[医药卫生]生物传感器.ppt

第七讲 生物传感器及其在食品检测分析中的应用 从上世纪60年代Clark和Lyon提出生物传感器的设想开始，生物传感器的发展已经距今已有40多年的历史。 生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。 一 生物传感器的诞生 1962年Clark和Lyon等将酶液夹在两层透明膜之间形成一层薄液层，然后紧帖在pH电极、氧电极和电导电极上，这是生物传感器的雏形。 1967年Updike等根据Clark等的设想，采用酶的固定化技术，将葡萄糖氧化酶固定在疏水膜上，然后再和氧电极结合，组装成了世界上第一个生物传感器——葡萄糖氧化酶电极 相继的出现： 微生物生物传感器 免疫传感器 细胞传感器 组织切片传感器 国内外得到应用的生物传感器主要包括： 1.测定水质的BOD (Biochemical Oxygen Demand) 分析仪:在市场上有日本和德国产品供应。 水中的溶解氧（DO）、生物需氧量（BOD）高，说明浮游生物种类和数量多。 2.手掌型血糖分析器:已形成规模化生产，年销售量约为十亿美元； 3.固定化酶传感分析仪：国外以美国的YSI公司和德国BST公司为代表，都有系列分析仪产品，它们主要用于环境监测和食品分析。 手掌型葡萄糖(glucose)分析仪 二、生物传感器的基本概念 生物传感器是由固定化的具有分子识别功能的生物材料、换能器和信号处理放大装置组成的分析工具或系统。 1.生物识别元件(Biological recognition element) 它是酶、抗原(体)、细胞器、组织切片和微生物细胞等生物分子经固定化后形成的一种膜结构，对被测定的物质有选择性的分子识别能力. 2.换能器(Transducer) 它能将识别元件上进行的生化反应中消耗或生成的化学物质，或产生的光或热等转换为电信号，在一定条件下，产生的电信号强度和反应中物质的变化量或光、热等的强度呈现一定的比例关系。 信号处理放大装置(Signal amplification system) 主要负责信号的分析处理和放大输出。 它能将换能器产生的电信号进行处理、放大和输出。 三、生物传感器优点 由于具有较高的选择性，因此不需对被测组分进行分离，即不用对样品进行预处理。 结构简单，体积小，使用方便，特别是便携式的生物传感器，非常有利干食品质量的市场快速评价； 可以实现连续的在线检测，使食品加工过程的质量控制变得简便； 响应速度快，样品用量少；与其他大型分析仪器相比，生物传感器的制作成本低，且可反复使用。 四、生物传感器的工作原理 1.分子识别 是指生物敏感材料中生物分子能选择性地和待测成分进行特异性结合的性质。 例如：酶分子固定化后与待测特定的底物分子结合。 国际上己经研制成功了的酶传感器有几十种：青霉素（青霉素酶）、乙酸（乙酸脱氢酶）和亚硝酸盐（亚硝酸盐还原酶）等酶传感器。 微生物传感器、细胞器传感器和组织切片传感器的分子识别，从本质上讲也是酶的分子识别。 2.生化反应中量的变化和信号的转换 生物传感器中的生物敏感材料完成分子识别后，接着发生生化反应，生化反应中将伴随一系列量，如热焓、光、颜色和阻抗等的变化； 运用特定的换能器检测这些量的变化。并将其转换成电信号，然后通过分析电信号来测定待测物质的量。 物质量的变化及转换:通过各种电极测定消耗或生成的化学物质的量 热焓的变化及转换: 通过热敏电阻测定热焓的变化可以知道底物的浓度。 光效应及其转换：运用光学换能器（光电倍增管）将光效应转换成电信号。 颜色的变化及其转化：颜色变化可以引起反应体系光效应的变化，运用光学换能器将这种变化转换成电信号，同样可以测定反应过程中物质量的变化。 五、生物传感器中生物敏感材料的固定化和成膜技术 在生物传感器中生物敏感材料是以固定化的形式和换能器结合在一起的，因此生物敏感材料必须首先固定化。 生物材料固定化技术 （二）成膜技术 在生物传感器中，生物材料是以膜的形式和转换器结合在一起的 例如：半导体生物传感器：在一个芯片转换器的两个极上，一个作为参比，另一个提供检测信号。 紫外线照射法 在一个芯片的两个极上均匀涂上（覆盖）一层活性固定化酶膜，在其中的一极上盖上光防护罩，然后以紫外线照射，由于紫外线的穿透能力很差，因此有光防护罩一极的酶保留活性 而另一极上的酶在紫外线的照射下失活，酶失活的一极就可作为半导体传感器中的参比,提供参比信号，另一个提供检测信号。 光平板印刷法 一块芯片上，首先将酶和光敏聚合物（如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等）的混合溶液涂布于芯片的两极，形成一层溶液膜， 以光防护物盖住芯片，在需要有酶活一极的部位开一个孔，然后以光照射，一定时间后，开孔一极上的光敏聚合物和酶的混合物溶液膜在光的照射下聚