新型生物傳感器

1、發(fā)酵過程控制發(fā)酵過程控制（Control of Fermentation Process)生物傳感器生物傳感器生物傳感器生物傳感器1 概述2 生物傳感器基本原理3 酶傳感器4 微生物傳感器5 其他生物傳感器什么是傳感器？什么是傳感器？某工藝參數(shù)某工藝參數(shù) 傳感器傳感器 電、熱、光 變換器 電信號轉(zhuǎn)換器數(shù)字量數(shù)字量傳感器三要素：（1）直接觸被測物；（2）可傳遞性；（3）輸出信號與被測參數(shù)有明確的關系，最好是線性關系。1 概述概述1.1 什么是生物傳感器什么是生物傳感器功能：被測物質(zhì)濃度功能：被測物質(zhì)濃度生物傳感器生物傳感器可傳遞信號可傳遞信號數(shù)字量數(shù)字量組成：生物傳感器組成：生物傳感器 固定化生

2、物材料固定化生物材料具有專一性功能具有專一性功能（感受器）（感受器）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器具有傳遞性功能具有傳遞性功能生物傳感器的發(fā)展歷程：生物傳感器的發(fā)展歷程： 酶法分析酶法分析具有高度專一性，但操作復雜、時具有高度專一性，但操作復雜、時間長。間長。 固定化酶固定化酶使酶法分析自動化，但不具備傳遞使酶法分析自動化，但不具備傳遞性，只能取樣檢測。性，只能取樣檢測。 電極電極具傳遞性，但不具備專一性。具傳遞性，但不具備專一性。氧電極氧電極pH電極電極生物傳感器的發(fā)展歷程：生物傳感器的發(fā)展歷程：生物傳感器電極固定化酶酶法分析1.2 生物傳感器的特點生物傳感器的特點（1）特異性好）特異性好：能從復雜的系統(tǒng)中準

3、確測出某一物質(zhì)的濃度。（2）靈敏度高）靈敏度高：可檢測0.11.0ppm濃度的物質(zhì)，最小極限為10-10g/mL。（3）穩(wěn)定性相對較差穩(wěn)定性相對較差：檢測結果易受物理和化學環(huán)境因素的影響。（4）不能加熱殺菌處理不能加熱殺菌處理：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。（5）制作工藝精細，廢品率高，成本昂貴成本昂貴。1.3 生物傳感器的分類生物傳感器的分類 （1）根據(jù)生物物質(zhì)分類（感受器）根據(jù)生物物質(zhì)分類（感受器）酶傳感器各種酶微生物傳感器微生物細胞細胞器傳感器細胞膜、線粒體、電子傳遞體、微粒體等細胞器組織傳感器細胞組織免疫傳感器抗原、抗體基因（DNA）傳感器核酸（DNA、RNA）

4、生物傳感器生物傳感器 感受器感受器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器（2）根據(jù)轉(zhuǎn)換器分類）根據(jù)轉(zhuǎn)換器分類 生物物質(zhì)發(fā)出的信號生物物質(zhì)發(fā)出的信號 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 可傳遞信號可傳遞信號信號轉(zhuǎn)換器生物反應產(chǎn)生的信號電極式各種電極活性物質(zhì)，如O2、CO2、H+、NH4+等熱敏電阻式熱光電纖維式光半導體式電場壓電晶體式氣體等離子體共振式 磁場1.4 應用領域與前景應用領域與前景1.4.1生物傳感器的應用領域生物傳感器的應用領域（1）在酵工業(yè)方面）在酵工業(yè)方面：主要是各種酶傳感器和微生物傳感器 如：糖、甲醇、乙醇、醋酸、甲酸、谷氨酸、賴氨酸、精氨酸、天冬氨酸、抗生物質(zhì)、氨、甲烷、BOD及菌體數(shù)等生物傳感器 。（2）環(huán)境檢測方面環(huán)

5、境檢測方面：應用較多的是各種微生物傳感器 如：BOD、NH3、NOX、SOX、甲烷及各種重金屬離子等BOD、NH3、NOX、SOX、甲烷及各種重金屬離子等。 （3）醫(yī)療方面醫(yī)療方面：主要是酶傳感器、免疫傳感器、基因傳感器 如：血清檢查和尿樣檢查等。 （4）食品分析：主要是各種酶傳感器、免疫傳感器2 生物傳感器的原理生物傳感器的原理2.1電極式生物傳感器原理電極式生物傳感器原理電極式生物傳感器電極式生物傳感器 轉(zhuǎn)換器的功能電極識別被測物質(zhì)的功能固定化生物催化劑膜電極式生物傳感的組成：電極活性物質(zhì) 電 極被測物質(zhì)膜生物催化劑酶 、微生物抗體、抗原細胞器、細胞組織輸出電信號電化學反應電極式生物傳感器

6、原理示意圖電極式生物傳感器原理示意圖 電極式生物傳感器原理模式：電極式生物傳感器原理模式：被測物質(zhì)被測物質(zhì) 固定化生物催化劑膜固定化生物催化劑膜 電極活性物質(zhì)電極活性物質(zhì) 電電 極極 電信號電信號 生物化學反應生物化學反應電化學反應電化學反應2.2電極活性物質(zhì)電極活性物質(zhì) 電極活性物質(zhì)電極活性物質(zhì)指易于在電極上反應的物質(zhì)，指易于在電極上反應的物質(zhì)，如：如：O2、CO2、H2O2、H+、NH3等等 。例如：被測物質(zhì)被測物質(zhì) 生物催化劑膜電極活性物質(zhì)(反應生成或消耗物質(zhì)) 電極乳酸乳酸乳酸氧化酶膜消耗O2氧電極(電流)L-賴氨酸賴氨酸L-賴氨酸脫羧酶膜生成CO2CO2 電極(電壓)2.3電極的轉(zhuǎn)換

7、方式電極的轉(zhuǎn)換方式電流法電流法電極活性物質(zhì)在電極上反應產(chǎn)生電流電極活性物質(zhì)在電極上反應產(chǎn)生電流。 常用電極有：氧電極、常用電極有：氧電極、H2O2電極、燃料電池型電極電極、燃料電池型電極等等。電壓法電壓法電極活性物質(zhì)有選擇地感應產(chǎn)生膜電壓電極活性物質(zhì)有選擇地感應產(chǎn)生膜電壓。 常用電極有：離子選擇電極、氨電極、常用電極有：離子選擇電極、氨電極、CO2電極等。電極等。2.4其它生物傳感器原理其它生物傳感器原理 被測物質(zhì)被測物質(zhì)固定化生物催化劑膜固定化生物催化劑膜 熱熱 熱敏電阻熱敏電阻 電信號電信號 生物化學反應生物化學反應被測物質(zhì)被測物質(zhì)固定化生物催化劑膜固定化生物催化劑膜 光光 光計數(shù)器光計數(shù)

8、器 電信號電信號 生物化學反應生物化學反應其他信號：其他信號： 電場電場電場電場磁場磁場3 酶傳感器酶傳感器酶傳感器是應用固定酶膜作為識別被測物酶傳感器是應用固定酶膜作為識別被測物質(zhì)敏感元件質(zhì)敏感元件（感受器感受器）的生物傳感器的生物傳感器。酶傳感器包括酶電極傳感器酶電極傳感器、酶光纖傳感酶光纖傳感器器和酶熱敏電阻傳感器酶熱敏電阻傳感器等。 Clack最初提出了使用酶進行電化學測定的原理。?？怂梗℉icks）和厄迪克（Updick） 首先研制成了測定葡萄糖的酶傳感器。 3.1 酶反應與轉(zhuǎn)換器的耦聯(lián)酶反應與轉(zhuǎn)換器的耦聯(lián) 耦聯(lián)關系耦聯(lián)關系是指酶反應所生成生成（如：H2O2、CO2等）或消耗（如O2

9、等）的某種物質(zhì)物質(zhì)，能被轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號電信號。 酶傳感器中轉(zhuǎn)換器與酶反應的耦聯(lián)關系酶傳感器中轉(zhuǎn)換器與酶反應的耦聯(lián)關系酶 例耦聯(lián)物質(zhì)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器輸出信號氧化酶、過氧氧化酶、過氧化氫酶等化氫酶等O2氧電極氧電極電流電流H2O2H2O2電極電極電流電流脫氫酶脫氫酶NADH燃料電極燃料電極電流電流尿酶、酰氨酶尿酶、酰氨酶NH4+ （酸性）（酸性）銨電極銨電極電壓電壓尿酶、脫氨酶尿酶、脫氨酶NH3（堿性）（堿性）氨電極氨電極電壓電壓脫羧酶脫羧酶CO2CO2電極電極電壓電壓脂肪酶、青霉素酶脂肪酶、青霉素酶H+玻璃電極玻璃電極電壓電壓3.2 固定化酶膜（固定化酶膜（EBM）的制備）的制備（1）固定

10、化方法）固定化方法 包埋法：活性損失最小，但不適于測量大分子底物；包埋法：活性損失最小，但不適于測量大分子底物； 共價法、交聯(lián)法：活性損失較大，適應性較廣。共價法、交聯(lián)法：活性損失較大，適應性較廣。（2）酶膜制備）酶膜制備EBMEBM用透析膜包容顆粒等其它狀膜狀固定化酶交聯(lián)法共價法包埋法載體酶酶膜制備實例酶膜制備實例: 將乙醇氧化酶和聚乙烯亞胺及牛血清蛋白溶液混合起來，加入5%（V）戊二醛溶液，在5下，存放4小時。 這種酶的混合物包在聚碳酸脂膜（孔徑0.03m）和醋酸纖維素膜之間，并在5使其風干24h。 用0.02%（V）戊二醛溶液處理，并用磷酸鹽緩沖液洗滌，即制得乙醇氧化酶膜(厚度約20m)

11、。（3）酶膜的性質(zhì)）酶膜的性質(zhì) 使用壽命：與使用環(huán)境條件（溫度、使用壽命：與使用環(huán)境條件（溫度、pH等）有關，一般為一個月左右。等）有關，一般為一個月左右。響應特性響應特性:響應時間較短交聯(lián)法共價法響應時間較長包埋法3.3 酶傳感器實例酶傳感器實例 例例1：葡萄糖傳感器：葡萄糖傳感器：傳感器組成：傳感器組成： 葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶聚丙烯酰胺凝膠聚丙烯酰胺凝膠 包埋法包埋法葡萄糖氧化酶膜葡萄糖氧化酶膜 氧電極氧電極葡萄糖傳感器葡萄糖傳感器葡萄糖傳感器示意圖葡萄糖傳感器示意圖 PbPt記錄儀空氣被測溶液電解質(zhì)溶液聚四氟乙稀膜固定化葡萄糖氧化酶膜 例：葡萄糖傳感器：例：葡萄糖傳感器： 電極反應電

12、極反應： C6H12O6 + O2 葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶 C6H10O6 + H2 O2 葡萄糖葡萄糖 葡萄糖酸葡萄糖酸 在酶膜上：在酶膜上： 在氧電極上：在氧電極上：在Pb陽極：PbPb2+2e在Pt陰極：1/2O2+H2O+2e2OH PbPt記錄儀空氣被測溶液電解質(zhì)溶液聚四氟乙稀膜固定化葡萄糖氧化酶膜測定原理測定原理： 主要性能主要性能 測量范圍：測量范圍：1500 mg/L 響應時間：響應時間：1030 s 使用壽命：使用壽命：60100 day葡萄糖葡萄糖 酶催化反應酶催化反應 電極旁電極旁O2濃度濃度電化學反應電化學反應 電流值電流值葡萄糖濃度葡萄糖濃度 酶膜上酶膜上 氧電極上

13、氧電極上 氧化酶膜與過氧化氫電極組成葡萄糖傳感器氧化酶膜與過氧化氫電極組成葡萄糖傳感器： 葡萄糖傳感器電極葡萄糖氧化酶膜22OH某些酶傳感器一覽表某些酶傳感器一覽表待測物待測物質(zhì)質(zhì)固定化酶固定化酶轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器測量范圍測量范圍(mg/L)響應時間響應時間（min）穩(wěn)定性穩(wěn)定性(day)葡萄糖葡萄糖葡萄氧化酶葡萄氧化酶鉑電鉑電(H2O2)氧電極氧電極(O2)151031510215(S)10(S)60100100各種糖各種糖 蔗糖酶、變旋酶蔗糖酶、變旋酶葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶氧電極氧電極(O2)1005000514乳酸乳酸乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶燃料電極燃料電極(NADH)100030 (S)14乙

14、醇乙醇乙醇脫氫酶乙醇脫氫酶乙醇氧化酶乙醇氧化酶原電池原電池鉑電極鉑電極(H2O2)1430尿素尿素尿酶尿酶銨電極銨電極(NH4+)氨電極氨電極(NH3)1010001010000.51242130青霉素 青霉素酶玻璃電極(H+)1010000.52714L-酪氨酸酪氨酸 酪氨酸脫羧酶酪氨酸脫羧酶CO2電極電極(CO2) 1010412204 微生物傳感器微生物傳感器 在酶傳感器制造中酶傳感器制造中，首先遇到的困難就是酶的提困難就是酶的提取與精制取與精制。 微生物傳感器轉(zhuǎn)換器固定化微生物膜固定于高分子膜上微生物微生物膜作為微生物膜作為分子識別元件分子識別元件利用：利用：利用微生物細胞內(nèi)單一或多個

15、酶的機能利用微生物細胞內(nèi)單一或多個酶的機能類似于酶傳感器；類似于酶傳感器；利用微生物的生理機能。利用微生物的生理機能。4.1 微生物傳感器的原理與分類微生物傳感器的原理與分類 酶活性測定型以微生物酶催化反應的活性為指標；（類似于酶傳感器） 呼吸活性測定型以微生物呼吸活性為指標； 電極活性物質(zhì)測定型以微生物代謝產(chǎn)物為指標。（1）呼吸活性測定型）呼吸活性測定型必須是必須是好氣性微生物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（2）電極活性物質(zhì)測定型）電極活性物質(zhì)測定型包括包括厭氧和好氧微生物厭氧和好氧微生物待測物質(zhì)固定化微生物膜 CO2

16、 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 4.2 微生物傳感器特點微生物傳感器特點（1）微生物較酶易獲得，價格相對較低；）微生物較酶易獲得，價格相對較低；（2）穩(wěn)定性好，連續(xù)使用時間可達一個月左右；）穩(wěn)定性好，連續(xù)使用時間可達一個月左右；（3）響應時間比酶傳感器長，多數(shù)在）響應時間比酶傳感器長，多數(shù)在10分鐘左右；分鐘左右；（4）特異性較酶傳感器差。）特異性較酶傳感器差。 4.3 微生物傳感器實例微生物傳感器實例例：谷氨酸傳感器例：谷氨酸傳感器谷氨酸脫羧酶催化谷氨酸的反應為：谷氨酸脫羧酶催化谷氨酸的

17、反應為： HOOC-(CH2)2-CHNH2-COOH 谷氨酸脫羧酶谷氨酸脫羧酶 HOOC-(CH2)2-CH2NH2 + CO2測定谷氨酸傳感器電極活性的微生物膜具有較高谷氨酸脫羧酶2CO（1）傳感器制備傳感器制備大腸桿菌細胞大腸桿菌細胞冷凍干燥冷凍干燥用水調(diào)勻用水調(diào)勻涂布于尼龍網(wǎng)（涂布于尼龍網(wǎng)（60目，目，7mm）兩面）兩面置于置于CO2電極上電極上外用賽璐酚膜蓋住外用賽璐酚膜蓋住谷氨酸傳感器谷氨酸傳感器電極膜（硅橡膠膜）細胞尼龍網(wǎng)細胞尼龍網(wǎng)(大腸桿菌大腸桿菌)賽璐酚膜賽璐酚膜 CO2 電 極（2）測定原理）測定原理（3）主要性能）主要性能 A響應時間：5min左右； B測量范圍：1080

18、0mg/L； C使用壽命：20day。 推算谷氨酸含量電極電位有谷氨酸不產(chǎn)生無谷氨酸222COCOCO在無氧條件下在無氧條件下 （4）專一性：）專一性： A對谷氨酰胺有響應對谷氨酰胺有響應，對其它氨基酸的作用可忽略。 B葡萄糖7.9g/L、醋酸14乙醇T. brassicae氧電極5301030醋酸T. Brassicae氧電極101001020甲酸C. butyricum鉑陽極、Ag2O2陰極13003030谷氨酸E. ColiSarcina flaveCO2電極NH3電極10800201000552014賴氨酸E. coliCO2電極10200514天冬氨酸B. CacaverisNH3電

19、極0.590510頭孢菌素Citrobacter fenundipH電極1005001075其他生物傳感器其他生物傳感器5.1免疫電極傳感器免疫電極傳感器 免疫電極免疫電極(immuno bioelectrode)是以免疫物質(zhì)是以免疫物質(zhì)（抗原或抗體）作為敏感元件的電化學生物傳感（抗原或抗體）作為敏感元件的電化學生物傳感器器。 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。 根據(jù)測定過程是否需要標記物可分為直接免疫電極（direct immuno electrode）和間接免疫電極（indirect immuno electrode）。 （1）直接免疫電極）直接免疫電極不用任何標記物不用任

20、何標記物 例如（例如（設抗體為被測物設抗體為被測物）：）：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率變化介電常數(shù)變化固定化抗原膜電化學或電學變化電極膜電壓變化特點：不需額外試劑，儀器要求簡單，操作容易，響應快；缺點：靈敏度低，因而難以作為標準檢測方法 （2）間接免疫電極）間接免疫電極需要制備酶標抗體或酶標抗原結合物需要制備酶標抗體或酶標抗原結合物 利用標記物將免疫反應的信號放大后間接利用標記物將免疫反應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ELISA法法（e

21、nzyme linked immunoassay）。例如（例如（設抗體為被測物設抗體為被測物）：）：推測試樣中抗體濃度推測試樣中抗體濃度 抗體抗體 固定化酶標抗原膜固定化酶標抗原膜抗體與酶標抗原結合抗體與酶標抗原結合 改變酶標抗原存在狀態(tài)改變酶標抗原存在狀態(tài)固定化酶標抗原膜固定化酶標抗原膜底物底物狀態(tài)改變的酶標抗原催化底物反應狀態(tài)改變的酶標抗原催化底物反應 反應速度與試樣中抗體濃度有關反應速度與試樣中抗體濃度有關 5.2 DNA傳感器傳感器 DNA測定主要指靶DNA的檢測、DNA序列測定和DNA雜交測定。 DNA測定在分子生物學及其基因操作研究、臨床診斷、反恐偵檢、食品安全、檢疫等方面應用廣泛。 傳統(tǒng)的DNA檢測主要依靠膜上分子雜交和電泳，其特點是技術要求高，時間長、成本高、效率低。 近年來DNA傳感器和DNA列陣的出現(xiàn)，使DNA的檢測大大減化。（1）DNA