發(fā)酵過程控制（ControlofFermentationProcess)第四章生物傳感器簡介

1、發(fā)酵過程控制（Control of Fermentation Process)第四章生物傳感器簡介第四章 生物傳感器4.1 概述4.2 生物傳感器基本原理4.3 酶傳感器4.4 微生物傳感器4.5 其他生物傳感器什么是傳感器？某工藝參數(shù) 傳感器 電、熱、光 變換器 電信號轉(zhuǎn)換器數(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(guān)系，最好是線性關(guān)系。4.1 概述4.1.1 什么是生物傳感器功能：被測物質(zhì)濃度生物傳感器可傳遞信號數(shù)字量組成：生物傳感器 固定化生物材料具有專一性功能（感受器）轉(zhuǎn)換器具有傳遞性功能生物傳感器的發(fā)展歷程：酶法分析具有高度專一性，但操作

2、復(fù)雜、時(shí)間長。固定化酶使酶法分析自動化，但不具備傳遞性，只能取樣檢測。電極具傳遞性，但不具備專一性。氧電極pH電極生物傳感器的發(fā)展歷程：4.1.2 生物傳感器的特點(diǎn)（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。（2）靈敏度高：可檢測濃度的物質(zhì)，最小極限為10-10g/mL。（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。（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。（5）制作工藝精細(xì)，廢品率高，成本昂貴。4.1.3 生物傳感器的分類 （1）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(xì)胞細(xì)胞器傳感器細(xì)胞膜、線粒體、電子傳遞體、

3、微粒體等細(xì)胞器組織傳感器細(xì)胞組織免疫傳感器抗原、抗體基因（DNA）傳感器核酸（DNA、RNA）生物傳感器 感受器轉(zhuǎn)換器（2）根據(jù)轉(zhuǎn)換器分類 生物物質(zhì)發(fā)出的信號 轉(zhuǎn)換器 可傳遞信號信號轉(zhuǎn)換器生物反應(yīng)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(dǎo)體式電場壓電晶體式氣體等離子體共振式磁場4.1.4 應(yīng)用領(lǐng)域與前景生物傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域（1）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：應(yīng)用較多的是各種微生物傳感器 如：

4、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：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4.2 生物傳感器的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(xì)胞器、細(xì)胞組織輸出電信號電化學(xué)反應(yīng)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：被測物質(zhì) 固定化生物催化劑膜 電極活性物質(zhì) 電 極 電信號 生物化學(xué)反應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)電極活性物質(zhì)電極活性物質(zhì)指易于在電極上反

5、應(yīng)的物質(zhì)，如：O2、CO2、H2O2、H+、NH3等 。例如：被測物質(zhì)生物催化劑膜電極活性物質(zhì)(反應(yīng)生成或消耗物質(zhì)) 電極乳酸乳酸氧化酶膜消耗O2氧電極(電流)L-賴氨酸L-賴氨酸脫羧酶膜生成CO2CO2 電極(電壓)電極的轉(zhuǎn)換方式電流法電極活性物質(zhì)在電極上反應(yīng)產(chǎn)生電流。 常用電極有：氧電極、H2O2電極、燃料電池型電極等。電壓法電極活性物質(zhì)有選擇地感應(yīng)產(chǎn)生膜電壓。 常用電極有：離子選擇電極、氨電極、CO2電極等。其它生物傳感器原理 被測物質(zhì)固定化生物催化劑膜 熱 熱敏電阻 電信號 生物化學(xué)反應(yīng)被測物質(zhì)固定化生物催化劑膜 光 光計(jì)數(shù)器 電信號 生物化學(xué)反應(yīng)其他信號： 電場電場磁場4.3 酶傳感

6、器酶傳感器是應(yīng)用固定酶膜作為識別被測物質(zhì)敏感元件（感受器）的生物傳感器。酶傳感器包括酶電極傳感器、酶光纖傳感器和酶熱敏電阻傳感器等。 Clack最初提出了使用酶進(jìn)行電化學(xué)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。 4.3.1 酶反應(yīng)與轉(zhuǎn)換器的耦聯(lián)耦聯(lián)關(guān)系是指酶反應(yīng)所生成（如：H2O2、CO2等）或消耗（如O2等）的某種物質(zhì)，能被轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號。 酶傳感器中轉(zhuǎn)換器與酶反應(yīng)的耦聯(lián)關(guān)系酶 例耦聯(lián)物質(zhì)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器輸出信號氧化酶、過氧化氫酶等O2氧電極電流H2O2H2O2電極電流脫氫酶NADH燃料電極電流尿酶、酰氨酶NH4+ （酸性）銨電極電壓尿酶、

7、脫氨酶NH3（堿性）氨電極電壓脫羧酶CO2CO2電極電壓脂肪酶、青霉素酶H+玻璃電極電壓4.3.2 固定化酶膜（EBM）的制備（1）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；共價(jià)法、交聯(lián)法：活性損失較大，適應(yīng)性較廣。（2）酶膜制備酶膜制備實(shí)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(shí)。這種酶的混合物包在聚碳酸脂膜（孔徑）和醋酸纖維素膜之間，并在5使其風(fēng)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)。（3）酶膜的性質(zhì) 使用壽命：與使用環(huán)境條件（溫度、pH等）有關(guān)，一般為一個月

8、左右。響應(yīng)特性:4.3.3 酶傳感器實(shí)例 例1：葡萄糖傳感器：傳感器組成： 葡萄糖氧化酶聚丙烯酰胺凝膠 包埋法葡萄糖氧化酶膜 氧電極葡萄糖傳感器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1：葡萄糖傳感器： 電極反應(yīng)： C6H12O6 + O2 葡萄糖氧化酶 C6H10O6 + H2 O2 葡萄糖 葡萄糖酸 在酶膜上： 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： 主要性能 測量范圍：1500 mg/L 響應(yīng)時(shí)間：1030 s 使

9、用壽命：60100 day葡萄糖 酶催化反應(yīng) 電極旁O(shè)2濃度電化學(xué)反應(yīng) 電流值葡萄糖濃度 酶膜上 氧電極上 氧化酶膜與過氧化氫電極組成葡萄糖傳感器： 例2：乙醇傳感器： 傳感器組成：將固定化乙醇氧化酶膜用圓形橡膠環(huán)裝在過氧化氫電極的表面，即組成乙醇傳感器。 電極反應(yīng)： 酶膜上的反應(yīng)：乙醇 乙醛電極上的反應(yīng)：在Pt陽極上：H2O22H+O2+2e在Ag陰極上：1/2O2+2H+2eH2O測定原理 電極主要性能乙醇 酶催化反應(yīng) 生成H2O2 電化學(xué)反應(yīng) 電流值推算乙醇濃度 乙醇氧化酶膜 H2O2電極A測量范圍：030%（V）；B相對誤差：2%；C響應(yīng)時(shí)間：20S；D使用壽命：半衰期30天左右。某些

10、酶傳感器一覽表待測物質(zhì)固定化酶轉(zhuǎn)換器測量范圍(mg/L)響應(yīng)時(shí)間（min）穩(wěn)定性(day)葡萄糖葡萄氧化酶鉑電(H2O2)氧電極(O2)151031510215(S)10(S)60100100各種糖蔗糖酶、變旋酶葡萄糖氧化酶氧電極(O2)1005000514乳酸乳酸脫氫酶燃料電極(NADH)100030 (S)14乙醇乙醇脫氫酶乙醇氧化酶原電池鉑電極(H2O2)1430尿素尿酶銨電極(NH4+)氨電極(NH3)1010001010000.51242130青霉素青霉素酶玻璃電極(H+)1010000.52714L-酪氨酸酪氨酸脫羧酶CO2電極(CO2)1010412204.4 微生物傳感器在酶傳

11、感器制造中，首先遇到的困難就是酶的提取與精制。 微生物膜作為分子識別元件利用：利用微生物細(xì)胞內(nèi)單一或多個酶的機(jī)能類似于酶傳感器；利用微生物的生理機(jī)能。4.4.1 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(yīng)的活性為指標(biāo)；（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(biāo)；電極活性物質(zhì)測定型以微生物代謝產(chǎn)物為指標(biāo)。（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（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

12、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 4.4.2 微生物傳感器特點(diǎn)（1）微生物較酶易獲得，價(jià)格相對較低；（2）穩(wěn)定性好，連續(xù)使用時(shí)間可達(dá)一個月左右；（3）響應(yīng)時(shí)間比酶傳感器長，多數(shù)在10分鐘左右；（4）特異性較酶傳感器差。 4.4.3 微生物傳感器實(shí)例例1：谷氨酸傳感器谷氨酸脫羧酶催化谷氨酸的反應(yīng)為： HOOC-(CH2)2-CHNH2-COOH 谷氨酸脫羧酶 HOOC-(CH2)2-CH2NH2 + CO2（1）傳感器制備大腸桿菌細(xì)胞冷凍干燥用水調(diào)勻涂布于尼龍網(wǎng)（60目，7mm）兩面置于CO2電極上外用賽璐酚膜蓋住谷氨酸傳感器電極膜（硅橡膠膜）細(xì)胞尼龍網(wǎng)(大腸

13、桿菌)賽璐酚膜 CO2 電 極（2）測定原理（3）主要性能 A響應(yīng)時(shí)間：5min左右； B測量范圍：10800mg/L； C使用壽命：20day。 在無氧條件下 （4）專一性： A對谷氨酰胺有響應(yīng)，對其它氨基酸的作用可忽略。 B葡萄糖、醋酸時(shí)，無影響。 C無機(jī)離子影響可忽略。 例2：氨傳感器（1）測定原理硝化菌氧化銨的反應(yīng)要消耗氧：NH4+ + O2 硝酸菌 NO2NO2 + O2 硝化細(xì)菌 NO3 NH4+ 微生物反應(yīng) 電極旁O(shè)2濃度電化學(xué)反應(yīng) 電流值推算NH4+濃度 硝化菌膜上 氧電極上（2）傳感器制備活性污泥 分離 硝化菌固定于乙酸纖維素膜安裝于氧電極上測定銨（氨）微生物傳感器 氧電極

14、Pt乙酸纖維素膜(硝化菌)透氣膜聚四氟乙烯膜（3）主要特性響應(yīng)時(shí)間：2min(pH=10的緩沖溶液中)測量范圍：142 mg/L相對誤差：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電極0.590510頭孢菌素Citrobacter fenundipH電極100500107其他生物傳感器免

15、疫電極傳感器免疫電極(immuno bioelectrode)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。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(biāo)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）直接免疫電極不用任何標(biāo)記物 例如（設(shè)抗體為被測物）：抗體電信號（電壓）電化學(xué)或電學(xué)變化膜電壓變化特點(diǎn)：不需額外試劑，儀器要求簡單，操作容易，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

16、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電極，亦稱酶聯(lián)免疫測定法或ELISA法（enzyme linked immunoassay）。例如（設(shè)抗體為被測物）：推測試樣中抗體濃度 抗體 固定化酶標(biāo)抗原膜抗體與酶標(biāo)抗原結(jié)合 改變酶標(biāo)抗原存在狀態(tài)固定化酶標(biāo)抗原膜底物狀態(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) 4.5.2 DNA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(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。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(shí)間長、成本高、效

17、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傳感器的特點(diǎn)特異性好。穩(wěn)定性好離體DNA比蛋白質(zhì)（酶）分子穩(wěn)定。制備簡單，DNA可用儀器批量合成。DNA的操作方法具有通用性，容易標(biāo)準(zhǔn)化。結(jié)合芯片技術(shù)，可制備DNA列陣，實(shí)現(xiàn)高通量測定。靈敏度高，可以達(dá)到10-11mol/L以上。用途極其廣泛。（2）DNA傳感器的分類按轉(zhuǎn)換器的不同可分為電極型（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DNA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