生物医学传感器课件-第11章 生物传感器.pdfVIP

第11章 生物传感器 一、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。 （一）生物传感器工作原理 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 生物传感器的模型 待测物 敏感元件 转换器 是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种 学科互相渗透成长起来的高新技术。 应用领域：环境监测、食品分析、生物医学、发酵工 业等 2 生物传感器的组成 敏感元件： 酶、抗体、核酸、细 胞等。 酶 (Enzyme) 转换器： 电化学电极、光学检 DNA 测元件、场效应晶体 管、压电石英晶体、 表面等离子共振。 抗体(Antibody) 3 转化器转化为电信号的方式 （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。 （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。 （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，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。 （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 。 （二） 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 。  20世纪70年代中期后,生物传感器技术的成功主要集中 在对生物活性物质的探索、活性物质的固定化技术、生 物电信息的转换以及生物传感器等研究 ,并获得了较快 的进展，如Divies首先提出用固定化细胞与氧电极配合， 组成对醇类进行检测所谓“微生物电极 ”。  1977年,钤木周一等发表了关于对生化需氧量(BOD)进 行快速测定的微生物传感器的报告，并在微生物传感器 对发酵过程的控制等方面，作了详细报导，正式提出了 对生物传感器的命名 。 （三）生物传感器分类 1 根据