生物反應(yīng)器參數(shù)控制綜述課件

1、發(fā)酵機(jī)械與設(shè)備徐 明 芳 博 士教 授暨 南 大 學(xué) 生 科 院2015-12-4目錄緒論第一篇 生物質(zhì)原料處理設(shè)備第二篇 生物反應(yīng)設(shè)備第三篇 產(chǎn)物分離設(shè)備第四篇 其他設(shè)備底物生物反應(yīng)器檢測(cè)控制儀表培養(yǎng)基（滅菌）經(jīng)加工原料酶細(xì)胞生物催化劑（游離或固定化）機(jī)械能除菌空氣產(chǎn)品提取純化副產(chǎn)品產(chǎn)品廢物熱能原材料營(yíng)養(yǎng)物典型工業(yè)生物技術(shù)過程核心技術(shù)？第一篇 生物質(zhì)原料處理設(shè)備第一章 生物質(zhì)原料預(yù)處理設(shè)備第二章 生物細(xì)胞培養(yǎng)基制備設(shè)備第三章 生物培養(yǎng)基滅菌設(shè)備第四章 原料（物料）輸送設(shè)備第二篇 生物反應(yīng)設(shè)備第一節(jié) 發(fā)酵設(shè)備概述第二節(jié) 通風(fēng)發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)與工作原理第三節(jié) 自吸式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)與工作原理第四節(jié) 氣升式發(fā)

2、酵罐(ALR)結(jié)構(gòu)與工作原理第五章 生物反應(yīng)器通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐第六章厭氧（嫌氣）發(fā)酵設(shè)備 第一節(jié) 酒精發(fā)酵設(shè)備第二節(jié) 啤酒發(fā)酵設(shè)備第三節(jié)連續(xù)發(fā)酵設(shè)備第七章 生物反應(yīng)器細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器第一節(jié) 植物細(xì)胞反應(yīng)器第二節(jié) 動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器第三節(jié) 微藻培養(yǎng)反應(yīng)器第二篇 生物反應(yīng)設(shè)備第七章 生物反應(yīng)器細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器第八章 生物反應(yīng)器的檢測(cè)及控制第一節(jié)生化過程主要參數(shù) 第二節(jié)常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 發(fā)酵液中營(yíng)養(yǎng)成分與產(chǎn)物的分析 第三節(jié)生物傳感器的研究開發(fā)與應(yīng)用 生物傳感器的類型及結(jié)構(gòu)原理第四節(jié) 計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制第六章厭氧（嫌氣）發(fā)酵設(shè)備第五章 生物反應(yīng)器通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐底物生物反應(yīng)器檢測(cè)控制儀表培養(yǎng)

3、基（滅菌）經(jīng)加工原料酶細(xì)胞生物催化劑（游離或固定化）機(jī)械能除菌空氣產(chǎn)品提取純化副產(chǎn)品產(chǎn)品廢物熱能原材料營(yíng)養(yǎng)物典型工業(yè)生物技術(shù)過程核心技術(shù)？思考題1、發(fā)酵過程檢測(cè)控制的主要的參數(shù)與作用2、溫度的 檢測(cè)儀表有哪幾類？3、熱量測(cè)定裝置有哪幾類？4、 簡(jiǎn)述壓差法測(cè)定液位的原理5、泡沫高度的檢測(cè)采用那些方法？6、發(fā)酵液黏度的檢測(cè)采用那些儀器7、pH的檢測(cè)計(jì)的結(jié)構(gòu)及其工作原理8、簡(jiǎn)述溶解CO2濃度的測(cè)定原理9、簡(jiǎn)述氧化還原電位（ORP）的檢測(cè)原理10、簡(jiǎn)述排氣的氧分壓的測(cè)定的方法與原理11、簡(jiǎn)述排氣的CO2分壓的測(cè)定的方法與原理12、生物發(fā)酵溶液中營(yíng)養(yǎng)成分與產(chǎn)物的分析主要包括那些？13、生物傳感器的基本組

4、成包括那些部分？簡(jiǎn)述其工作原理。14、列表分析生物傳感器的分類。15、生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器有哪幾類？16、敏感器件（分子識(shí)別元件)有哪幾類？17、般檢控系統(tǒng)包括那幾個(gè)部分？18、如何實(shí)現(xiàn)溫度、pH、溶解氧、泡沫控制？第八章生物反應(yīng)器的檢測(cè)及自動(dòng)控制 第一節(jié)生化過程主要參數(shù) 第二節(jié)常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 發(fā)酵液中營(yíng)養(yǎng)成分與產(chǎn)物的分析 第三節(jié)生物傳感器的研究開發(fā)與應(yīng)用 生物傳感器的類型及結(jié)構(gòu)原理生物反應(yīng)過程及反應(yīng)器的檢測(cè)控制中應(yīng)考慮的問題：（1）進(jìn)行檢測(cè)的目的；（2）有多少必須檢測(cè)的狀態(tài)參數(shù)，參變量能否檢測(cè)；（3）參數(shù)能否在線檢測(cè)，其響應(yīng)滯后是否太長(zhǎng)；（4）利用檢測(cè)結(jié)果怎樣判

5、斷生物反應(yīng)器及生物細(xì)胞本身的狀態(tài)；（5）需控制的主要參變量是哪些。生物反應(yīng)器的檢測(cè)及控制第一節(jié)生化過程主要參數(shù)參數(shù)名稱測(cè)試方法意義、主要作用溫度傳感器維持生長(zhǎng)、合成罐壓壓力表維持正壓、增加DO空氣流量傳感器供氧、排泄廢氣、提高KLa攪拌速率傳感器物料混合、提高KLa粘度粘度計(jì)反映細(xì)胞生長(zhǎng)、 KLa液面?zhèn)鞲衅鞣从巢僮鞣€(wěn)定性、生產(chǎn)率濁度傳感器反映細(xì)胞生長(zhǎng)情況泡沫傳感器反映發(fā)酵代謝、操作穩(wěn)定性傳質(zhì)系數(shù)間接計(jì)算，在線檢測(cè)反映供氧效率加糖速率傳感器反映耗氧情況加消泡劑速率傳感器反映泡沫情況加其它基質(zhì)速率傳感器反映基質(zhì)利用情況生化過程各參數(shù)及其測(cè)試概況（a）物理、工程參數(shù) 12參數(shù)名稱測(cè)試方法意義、主要作

6、用細(xì)胞濃度取樣了解生長(zhǎng)情況細(xì)胞中ATP、ADP取樣了解細(xì)胞的能量代謝活力細(xì)胞中NADH2在線熒光法了解細(xì)胞的合成能力溶解氧濃度傳感器反映供氧情況排氣O2濃度傳感器了解耗氧情況溶解CO2濃度傳感器了解CO2對(duì)發(fā)酵的影響排氣CO2濃度傳感器（紅外吸收）了解細(xì)胞的呼吸情況酸堿度傳感器反映細(xì)胞的代謝途徑產(chǎn)物濃度取樣（傳感器）產(chǎn)物合成情況基質(zhì)濃度取樣了解基質(zhì)的利用情況第一節(jié)生化過程各參數(shù)及其測(cè)試概況（b）生物、化學(xué)參數(shù) 10第一節(jié)、發(fā)酵過程檢測(cè)控制的主要的參數(shù)1、物理參數(shù)8個(gè)檢測(cè)參數(shù)檢測(cè)方法 單位 影響溫度鉑電阻 熱敏電阻 qP c* 罐壓(0.20.5105Pa)隔膜傳感器 壓敏電阻 Pa保持正壓，防

7、止染菌 O2 及 CO2 的溶解度 攪拌轉(zhuǎn)數(shù)頻率計(jì)數(shù)器 r/min Kla 發(fā)酵液的均勻性 攪拌功率(2 -4KW/m3)功率計(jì)KwKla空氣流量浮子流量計(jì) 孔板差壓計(jì) m3h-1 vvm Kla 粘度旋轉(zhuǎn)粘度計(jì) Pas Kla 濁度濁度計(jì)%反映單細(xì)胞的生長(zhǎng) 料液的流量蠕動(dòng)泵 荷重傳感器 量筒 Lh-1 S 發(fā)酵過程檢測(cè)控制的主要的參數(shù)2、化學(xué)參數(shù) 7個(gè)檢測(cè)參數(shù)檢測(cè)方法 單位 影響及作用PH復(fù)合玻璃電極 菌體和產(chǎn)物合成速度 酶促反應(yīng)的方向 基質(zhì)濃度 產(chǎn)物濃度HPLC 離子選擇電極 生物傳感器 取樣gL-1 qP 發(fā)酵周期的長(zhǎng)短氧化還原電位氧化還原電位電極 mV 生長(zhǎng)和生化活性 溶氧濃度覆膜氧電

8、極 % qo2氣相O2含量 順磁氧分析儀 Pa反映OUR 和 Kla 氣相CO2含量 紅外氣體分析儀 %反映OUR 和 Kla發(fā)酵過程檢測(cè)控制的主要的參數(shù)3、生物參數(shù)檢測(cè)參數(shù)檢測(cè)方法 單位 影響菌絲形態(tài)攝像顯微鏡 取樣鏡檢 反映菌體發(fā)育階段 和正常與否 菌體濃度取樣 ：干重、濁度、活菌計(jì)數(shù)、離心沉降gL-1 影響菌體的生化反應(yīng) Kla第二節(jié)生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 1取樣系統(tǒng)生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 2溫度的測(cè)定 檢測(cè)儀表有：熱電阻檢測(cè)器（resistance thermal detector，RTD）、半導(dǎo)體熱敏電阻、熱電偶、玻璃溫度計(jì)。溫

9、度傳感器生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 3熱量的測(cè)定 熱交換器發(fā)酵熱測(cè)量 微熱量測(cè)量裝置：絕熱式微量熱計(jì)、熱流量熱計(jì)、流通式量熱計(jì)。熱交換器發(fā)酵熱測(cè)量 量熱計(jì)反應(yīng)平衡 零檢測(cè)器不平衡信號(hào)計(jì)算器記錄器不平衡信號(hào)標(biāo)定t反t平絕熱式微量熱計(jì)原理圖絕熱式熱量計(jì)的外筒溫度能自動(dòng)跟蹤內(nèi)筒溫度，始終與內(nèi)筒溫度保持一致，內(nèi)外筒間不存在溫差，因而沒有熱交換，不需要進(jìn)行冷卻校正。因而，使用絕熱式熱量計(jì)，操作和計(jì)算都比較簡(jiǎn)單，但儀器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不易維護(hù)。恒溫式熱量計(jì)的外筒溫度恒定不變，內(nèi)外筒間存在溫差，因而內(nèi)外筒有熱交換，需要進(jìn)行冷卻校正。使用恒溫式熱量計(jì)，操作步驟和計(jì)算都比較復(fù)雜，但儀器構(gòu)造

10、簡(jiǎn)單，容易維護(hù)。微機(jī)量熱儀 生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 熱量的測(cè)定熱流量熱計(jì)Calvet微量熱器流通式量熱計(jì)生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 4罐壓檢測(cè)： 隔膜式壓力表； 壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換器：電阻式、電感式、電容式和半導(dǎo)體式等。測(cè)壓點(diǎn)和控制點(diǎn)的選擇應(yīng)考慮的因素： 1）防止染菌，避免死角，防止固形物的堆積； 2）注意氣源波動(dòng)對(duì)壓力的影響。生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 5液位的檢測(cè) 檢測(cè)方法：電容法、壓力法和電導(dǎo)法等。電容式液面計(jì)示意圖 電容法生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 液位的檢測(cè) 壓差法p1=Pc-Pbp2=Pc

11、-Pa生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器5液位的檢測(cè) 液位探針 6泡沫高度的檢測(cè) 常用檢測(cè)方法：電極探針測(cè)定法和聲波法。生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 7培養(yǎng)基和液體流量測(cè)定橢圓流量計(jì)工作原理圖 橢圓流量計(jì) 生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 6培養(yǎng)基和液體流量測(cè)定 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（CMF） 利用流體在直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)處于一旋轉(zhuǎn)系中，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質(zhì)量流量?jī)x表。生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 6培養(yǎng)基和液體流量測(cè)定 電磁流量計(jì)（EMF） 利用法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測(cè)量導(dǎo)電液體體

12、積流量的儀表。生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器6常用培養(yǎng)基和液體流量計(jì)動(dòng)畫演示動(dòng)畫演示動(dòng)畫演示生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 7 氣體流量測(cè)量 根據(jù)作用原理，流量計(jì)可分為：體積流量型和質(zhì)量流量型。 體積流量型 根據(jù)流體動(dòng)能的轉(zhuǎn)換以及流體流動(dòng)類型的改變而設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置。主要類型有同心孔板壓差流量計(jì)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)。生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 質(zhì)量流量型 根據(jù)流體的固有性質(zhì)（如質(zhì)量、導(dǎo)電性、電磁感應(yīng)性、離子化和熱傳導(dǎo)性能）等設(shè)計(jì)的氣體流量計(jì)。主要類型有同心孔板壓差流量計(jì)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)。氣體熱質(zhì)量流量傳感器生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢

13、測(cè)原理及儀器 8 發(fā)酵液黏度的檢測(cè) 常用的黏度測(cè)定儀有：振動(dòng)式黏度傳感儀、毛細(xì)管黏度計(jì)、回轉(zhuǎn)式黏度計(jì)和渦輪旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)等。振動(dòng)式黏度計(jì)生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 8發(fā)酵液黏度的檢測(cè)毛細(xì)管黏度計(jì)生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 8發(fā)酵液黏度的檢測(cè)回轉(zhuǎn)式黏度計(jì)生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 9 攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率 攪拌轉(zhuǎn)速的檢測(cè)常用方法：磁感應(yīng)式、光感應(yīng)式和測(cè)速發(fā)電機(jī)等。 10 攪拌功率的常用方法：功率表測(cè)定電動(dòng)機(jī)進(jìn)線功率； 攪拌功率的精確檢測(cè)方法：電機(jī)反轉(zhuǎn)矩測(cè)定法、軸功率和應(yīng)變片法；多數(shù)采用測(cè)定力矩來得功率，其計(jì)算公式為：生化過程常用檢

14、測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 11 pH的檢測(cè)常用pH檢定儀為復(fù)合pH電極，具有結(jié)構(gòu)緊湊，可蒸汽加熱滅菌的優(yōu)點(diǎn)。 工作原理：利用玻璃電極與參比電極浸泡于某一溶液時(shí)具有一定的電位，其pH可表示為：生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 11 pH的檢測(cè)生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 11 pH的檢測(cè)生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 pH的檢測(cè)生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 pH的檢測(cè)生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 12 溶氧濃度的檢測(cè)常用檢測(cè)方法為溶氧電極法。陰極還原: O2+2H2O+4e-4OH

15、-陽極氧化: 4Ag+4Cl-4Ag+4Cl-+4e-總反應(yīng): O2+2H2O+4Ag+4Cl-4OH-+4AgCl生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 12 溶氧濃度的檢測(cè)生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 12溶氧濃度的檢測(cè)生化過程常用檢測(cè)方法及儀器 主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 13溶解CO2濃度的測(cè)定 溶解CO2濃度的檢測(cè)原理是利用對(duì)CO2分子有特殊選擇滲透性的微孔膜，并使擴(kuò)散通過的CO2進(jìn)入飽和碳酸鈉緩沖液中，平衡后顯示的pH與溶解的CO2濃度成正比，由此可測(cè)出溶解CO2濃度。CO2電極結(jié)構(gòu)生化過程常用檢測(cè)方法及儀器主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 14 氧化還原電位（

16、ORP）的檢測(cè) ORP的檢測(cè)原理是基于溶液中的金屬電極上進(jìn)行的電子交換達(dá)到平衡時(shí)，具有相應(yīng)的氧化還原電位值。表示式為： 15 排氣的氧分壓的測(cè)定生化過程常用檢測(cè)方法及儀器主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 氣體中氧濃度的檢測(cè)方法主要有磁氧分析、極譜電位法和質(zhì)譜法。被檢測(cè)排氣的磁化率為： 在均勻磁場(chǎng)與無磁場(chǎng)的空間存在壓強(qiáng)差： 16 排氣的CO2分壓的測(cè)定生化過程常用檢測(cè)方法及儀器主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 排氣中CO2濃度常用檢測(cè)儀有紅外線二氧化碳測(cè)定儀和二氧化碳電極。 CO2氣體在紅外2.62.9103和4.14.5103nm之間有吸收峰，根據(jù)朗伯比爾定律： 17 細(xì)胞濃度的測(cè)定生化過程常用檢測(cè)方法及儀器主要

17、參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 全細(xì)胞濃度的測(cè)定細(xì)胞濃度在線檢測(cè)濁度計(jì)17 細(xì)胞濃度的測(cè)定生化過程常用檢測(cè)方法及儀器主要參數(shù)檢測(cè)原理及儀器 活細(xì)胞濃度的測(cè)定熒光測(cè)量活細(xì)胞裝置圖生物發(fā)酵溶液中營(yíng)養(yǎng)成分與產(chǎn)物的分析類別檢測(cè)物質(zhì)發(fā)酵液待檢測(cè)的物質(zhì)成分微生物細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)葡萄糖、麥芽糖、乳糖、醋酸、BOD等產(chǎn)物及副產(chǎn)物乙醇、氨、蛋白質(zhì)、抗生素、氨基酸、有機(jī)酸、酶、CH4、氫等營(yíng)養(yǎng)鹽生長(zhǎng)因子無機(jī)鹽(K+、Ca2+、NH+、NO3-等)、生物素、維生素動(dòng)物細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)葡萄糖、氨基酸等產(chǎn)物及副產(chǎn)物蛋白質(zhì)類（t-PA、GCSF、EPO、INF等)、乳酸、氨生長(zhǎng)因子維生素、激素、抗生素植物細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)糖類、醋酸、硝酸鹽、氨基

18、酸等產(chǎn)物及副產(chǎn)物次生代謝產(chǎn)物（植物色素、皂甙等）、氨、CO2生長(zhǎng)素維生素、植物激素（2,4-D、NAA、6-BA等）生物傳感器 ( Biosensor) 傳感器：能感受(或響應(yīng))一種信息并變換成可測(cè)量信號(hào)(一般指電學(xué)量)的器件。 生物傳感器：將生物體的成份（酶、抗原、抗體、激素）或生物體本身（細(xì)胞、細(xì)胞器、組織）固定化在一器件上作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器。生物傳感器的基本組成組成：敏感元件（分子識(shí)別元件）和信號(hào)轉(zhuǎn)換器件生物傳感器的工作原理將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)將熱能變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)將光效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)直接產(chǎn)生電信號(hào)生物傳感器的工作原理根據(jù)輸出信號(hào)方式分類 a生物親合型傳感器 被測(cè)物質(zhì)與

19、分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)具有生物親合作用，即二者能特異地相結(jié)合，同時(shí)引起敏感材料的分子結(jié)構(gòu)和/或固定介質(zhì)發(fā)生變化。例如：電荷溫度光學(xué)性質(zhì)等的變化。反應(yīng)式可表示為： S（底物）+R（受體） = SR生物傳感器的分類b代謝型或催化型傳感器 底物（被測(cè)物）與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)相作用并生成產(chǎn)物，信號(hào)轉(zhuǎn)換器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?hào)，這類傳感器稱為代謝型或催化型傳感器，其反應(yīng)形式可表示為：S（底物）R（受體） = SRP（生成物） 生物傳感器的分類根據(jù)分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)分類 生物傳感器中分子識(shí)別元件上所用的敏感物質(zhì)有酶、微生物、動(dòng)植物組織、細(xì)胞器、抗原和抗體等； 根據(jù)所用的敏感物

20、質(zhì)可將生物傳感器分為酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器等。生物傳感器的分類 根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器分類 生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器有：電化學(xué)電極、離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管、熱敏電阻、光電轉(zhuǎn)換器等據(jù)此又將生物傳感器分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測(cè)熱型生物傳感器、測(cè)光型生傳感器、測(cè)聲型生物傳感器等生物傳感器的分類生物傳感器的分類 生物傳感器的特點(diǎn) 由選擇性好的主體材料構(gòu)成的分子識(shí)別元件，一般不需進(jìn)行樣品的預(yù)處理； 利用優(yōu)異的選擇性把樣品中被測(cè)組分的分離和檢測(cè)統(tǒng)一為一體；測(cè)定時(shí)一般不需另加其它試劑； 由于它的體積小、可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在位監(jiān)測(cè)； 響應(yīng)快、樣品用量少，且由于敏感材料是固定化

21、的，可以反復(fù)多次使用。 傳感器連同測(cè)定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀器，因而便于推廣普及。 生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器 生物傳感器中的信號(hào)轉(zhuǎn)換器是將分子識(shí)別元件進(jìn)行識(shí)別時(shí)所產(chǎn)生的化學(xué)的或物理的變化轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的裝置。常用的生物傳感器換能器件有電化學(xué)電極、熱敏器件、半導(dǎo)體器件、光電原理器件等，目前以電化學(xué)電極應(yīng)用最廣且比較成熟。 電化學(xué)電極可用作生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器的電化學(xué)電極一般可以分為兩種類型。電位型電極和電流型電極 電位型電極 離子選擇電極 離子選擇性電極是一類對(duì)特定的陽離子或陰離子呈選擇性響應(yīng)的電極，具有快速、靈敏、可靠、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用范圍很廣離子選擇性電極作為生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器只

22、是它的一種應(yīng)用，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也常直接用它測(cè)定體液中的一些成分（如H+， K+， Na+、Ca2+等）。 生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器 生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器氧化還原電極 生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器 生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器 電流型電極 電化學(xué)生物傳感器中采用電流型電極為信號(hào)轉(zhuǎn)換器的趨勢(shì)日益增加，這是因?yàn)檫@類電極和電位型電極相比有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）電極的輸出直接和被測(cè)物的濃度呈線性關(guān)系，而電位型電極那樣和被測(cè)物濃度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系； （2）電極輸出值的讀數(shù)誤差所對(duì)應(yīng)的待測(cè)物濃度的相對(duì)誤差比電位型電極的?。?（3）電極的靈敏度比電位型電極的高。 生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器 生物熱敏器件 基于溫度測(cè)量原理，把生物

23、功能材料和高性能檢測(cè)器件結(jié)合而成，如酶熱敏電阻。 酶熱敏電阻可分為密接型和反應(yīng)器型。酶熱敏電阻檢測(cè)系統(tǒng) 生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管 傳感器應(yīng)具有以下特點(diǎn)： （l）小型化，便于攜帶，易于使用，非專業(yè)人員也能操作； （2）響應(yīng)快，可應(yīng)用于微小區(qū)域，如生物細(xì)胞內(nèi)成分的測(cè)定； （3）能同時(shí)完成多種成分測(cè)定； （4）能夠直接連接在計(jì)算機(jī)的輸入端； （5）輸出阻抗低，可避免外界感應(yīng)以及下級(jí)電路的干擾。 由于絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的應(yīng)用，制造具有以上特點(diǎn)的離子敏感元件及生物敏感元件已成為現(xiàn)實(shí)敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理 離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ISFET）： 它與常用的絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)造相同在輸入

24、柵極做了一些改進(jìn)，以能與特定的化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)，產(chǎn)生電位的敏感膜取代金屬極讓敏感膜直接與溶液接觸，由于敏感膜對(duì)溶液中的離子有選擇作用，從而調(diào)制ISFET的漏電流變化，利用這個(gè)特性就能檢測(cè)一溶液中的離子活度。 生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器Ion-sensitive field-effect transistor(ISFET)敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理 生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器 生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器 光生物電極 光生物電極的測(cè)量原理：生物發(fā)光反應(yīng)的測(cè)量原理；生物物質(zhì)的光吸收、光激發(fā)；生物反應(yīng)物質(zhì)對(duì)光傳播對(duì)干擾原理。 競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合型、光吸收型、熒光淬滅型、指示劑型、生物發(fā)光型和光傳遞干擾型。敏感器件（分子識(shí)別元件) 酶電極酶電極結(jié)構(gòu)原理示意圖敏感器件（分子識(shí)別元件) 微生物電極呼吸性測(cè)定型微生物傳感器代謝產(chǎn)物測(cè)定型微生物傳感器免疫傳感器(Immunosensor) 免疫電極敏感器件（分子識(shí)別元件)酶標(biāo)記免疫傳感器原理示意圖 組織傳感器 以動(dòng)植物組織薄片材料作為生物敏感膜的電化學(xué)傳感器稱為組織電極，此系酶電極的衍生型電極動(dòng)植物組織中的酶是反應(yīng)的催化劑與酶電極比較，組織電極具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1.酶活性較離析酶高. 2.酶的穩(wěn)定性增大. 3.材料易于獲得.植物組織膜電極結(jié)構(gòu)圖解