第8章 生物传感（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学）

第8章 新型传感器 --生物传感器 1 生物传感器的基本概念 生物传感器通常是指由一种生物敏感部件和转化器紧密结合,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。 它是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控方法,也是对物质在分子水平上进行快速和微量分析的方法 1.1生物传感器工作原理 生物传感器的工作原理是待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生的信息如光、热、音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度。 1.1.1 将化学变化转变成电信号 酶传感器为例,酶催化特定底物发生反应,从而使特定生成物的量有所增减.用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合,即组成酶传感器.常用转换装置有氧电极、过氧化氢。 1.1.2 将热变化转换成电信号 固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化.例如大多数酶反应的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围.这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化,后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中. 1.1.3 将光信号转变为电信号 例如，过氧化氢酶,能催化过氧化氢/鲁米诺体系发光,因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端,再和光电流测定装置相连,即可测定过氧化氢含量. 还有很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧光.也可以用这种方法测定底物浓度. 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. 1.1.4 直接产生电信号方式 这种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. 1.2生物传感器发展历程 开端于 20 世纪 60 年代。 1962 年克拉克等人报道了用葡萄糖氧化酶与氧电极组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。 1967年Updike等人实现了酶的固定化技术 ,研制成功酶电极 ,这被认为是世界上第一个生物传感器。 1.3 生物传感器分类 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; 根据生物传感器的信号转换器可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。 生物亲合型传感器 被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发生变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。反应式可表示为： S（底物）+ R（受体） = SR 代谢型传感器 底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型传感器，其反应形式可表示为 S（底物）＋R（受体）= SR → P（生成物） 1.4 生物传感器组成部分 一是生物分子识别元件(感受器),是具有分子识别能力的生物活性物质(如组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等); 二是信号转换器(换能器),主要有电化学电极(如电位、电流的测量)、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等，当待测物与分子识别元件特异性结合后,所产生的复合物(或光、热等)通过信号转换器变为可以输出的电信号、光信号等,从而达到分析检测的目的。 1.5 生物传感器优点 (1)根据生物反应的特异性和多样性,理论上可以制成测定所有生物物质的传感器,因而测定范围广泛 (2)一般不需进行样品的预处理,它利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂,使测定过程简便迅速,容易实现自动分析 (3)体积小、响应快、样品用量少,可以实现连续在位检测 (4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反复多次使用 (5)准确度高,一般相对误差可达到1%以内 (6)可进行活体分析，传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪,因而便于推广普及 (7)有的微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息 2 生物传感器的信号转换器 生物传感器中的信号转换器是将分子识