傳感器原理及應(yīng)用：第十章生物傳感器

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1、LOGO第第1010章章 生物傳感器生物傳感器10.110.210.3第第10章章 生物傳感器生物傳感器生物傳感器的基本感念生物傳感器的基本感念生物傳感器的特點(diǎn)生物傳感器的特點(diǎn)10.4生物反應(yīng)基本知識(shí)生物反應(yīng)基本知識(shí)生物傳感器的工作原理及類型生物傳感器的工作原理及類型10.2 生物傳感器的特點(diǎn)生物傳感器的特點(diǎn)v（1）對(duì)被測(cè)物有極好的選擇性，噪聲低；v（2）操作簡(jiǎn)單，需用樣品少，能直接完成測(cè)定；v（3）經(jīng)固化處理后，能長(zhǎng)期保持其生理活性，傳感器可反復(fù)使用；v（4）能在短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)定；v（5）不要求樣品具備光學(xué)透明度；v（6） 信息是以電信號(hào)方式直接輸出， 容易實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化。 10.3 生物反

2、應(yīng)基本知識(shí)生物反應(yīng)基本知識(shí)10.3.1酶反應(yīng)酶反應(yīng)10.3.2微生物反應(yīng)微生物反應(yīng)10.3.3免疫學(xué)反應(yīng)免疫學(xué)反應(yīng)10.3.4生物傳感器膜技術(shù)和固定化技術(shù)生物傳感器膜技術(shù)和固定化技術(shù)l 10.3.4.1生物敏感膜l 10.3.4.2固定化技術(shù)10.3.5基本電極基本電極10.3.6測(cè)量方式測(cè)量方式10.3.1 酶反應(yīng)酶反應(yīng)v一、酶的定義一、酶的定義v二、酶的蛋白質(zhì)性質(zhì)二、酶的蛋白質(zhì)性質(zhì) 蛋白質(zhì)是氨基酸組成的，而酶的水解產(chǎn)物都是氨基酸，即酶是由氨基酸組成的； 酶具有蛋白質(zhì)所具有的顏色反應(yīng)，如雙縮脲反應(yīng)，茚三酮反應(yīng)等； 一切可使蛋白質(zhì)變性的因素，如熱、酸、堿、紫外線等，同樣可以使酶變性失活； 酶同

3、樣具有蛋白質(zhì)所具有的大分子性質(zhì)，如不能透過(guò)半透膜，可以電泳，并有一定等電位點(diǎn)。10.3.1 酶反應(yīng)酶反應(yīng)v三、酶的催化性質(zhì)三、酶的催化性質(zhì) （1）高度專一性。 （2）催化效率高。 （3）因?yàn)槊甘堑鞍踪|(zhì)，其催化一般在溫和條件下進(jìn)行，極端的環(huán)境條件（如高溫、酸堿）會(huì)使酶失活。 （4）有些酶（如脫氫酶）需要輔酶或輔基。 （5）酶在體內(nèi)的活力常常受多種方式調(diào)控。v四、酶作用機(jī)理四、酶作用機(jī)理 1、降低反應(yīng)活化能 2、結(jié)構(gòu)專一性 3、酶的活性中心 4、“鄰近”“定向”效應(yīng) 5、“誘導(dǎo)契合”與“底物變形” 6、催化的化學(xué)形式10.3.2 微生物反應(yīng)微生物反應(yīng)一、微生物反應(yīng)的特點(diǎn)一、微生物反應(yīng)的特點(diǎn)v 微生

4、物反應(yīng)與酶促反應(yīng)有幾個(gè)共同點(diǎn)：微生物反應(yīng)與酶促反應(yīng)有幾個(gè)共同點(diǎn)： 同屬生化反應(yīng)，都在溫和條件下進(jìn)行； 凡是酶能催化的反應(yīng)，微生物也可以催化； 催化速度接近，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模式近似。v 微生物反應(yīng)在下述方面又有其特殊性：微生物反應(yīng)在下述方面又有其特殊性： 微生物細(xì)胞的膜系統(tǒng)為酶反應(yīng)提供了天然的適宜環(huán)境，細(xì)胞可以在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持一定的催化活性； 在多底物反應(yīng)時(shí)，微生物顯然比單純酶更適宜作催化劑； 細(xì)胞本身能提供酶促反應(yīng)所需的各種輔酶和輔基； 更重要的是微生物細(xì)胞比酶的來(lái)源更方便，更廉價(jià)。v 利用微生物作生物敏感膜時(shí)也有如下不利因素：利用微生物作生物敏感膜時(shí)也有如下不利因素： 微生物反應(yīng)通常伴隨自身

5、生長(zhǎng)，不容易建立分析標(biāo)準(zhǔn)； 細(xì)胞是多酶系統(tǒng)，許多代謝途徑并存，難以排除不必要的反應(yīng)； 環(huán)境條件變化會(huì)引起微生物生理狀態(tài)的復(fù)雜化，不適當(dāng)?shù)牟僮鲿?huì)導(dǎo)致代謝轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，出現(xiàn)不期望有的反應(yīng)。10.3.2 微生物反應(yīng)微生物反應(yīng)二、微生物反應(yīng)類型二、微生物反應(yīng)類型 1、同化與異化 2、自養(yǎng)與異養(yǎng) 3、好氣性與厭氣性 4、細(xì)胞能量的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移10.3.3 免疫學(xué)反應(yīng)免疫學(xué)反應(yīng)一、抗原一、抗原 1、抗原的定義、抗原的定義 2、抗原的種類、抗原的種類 （1）天然抗原。 （2）人工抗原。 （3）合成抗原。 3、抗原的理化性狀、抗原的理化性狀 （1）物理性狀。 （2）化學(xué)組成。二、抗體二、抗體三、抗原一抗體反應(yīng)三、抗

6、原一抗體反應(yīng)四、生物學(xué)反應(yīng)中的物理量變化四、生物學(xué)反應(yīng)中的物理量變化10.4 生物傳感器的工作原理及類型生物傳感器的工作原理及類型生物傳感器從工作原理上來(lái)看，大致有如下幾種： 1.將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)圖 10 3將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的傳感器10.4 生物傳感器的工作原理及類型生物傳感器的工作原理及類型2.將熱變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)將熱變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)圖 10 4熱效應(yīng)生物傳感器10.4 生物傳感器的工作原理及類型生物傳感器的工作原理及類型3.將光效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)將光效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)4.直接產(chǎn)生電信號(hào)直接產(chǎn)生電信號(hào)表 10 1 生物傳感器分類10.4.1 酶?jìng)鞲衅骷捌鋺?yīng)用酶?jìng)?/p>

7、感器及其應(yīng)用10.4.1.1酶?jìng)鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)圖 10 5酶?jìng)鞲衅鞯幕窘M成10.4.1 酶?jìng)鞲衅骷捌鋺?yīng)用酶?jìng)鞲衅骷捌鋺?yīng)用10.4.1.2酶?jìng)鞲衅鞯姆诸恦電位型酶?jìng)鞲衅麟娢恍兔競(jìng)鞲衅鱲電流型酶?jìng)鞲衅麟娏餍兔競(jìng)鞲衅?0.4.1.3酶?jìng)鞲衅鲬?yīng)用實(shí)例1.葡萄糖傳感器2.氨基酸傳感器 3.乙醇傳感器10.4.1 酶?jìng)鞲衅骷捌鋺?yīng)用酶?jìng)鞲衅骷捌鋺?yīng)用10.4.1.3酶?jìng)鞲衅鲬?yīng)用實(shí)例4.青霉素傳感器5.尿素傳感器10.4.2 微生物傳感器及其應(yīng)用微生物傳感器及其應(yīng)用10.4.2.1微生物傳感器的特點(diǎn)v構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低，而許多酶價(jià)格很昂貴。v活體微生物中的酶比純化的酶（從細(xì)胞中提出來(lái)的酶）壽命長(zhǎng)，并且可以再生，而很

8、多純化酶不穩(wěn)定。v活體微生物細(xì)胞中除酶以外，還包括代謝反應(yīng)中所需的輔助因子，而某些酶電極需加昂貴的輔助因子。v若與被測(cè)物有關(guān)的酶還未分離出來(lái)或復(fù)雜的反應(yīng)還不清楚時(shí)，利用微生物細(xì)胞是惟一辦法。v利用某些微生物對(duì)某一待定有機(jī)物的同化作用，如同化作用的微生物是喜氧性的，則可通過(guò)測(cè)定氧的含量不定期估計(jì)被測(cè)物的濃度；如同化作用的微生物是厭氧性的，則可通過(guò)檢測(cè)生成各種電極敏感的代謝物不定期估計(jì)被測(cè)物的濃度。 10.4.2 微生物傳感器及其應(yīng)用微生物傳感器及其應(yīng)用10.4.2.2微生物傳感器的結(jié)構(gòu)與分類圖 10 6微生物電極結(jié)構(gòu)示意圖10.4.2 微生物傳感器及其應(yīng)用微生物傳感器及其應(yīng)用10.4.2.3微生

9、物傳感器的基本工作原理圖 10 7測(cè)定呼吸型微生物傳感器圖 10 8測(cè)定代謝物質(zhì)型微生物傳感器10.4.2 微生物傳感器及其應(yīng)用微生物傳感器及其應(yīng)用10.4.2.4微生物傳感器的應(yīng)用1.葡萄糖微生物傳感器2.生物化學(xué)耗氧量BOD傳感器圖 10 9 葡萄糖微生物傳感器的響應(yīng)曲線圖 10 10 BOD傳感器 l一固化微生物膜；2一聚四氯乙烯膜；3一Pt 陰極；6一電流計(jì)；4一Pt陽(yáng)極；7一記錄儀；5一NaOH電介質(zhì)；8 一攪拌器圖 10 11 生物耗氧傳感器響應(yīng)曲線10.4.2 微生物傳感器及其應(yīng)用微生物傳感器及其應(yīng)用10.4.2.5微生物傳感器的新進(jìn)展1.基于其他原理的微生物傳感器基于其他原理的

10、微生物傳感器（1）燃料電池型微生物傳感器（2）光微生物傳感器（3）利用微生物變異的傳感器（4）酶一微生物混合型傳感器（5）利用抗生素對(duì)微生物的抑制作用的電極（6）利用細(xì)胞表層物質(zhì)的電極2.基于性能改進(jìn)的微生物傳感器基于性能改進(jìn)的微生物傳感器（1）耐熱菌的應(yīng)用（2）提高電極的選擇性3.微生物傳感器存在的問(wèn)題微生物傳感器存在的問(wèn)題10.4.3 免疫傳感器及其應(yīng)用免疫傳感器及其應(yīng)用10.4.3.1免疫概述 免疫（Immunity）是指機(jī)體對(duì)病原生物感染的抵抗能力，可分為自然免疫和獲得性免疫。 抗原有以下3種類型：（1）天然抗原：來(lái)源于微生物或動(dòng)物、植物，包括細(xì)菌、病毒、血細(xì)胞、花粉、可溶性抗原毒素、

11、類毒素、血清蛋白、蛋白質(zhì)、糖蛋白等。（2）人工抗原：經(jīng)化學(xué)或其他方法變性的天然抗原，如碘化蛋白、偶氮蛋自和半抗原結(jié)合蛋。（3）合成抗原：化學(xué)合成的多膚分子。 10.4.3 免疫傳感器及其應(yīng)用免疫傳感器及其應(yīng)用10.4.3.2免疫傳感器的結(jié)構(gòu)圖 10 12免疫傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖10.4.3 免疫傳感器及其應(yīng)用免疫傳感器及其應(yīng)用10.4.3.3免疫傳感器的分類圖 10 13 免疫傳感器的組成 膜電位。電極電位。壓電特性。光學(xué)特性。10.4.3 免疫傳感器及其應(yīng)用免疫傳感器及其應(yīng)用10.4.3.3免疫傳感器的分類若假設(shè)抗原為檢測(cè)對(duì)象，則標(biāo)識(shí)免疫傳感器有多種傳感方式可考慮，這些方式可分為：標(biāo)識(shí)抗體的方

12、式； 標(biāo)識(shí)抗原的方式。雖然，對(duì)于各自的方式多數(shù)可能發(fā)生變異，但在最終階段都將變成檢測(cè)標(biāo)識(shí)劑。用于免疫傳感器的標(biāo)識(shí)劑如下。 酶，過(guò)氧化氫酶（Katalase）、葡萄糖氧化酶、過(guò)氧（化）物酶（Peroxidasc）等。微脂粒（Liposonle)（含有標(biāo)識(shí)離子等）。 電化學(xué)性氧化還原物質(zhì)。 觸媒。檢測(cè)標(biāo)識(shí)劑的方式分類如下。 電位測(cè)量。 電流測(cè)量。 電子計(jì)數(shù)。 其他。10.4.3 免疫傳感器及其應(yīng)用免疫傳感器及其應(yīng)用10.4.3.4免疫傳感器的應(yīng)用1.利用聲表面諧振波型免疫傳感器檢測(cè)塑料炸彈利用聲表面諧振波型免疫傳感器檢測(cè)塑料炸彈 圖 10 14 SAW免疫傳感器示意圖圖 10 15 基于SAW免疫

13、傳感器的爆炸物檢測(cè)系統(tǒng)圖10.4.3 免疫傳感器及其應(yīng)用免疫傳感器及其應(yīng)用10.4.3.4免疫傳感器的應(yīng)用1.利用聲表面諧振波型免疫傳感器檢測(cè)塑料炸彈利用聲表面諧振波型免疫傳感器檢測(cè)塑料炸彈 圖 10 16 爆炸物檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（a）以RDX為樣本的采集信號(hào)；（b）以硝酸為樣本的采集信號(hào)10.4.3 免疫傳感器及其應(yīng)用免疫傳感器及其應(yīng)用10.4.3.4免疫傳感器的應(yīng)用1.免疫傳感器在人絨毛膜促性腺激素免疫傳感器在人絨毛膜促性腺激素hCG測(cè)定中的應(yīng)用測(cè)定中的應(yīng)用圖 10 17 測(cè)定hCG酶免疫傳感器的結(jié)構(gòu)圖圖 10 18酶免疫傳感器輸出的時(shí)間曲線圖 10 19電流增加的起始速度與hCG濃度之間的關(guān)

14、系曲線10.4.3.5免疫傳感器的發(fā)展趨勢(shì)10.4.4 半導(dǎo)體生物傳感器及其應(yīng)用半導(dǎo)體生物傳感器及其應(yīng)用10.4.4.1半導(dǎo)體生物傳感器原理與特點(diǎn)10.4.4.2半導(dǎo)體生物傳感器類型及原理（1）酶場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖 10 22 ENFET的結(jié)構(gòu)10.4.4 半導(dǎo)體生物傳感器及其應(yīng)用半導(dǎo)體生物傳感器及其應(yīng)用10.4.4.2半導(dǎo)體生物傳感器類型及原理（1）酶場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理 圖 10 23 酶FET的工作原理10.4.4 半導(dǎo)體生物傳感器及其應(yīng)用半導(dǎo)體生物傳感器及其應(yīng)用10.4.4.2半導(dǎo)體生物傳感器類型及原理（2）酶光敏二極管圖 10 24 酶光敏二極管10.4.4 半導(dǎo)

15、體生物傳感器及其應(yīng)用半導(dǎo)體生物傳感器及其應(yīng)用10.4.4.2半導(dǎo)體生物傳感器類型及原理（3）免疫場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖 10 25 IMFET的結(jié)構(gòu)與工作原理10.4.5 組織傳感器組織傳感器組織電極中酶活性比酶電極所用的離析酶活性高。這是因?yàn)樘旖M織電極中酶活性比酶電極所用的離析酶活性高。這是因?yàn)樘烊粍?dòng)植物組織中除酶分子外，還存在輔酶及酶促反應(yīng)的其他必然動(dòng)植物組織中除酶分子外，還存在輔酶及酶促反應(yīng)的其他必要成分，酶促反應(yīng)處于最佳環(huán)境中，能保存與誘導(dǎo)酶的催化活要成分，酶促反應(yīng)處于最佳環(huán)境中，能保存與誘導(dǎo)酶的催化活性；性；組織電極中酶的穩(wěn)定性增強(qiáng)。由于酶處在適宜的自然環(huán)境中，組織電極中酶的

16、穩(wěn)定性增強(qiáng)。由于酶處在適宜的自然環(huán)境中，同時(shí)又被同時(shí)又被“固定化固定化”了不易流失，可反復(fù)使用，壽命較長(zhǎng)；了不易流失，可反復(fù)使用，壽命較長(zhǎng)；所用生物材料易于獲取，且制作簡(jiǎn)單。但目前組織電極的選擇所用生物材料易于獲取，且制作簡(jiǎn)單。但目前組織電極的選擇性、靈敏度、響應(yīng)時(shí)間等還不夠理想。例如，動(dòng)植物組織中會(huì)性、靈敏度、響應(yīng)時(shí)間等還不夠理想。例如，動(dòng)植物組織中會(huì)有許多酶，可催化多種底物而使選擇性變壞。有許多酶，可催化多種底物而使選擇性變壞。圖 10 26 腎組織電極結(jié)構(gòu)示意圖1-動(dòng)物組織薄片；2-尼龍網(wǎng)；3-防護(hù)透析膜；4-透氣膜；5-內(nèi)電解質(zhì)溶液；6-PH敏感玻璃膜；7-塑料電極體10.4.6 細(xì)胞

17、傳感器細(xì)胞傳感器10.4.6.1細(xì)胞傳感器的分類及原理（1）監(jiān)測(cè)細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的細(xì)胞傳感器）監(jiān)測(cè)細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的細(xì)胞傳感器（2）監(jiān)測(cè)細(xì)胞電生理行為的細(xì)胞傳感器）監(jiān)測(cè)細(xì)胞電生理行為的細(xì)胞傳感器 圖 10 27 微電極陣列 圖 10 28同步記錄的心肌細(xì)胞電位10.4.6 細(xì)胞傳感器細(xì)胞傳感器10.4.6.1細(xì)胞傳感器的分類及原理（3）監(jiān)測(cè)細(xì)胞力學(xué)行為的細(xì)胞傳感器）監(jiān)測(cè)細(xì)胞力學(xué)行為的細(xì)胞傳感器圖 10 29 測(cè)量細(xì)胞力學(xué)性能的傳感器（4）并行監(jiān)測(cè)多種參數(shù)的細(xì)胞傳感器）并行監(jiān)測(cè)多種參數(shù)的細(xì)胞傳感器10.4.6 細(xì)胞傳感器細(xì)胞傳感器10.4.6.1細(xì)胞傳感器的分類及原理（5）基于生物微電子機(jī)械系統(tǒng)的細(xì)胞傳

18、感器）基于生物微電子機(jī)械系統(tǒng)的細(xì)胞傳感器圖 10 30 基于BioMEMS能量代謝細(xì)胞傳感器（6）利用基因設(shè)計(jì)的細(xì)胞傳感器）利用基因設(shè)計(jì)的細(xì)胞傳感器 圖 10 31 利用基因設(shè)計(jì)細(xì)胞傳感器的輸出結(jié)果 10.4.7 基因芯片基因芯片（1）微電子芯片（2）三維生物芯片（3）流過(guò)式芯片圖 10 32 基因芯片器件的構(gòu)造10.4.7 基因芯片基因芯片10.4.7.1基因芯片的制作原理1.原位合成法原位合成法（1）光引導(dǎo)原位合成（2）打印原位合成（3）分子印章原位合成2.點(diǎn)樣法點(diǎn)樣法基因芯片測(cè)試原理點(diǎn)樣法特點(diǎn)如下：操作簡(jiǎn)單；成本相對(duì)較低；點(diǎn)樣體積為數(shù)百皮升至數(shù)納升，斑點(diǎn)尺寸為幾十微米至近毫米；節(jié)省試劑，浪費(fèi)少。10.4.7 基因芯片基因芯片10.4.7.1基因芯片的制作原理2.點(diǎn)樣法點(diǎn)樣法 （a）含裂障的點(diǎn)樣針依靠毛細(xì) （b）多點(diǎn)樣頭作用吸取DNA溶液圖 10 34 生物芯片陣列制作儀的點(diǎn)樣針10.4.7 基因芯片基因芯片10.4.7.2基因芯片測(cè)試原理1.樣品的制備樣品的制備（1）核酸樣品）核酸樣品(RNA)（2）蛋白及其他生物樣品）蛋白及其他生物樣品2.固相雜交反應(yīng)固相雜交反應(yīng)3.熒光標(biāo)記和檢測(cè)熒光標(biāo)記和檢測(cè)10.4.7 基因芯片基因芯片10.4.7.3檢測(cè)和分析1.熒光探針熒光探針2.聚焦掃描和聚焦掃描和CCD掃描儀掃描儀 圖 10 35 共聚焦顯微鏡掃描儀原理