第12章生物传感器（课件）- 《传感器与检测技术（第4版）》同步教学（机工版）

第12章　生物传感器 知识单元与知识点 生物传感器的概念、特点、分类； 生物传感器的工作原理； 生物芯片的含义与分类； 生物传感器的发展。 能力点 理解生物传感器的概念、特点、分类； 理解生物传感器的工作原理； 了解生物芯片的含义与分类； 了解生物传感器的发展。 重难点 重点：生物传感器的概念、特点、分类；生物传感器的工作原理；生物芯片的含义与分类。 难点：生物传感器的工作原理；生物芯片的工作机理。 学习要求 了解生物传感器的概念、特点、分类； 了解生物传感器的工作原理； 了解生物芯片的含义与分类； 了解生物传感器的发展。 12.1　概述 一、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。 二、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。 12.1.3 生物传感器的分类 根据传感器输出信号的产生方式：亲和型生物传感器、代谢型生物传感器、催化型生物传感器。 根据生物传感器中信号检测器（分子识别元件）上的敏感物质分类：生物传感器可分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞及细胞器传感器、基因传感器、免疫传感器等 根据生物传感器的信号转换器分类：电化学生物传感器、半导体生物传感器、热学型生物传感器、光学型生物传感器、声学型生物传感器等 根据检测对象的多少：以单一化学物质为检测对象的单功能型生物传感器和同时检测微量多种化学物质的多功能型生物传感器。 根据生物传感器的用途：免疫传感器、药物传感器等。 12.1.4 生物传感器的应用 目前，生物传感器应用较多的领域是在医疗、医药、生物工程、环境保护、食品、农业、畜牧等与生命科学关系密切的一些领域 随着社会的进一步信息化，生物传感器必将获得越来越广泛的应用 生物传感器的主要应用领域 生物传感在线分析系统 12.2 生物传感器的基本原理 换能器（Transducer） 感受器（Receptor） 测量信号（Measurable Signal） =分析物（Analyte） 溶液（Solution） 选择性膜（Thin selective membrane） 识别元件（RECOGNITION） 生物传感器工作机理 一、生物分子特异性识别（生物感受器） 生物感受器是一种可以识别目标分析物的生物材料。 表　生物传感器的分子识别元件 分子识别元件 生物活性单元 酶膜 各种酶类 全细胞膜 细菌、真菌、动植物细胞 组织膜 动植物组织切片 细胞器膜 线粒体、叶绿体 免疫功能膜 抗体、抗原、酶标抗原等 二、生物放大 生物放大作用:指模拟和利用生物体内的某些生化反应，通过对反应过程中产量大、变化大或易检测物质的分析来间接确定反应中产量小、变化小、不易检测物质的(变化)量的方法。 通过生物放大原理可以大幅度提高分析测试的灵敏度。 生物传感器常用的生物放大作用: 酶催化放大 酶溶出放大 酶级联放大 脂质体技术 聚合酶链式反应和离子通道放大等。 三、 信号转换与处理 表　生物传感器的信号处理方法 由生物活性元件引起的变化（生物学反应信息） 信号处理方法（换能器的选择） 电极活性物质的生成或消耗 电流检测电极法 离子性物质的生成或消耗 电位检测电极法 膜或电极电荷状态的变化 膜电位法、电极电位法 质量变化 压电元件法 阻抗变化 电导率法 热变化（热效应） 热敏电阻法 光谱特性变化（光效应） 光纤和光电倍增管   几种主要的生物传感器 1、酶传感器(Enzyme Sensor) 测定项目 酶 固定化方法 使用电极 稳定性／天 测定范围（mg/ml） 葡萄糖 葡萄糖氧化酶 共价 氧电极 100 1～5×102 胆固醇 胆固醇酯酶 共价 铂电极 30 10～5×103 青霉素 青霉素酶 包埋 PH电极 7～14