生物傳感器的原理和應用課件

生物傳感器的原理及應用盧余盛110420205生物化工生物傳感器的原理及應用

傳感器是把非電學物理量（如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強、光照度等）轉(zhuǎn)換成易于測量、傳輸、處理的電學量（如電壓、電流、電容等）的一種組件，起自動控制作用。一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換器件、轉(zhuǎn)換電路三個部分組成，如：一、傳感器的含義非電物理量轉(zhuǎn)換器件敏感元件轉(zhuǎn)換電路電學量二、傳感器的分類傳感器是把非電學物理量（如位移、速度、壓力、溫EPASBR0APASBR0VE1.力電傳感器

力電傳感器主要是利用敏感元件和變阻器把力學信號（位移、速度、加速度等）轉(zhuǎn)化為電學信號（電壓、電流等）的儀器。力電傳感器廣泛地應用于社會生產(chǎn)、現(xiàn)代科技中，如安裝在導彈、飛機、潛艇和宇宙飛船上的慣性導航系統(tǒng)及ABS防抱死制動系統(tǒng)等。EPASBR0APASBR0VE1.力電傳感器2.熱電傳感器熱電傳感器是利用熱敏電阻的阻值會隨溫度的變化而變化的原理制成的，如各種家用電器（空調(diào)、冰箱、熱水器、飲水機、電飯煲等）的溫度控制、火警報警器、恒溫箱等。

3.光電傳感器光電傳感器中的主要部件是光敏電阻或光電管。如果是光敏電阻的阻值隨光照強度的變化而變化的原理制成的。如自動沖水機、路燈的控制、光電計數(shù)器、煙霧報警器等都是利用了光電傳感器的原理。聲電傳感器、電容傳感器。。。。

2.熱電傳感器pH測量原理測量系統(tǒng)是：pH玻璃電極參比電極

E=EGlas-ERef

此方程是用來測量溶液中pH電極與參比電極的電位之差。玻璃電極參比電極pH計pH測量原理測量系統(tǒng)是：玻璃電極參比電極pH計pH電極構(gòu)造S7

接口鉑金屬絲內(nèi)參比液電極膜玻璃填充口參比系統(tǒng)參比電解液膜玻璃玻璃電極參比電極pH電極構(gòu)造S7接口鉑金屬絲內(nèi)參比液電極膜玻璃填充口參比系復合電極復合電極生物傳感器生物傳感器(biosensor)：以生物活性單元(如酶、抗體、核酸、細胞等)作為生物敏感基元，對目標被測物具有高度選擇性的檢測器。它通過各種物理、化學型信號轉(zhuǎn)換器捕捉目標物與敏感基元之間的反應，然后將反應的程度用離散或連續(xù)的電信號表達出來，從而得出被測物的濃度。是由固定化的生物敏感材料作識別元件與適當?shù)睦砘瘬Q能器及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)生物傳感器生物傳感器(biosensor)：以生物活性單元(原理被分析物擴散進入固定化生物敏感膜，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學反應，產(chǎn)生的信息繼而被相應的化學換能器或物理換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號，再經(jīng)檢測放大器放大并輸出，便可知道待測物濃度。待分析物生物敏感膜化學量或物理量變化換能器可定量加工的電信號原理被分析物擴散進入固定化生物敏感膜，經(jīng)分子識別，發(fā)生分子識別原件分子識別原件換能器

換能器的作用是將各種生物的、化學的和物理的信息轉(zhuǎn)換成電信號。生物學反應過程產(chǎn)生的信息是多元化的，微電子學和傳感器技術(shù)的現(xiàn)代成果為檢測這些信息提供了豐富的手段，使得研究者在設計生物傳感器時換能器的選擇有足夠的回旋余地。主要的換能器包括氧電極、光敏管、場效應管、和壓電晶體等。換能器換能器的作用是將各種生物的、化學的和物理的信息轉(zhuǎn)生物傳感器的分類a.根據(jù)生物傳感器中生物分子識別元件上的敏感物質(zhì)可分為酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、基因傳感器、免疫傳感器等；b.根據(jù)生物傳感器的信號轉(zhuǎn)化器可分為電化學生物傳感器、半導體生物傳感器、熱生物傳感器、光生物傳感器、壓電型生物傳感器等。電化學生物傳感器又可分為安培型和電位型兩種。生物傳感器的分類

固定化酶固定化微生物固定化免疫物質(zhì)

固定化細胞器生物組織切片微生物傳感器分子識別元件酶傳感器免疫傳感器細胞器傳感器組織傳感器按分子識別元件分類微生物傳感器分子識別元件酶按器件分類

電化學電極光學換能器介體半導體傳遞系統(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按器件分類介體生物傳感器換能器半導體生物傳感器生物電極光生物酶傳感器酶傳感器測定物質(zhì)氧氣過氧化氫氨氣二氧化碳透氣膜鉑陰電極鉑陽電極氫正離子敏感膜電流測量電位測量電極酶膜H正離子電位（電極）電流（場效應管）熱光熱敏電阻傳感器光纖傳感器酶傳感器的類型測定物質(zhì)氧氣透氣膜鉑陰電極氫正離子敏感膜電流測量電極酶膜H正應用舉例：葡萄糖傳感器

工作原理

故葡萄糖濃度測試方法有三種：①測耗量Ｏ２

②測Ｈ２Ｏ２生成量③測由葡萄糖酸而產(chǎn)生的ＰＨ變化。

葡萄糖氧化酶（ＧＯＤ）葡萄糖+H2O＋Ｏ２――――――→葡萄糖酸＋Ｈ２Ｏ２手掌型血糖分析器應用舉例：葡萄糖傳感器

工作原理

測量氧消耗量的葡萄糖傳感器測量氧消耗量的葡萄糖傳感器測量氧消耗量的葡萄糖傳感器氧電極構(gòu)成：①由Ｐb陽極和Ｐt陰極浸入堿溶液，②陰極表面用氧穿透葡萄糖（基質(zhì)）膜覆蓋[特氟隆，厚約１０μm]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Pt陰極上，當外加一個直流電壓為氧的極化電壓(如0.7V)時，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。

Ｏ2+２Ｈ2Ｏ+４e=======４ＯＨ－

測量氧消耗量的葡萄糖傳感器氧電極構(gòu)成：①由Ｐb陽極和Ｐt陰極免疫傳感器的工作原理基本原理是免疫反應。利用固定化抗體（或抗原）膜與相應的抗原（或抗體）的特異反應，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，就形成具有識別免疫反應強烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纖維素膜上進行固定化，由于蛋白質(zhì)為雙極性電解質(zhì)，（正負電極極性隨ＰＨ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。免疫傳感器的工作原理基本原理是免疫反應。利用固定化抗體（或抗免疫傳感器的結(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微生物電極傳感器將微生物(常用的主要是細菌和酵母菌)作為敏感材料固定在電極表面構(gòu)成的電化學生物傳感器稱為微生物電極傳感器。其工作原理大致可分為三種類型:其一,利用微生物體內(nèi)含有的酶(單一酶或復合酶)系來識別分子,這種類型與酶電極類似;其二,利用微生物對有機物的同化作用,通過檢測其呼吸活性(攝氧量)的提高,即通過氧電極測量體系中氧的減少間接測定有機物的濃度;其三,通過測定電極敏感的代謝產(chǎn)物間接測定一些能被厭氧微生物所同化的有機物。

微生物電極傳感器將微生物(常用的主要是細菌和酵母菌)作為敏微生物傳感器——BOD傳感器（示例）發(fā)展背景：傳統(tǒng)標準稀釋法所需時間長、操作繁瑣、準確度差。BOD傳感器不僅能滿足實際監(jiān)測的要求，并且有快速、靈敏的特點。BOD傳感器的工作原理：以微生物的單一菌種或混合種群作為BOD微生物電極，由于水體中BOD物質(zhì)的加人或降解代謝的發(fā)生，導致水中的微生物內(nèi)外源呼吸方式的變化或轉(zhuǎn)化，藕聯(lián)著電流強弱信號的改變，一定條件下傳感器輸出的電流值與BOD的濃度呈線性關系。制作BOD生物傳感器的微生物主要有酵母、假單胞菌、芽抱桿菌、發(fā)光菌和嗜熱菌等。微生物傳感器——BOD傳感器（示例）發(fā)展背景：傳統(tǒng)標準稀釋法組織電極與細胞器電極傳感器直接采用動植物組織薄片作為敏感元件的電化學傳感器稱組織電極傳感器。其原理是利用動植物組織中的酶,優(yōu)點：酶活性及其穩(wěn)定性均比離析酶高,材料易于獲取,制備簡單,組織中酶處于適宜的環(huán)境，同時又相當于被固定化了，使用壽命長等。缺點：但在選擇性、靈敏度、響應時間等方面還存在不足。組織電極與細胞器電極傳感器直接采用動植物組織薄片作為敏感元動物組織電極主要有:腎組織電極、肝組織電極、腸組織電極、肌肉組織電極、胸腺組織電極等。測定對象主要有:谷氨酰胺、葡萄糖胺6磷酸鹽、Ｄ氨基酸、Ｈ2Ｏ2、地高辛、胰島素、腺苷、ＡＭＰ等。植物組織電極敏感元件的選材范圍很廣,包括不同植物的根、莖、葉、花、果等。植物組織電極制備比動物組織電極更簡單,成本更低并易于保存。

細胞器電極傳感器是利用動植物細胞器作為敏感元件的傳感器。細胞器是指存在于細胞內(nèi)的被膜包圍起來的微小“器官”,如線粒體、微粒體、溶酶體、過氧化氫體、葉綠體、氫化酶顆粒、磁粒體等等。其原理是利用細胞器內(nèi)所含的酶(往往是多酶體系)。動物組織電極主要有:腎組織電極、肝組織電極、腸組織電極、肌肉電化學ＤＮＡ傳感器電化學DNA傳感器是利用單鏈DNA(ssDNA)或基因探針作為敏感元件固定在固體電極表面,加上識別雜交信息的電活性指示劑(稱為雜交指示劑)共同構(gòu)成的檢測特定基因的裝置。其工作原理是利用固定在電極表面的某一特定序列的ssDNA與溶液中的同源序列的特異識別作用(分子雜交)形成雙鏈DNA(dsDNA)(電極表面性質(zhì)改變),同時借助一能識別ssDNA和dsDNA的雜交指示劑的電流響應信號的改變來達到檢測基因的目的。電化學ＤＮＡ傳感器電化學DNA傳感器是利用單鏈DNA(s雜交檢測技術(shù)

電化學檢測DNA可以分為直接檢測和間接檢測。直接檢測的依據(jù)在于DNA與某些電極表面的直接電子轉(zhuǎn)移是可能的,而且DNA的一些組分包括堿基和核糖在一定電勢窗口下也是有電化學活性的。間接檢測則是通過一些氧化還原媒介來實現(xiàn)電子傳遞,借助于這些與DNA選擇性結(jié)合的有電化學活性的指示劑來進行雜交檢測。雜交檢測技術(shù)

電化學檢測DNA可以分為直接檢測和間接檢測壓電晶體生物傳感器利用壓電石英晶體對表面電極區(qū)附著質(zhì)量的敏感性，并結(jié)合生物功能分子(如抗原和抗體)之間的選擇特異性，使壓電晶體表面產(chǎn)生微小的壓力變化，引起其振動頻率改變可制成壓電生物傳感器。它主要由壓電晶體、振蕩電路、差頻電路、頻率計數(shù)器及計算機等部分組成。常用壓電晶體材料：石英（SiO2