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1、关于生物传感器关于生物传感器第一页，讲稿共五十五页哦1.1.生物传感器的发展历程简述生物传感器的发展历程简述u最先问世的生物传感器是最先问世的生物传感器是酶电极酶电极，ClarkClark和和LyonsLyons最先提出组成酶电极的设想。最先提出组成酶电极的设想。u7070年代中期，人们注意到酶电极的寿命一年代中期，人们注意到酶电极的寿命一般都比较短，提纯的酶价格也较贵，而各般都比较短，提纯的酶价格也较贵，而各种酶多数都来自微生物或动植物组织，因种酶多数都来自微生物或动植物组织，因此自然地就启发人们研究此自然地就启发人们研究酶电极的衍生型酶电极的衍生型：微生物电极、细胞器电极、动植物组织电微生
2、物电极、细胞器电极、动植物组织电极以及免疫电极等新型生物传感器，使生极以及免疫电极等新型生物传感器，使生物传感器的类别大大增多；物传感器的类别大大增多；u 进入本世纪进入本世纪8080年代之后，随着离子敏场效应年代之后，随着离子敏场效应晶体管的不断完善，于晶体管的不断完善，于19801980年年CarasCaras和和JanafaJanafa率率先研制成功可测定青霉素的先研制成功可测定青霉素的酶酶FETFET。第二页，讲稿共五十五页哦u生物传感器发展的整体划分生物传感器发展的整体划分:u第一代生物传感器以第一代生物传感器以将生物成分截留在膜上或结合在膜上将生物成分截留在膜上或结合在膜上为基为基
3、础，这类器件由透析器础，这类器件由透析器(膜膜)、反应器、反应器(膜膜)和电化学转换器所和电化学转换器所组成，其实验设备相当简单。组成，其实验设备相当简单。u第二代生物传感器是指将第二代生物传感器是指将生物成分直接吸附或共价结合在转换器生物成分直接吸附或共价结合在转换器的表面的表面上，从而可略去非活性的基质膜。上，从而可略去非活性的基质膜。u第三代生物传感器是第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子元件上把生物成分直接固定在电子元件上，例如，例如FETFET的栅极上，它可直接感知和放大界面物质的变化，从而将的栅极上，它可直接感知和放大界面物质的变化，从而将生物识别和电信号处理集合在一起。这种
4、放大器可采用差分方生物识别和电信号处理集合在一起。这种放大器可采用差分方式以消除干扰。式以消除干扰。1.生物传感器的发展历程简述第三页，讲稿共五十五页哦u生物传感器定义及说明生物传感器定义及说明u生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定实现测量，主要由两大部分组成：一为定实现测量，主要由两大部分组成：一为功能识功能识别物质别物质（分子识别元件），由其对被测物质进行特（分子识别元件），由其对被测物质进行特定识别；其二是定识别；其二是电、光信号转换装置电、光信号转换装置（换能器），（换能器），由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电由其把被测物所
5、产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。信号或光信号。2.生物传感器的概念和基本原理第四页，讲稿共五十五页哦u生物传感器基本构成示意图生物传感器基本构成示意图2.生物传感器的概念和基本原理第五页，讲稿共五十五页哦2.生物传感器的概念和基本原理第六页，讲稿共五十五页哦u生物传感器的分子识别元件生物传感器的分子识别元件2.生物传感器的概念和基本原理第七页，讲稿共五十五页哦u将化学变化转变成电信号（间接型）将化学变化转变成电信号（间接型）u将热变化转换为电信号（间接型）将热变化转换为电信号（间接型）u将光效应转变为电信号（间接型）将光效应转变为电信号（间接型）u直按产生电信号方式（直接型）直按
6、产生电信号方式（直接型）2.生物传感器的概念和基本原理被测物质生物敏感膜物理化学反应化学物质声光热电化学器件声敏元件光敏元件热敏元件电信号生物传感器基本原理图第八页，讲稿共五十五页哦2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理u将化学变化转变成电信号的生物传感器第九页，讲稿共五十五页哦2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理热辐射热传导u将热变化转换为电信号的生物传感器第十页，讲稿共五十五页哦2.2.生物生物传感器的概念和基本传感器的概念和基本原理原理 u将光效应转变为电信号的生物传感器固定化酶h光检测器被测物质电信号第十一页，讲稿共五十五页哦2.2.生物传
7、感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理u生物传感器的分类生物传感器的分类：按分子识别元件分子识别元件分类和按换能器类型按换能器类型分类换能器分类法悬臂梁生物传感器阻抗/电导生物传感器声波生物传感器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分子识别元件分类法分子印记生物传感器微生物生物传感器DNA生物传感器细胞生物传感器组织生物传感器免疫生物传感器酶生物传感器第十二页，讲稿共五十五页哦u生物敏感元件的固定方法u固定化技术：把生物活性材料与载体固定化成为生物敏感膜。物理方法：夹心法、吸附法、包埋法；化学方法:共价连接法、交联法；1.近年来,由于半导体生物传感器迅速发展,因而又
8、出现了采用集成电路工艺制膜技术。2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理第十三页，讲稿共五十五页哦u夹心法夹心法u将生物活性材料封闭在将生物活性材料封闭在双层滤膜之间，形象地双层滤膜之间，形象地称为称为夹心法夹心法。u这种方法的特点是操作这种方法的特点是操作简单，不需要任何化学简单，不需要任何化学处理，固定生物量大，处理，固定生物量大，响应速度快，重复性好。响应速度快，重复性好。2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理第十四页，讲稿共五十五页哦u吸附法吸附法u用非水溶性固相载体物用非水溶性固相载体物理吸附或离子结合，使理吸附或离子结合，使蛋白质分子固定化
9、的方蛋白质分子固定化的方法。法。u载体种类较多，如活性载体种类较多，如活性炭、高岭土、硅胶、玻炭、高岭土、硅胶、玻璃、纤维素、离子交换璃、纤维素、离子交换体等。体等。2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理第十五页，讲稿共五十五页哦u包埋法包埋法u把生物活性材料包埋并固把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。间网状结构基质中。u此方法的特点是一般不产此方法的特点是一般不产生化学修饰，对生物分子生化学修饰，对生物分子活性影响较小；缺点是分活性影响较小；缺点是分子量大的底物在凝胶网格子量大的底物在凝胶网格内扩散较固难。内扩散较固难。2
10、.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理第十六页，讲稿共五十五页哦u共价连接法共价连接法u使生物活性分子通过使生物活性分子通过共价键共价键与与固相载体结合固定的方法。固相载体结合固定的方法。u此方法的特点是结合牢固，生物此方法的特点是结合牢固，生物活性分子不易脱落，载体不易被活性分子不易脱落，载体不易被生物降解，使用寿命长；生物降解，使用寿命长；u缺点是实现固定化麻烦，酶活性缺点是实现固定化麻烦，酶活性可能因发生化学修饰而降低。可能因发生化学修饰而降低。2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理第十七页，讲稿共五十五页哦u交联法交联法u依靠双功能团依靠双功能
11、团试剂试剂使蛋使蛋白质结合到惰性载体或白质结合到惰性载体或蛋白质分子彼此交联成蛋白质分子彼此交联成网状结构。网状结构。u这种方法广泛用于酶膜这种方法广泛用于酶膜和免疫分子膜制备，操和免疫分子膜制备，操作简单。作简单。2.2.生物传感器的概念和基本原理生物传感器的概念和基本原理第十八页，讲稿共五十五页哦3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器u酶电极传感器酶电极传感器u微生物传感器微生物传感器u免疫传感器免疫传感器u基因传感器基因传感器第十九页，讲稿共五十五页哦u酶传感器酶传感器u酶是生物体内产生的具有催化作用的蛋白质，它的主要特性是催酶是生物体内产生的具有催化作用的蛋白质，它的主要特性
12、是催化作用。化作用。u酶传感器是最早问世的生物传感器，应用固定化酶作为敏感器件。酶传感器是最早问世的生物传感器，应用固定化酶作为敏感器件。u根据信号转换器的类别，酶传感器大致分为根据信号转换器的类别，酶传感器大致分为酶电极传感器、酶场效应酶电极传感器、酶场效应晶体管传感器、酶热敏电阻传感器晶体管传感器、酶热敏电阻传感器等我们主要介绍等我们主要介绍酶电极传感器酶电极传感器3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第二十页，讲稿共五十五页哦u酶电极生物传感器的原理及分类酶电极生物传感器的原理及分类u酶电极生物传感器主要由固定化酶膜与电化学电极系统复合而成。酶电极生物传感器主要由固定化酶膜与电
13、化学电极系统复合而成。u它即具有酶的分子识别功能和选择催化功能，又具有电化学电极响应速度快、操它即具有酶的分子识别功能和选择催化功能，又具有电化学电极响应速度快、操作简单的优点。作简单的优点。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器酶电极传感器的基本构成图第二十一页，讲稿共五十五页哦u根据酶电极的输出信号方式，酶电极的传感器可以分为根据酶电极的输出信号方式，酶电极的传感器可以分为电流型电流型和和电位型电位型。u电流型电流型酶电极是从与酶电极是从与催化反应有关物质的电极反应催化反应有关物质的电极反应所得到所得到的的电流电流来确定反应物浓度的，一般有氧电极、燃料电池型来确定反应物浓度的，一
14、般有氧电极、燃料电池型电极、电极、H2O2电极等。电极等。u电位型电位型酶电极通过测量酶电极通过测量酶膜电位酶膜电位来确定与来确定与催化反应催化反应有关的有关的各种各种离子浓度离子浓度。一般采用铵离子电极（氨气电极）、氢。一般采用铵离子电极（氨气电极）、氢离子电极、二氧化碳电极等；离子电极、二氧化碳电极等；3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第二十二页，讲稿共五十五页哦u酶传感器的典型应用酶传感器的典型应用u葡萄糖酶传感器葡萄糖酶传感器 葡萄糖氧化酶电极是研究最早、最成熟的酶电极，它由葡葡萄糖氧化酶电极是研究最早、最成熟的酶电极，它由葡萄糖氧化酶（萄糖氧化酶（GODGOD）膜和电化
15、学电极组成。）膜和电化学电极组成。C C6 6H H1212O O6 6+O+O2 2 C C6 6H H1212O O6 6+H+H2 2O O2 2依据反应中消耗的依据反应中消耗的氧氧、生成的、生成的葡萄糖酸葡萄糖酸内脂及内脂及过氧化氢过氧化氢的量，的量，应用氧电极、应用氧电极、PHPH电极及电极及H H2 2O O2 2电极来测定，从而测的葡萄糖浓电极来测定，从而测的葡萄糖浓度。度。GOD3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第二十三页，讲稿共五十五页哦u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3.常见类型的生物传感器第二十四页，讲稿共五十五页哦u测量氧消耗量的葡萄
16、糖传感器测量氧消耗量的葡萄糖传感器u氧电极构成：由氧电极构成：由b b（铅）（铅）阳极和阳极和t t（铂）（铂）阴极浸入碱溶液，阴极浸入碱溶液，阴极表面用氧穿透葡萄糖（基质）膜覆盖阴极表面用氧穿透葡萄糖（基质）膜覆盖 特氟隆，厚约特氟隆，厚约mmu氧电极测氧电极测O O2 2原理：原理：利用氧在阴极上首先被还原的特性。利用氧在阴极上首先被还原的特性。溶液中的溶液中的O O2 2穿过特氟隆膜到达穿过特氟隆膜到达PtPt阴极上，在施加一定电位的情况下，氧电极阴极上，在施加一定电位的情况下，氧电极的还原电流减小，通过测量电流值的变化就可以测定葡萄糖浓度。的还原电流减小，通过测量电流值的变化就可以测定
17、葡萄糖浓度。2 2+2 2+e e 3.常见类型的生物传感器第二十五页，讲稿共五十五页哦u测测H2O2生成量的葡萄糖生成量的葡萄糖酶酶传感器传感器uPtPt阳极阳极u聚四氟乙烯膜（防止聚四氟乙烯膜（防止电极毒化）电极毒化）u固相酶膜固相酶膜u半透膜多孔层半透膜多孔层u半透膜致密层半透膜致密层3.常见类型的生物传感器第二十六页，讲稿共五十五页哦u葡萄糖氧化产生葡萄糖氧化产生H H2 2O O2 2，而，而H H2 2O O2 2通过选择性透气膜，在通过选择性透气膜，在PtPt电极上电极上氧化，产生阳极电流。葡萄糖含量与电流成正比，由此可测氧化，产生阳极电流。葡萄糖含量与电流成正比，由此可测出葡萄
18、糖溶液浓度。出葡萄糖溶液浓度。u在在P Pt t电极上加电极上加0.6V0.6V电压时，则产生的阳极电流为电压时，则产生的阳极电流为：葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶葡萄糖葡萄糖+H H2 2O OO O2 2 葡萄糖酸葡萄糖酸H H2 2O O2 23.常见类型的生物传感器H2O2 O2+2H+2e第二十七页，讲稿共五十五页哦u微生物传感器微生物传感器u微生物传感器由微生物传感器由分子识别元件（微生物敏感膜）分子识别元件（微生物敏感膜）和和信号转换器信号转换器组成。组成。在在不损坏微生物机能不损坏微生物机能的前提下，应用固定化技术将微生物固定到载的前提下，应用固定化技术将微生物固定到载体上，从而制得
19、微生物敏感膜，通常情况下采用的载体是多孔醋体上，从而制得微生物敏感膜，通常情况下采用的载体是多孔醋酸纤维膜和胶原膜。信号转换器可采用酸纤维膜和胶原膜。信号转换器可采用电化学电极、场效应晶体管电化学电极、场效应晶体管等。等。u微生物传感器的分类微生物传感器的分类u其从工作原理上可以分为两大类：其从工作原理上可以分为两大类：呼吸机能型和代谢机能型呼吸机能型和代谢机能型。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第二十八页，讲稿共五十五页哦u呼吸机能性微生物传感器呼吸机能性微生物传感器u呼吸机能性生物传感器是由呼吸机能性生物传感器是由固定有好气性微生物的膜固定有好气性微生物的膜和和氧电极（也可
20、用二氧化碳电氧电极（也可用二氧化碳电极）极）组成。组成。u被测物质中的有机化合物扩散至微生物固化膜内被测物质中的有机化合物扩散至微生物固化膜内被微生物同化被微生物同化，微生物呼吸作用在同化，微生物呼吸作用在同化后会有所提高，这样扩散到氧探头的氧就会减少，后会有所提高，这样扩散到氧探头的氧就会减少，电流值降低电流值降低，被测溶液中氧的扩，被测溶液中氧的扩散速度与微生物的耗氧量达到平衡，向电极扩散的氧量趋于恒定，得到一个恒定的电流，此电散速度与微生物的耗氧量达到平衡，向电极扩散的氧量趋于恒定，得到一个恒定的电流，此电流与试液中的有机化合物含量之间存在着一定的关系，由此可以测出被微生物同化的有机物含
21、流与试液中的有机化合物含量之间存在着一定的关系，由此可以测出被微生物同化的有机物含量。量。微生物固定化膜封闭式氧电极或CO2电极被测物质电信号氧消耗变化（呼吸机能）呼吸技能微生物传感器原理示意图3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第二十九页，讲稿共五十五页哦u 呼吸机能性微生物传感器呼吸机能性微生物传感器u电解液电解液uO O型环型环uPbPb阴极阴极u聚四氟乙烯聚四氟乙烯u固化微生物膜固化微生物膜u尼龙网尼龙网uPtPt阳极阳极3.常见类型的生物传感器第三十页，讲稿共五十五页哦u代谢技能型微生物传感器代谢技能型微生物传感器u代谢技能型微生物传感器代谢技能型微生物传感器是以是以厌气
22、微生物厌气微生物作为敏感材料，作为敏感材料，把把微生物敏感膜微生物敏感膜与与离子选择性电极（或者燃料电池型电离子选择性电极（或者燃料电池型电极）极）相结合而构成的一种生物传感器。相结合而构成的一种生物传感器。微生物固定化膜电化学敏感电极被测物质电信号新陈代谢变化（代谢机能）厌气性微生物传感器原理示意图3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第三十一页，讲稿共五十五页哦u代谢机能微生物代谢机能微生物传感器原理传感器原理u将产生氢的将产生氢的产氢菌产氢菌固定在低温固定在低温胶冻膜胶冻膜上，并把它固定在燃料电上，并把它固定在燃料电池池PtPt电极上；电极上；u当传感器浸入含有当传感器浸入含有
23、有机化合物有机化合物的溶液时，的溶液时，有机化合物有机化合物通过聚通过聚四氟乙烯膜向四氟乙烯膜向产氢菌产氢菌扩散，被扩散，被同同化后化后产生产生H H2 2,而而H H2 2又穿过又穿过PtPt电极电极表面上的聚四氟乙烯膜表面上的聚四氟乙烯膜，在，在PtPt电极电极上被上被氧化而产生电流氧化而产生电流，此电流，此电流与与扩散来扩散来的的H H2 2含量成正比，而含量成正比，而H H2 2量又与待测量又与待测有机化合物有机化合物浓度浓度有关，有关，因此传感器能测定发酵溶液中的因此传感器能测定发酵溶液中的有机化合物有机化合物浓度。浓度。3.常见类型的生物传感器第三十二页，讲稿共五十五页哦u微生物传
24、感器的应用及特点微生物传感器的应用及特点u生物化学耗氧量（生物化学耗氧量（BODBOD）的测量）的测量是微生物传感器的一个典型应用。是微生物传感器的一个典型应用。生物化学耗氧量是废水的污浊指标之一，生物化学耗氧量微生物传生物化学耗氧量是废水的污浊指标之一，生物化学耗氧量微生物传感器可以快速的测出结果，对环境保护有很大实用意义。感器可以快速的测出结果，对环境保护有很大实用意义。u苯丙氨酸测量苯丙氨酸测量u苯丙氨酸传感器采用苯丙氨酸传感器采用代谢机能型微生物传感器代谢机能型微生物传感器进行测量，利用此种进行测量，利用此种传感器可以方便快捷的测出未知浓度的苯丙氨酸试液。传感器可以方便快捷的测出未知浓
25、度的苯丙氨酸试液。u微生物传感器和酶传感器相比微生物传感器和酶传感器相比价格便宜价格便宜、性能稳定性能稳定、使用寿命长使用寿命长，但其但其响应时间较长响应时间较长、重复性较差重复性较差。微生物传感器尤其适合于发酵过。微生物传感器尤其适合于发酵过程的测定，因为在发酵过程中程的测定，因为在发酵过程中常存在对酶的干扰物质常存在对酶的干扰物质，应用微生，应用微生物传感器很可能排除这些干扰。物传感器很可能排除这些干扰。u目前微生物传感器以成功的应用于目前微生物传感器以成功的应用于发酵工业发酵工业和和环境测量环境测量中。中。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第三十三页，讲稿共五十五页哦u免疫
26、传感器免疫传感器u免疫是机体对病原生物感染的抵抗能力。免疫传感器就是免疫是机体对病原生物感染的抵抗能力。免疫传感器就是基于抗基于抗原原抗体反应的高亲和性和分子识别的特点抗体反应的高亲和性和分子识别的特点而制备的传感器。而制备的传感器。u免疫传感器具有免疫传感器具有三元复合物三元复合物的结构，即的结构，即分子识别元件（感受器）分子识别元件（感受器）、信号信号转换器（换能器）转换器（换能器）和和电子放大器。电子放大器。在感受元件中的抗体与抗原选在感受元件中的抗体与抗原选择性结合，产生的信号敏感地传送给分子识别元件。抗体与被分择性结合，产生的信号敏感地传送给分子识别元件。抗体与被分析物的亲和性结合具
27、有析物的亲和性结合具有高度的特异性高度的特异性。免疫传感器的优劣取决于。免疫传感器的优劣取决于抗体抗体与被检测物结合的选择性亲和力与被检测物结合的选择性亲和力。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第三十四页，讲稿共五十五页哦u免疫传感器的工作原理免疫传感器的工作原理u基本原理是免疫反应。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。抗体）的特异反应，使得生物敏感膜的电位发生变化。u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抗原或抗体一经固定于膜上，就形成具有识别
28、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，（正负电极极性随值而变）所以双极性电解质，（正负电极极性随值而变）所以抗原固定化膜具抗原固定化膜具有表面电荷有表面电荷。其。其膜电位膜电位随随膜电荷要变化膜电荷要变化。故根据。故根据抗体膜电位抗体膜电位的变化，的变化，可测知抗体的附量。可测知抗体的附量。3.常见类型的生物传感器第三十五页，讲稿共五十五页哦u免疫传感器的结构免疫传感器的结构3.常见类型的生物传感器3室注入含有抗体的盐水抗体与固定化抗原膜上的抗体相结合膜表面吸附抗体膜带电状态变化1、2
29、室内的电极产生电位差免疫传感器结构原理第三十六页，讲稿共五十五页哦u免疫传感器的分类免疫传感器的分类u根据根据检测抗体结合反应检测抗体结合反应的两种基本方法，免疫传感器可分成的两种基本方法，免疫传感器可分成非标记非标记免疫传感器免疫传感器和和标记免疫传感器标记免疫传感器两类。两类。u标记免疫传感器标记免疫传感器u标记免疫传感器（也称标记免疫传感器（也称间接免疫传感器间接免疫传感器）以酶、红细胞、核糖体、放射）以酶、红细胞、核糖体、放射性同位素、稳定的游离基、金属、脂质体等为标记物。性同位素、稳定的游离基、金属、脂质体等为标记物。u同时为了同时为了增大其灵敏度增大其灵敏度，使用，使用标记酶标记酶
30、对其进行化学放大。此类传感器对其进行化学放大。此类传感器的的选择性依赖抗体的识别功能选择性依赖抗体的识别功能，其，其灵敏度依赖于酶的放大作用灵敏度依赖于酶的放大作用。一个酶。一个酶分子每半分钟就可以使分子每半分钟就可以使103106个底物分子转变为产物，因此标记免个底物分子转变为产物，因此标记免疫传感器的疫传感器的灵敏度很高灵敏度很高。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第三十七页，讲稿共五十五页哦u非标记免疫传感器非标记免疫传感器u非标记免疫传感器（非标记免疫传感器（也称直接免疫传感器也称直接免疫传感器）不用任何标记物，在抗体）不用任何标记物，在抗体与其相应的抗原结合时，会产生若
31、干与其相应的抗原结合时，会产生若干电化学和电学变化电化学和电学变化，从而导致，从而导致相关参数相关参数如介电常数、电导率、膜电位、离子通透性、离子浓度如介电常数、电导率、膜电位、离子通透性、离子浓度等的变化，这些都是可测信号，从而测的免疫反应的发生及被测等的变化，这些都是可测信号，从而测的免疫反应的发生及被测量（抗原）的多少。量（抗原）的多少。u非标记传感器的特点：非标记传感器的特点：u优点优点：不需要额外试剂，仪器要求简单，操作容易，响应快。：不需要额外试剂，仪器要求简单，操作容易，响应快。u缺点缺点：灵敏度较低，样品需求量较大。：灵敏度较低，样品需求量较大。3.3.常见类型的生物传感器常见
32、类型的生物传感器第三十八页，讲稿共五十五页哦u免疫传感器的应用及发展免疫传感器的应用及发展u免疫传感器和其他生物生物传感器一样，在医学上已经得到了很免疫传感器和其他生物生物传感器一样，在医学上已经得到了很好的应用，好的应用，例如测量例如测量人体胰岛素含量人体胰岛素含量以及以及人绒毛膜促性腺激素人绒毛膜促性腺激素的测定等等的测定等等u尽管免疫传感器有很多的有点，但免疫传感器的发展仍然有很多的问尽管免疫传感器有很多的有点，但免疫传感器的发展仍然有很多的问题急待解决。题急待解决。例如：例如：来自于基体和共存物的干扰来自于基体和共存物的干扰，抗体敏感性抗体敏感性和和可逆性可逆性等等。等等。3.3.常见
33、类型的生物传感器常见类型的生物传感器第三十九页，讲稿共五十五页哦u基因传感器基因传感器u基因传感器也称基因传感器也称DNADNA或或核酸生物传感器核酸生物传感器，是一种能将，是一种能将目的目的DNADNA的存在的存在转变为可检测的电、光、声等信号的传感装置。转变为可检测的电、光、声等信号的传感装置。u基因传感器基因传感器也也主要由两部分组成，即主要由两部分组成，即分子识别器分子识别器(DNA)(DNA)和和换能器换能器。识别。识别器主要用来感知样品中是否含有器主要用来感知样品中是否含有(或含有多少或含有多少)待测物质，转换器则将待测物质，转换器则将识别器感知的信号转化为可以观察记录的信号如电流
34、大小、频率变化、识别器感知的信号转化为可以观察记录的信号如电流大小、频率变化、荧光和光吸收的强度等。在待测物、识别器以及转换器之间由一些生荧光和光吸收的强度等。在待测物、识别器以及转换器之间由一些生物、化学、生化作用或物理作用过程彼此联系。物、化学、生化作用或物理作用过程彼此联系。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第四十页，讲稿共五十五页哦u设计原理设计原理u其设计原理其设计原理：在在电极电极上固定一条含有十几到上千个核苷酸的上固定一条含有十几到上千个核苷酸的单链单链DNADNA，通过，通过DNA DNA 分子杂交分子杂交，对另一条含有，对另一条含有互补互补碱基序列的碱基序列的D
35、NADNA进行识别，进行识别，结合成结合成双链双链DNADNA。杂交反应在敏感元件上直接完成，换能器将杂交过程所。杂交反应在敏感元件上直接完成，换能器将杂交过程所产生的变化转变成电信号，根据杂交前后电信号的变化量，推断出产生的变化转变成电信号，根据杂交前后电信号的变化量，推断出被检测被检测DNADNA的量的量。基因传感器不仅能测定。基因传感器不仅能测定DNADNA的浓度，还能的浓度，还能识别部分碱基的排列识别部分碱基的排列顺序顺序，可确定微生物的种属，这是一般生物传感器所不具备的特，可确定微生物的种属，这是一般生物传感器所不具备的特性性 。按换能器转换信号的不同，可以将基因传感器分为。按换能器
36、转换信号的不同，可以将基因传感器分为DNADNA电化电化学传感器学传感器、DNADNA压电传感器压电传感器、DNADNA光学传感器光学传感器等类别。等类别。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第四十一页，讲稿共五十五页哦uDNADNA电化学传感器电化学传感器uDNADNA电化学传感器是利用电化学传感器是利用单链单链DNADNA作为敏感元件，通过共价键合或化学吸作为敏感元件，通过共价键合或化学吸附固定在固体电极表面，加上识别杂交信息的附固定在固体电极表面，加上识别杂交信息的电活性指示剂电活性指示剂(称为杂交称为杂交指示剂指示剂)共同构成的检测特定基因的装置共同构成的检测特定基因的装置
37、。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第四十二页，讲稿共五十五页哦uDNADNA电化学传感器电化学传感器原理原理u其工作原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的其工作原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的ssDNAssDNA与溶液中的与溶液中的互补序列互补序列DNADNA的特异识别作用的特异识别作用(分子杂交分子杂交)形成双链形成双链DNA(dsDNA)DNA(dsDNA)，同时借，同时借助一能识别助一能识别ssDNAssDNA和和dsDNA dsDNA 的杂交指示剂的电化学响应信号的改变来确的杂交指示剂的电化学响应信号的改变来确定被检测基因是否存在，达到定性的目的。定被检测基因
38、是否存在，达到定性的目的。u同时，当互补序列同时，当互补序列DNA DNA 的浓度发生改变时，指示剂嵌入后的响应的浓度发生改变时，指示剂嵌入后的响应信号也会发生相应变化。一定范围内指示剂的响应信号与待测信号也会发生相应变化。一定范围内指示剂的响应信号与待测DNADNA物质的量浓度成线性关系，从而得以检测基因含量，达到定物质的量浓度成线性关系，从而得以检测基因含量，达到定量的目的。量的目的。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第四十三页，讲稿共五十五页哦u光学生物传感器光学生物传感器u光学方法是最成熟和最好的生物敏感技术，因为它有两个最重要的优点：光学方法是最成熟和最好的生物敏感技术
39、，因为它有两个最重要的优点：非破坏性非破坏性和和高高度灵敏度度灵敏度。根据光学和所选检测材料的不同，光学基因传感器可以分为许多种类：。根据光学和所选检测材料的不同，光学基因传感器可以分为许多种类：uSPR(SPR(表面等离子共振）基因传感器表面等离子共振）基因传感器u该传感器以该传感器以表面等离子共振作表面等离子共振作为信号转换器，其对基因敏感的原理如电化学基因传感器为信号转换器，其对基因敏感的原理如电化学基因传感器一样，只不过检测的信号是光学信号。一样，只不过检测的信号是光学信号。uSPRSPR基因传感器的特点：基因传感器的特点：u优点：不采用标记物，简化分子杂交的检测过程，检测时所需的时间
40、较短（几分优点：不采用标记物，简化分子杂交的检测过程，检测时所需的时间较短（几分钟），测定快速、安全，传感器重复利用度较高。钟），测定快速、安全，传感器重复利用度较高。u缺点：该方法选择性较差，难以排除非特异性吸附的干扰，且需要缺点：该方法选择性较差，难以排除非特异性吸附的干扰，且需要DNADNA嵌合剂嵌合剂，所用的仪器，所用的仪器复杂且价格昂贵。复杂且价格昂贵。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第四十四页，讲稿共五十五页哦u发光基因传感器发光基因传感器u发光基因传感器的发光机理有荧光、电化学发光和化学发光三种。发光基因传感器的发光机理有荧光、电化学发光和化学发光三种。u下图为一
41、种单分子显微荧光基因传感器：该传感器单链下图为一种单分子显微荧光基因传感器：该传感器单链DNADNA包含包含A A、B B两部分，两部分，B B为为待测的靶序列，待测的靶序列，A A则与载体上的固定序列则与载体上的固定序列A1A1互补，利用互补单链互补，利用互补单链DNADNA之间的特异性之间的特异性相互作用，通过相互作用，通过A A将被测单链将被测单链DNADNA固定后，再利用与序列固定后，再利用与序列B B互补的探针互补的探针B1B1进行检测。进行检测。固定序列和探针序列上分别标记具有不同发射波长的荧光素固定序列和探针序列上分别标记具有不同发射波长的荧光素F1F1和和F2F2，结合成像技，
42、结合成像技术，在术，在F1F1的发射波长能看到的亮点为固定的发射波长能看到的亮点为固定DNADNA序列，在序列，在F2F2的发射波长能看到的亮的发射波长能看到的亮点为探针点为探针DNADNA分子。由此可以判断：被检测分子。由此可以判断：被检测DNADNA分子中分子中哪些是非特异性吸附的哪些是非特异性吸附的，哪些哪些是通过杂交结合在载体表面的是通过杂交结合在载体表面的。单分子显微荧光基因传感器3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第四十五页，讲稿共五十五页哦u压电晶体基因传感器压电晶体基因传感器u压电晶体基因传感技术的理论基石是压电晶体基因传感技术的理论基石是石英晶体振荡器表面质量的石
43、英晶体振荡器表面质量的变化与频率的变化成负相关关系变化与频率的变化成负相关关系。将单链的。将单链的DNADNA探针固定到电极探针固定到电极表面上，然后浸入含有被测目标单链表面上，然后浸入含有被测目标单链DNADNA分子的溶液中，当电极分子的溶液中，当电极上的单链上的单链DNADNA探针与溶液中的互补序列的目标单链探针与溶液中的互补序列的目标单链DNADNA分子杂交形分子杂交形成双链成双链DNADNA时，石英晶体振荡器的振动频率就会发生变化。时，石英晶体振荡器的振动频率就会发生变化。压电晶体基因传感器基本原理3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第四十六页，讲稿共五十五页哦u压电晶体基
44、因传感器的特点：压电晶体基因传感器的特点：u优点：它可以检测到优点：它可以检测到亚纳克级亚纳克级即即 （在在10-710-7到到 10-8 10-8 范围内范围内 ，介于微，介于微克与纳克这两种尺度克与纳克这两种尺度）的物质，该方法不需要任何标记，且仪器简单操作）的物质，该方法不需要任何标记，且仪器简单操作方便。方便。u缺点：灵敏度不高，易受杂质干扰等。缺点：灵敏度不高，易受杂质干扰等。u基因传感器的应用和研究涉及微电子学、界面化学及分析化学等多基因传感器的应用和研究涉及微电子学、界面化学及分析化学等多个学科的知识，许多不同分子识别元件及技术相继在基因传感器中个学科的知识，许多不同分子识别元件
45、及技术相继在基因传感器中得到应用，其发展和应用前景非常广阔。得到应用，其发展和应用前景非常广阔。3.3.常见类型的生物传感器常见类型的生物传感器第四十七页，讲稿共五十五页哦u总结：生物传感器的种类繁多，除了前面介绍的外还有总结：生物传感器的种类繁多，除了前面介绍的外还有细胞生物传感器、组织生细胞生物传感器、组织生物传感器，半导体生物传感器物传感器，半导体生物传感器等。此类传感器涉及的学科领域广阔、技术先进、优点等。此类传感器涉及的学科领域广阔、技术先进、优点突出，从而得到了广泛的应用。突出，从而得到了广泛的应用。4.4.生物传感器的发展与应用生物传感器的发展与应用第四十八页，讲稿共五十五页哦u
46、生物传感器未来发展的趋势生物传感器未来发展的趋势u近年来随着生物科学，信息科学，微电子技术光电子技术和材料科学近年来随着生物科学，信息科学，微电子技术光电子技术和材料科学的发展，不同学科背景的研究者密切合作使得生物传感器设计和应用的发展，不同学科背景的研究者密切合作使得生物传感器设计和应用都有了很大的发展，未来生物传感器将会有如下的特点：都有了很大的发展，未来生物传感器将会有如下的特点：u功能多样化功能多样化u微型化微型化u智能化和集成化智能化和集成化1.1.低成本、高灵敏度、高稳定性和长寿命低成本、高灵敏度、高稳定性和长寿命4.4.生物传感器的发展与应用生物传感器的发展与应用第四十九页，讲稿
47、共五十五页哦4.4.生物传感器的发展与应用生物传感器的发展与应用手掌型血糖分析仪维生素c的检测器快速葡萄糖分析仪第五十页，讲稿共五十五页哦谷氨酸(乳酸)-葡萄糖双功能分析仪纳米生物传感器光纤生物传感器4.4.生物传感器的发展与应用生物传感器的发展与应用第五十一页，讲稿共五十五页哦胰岛素泵腕表式血糖检测仪4.4.生物传感器的发展与应用生物传感器的发展与应用第五十二页，讲稿共五十五页哦血糖乳酸自动分析仪4.4.生物传感器的发展与应用生物传感器的发展与应用德国研发的环境废水BOD(生化需氧量)分析仪第五十三页，讲稿共五十五页哦4.4.生物传感器的发展与应用生物传感器的发展与应用生物传感器在赛车比赛的应用分子马达微动力生物传感器第五十四页，讲稿共五十五页哦感谢大家观看第五十五页，讲稿共五十五页哦