《生物傳感器》PPT課件

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1、劉彤彤劉彤彤第一節(jié)第一節(jié) 概述概述n1 傳感器的定義與分類n定義定義：能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。n敏感元件敏感元件：指傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）被測量的部分；n轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件：指傳感器中能將敏感元件感受（或響應(yīng)）的被測量轉(zhuǎn)換成適宜傳輸和測量的電信號部分。分類分類n按功能分類按功能分類：有源傳感器、無源傳感器n按輸出信號形式分類按輸出信號形式分類：模擬式、數(shù)字式n按效應(yīng)分類按效應(yīng)分類：物理傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器n按測量量分類按測量量分類：位移、速度、力、真空、溫度、光、聲、射線、濃度和粘度傳感器n分析生物技術(shù)的一個

2、重要領(lǐng)域便是分析生物技術(shù)的一個重要領(lǐng)域便是生物傳感器生物傳感器(biosensor),(biosensor),它是它是一個典型的多學(xué)科交叉產(chǎn)物一個典型的多學(xué)科交叉產(chǎn)物, ,結(jié)合了生命科學(xué)、分析化學(xué)、物理結(jié)合了生命科學(xué)、分析化學(xué)、物理學(xué)和信息科學(xué)及其相關(guān)技術(shù)，能夠?qū)λ枰獧z測的物質(zhì)進(jìn)行快速學(xué)和信息科學(xué)及其相關(guān)技術(shù)，能夠?qū)λ枰獧z測的物質(zhì)進(jìn)行快速分析和追蹤。分析和追蹤。n生物的基本特征之一，是能夠?qū)ν饨绲母鞣N刺激作出反應(yīng)。其所生物的基本特征之一，是能夠?qū)ν饨绲母鞣N刺激作出反應(yīng)。其所以能夠如此，首先是由于生物能感受外界的各類刺激信號，并將以能夠如此，首先是由于生物能感受外界的各類刺激信號，并將這些信

3、號轉(zhuǎn)換成體內(nèi)信息處理系統(tǒng)所能接收并處理的信號。例如，這些信號轉(zhuǎn)換成體內(nèi)信息處理系統(tǒng)所能接收并處理的信號。例如，人能通過眼、耳、鼻、舌、身等感覺器官將外界的光、聲、溫度人能通過眼、耳、鼻、舌、身等感覺器官將外界的光、聲、溫度及其它各種化學(xué)和物理信號轉(zhuǎn)換成人體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)等信息處理系及其它各種化學(xué)和物理信號轉(zhuǎn)換成人體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)等信息處理系統(tǒng)能夠接收和處理的信號。統(tǒng)能夠接收和處理的信號。 n生物傳感器的出現(xiàn)，是科學(xué)家的興趣和科學(xué)技術(shù)發(fā)展及社會發(fā)展生物傳感器的出現(xiàn)，是科學(xué)家的興趣和科學(xué)技術(shù)發(fā)展及社會發(fā)展需求多方面雙驅(qū)動的結(jié)果，經(jīng)過需求多方面雙驅(qū)動的結(jié)果，經(jīng)過3030多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一個涉多年的發(fā)展，

4、已經(jīng)成為一個涉及內(nèi)容廣泛、多學(xué)科介入和交叉、充滿創(chuàng)新活力的領(lǐng)域。及內(nèi)容廣泛、多學(xué)科介入和交叉、充滿創(chuàng)新活力的領(lǐng)域。生物傳感器發(fā)展階段20世紀(jì)6070年代，起步階段：傳統(tǒng)酶電極20世紀(jì)70年代末期到80年代，發(fā)展高潮階段：介體酶電極20世紀(jì)90年代以后市場開發(fā)獲得顯著成績生物親和傳感器的技術(shù)突破酶的直接電化學(xué)第二節(jié)第二節(jié) 生物傳感器的原理和特點(diǎn)生物傳感器的原理和特點(diǎn)n生物敏感膜(biosensitive membrane)又稱分子識別元件(molecular recognition element),是生物傳感器的關(guān)鍵元件，直接決定傳感器的功能和質(zhì)量待分析物待分析物生物敏感膜生物敏感膜化學(xué)量或化

5、學(xué)量或物理量變化物理量變化換能器換能器可定量加工可定量加工的電信號的電信號n生物傳感器的工作原理根據(jù)生物分子識別部分發(fā)生的變化分為下列四種：n1）將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杗2）將熱變化轉(zhuǎn)換為電信號n3）將生物光效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號n4）直接誘導(dǎo)電信號生物傳感器的分類生物傳感器的分類n1）根據(jù)生物傳感器中分子識別元件中的敏感物質(zhì)分類：酶傳感器、微生物傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器n2）依所用換能器來分類：電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測熱型生物傳感器、測光型生物傳感器、測聲型生物傳感器n3）根據(jù)傳感器輸出信號產(chǎn)生的方式來分類：代謝型或催化型生物傳感器；親和型生物傳感器生物傳感器的主要特點(diǎn)生物傳

6、感器的主要特點(diǎn)n（1）特異性好：能從復(fù)雜的系統(tǒng)中準(zhǔn)確測出某一物質(zhì)的濃度。n（2）靈敏度高：可檢測0.11.0ppm濃度的物質(zhì)，最小極限為10-10g/mL。n（3）穩(wěn)定性相對較差：檢測結(jié)果易受物理和化學(xué)環(huán)境因素的影響。n（4）不能加熱殺菌處理：其中的生物物質(zhì)有失活的可能，因此一般不能加熱殺菌處理。n（5）制作工藝精細(xì)，廢品率高，成本昂貴。分子識別元件分子識別元件分類法分類法酶傳感器酶傳感器微生物微生物傳感器傳感器組織傳感器組織傳感器細(xì)胞傳感器細(xì)胞傳感器核酸傳感器核酸傳感器免疫免疫傳感器傳感器分子印跡生物分子印跡生物傳感器傳感器Enzyme sensorMicrobial sensorTissu

7、e sensorOrganelle sensorDNA/RNA sensorimmunosensorMolecular imprinted biosensor第三節(jié) 生物傳感器的敏感元件器件分類法器件分類法光生物傳感器光生物傳感器電導(dǎo)電導(dǎo)/阻抗生物傳感器阻抗生物傳感器聲波生物傳感器聲波生物傳感器熱生物傳感器熱生物傳感器電化學(xué)生物傳感器電化學(xué)生物傳感器半導(dǎo)體生物傳感器半導(dǎo)體生物傳感器懸臂梁生物傳感器懸臂梁生物傳感器Optical biosensorCalorimetric biosensorAcoustic wave biosensorConductive/impedance biosensor

8、Electrochemical biosensorSemiconduct biosensorCantilever biosensor 生物物質(zhì)發(fā)出的信號 轉(zhuǎn)換器 可傳遞信號酶傳感器酶傳感器n酶：產(chǎn)生于生物體內(nèi)具有催化活性的一類蛋白質(zhì)。酶在生命活動中參與新陳代謝、生長、發(fā)育、繁殖與運(yùn)動過程中所有生化反應(yīng)。n具有以下特點(diǎn)：n1）酶的催化反應(yīng)條件極易達(dá)到，這使酶極易用作敏感元件n2）酶的催化效率比一般催化劑高約106-1013n3）酶的催化作用具有高度專一性n4）酶的活性在生物體內(nèi)受各種元素的調(diào)節(jié)與控制n酶傳感器酶傳感器：包括：包括酶電極酶電極、酶場效應(yīng)晶體管酶場效應(yīng)晶體管、酶酶熱敏電阻熱敏電阻、發(fā)

9、光型生物傳感器發(fā)光型生物傳感器等。等。n酶電極酶電極：實(shí)際上它是一種電池。在原電極上覆蓋一層由酶制成的膜，許多有機(jī)物在酶的催化下與氧反應(yīng)，放出NH3、H2O2、CO2等，它們?nèi)芙獾絻?nèi)電解液中，由有關(guān)的離子選擇電極測出它們的變化，從而測定該有機(jī)物。由于酶的專一性強(qiáng)，故酶電極的選擇性特別好。目前已有幾十種酶電極，它可以測一些生化體系的物質(zhì)，如尿素、葡萄糖、氨基酸、膽固醇、青霉素、苦味仁苷等。n酶場效應(yīng)晶體管酶場效應(yīng)晶體管：簡記ENFET，是由酣膜和ISFET兩部分構(gòu)成、其中的ISFET又多為PH-ISFET，其結(jié)構(gòu)如圖所示。把酶膜固定在柵極絕緣膜 (Si3N4-SiO2)上、進(jìn)行測量時，由于酶的催

10、化作用，使待測的有機(jī)分子反應(yīng)生成ISFET能夠響應(yīng)的離子。Si3N4，表面離子濃度發(fā)生變化時，表面電荷將發(fā)生變化，場效應(yīng)晶體管柵極對表面電荷非常敏感，由此引起柵極的電位變化，這樣就可以對漏極電流進(jìn)行調(diào)制。CnT/- n酶熱敏電阻酶熱敏電阻：由固定化酶和熱敏電阻組合而成，利用的原理是溫度引起電阻變化。酶反應(yīng)總是伴有熱效應(yīng)發(fā)生，若放出熱量全部用于反應(yīng)體系溫度升高，則應(yīng)滿足下列關(guān)系式：n式中n為產(chǎn)物的摩爾數(shù)，H為酶催化反應(yīng)的焓變，T為反應(yīng)體系的溫度變化，C為反應(yīng)體系的熱容量。n發(fā)光型生物傳感器發(fā)光型生物傳感器：主要是利用螢火蟲瑩蟲素酶體系、細(xì)菌瑩蟲系酶體系的生物發(fā)光測定多種酶和代謝產(chǎn)物，以及利用過氧

11、化物測定H2O2，而H2O2在多種化學(xué)反應(yīng)中均可產(chǎn)生。n測定方法是將發(fā)光反應(yīng)的有關(guān)成分放置玻璃杯中置于光電倍增管前端，根據(jù)發(fā)光反應(yīng)的光輻射測定所測物的含量?；?qū)l(fā)光的敏感物質(zhì)酶制成酶膜，裝在光導(dǎo)纖維一端，經(jīng)光導(dǎo)纖維傳到另一端，用光子計數(shù)器進(jìn)行計測。微生物傳感器微生物傳感器n微生物膜作為分子識別元件利用：n利用微生物細(xì)胞內(nèi)單一或多個酶的機(jī)能來識別分子類似于酶傳感器；n利用微生物的生理機(jī)能。n微生物傳感器主要由固定化微生物膜和轉(zhuǎn)換器件組成。轉(zhuǎn)換器件可供使用的較多，但主要有電化學(xué)電極和場效應(yīng)晶體管。n酶活性測定型以微生物酶催化反應(yīng)的活性為指標(biāo)；（類似于酶傳感器）n呼吸活性測定型以微生物呼吸活性為指標(biāo)

12、；n電極活性物質(zhì)測定型以微生物代謝產(chǎn)物為指標(biāo)。n（1）呼吸活性測定型必須是好氣性微生物氧濃度 氧電極 電流值 CO2生成 CO2電極 電位值 氧 微生物利用的被測物質(zhì)好氣微生物膜n（2）電極活性物質(zhì)測定型包括厭氧和好氧微生物待測物質(zhì)固定化微生物膜 CO2 CO2電極 電位式 H2 鉑陽極，Ag2O2陰極 電流式 NH3 氨電極 電位式 H+ 玻璃電極 電位式 還原型輔酶 燃料電極 電流式 n微生物傳感器特點(diǎn)：n（1）微生物較酶易獲得，價格相對較低；n（2）穩(wěn)定性好，連續(xù)使用時間可達(dá)一個月左右；n（3）響應(yīng)時間比酶傳感器長，多數(shù)在10分鐘左右；n（4）特異性較酶傳感器差。 免疫傳感器免疫傳感器n

13、免疫電極是以免疫物質(zhì)（抗原或抗體）作為敏感元件的電化學(xué)生物傳感器。n抗原：一種進(jìn)入機(jī)體后刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)。他可能是生物體（如病毒細(xì)菌等各種微生物），也可能是非生物體（如各種異性蛋白、多糖等）。n抗體：是一種免疫球蛋白。n免疫物質(zhì)的高特異性識別使免疫電極具有很高的特異性。 n根據(jù)測定過程是否需要標(biāo)記物可分為直接免疫電極和間接免疫電極。 （1）直接免疫電極不用任何標(biāo)記物 例如（例如（設(shè)抗體為被測物設(shè)抗體為被測物）：）：抗體抗體電信號（電壓）電信號（電壓）離子淌度變化離子通透性變化膜電位變化電導(dǎo)率變化介電常數(shù)變化固定化抗原膜電化學(xué)或電學(xué)變化電極膜電壓變化特點(diǎn)：不需額外試劑，儀器要求簡單，操

14、作容易，響應(yīng)快；缺點(diǎn)：靈敏度低，因而難以作為標(biāo)準(zhǔn)檢測方法 2 ）間接免疫電極-需要制備酶標(biāo)抗體或酶標(biāo)抗原結(jié)合物 利用標(biāo)記物將免疫反應(yīng)的信號放大后間接利用標(biāo)記物將免疫反應(yīng)的信號放大后間接測定抗原或抗體，這類電極稱為間接免疫測定抗原或抗體，這類電極稱為間接免疫電極，亦稱酶聯(lián)免疫測定法或電極，亦稱酶聯(lián)免疫測定法或ELISAELISA法法（enzyme linked immunoassay）。例如（例如（設(shè)抗體為被測物設(shè)抗體為被測物）：）：推測試樣中抗體濃度推測試樣中抗體濃度 抗體抗體 固定化酶標(biāo)抗原膜固定化酶標(biāo)抗原膜抗體與酶標(biāo)抗原結(jié)合抗體與酶標(biāo)抗原結(jié)合 改變酶標(biāo)抗原存在狀態(tài)改變酶標(biāo)抗原存在狀態(tài)固定化

15、酶標(biāo)抗原膜固定化酶標(biāo)抗原膜底物底物狀態(tài)改變的酶標(biāo)抗原催化底物反應(yīng)狀態(tài)改變的酶標(biāo)抗原催化底物反應(yīng) 反應(yīng)速度與試樣中抗體濃度有關(guān)反應(yīng)速度與試樣中抗體濃度有關(guān) DNA傳感器nDNA測定主要指靶DNA的檢測、DNA序列測定和DNA雜交測定。nDNA測定在分子生物學(xué)及其基因操作研究、臨床診斷、反恐偵檢、食品安全、檢疫等方面應(yīng)用廣泛。n傳統(tǒng)的DNA檢測主要依靠膜上分子雜交和電泳，其特點(diǎn)是技術(shù)要求高，時間長、成本高、效率低。n近年來DNA傳感器和DNA列陣的出現(xiàn)，使DNA的檢測大大減化。（2）DNA傳感器的分類按轉(zhuǎn)換器的不同可分為電極型電極型（電化學(xué)型電化學(xué)型）、光學(xué)型和質(zhì)量型等。其中應(yīng)用最廣泛的電極型DN

16、A傳感器，根據(jù)其作用原理的不同可分為五大類：A. 直接DNA電化學(xué)型（direct DNA electrochemistry）B. 間接DNA電化學(xué)型（indirect DNA electrochemistry）C. 特異性氧化還原指示劑型（specific redox indicator）D. DNA介導(dǎo)的帶電輸出型（DNA-mediated charge transport）E. 納米顆粒電化學(xué)放大型（nanoparticles electrochemical enhancing）（3）DNA電化學(xué)傳感器原理nDNA電化學(xué)傳感器通常由已知序列的單鏈單鏈DNA（ssDNA，通常稱為探針）分子

17、分子和電極電極組成。樣品中互補(bǔ)的樣品中互補(bǔ)的ssDNA 固定化固定化ssDNA dsDNA 電極表面電極表面 電信號變化電信號變化識別和測定靶基因識別和測定靶基因雜交反應(yīng)雜交反應(yīng)結(jié)構(gòu)變化結(jié)構(gòu)變化電化學(xué)反應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)第四節(jié)第四節(jié) 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域n在國民經(jīng)濟(jì)的各個部門如食品、制藥、化工、臨床檢驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等方面有廣泛的應(yīng)用前景。特別是分子生物學(xué)與微電子學(xué)、光電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)及納米技術(shù)等新學(xué)科、新技術(shù)結(jié)合，正改變著傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)動植物學(xué)的面貌。生物傳感器的研究開發(fā)，已成為世界科技發(fā)展的新熱點(diǎn)，形成21世紀(jì)新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，具有重要的戰(zhàn)略意義。n生物傳感器在食品分析中

18、的應(yīng)用包括食品成分、食品添加劑、有害毒物及食品鮮度等的測定分析。n環(huán)境監(jiān)測-環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，人們迫切希望擁有一種能對污染物進(jìn)行連續(xù)、快速、在線監(jiān)測的儀器，生物傳感器滿足了人們的要求。已有相當(dāng)部分的生物傳感器應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測中。n發(fā)酵工業(yè)-在各種生物傳感器中，微生物傳感器具有成本低、設(shè)備簡單、不受發(fā)酵液混濁程度的限制、可能消除發(fā)酵過程中干擾物質(zhì)的干擾等特點(diǎn)。因此，在發(fā)酵工業(yè)中廣泛地采用微生物傳感器作為一種有效的測量工具。n醫(yī)學(xué)-醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物傳感器發(fā)揮著越來越大的作用。生物傳感技術(shù)不僅為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究及臨床診斷提供了一種快速簡便的新型方法，而且因?yàn)槠鋵Ｒ?、靈敏、響應(yīng)快等特點(diǎn)，在軍事醫(yī)學(xué)方面，也具有廣的應(yīng)用前景。n軍事醫(yī)學(xué)-軍事醫(yī)學(xué)中，對生物毒素的及時快速檢測是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測多種細(xì)菌、病毒及其毒素，如炭疽芽孢桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等。