生物傳感器介紹和應(yīng)用

1、生 物 傳 感 器介紹和應(yīng)用1生物傳感器介紹和應(yīng)用目錄11.1 簡要介紹11.2 酶傳感器11.3 微生物傳感器11.4 免疫傳感器11.5 半導(dǎo)體生物傳感器11.6 生物傳感器應(yīng)用與未來本章小結(jié)2生物傳感器介紹和應(yīng)用11.1 簡要介紹生物傳感器的發(fā)展史定義及說明生物傳感器的基本組成和工作原理生物傳感器的分類生物傳感器的固定方法生物傳感器的特點(diǎn)3生物傳感器介紹和應(yīng)用生物傳感器的發(fā)展史(1)最先問世的生物傳感器是酶電極，Clark和Lyons最先提出組成酶電極的設(shè)想。70年代中期，人們注意到酶電極的壽命一般都比較短，提純的酶價(jià)格也較貴，而各種酶多數(shù)都來自微生物或動(dòng)植物組織，因此自然地就啟發(fā)人們研

2、究酶電極的衍生型：微生物電極、細(xì)胞器電極、動(dòng)植物組織電極以及免疫電極等新型生物傳感器，使生物傳感器的類別大大增多； 進(jìn)入本世紀(jì)80年代之后，隨著離子敏場效應(yīng)晶體管的不斷完善，于1980年Caras和Janafa率先研制成功可測定青霉素的酶FET。 年代 特點(diǎn) 研究內(nèi)容 60 生物傳感器初期 酶電極70 發(fā)展時(shí)期 微生物傳感器，免疫傳感器，細(xì)胞類脂質(zhì)傳感器，組織傳感器，生物親和傳感器80進(jìn)入生物電子學(xué)傳感器時(shí)期酶FET酶光二極管4生物傳感器介紹和應(yīng)用生物傳感器發(fā)展的整體劃分:第一代生物傳感器以將生物成分截留在膜上或結(jié)合在膜上為基礎(chǔ)，這類器件由透析器(膜)、反應(yīng)器(膜)和電化學(xué)轉(zhuǎn)換器所組成，其實(shí)驗(yàn)

3、設(shè)備相當(dāng)簡單。第二代生物傳感器是指將生物成分直接吸附或共價(jià)結(jié)合在轉(zhuǎn)換器的表面上，從而可略去非活性的基質(zhì)膜。第三代生物傳感器是把生物成分直接固定在電子元件上，例如FET的柵極上，它可直接感知和放大界面物質(zhì)的變化，從而將生物識(shí)別和電信號(hào)處理集合在一起。這種放大器可采用差分方式以消除干擾。生物傳感器的發(fā)展史(2)5生物傳感器介紹和應(yīng)用快速葡萄糖分析儀6生物傳感器介紹和應(yīng)用血糖乳酸自動(dòng)分析儀7生物傳感器介紹和應(yīng)用生物傳感器定義及說明生物傳感器利用生物活性物質(zhì)選擇性的識(shí)別和測定實(shí)現(xiàn)測量，主要由兩大部分組成：一為功能識(shí)別物質(zhì)（分子識(shí)別元件），由其對(duì)被測物質(zhì)進(jìn)行特定識(shí)別；其二是電、光信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置（換能器），

4、由其把被測物所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)碾娦盘?hào)或光信號(hào)。 8生物傳感器介紹和應(yīng)用生物傳感器的基本組成和工作原理生物傳感器的基本組成生物傳感器的工作原理分類9生物傳感器介紹和應(yīng)用生物傳感器基本構(gòu)成示意圖10生物傳感器介紹和應(yīng)用生物傳感器的分子識(shí)別元件 分子識(shí)別元件 生物活性材料酶膜全細(xì)胞膜組織膜細(xì)胞器膜免疫功能膜各類酶類細(xì)菌，真菌，動(dòng)植物細(xì)胞動(dòng)植物組織切片線粒體，葉綠體抗體，抗原，酶標(biāo)抗原等11生物傳感器介紹和應(yīng)用生物傳感器的工作原理12生物傳感器介紹和應(yīng)用生物傳感器的工作原理將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)（間接型）將熱變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（間接型）將光效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)（間接型）直按產(chǎn)生電信號(hào)方式（直接

5、型） 化學(xué)物質(zhì) 物理 熱被測 化學(xué) （產(chǎn)生 光 ） 電信號(hào)物質(zhì) 變化 聲生物敏感膜電化學(xué)器件熱敏元件光敏元件聲敏元件 13生物傳感器介紹和應(yīng)用將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的生物傳感器14生物傳感器介紹和應(yīng)用將熱變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的生物傳感器熱輻射熱傳導(dǎo)15生物傳感器介紹和應(yīng)用將光效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的生物傳感器 被測物 h 電信號(hào)固定化酶光檢測器16生物傳感器介紹和應(yīng)用直按產(chǎn)生電信號(hào)方式的生物傳感器 例：Cass 等提出一種測定葡萄糖的傳感器，是用二茂絡(luò)鐵為電子傳遞體。G、GL代表葡萄糖和葡萄糖內(nèi)脂，GODox和GODred為氧化型和還原型的葡萄糖氧化酶，而Fecp2R和Fecp2R+則為還原型和氧化型二

6、茂絡(luò)鐵。葡萄糖被GOD氧化的同時(shí)，GOD被還原成GODred，氧化型的電子傳遞體2Fecp2R+可將GODred再氧化成GODox反應(yīng)直接在電極表面上發(fā)生17生物傳感器介紹和應(yīng)用Love is ever the beginning of knowledge as fire is of light. Thomas Carlyle 知識(shí)總是從愛好開始，猶如光總是從火開始一樣。 18生物傳感器介紹和應(yīng)用生物傳感器的特點(diǎn)根據(jù)生物反應(yīng)的奇異和多樣性，從理論上講可以制造出測定所有生物物質(zhì)的多種多樣的生物傳感器；這類生物傳感器是在無試劑條件下工作的(緩沖液除外)，比各種傳統(tǒng)的生物學(xué)和化學(xué)分析法操作簡便、快速

7、、準(zhǔn)確；可連續(xù)測量、聯(lián)機(jī)操作、直接顯示與讀出測試結(jié)果。19生物傳感器介紹和應(yīng)用生物傳感器的分類按分子識(shí)別元件分類按換能器分類20生物傳感器介紹和應(yīng)用 固定化酶 固定化 微生物 固定化免疫物質(zhì) 固定化細(xì)胞器 生物組織切片微生物傳感器分子識(shí)別元件酶傳感器免疫傳感器細(xì)胞器傳感器組織傳感器按分子識(shí)別元件分類21生物傳感器介紹和應(yīng)用按器件分類 電化學(xué)電極 光學(xué)換能器 介體 半導(dǎo)體 傳遞系統(tǒng) 換能器 熱敏電阻 壓電晶體介體生物傳感器換能器半導(dǎo)體生物傳感器生物電極光生物傳感器熱生物傳感器壓電晶體生物傳感器22生物傳感器介紹和應(yīng)用生物傳感器的固定方法固定化技術(shù)：把生物活性材料與載體固定化成為生物敏感膜。物理方

8、法：夾心法、吸附法、包埋法；化學(xué)方法: 共價(jià)連接法、交聯(lián)法； 近年來, 由于半導(dǎo)體生物傳感器迅速發(fā)展, 因而又出現(xiàn)了采用集成電路工藝制膜技術(shù)。23生物傳感器介紹和應(yīng)用夾心法將生物活性材料封閉在雙層濾膜之間，形象地稱為夾心法。這種方法的特點(diǎn)是操作簡單，不需要任何化學(xué)處理，固定生物量大，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好。24生物傳感器介紹和應(yīng)用吸附法用非水溶性固相載體物理吸附或離子結(jié)合，使蛋白質(zhì)分子固定化的方法。載體種類較多，如活性炭、高嶺土、硅膠、玻璃、纖維素、離子交換體等。25生物傳感器介紹和應(yīng)用包埋法把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基質(zhì)中。此方法的特點(diǎn)是一般不產(chǎn)生化學(xué)修飾，對(duì)生物分

9、子活性影響較??；缺點(diǎn)是分子量大的底物在凝膠網(wǎng)格內(nèi)擴(kuò)散較固難。26生物傳感器介紹和應(yīng)用 A. 單體氧化劑配比為1：2 B. 單體氧化劑配比為1：4C. 單體氧化劑配比為1：5 D. 單體氧化劑配比為1：6 E聚合反應(yīng)時(shí)間為15分鐘 F. 聚合反應(yīng)時(shí)間為25分鐘G. 聚合反應(yīng)時(shí)間為35分鐘 27生物傳感器介紹和應(yīng)用共價(jià)連接法使生物活性分子通過共價(jià)鍵與固相載體結(jié)合固定的方法。此方法的特點(diǎn)是結(jié)合牢固，生物活性分子不易脫落，載體不易被生物降解，使用壽命長；缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)固定化麻煩，酶活性可能因發(fā)生化學(xué)修飾而降低。28生物傳感器介紹和應(yīng)用交聯(lián)法依靠雙功能團(tuán)試劑使蛋白質(zhì)結(jié)合到惰性載體或蛋白質(zhì)分子彼此交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)

10、構(gòu)。這種方法廣泛用于酶膜和免疫分子膜制備，操作簡單。29生物傳感器介紹和應(yīng)用11.2 酶傳感器酶傳感器信號(hào)變換方式葡萄糖傳感器30生物傳感器介紹和應(yīng)用 酶傳感器：酶敏感膜+電化學(xué)器件酶的催化作用是在一定條件下使底物分解，故酶的催化作用實(shí)質(zhì)上是加速底物分解速度。 31生物傳感器介紹和應(yīng)用信號(hào)變換方式(1)電位法 電位法是通過不同離子生成在不同感受體，從測得膜電位去計(jì)算與酶反應(yīng)有關(guān)的各種離子的濃度。一般采用銨離子電極（氨氣電極）、氫離子電極、氧化碳電極等；(2)電流法 電流法是從與酶反應(yīng)有關(guān)的物質(zhì)的電極反應(yīng)得到的電流值來計(jì)算被測物質(zhì)的方法。電化學(xué)裝置采用的是氧電極。燃料電池型電極和過氧化氫電極等；

11、 酶電極：酶傳感器由固定酶和基礎(chǔ)電極組成，酶電極的設(shè)計(jì)主要考慮酶催化過程產(chǎn)生或消耗的電極活性物質(zhì)，如一個(gè)酶催化反應(yīng)是耗過程，就可以使用電極或電極；若酶催化反應(yīng)過程產(chǎn)生酸，即可使用電極。32生物傳感器介紹和應(yīng)用葡萄糖傳感器工作原理測量氧消耗量的葡萄糖傳感器測22生成量的葡萄糖傳感器33生物傳感器介紹和應(yīng)用工作原理故葡萄糖濃度測試方法有三種：測耗量 測生成量 測由葡萄糖酸而產(chǎn)生的變化。 葡萄糖氧化酶（）葡萄糖+H2O葡萄糖酸34生物傳感器介紹和應(yīng)用測量氧消耗量的葡萄糖傳感器35生物傳感器介紹和應(yīng)用測量氧消耗量的葡萄糖傳感器氧電極構(gòu)成：由b陽極和t陰極浸入堿溶液，陰極表面用氧穿透葡萄糖（基質(zhì)）膜覆蓋

12、特氟隆，厚約m氧電極測O2原理：利用氧在陰極上首先被還原的特性。溶液中的O2穿過特氟隆膜到達(dá)Pt陰極上，當(dāng)外加一個(gè)直流電壓為氧的極化電壓(如0.7V)時(shí)，則氧分子在Pt陰極上得電子，被還原:其電流值與含O2濃度成比例。 2+2+e= 36生物傳感器介紹和應(yīng)用聚四氟乙烯膜（作用）它避免了電極與被測液直接相接觸，防止了電極毒化；如電極Pt為開放式，它浸入含蛋白質(zhì)的介質(zhì)中，蛋白質(zhì)會(huì)沉淀在電極表面上從而減小電極有效面積，使電流下降，使傳感器受到毒化。37生物傳感器介紹和應(yīng)用測22生成量的葡萄糖傳感器Pt陽極聚四氟乙烯膜（作用）固相酶膜半透膜多孔層半透膜致密層38生物傳感器介紹和應(yīng)用葡萄糖氧化產(chǎn)生，而通

13、過選擇性透氣膜，在Pt電極上氧化，產(chǎn)生陽極電流。葡萄糖含量與電流成正比，由此可測出葡萄糖溶液濃度。在t電極上加電壓時(shí)，則產(chǎn)生的陽極電流為： 葡萄糖氧化酶（）葡萄糖+H2O葡萄糖酸H2O2 O2+2H+2e39生物傳感器介紹和應(yīng)用11.3 微生物傳感器分類 好氣性微生物傳感器 厭氣性微生物傳感器 注： 氣微生物固定方式及工作原理傳感器放入含有有機(jī)化合物的被測溶液中，有機(jī)物向微生物膜擴(kuò)散而被微生物攝?。ǚQ為資化）。40生物傳感器介紹和應(yīng)用好氣性微生物傳感器微生物的呼吸可用氧電極或二氧化碳電極來測定結(jié)構(gòu)被測 氧消耗變化 電信號(hào)物質(zhì) （呼吸技能）微生物固定化膜封閉式氧電極或CO2電極41生物傳感器介紹

14、和應(yīng)用O2電極好氣性微生物傳感器電解液O型環(huán)Pb陰極聚四氟乙烯固化微生物膜尼龍網(wǎng)Pt陽極42生物傳感器介紹和應(yīng)用O2電極好氣性微生物傳感器響應(yīng)曲線43生物傳感器介紹和應(yīng)用厭氣性微生物傳感器可測定微生物代謝產(chǎn)物，可用離子選擇電極來測定微生物固定化模電化學(xué)敏感電極被測物質(zhì)新陳代謝變化（代謝機(jī)能）電信號(hào)44生物傳感器介紹和應(yīng)用甲酸傳感器(H2電極厭氣性微生物傳感器)圓環(huán)液體連接面電解液(100mol/m3磷酸緩沖液)Ag2O2電極(陰極)Pt電極(陽極)聚四氟乙烯膜45生物傳感器介紹和應(yīng)用甲酸傳感器原理將產(chǎn)生氫的酪酸梭狀芽菌固定在低溫膠凍膜上，并把它固定在燃料電池Pt電極上；當(dāng)傳感器浸入含有甲酸的溶

15、液時(shí)，甲酸通過聚四氟乙烯膜向酪酸梭狀芽菌擴(kuò)散，被資化后產(chǎn)生H2,而H2又穿過Pt電極表面上的聚四氟乙烯膜與Pt電極產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生電流，此電流與微生物所產(chǎn)生的H2含量成正比，而H2量又與待測甲酸濃度有關(guān)，因此傳感器能測定發(fā)酵溶液中的甲酸濃度。46生物傳感器介紹和應(yīng)用11.4 免疫傳感器免疫傳感器的工作原理免疫傳感器的結(jié)構(gòu)47生物傳感器介紹和應(yīng)用免疫傳感器的工作原理基本原理是免疫反應(yīng)。利用固定化抗體（或抗原）膜與相應(yīng)的抗原（或抗體）的特異反應(yīng)，使得生物敏感膜的電位發(fā)生變化?？乖蚩贵w一經(jīng)固定于膜上，就形成具有識(shí)別免疫反應(yīng)強(qiáng)烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纖維素膜上進(jìn)行固定化，由于蛋白質(zhì)為雙

16、極性電解質(zhì)，（正負(fù)電極極性隨值而變）所以抗原固定化膜具有表面電荷。其膜電位隨膜電荷要變化。故根據(jù)抗體膜電位的變化，可測知抗體的附量。48生物傳感器介紹和應(yīng)用免疫傳感器的結(jié)構(gòu)3室注入含有抗體的鹽水抗體與固定化抗原膜上的抗原相結(jié)合膜表面吸附抗體膜帶電狀態(tài)變化1、2室內(nèi)的電極產(chǎn)生電位差49生物傳感器介紹和應(yīng)用11.5 半導(dǎo)體生物傳感器酶光敏二極管酶FET50生物傳感器介紹和應(yīng)用酶光敏二極管酶光敏二極管由催化發(fā)光反應(yīng)的酶和光敏二極管(或晶體管)半導(dǎo)體器件構(gòu)成；在硅光敏二極管的表面透鏡上涂上一層過氧化氫酶膜，即構(gòu)成了檢測過氧化氫的酶光敏二極管；當(dāng)二極管表面接觸到過氧化氫時(shí)，由于過氧化氫酶的催化作用，加速

17、發(fā)光反應(yīng)，產(chǎn)生的光子照射到硅光敏二極管pn結(jié)點(diǎn)，從而改變了二極管的導(dǎo)通狀態(tài)。即將發(fā)光效應(yīng)轉(zhuǎn)換成光敏二極管的光電流，從而檢測出過氧化氫及其濃度大小。51生物傳感器介紹和應(yīng)用酶光敏二極管的結(jié)構(gòu)52生物傳感器介紹和應(yīng)用酶FET53生物傳感器介紹和應(yīng)用結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)：大多數(shù)由以有機(jī)物所制作的敏感膜與HFET(氫離子場效應(yīng)管)組成。制法：去掉FET的柵極金屬，在此處固定生物敏感膜，如氮化硅膜，它易于被離子和水分滲透，而且表面一旦與若干水分溶化在一起時(shí)（稱為水合作用），下式中的電位與氫離子濃度倒數(shù)的對(duì)數(shù)(即PH值)成比例。54生物傳感器介紹和應(yīng)用舉例：用電子聚合物將丁酰膽堿脂酶固定在ISFET 電極的

18、敏感柵極上來測定敵敵畏（1） 檢測原理：溶液pH 值變化的減少量(即抑制率) 與農(nóng)藥的濃度呈相關(guān)關(guān)系（2）器件設(shè)計(jì) 電子聚合物生物傳感器陣列單元的MOS場效應(yīng)管剖面示意圖其中，4是Si3N4 鈍化層，5是電子聚合物層, 6是生物材料層 55生物傳感器介紹和應(yīng)用場效應(yīng)管芯片的梳妝結(jié)構(gòu)示意圖 56生物傳感器介紹和應(yīng)用（3）制備工藝采用標(biāo)準(zhǔn)的MOS工藝制作出MOS場效應(yīng)管 ；刻蝕去除柵區(qū)的金屬鋁 ；運(yùn)用PVD法在梳狀柵區(qū)沉積Si3N4鈍化層 （80-150 nm）；采用自組裝法在Si3N4鈍化層上制備厚度為1-2m的電子聚合物層 (PEDOT)；在PEDOT層上沉積23 m的生物活性材料酶 ； 引線、封裝 。57生物傳感器介紹和應(yīng)用電子聚合物ENFET的性能測試系統(tǒng) 58生物傳感器介紹和應(yīng)用電子聚合物ENFET在不同pH值的緩沖溶液中的電流