体生物传感器
换能器
半导体生物 传感器
传递系统 热敏电阻
•
生物传感器的分类
• a.根据生物传感器中生物分子识别元件上 的敏感物质可 分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、基因传 感 器、免疫传感器等； • b. 根据生物传感器的信号转化器可分为电化学生物传感 器、半导体生物传感器、热生物传感器、光生物传感器、 压电型生物传感器等。 电化学生物传感器又可分为安培型和电位型两种。
生物传感器

生物传感器(biosensor)：以生物活性单元(如酶、抗
体、核酸、细胞等)作为生物敏感基元，对目标被测物具 有高度选择性的检测器。它通过各种物理、化学型信号转 换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应，然后将反应的程 度用离散或连续的电信号表达出来，从而得出被测物的浓 度。

是由固定化的生物敏感材料作识别元件与适当的 理化换能器及信号放大装置构成的分析工具或系 统
• 2.热电传感器
热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温 度的变化而变化的原理制成的，如各种家用电 器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等） 的温度控制、火警报警器、恒温箱等。
• 3.光电传感器
光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光 电管。如果是光敏电阻的阻值随光照强度的变 化而变化的原理制成的。如自动冲水机、路灯 的控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用 了光电传感器的原理。 声电传感器、电容传感器。。。。
电化学ＤＮＡ传感器
• 电化学DNA传感器是利用单链DNA (ssDNA) 或基因探针作 为敏感元件固定在固体电极表面,加上识别杂交信息的电 活性指示剂(称为杂交指示剂)共同构成的检测特定基因的 装置。 • 其工作原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的 ssDNA与溶液中的同源序列的特异识别作用(分子杂交)形 成双链DNA(dsDNA)(电极表面性质改变),同时借助一能识 别ssDNA和dsDNA的杂交指示剂的电流响应信号的改变来达 到检测基因的目的。
Ｏ2+２Ｈ2Ｏ+４e=======４ＯＨ－
免疫传感器的工作原理
• 基本原理是免疫反应。利用固定化抗体（或抗原）膜与 相应的抗原（或抗体）的特异反应，使得生物敏感膜的 电位发生变化。 • 抗原或抗体一经固定于膜上，就形成具有识别免疫反应 强烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纤维素膜上进行
固定化，由于蛋白质为双极性电解质，（正负电极极性
杂交检测技术 • 电化学检测DNA 可以分为直接检测和间接检测。 • 直接检测的依据在于DNA 与某些电极表面的直接电子转移 是可能的,而且DNA 的一些组分包括碱基和核糖在一定电 势窗口下也是有电化学活性的。 • 间接检测则是通过一些氧化还原媒介来实现电子传递,借 助于这些与DNA 选择性结合的有电化学活性的指示剂来进 行杂交检测。
二、传感器的分类
1.力电传感器 力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位 移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的 仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如 安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS 防抱死制动系统等。
S A A P B R0 S A E P B R0 V E
随ＰＨ值而变）所以抗原固定化膜具有表面电荷。其膜 电位随膜电荷要变化。故根据抗体膜电位的变化，可测
知抗体的附量。
免疫传感器的结构
3室注入含 有抗体的 盐水
抗体与固 定化抗原 膜上的抗 原相结合
膜表面吸 附抗体
膜带电状 态变化 1、2室内 的电极产 生电位差
微生物电极传感器
• 将微生物(常用的主要是细菌和酵母菌)作为敏感 材料固定在电极表面构成的电化学生物传感器称 为微生物电极传感器。 • 其工作原理大致可分为三种类型:
微生物传感器——BOD传感器 （示例）
• 发展背景：传统标准稀释法所需时间长、操作繁琐、准确 度差。BOD传感器不仅能满足实际监测的要求，并且有快 速、灵敏的特点。 • BOD传感器的工作原理：以微生物的单一菌种或混合种群 作为BOD微生物电极，由于水体中BOD物质的加人或降解代 谢的发生，导致水中的微生物内外源呼吸方式的变化或转 化，藕联着电流强弱信号的改变，一定条件下传感器输出 的电流值与BOD的浓度呈线性关系。 • 制作BOD生物传感器的微生物主要有酵母、假单胞菌、芽 抱杆菌、发光菌和嗜热菌等。
– 其一,利用微生物体内含有的酶(单一酶或复合酶)系来 识别分子,这种类型与酶电极类似; – 其二,利用微生物对有机物的同化作用,通过检测其呼 吸活性(摄氧量)的提高,即通过氧电极测量体系中氧的 减少间接测定有机物的浓度; – 其三,通过测定电极敏感的代谢产物间接测定一些能被 厌氧微生物所同化的有机物。
石英晶体电极及表面固定和检测
谢谢！
故葡萄糖浓度测试方法有三种：
Байду номын сангаас①测耗量Ｏ２ ②测Ｈ２Ｏ２生成量
③测由葡萄糖酸而产生的ＰＨ变化。
手掌型血糖分析器
测量氧消耗量的葡萄糖传感器
测量氧消耗量的葡萄糖传感器
1. 氧电极构成：①由Ｐb阳极和Ｐt阴极浸入碱溶液，②阴 极表面用氧穿透葡萄糖（基质）膜覆盖[特氟隆，厚约 １０μm] 2. 氧电极测O2原理：利用氧在阴极上首先被还原的特性。 溶液中的O2穿过特氟隆膜到达Pt阴极上，当外加一个直 流电压为氧的极化电压(如0.7V)时，则氧分子在Pt阴极 上得电子，被还原:其电流值与含O2浓度成比例。