生物傳感器 (2).ppt

1、生物傳感器,簡(jiǎn)介,定義與分類,結(jié)構(gòu)和原理,應(yīng)用領(lǐng)域,應(yīng)用實(shí)例,一.簡(jiǎn)介,傳感器是一種可以獲取并處理信息的特殊裝置，如人體的感覺器官就是一套完美的傳感系統(tǒng)通過眼、耳、皮膚來(lái)感知外界的光、聲、溫度、壓力等物理信息，通過鼻、舌感知?dú)馕逗臀兜肋@樣的化學(xué)刺激。 而生物傳感器是一類特殊的傳感器，它以生物活性單元（如酶、抗體、核酸、細(xì)胞等）作為生物敏感單元，對(duì)目標(biāo)測(cè)物具有高度選擇性的檢測(cè)器。,一.簡(jiǎn)介,生物傳感器是一門由生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透成長(zhǎng)起來(lái)的高新技術(shù)。因其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、在復(fù)雜的體系中進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，特別是它的高度自動(dòng)化、微型化與集成化的特

2、點(diǎn)，使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發(fā)展。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門如食品、制藥、化工、臨床檢驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面有廣泛的應(yīng)用前景。特別是分子生物學(xué)與微電子學(xué)、光電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)及納米技術(shù)等新學(xué)科、新技術(shù)結(jié)合，正改變著傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)動(dòng)植物學(xué)的面貌。,生物傳感器(biosensor)對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器,是由固定化的生物敏感材料作識(shí)別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）與適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場(chǎng)效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號(hào)放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。,二.定義與分類,用固定化生

3、物成分或生物體作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器（biosensor）。生物傳感器并不專指用于生物技術(shù)領(lǐng)域的傳感器，它的應(yīng)用領(lǐng)域還包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生和食品檢驗(yàn)等。生物傳感器主要有三種分類命名方式。,1根據(jù)生物傳感器中分子識(shí)別元件即敏感元件可分為五類： 酶?jìng)鞲衅?，微生物傳感器，?xì)胞傳感器，組織傳感器和免疫傳感器。顯而易見，所應(yīng)用的敏感材料依次為酶、微生物個(gè)體、細(xì)胞器、動(dòng)植物組織、抗原和抗體。 2根據(jù)生物傳感器的換能器即信號(hào)轉(zhuǎn)換器分類有： 生物電極傳感器，半導(dǎo)體生物傳感器，光生物傳感器，熱生物傳感器，壓電晶體生物傳感器等，換能器依次為電化學(xué)電極、半導(dǎo)體、光電轉(zhuǎn)換器、熱敏電阻、壓電晶體等。 3以

4、被測(cè)目標(biāo)與分子識(shí)別元件的相互作用方式進(jìn)行分類有：生物親合型生物傳感器。,三.結(jié)構(gòu)和原理,生物傳感器由分子識(shí)別部分（敏感元件）和轉(zhuǎn)換部分（換能器）構(gòu)成，以分子識(shí)別部分去識(shí)別被測(cè)目標(biāo)，是可以引起某種物理變化或化學(xué)變化的主要功能元件。分子識(shí)別部分是生物傳感器選擇性測(cè)定的基礎(chǔ)。生物體中能夠選擇性地分辯特定物質(zhì)的物質(zhì)有酶、抗體、組織、細(xì)胞等。這些分子識(shí)別功能物質(zhì)通過識(shí)別過程可與被測(cè)目標(biāo)結(jié)合成復(fù)合物，如抗體和抗原的結(jié)合，酶與基質(zhì)的結(jié)合。,三.結(jié)構(gòu)和原理,在設(shè)計(jì)生物傳感器時(shí)，選擇適合于測(cè)定對(duì)象的識(shí)別功能物質(zhì)，是極為重要的前提。要考慮到所產(chǎn)生的復(fù)合物的特性。根據(jù)分子識(shí)別功能物質(zhì)制備的敏感元件所引起的化學(xué)變化或

5、物理變化，去選擇換能器，是研制高質(zhì)量生物傳感器的另一重要環(huán)節(jié)。敏感元件中光、熱、化學(xué)物質(zhì)的生成或消耗等會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化量。根據(jù)這些變化量，可以選擇適當(dāng)?shù)膿Q能器。,四.應(yīng)用領(lǐng)域,1.食品工業(yè) 2.環(huán)境監(jiān)測(cè) 3.發(fā)酵工業(yè) 4.醫(yī)學(xué),1.食品工業(yè),食品成分分析 在食品工業(yè)中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和貯藏壽命的一個(gè)重要指標(biāo)。已開發(fā)的酶電極型生物傳感器可用來(lái)分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖。其它糖類，如果糖，啤酒、麥芽汁中的麥芽糖，也有成熟的測(cè)定傳感器。 Niculescu等人研制出一種安培生物傳感器，可用于檢測(cè)飲料中的乙醇含量。這種生物傳感器是將一種配蛋白醇脫氫酶埋在聚乙烯中，酶和聚合物的

6、比例不同可以影響該生物傳感器的性能。在目前進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，該生物傳感器對(duì)乙醇的測(cè)量極限為1nmol/L。,1.食品工業(yè),食品添加劑的分析 亞硫酸鹽通常用作食品工業(yè)的漂白劑和防腐劑，采用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料制成的電流型二氧化硫酶電極可用于測(cè)定食品中的亞硫酸鹽含量，測(cè)定的線性范圍為06的負(fù)四次方mol/L。又如飲料、布丁、醋等食品中的甜味素，Guibault等采用天冬氨酶結(jié)合氨電極測(cè)定，線性范圍為210的負(fù)五次方110的負(fù)三次方 mol/L。此外，也有用生物傳感器測(cè)定色素和乳化劑的報(bào)道。,1.食品工業(yè),農(nóng)藥殘留量分析 近年來(lái)，人們對(duì)食品中的農(nóng)藥殘留問題越來(lái)越重視，各國(guó)政府也不斷加強(qiáng)對(duì)食品中的農(nóng)藥

7、殘留的檢測(cè)工作。 Yamazaki等人發(fā)明了一種使用人造酶測(cè)定有機(jī)磷殺蟲劑的電流式生物傳感器，利用有機(jī)磷殺蟲劑水解酶，對(duì)硝基酚和二乙基酚的測(cè)定極限為10的負(fù)七次方mol，在40下測(cè)定只要4min。Albareda等用戊二醛交聯(lián)法將乙酞膽堿醋酶固定在銅絲碳糊電極表面，制成一種可檢測(cè)濃度為10的負(fù)十次方mol/L的對(duì)氧磷和10的負(fù)十一次方mol/L的克百威的生物傳感器，可用于直接檢測(cè)自來(lái)水和果汁樣品中兩種農(nóng)藥的殘留。,1.食品工業(yè),微生物和毒素的檢驗(yàn) 食品中病原性微生物的存在會(huì)給消費(fèi)者的健康帶來(lái)極大的危害，食品中毒素不僅種類很多而且毒性大，大多有致癌、致畸、致突變作用，因此，加強(qiáng)對(duì)食品中的病原性微

8、生物及毒素的檢測(cè)至關(guān)重要。 食用牛肉很容易被大腸桿菌0157.H7.所感染，因此，需要快速靈敏的方法檢測(cè)和防御大腸桿菌0157.H7一類的細(xì)菌。Kramerr等人研究的光纖生物傳感器可以在幾分鐘內(nèi)檢測(cè)出食物中的病原體（如大腸桿菌0157.H7.），而傳統(tǒng)的方法則需要幾天。這種生物傳感器從檢測(cè)出病原體到從樣品中重新獲得病原體并使它在培養(yǎng)基上獨(dú)立生長(zhǎng)總共只需1天時(shí)間，而傳統(tǒng)方法需要4天。 還有一種快速靈敏的免疫生物傳感器可以用于測(cè)量牛奶中雙氫除蟲菌素的殘余物，它是基于細(xì)胞質(zhì)基因組的反應(yīng)，通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸信號(hào)。已達(dá)到的檢測(cè)極限為16.2ng/mL。一天可以檢測(cè)20個(gè)牛奶樣品。,1.食品工業(yè),食品鮮度

9、的檢測(cè) 食品工業(yè)中對(duì)食品鮮度尤其是魚類、肉類的鮮度檢測(cè)是評(píng)價(jià)食品質(zhì)量的一個(gè)主要指標(biāo)。Volpe等人以黃嗦吟氧化酶為生物敏感材料，結(jié)合過氧化氫電極，通過測(cè)定魚降解過程中產(chǎn)生的一磷酸肌苷(IMP)、肌苷(HXR)和次黃嘌吟(HX)的濃度，從而評(píng)價(jià)魚的鮮度，其線性范圍為5x10的負(fù)10次方2x10的負(fù)4次方mol/L。,2.環(huán)境監(jiān)測(cè),水環(huán)境監(jiān)測(cè) 生化需氧量(BOD）是一種廣泛采用的表征有機(jī)污染程度的綜合性指標(biāo)。在水體監(jiān)測(cè)和污水處理廠的運(yùn)行控制中，生化需氧量也是最常用、最重要的指標(biāo)之一。常規(guī)的BOD測(cè)定需要5d的培養(yǎng)期，而且操作復(fù)雜，重復(fù)性差，耗時(shí)耗力，干擾性大，不適合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。SiyaWakin等人

10、利用一種毛孢子菌(Trichosporoncutaneum）和芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis）制作一種微生物BOD傳感器。該BOD生物傳感器能同時(shí)精確測(cè)量葡萄糖和谷氨酸的濃度。測(cè)量范圍為0.540mg/L，靈敏度為5.84nA/mgL。該生物傳感器穩(wěn)定性好，在58次實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.0362。所需反應(yīng)時(shí)間為5lOmin。,2.環(huán)境監(jiān)測(cè),水環(huán)境監(jiān)測(cè) 硝酸根離子是主要的水污染物之一，如果添加到食品中，對(duì)人體的健康極其有害。Zatsll等人提出了一種整體化酶功能場(chǎng)效應(yīng)管裝置檢測(cè)硝酸根離子的方法。該裝置對(duì)硝酸根離子的檢測(cè)極限為7x10的負(fù)5次方mol，響應(yīng)時(shí)間不到50s，系

11、統(tǒng)操作時(shí)間約為85s。,2.環(huán)境監(jiān)測(cè),大氣環(huán)境監(jiān)測(cè) 二氧化硫(S02)是酸雨酸霧形成的主要原因，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法很復(fù)雜。Martyr等人將亞細(xì)胞類脂類（含亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體）固定在醋酸纖維膜上，和氧電極制成安培型生物傳感器，對(duì)S02形成的酸雨酸霧樣品溶液進(jìn)行檢測(cè)，lOmin可以得到穩(wěn)定的測(cè)試結(jié)果。 NOx不僅是造成酸雨酸霧的原因之一，同時(shí)也是光化學(xué)煙霧的罪魁禍?zhǔn)住harles等人用多孔滲透膜、固定化硝化細(xì)菌和氧電極組成的微生物傳感器來(lái)測(cè)定樣品中亞硝酸鹽含量，從而推知空氣中NOx的濃度。其檢測(cè)極限為0.01xl0負(fù)6次方mo1/L。,3.發(fā)酵工業(yè),原材料及代謝產(chǎn)物的測(cè)定 微生物傳感器可用于

12、測(cè)量發(fā)酵工業(yè)中的原材料（如糖蜜、乙酸等）和代謝產(chǎn)物（如頭孢霉素、谷氨酸、甲酸、醇類、乳酸等）。測(cè)量的裝置基本上都是由適合的微生物電極與氧電極組成，原理是利用微生物的同化作用耗氧，通過測(cè)量氧電極電流的變化量來(lái)測(cè)量氧氣的減少量，從而達(dá)到測(cè)量底物濃度的目的。 2002年，Tkac等人將一種以鐵氰化物為媒介的葡萄糖氧化酶細(xì)胞生物傳感器用于測(cè)量發(fā)酵工業(yè)中的乙醇含量，13s內(nèi)可以完成測(cè)量，測(cè)量靈敏度為3.5nA/mM。該微生物傳感器的檢測(cè)極限為0.85nM，測(cè)量范圍為2270nM，穩(wěn)定性能很好。在連續(xù)8.5h的檢測(cè)中，靈敏度沒有任何降低。,3.發(fā)酵工業(yè),微生物細(xì)胞數(shù)目的測(cè)定 發(fā)酵液中細(xì)胞數(shù)的測(cè)定是重要的。

13、細(xì)胞數(shù)（菌體濃度）即單位發(fā)酵液中的細(xì)胞數(shù)量。一般情況下，需取一定的發(fā)酵液樣品，采用顯微計(jì)數(shù)方法測(cè)定，這種測(cè)定方法耗時(shí)較多，不適于連續(xù)測(cè)定。在發(fā)酵控制方面迫切需要直接測(cè)定細(xì)胞數(shù)目的簡(jiǎn)單而連續(xù)的方法。人們發(fā)現(xiàn)：在陽(yáng)極(Pt）表面上，菌體可以直接被氧化并產(chǎn)生電流。這種電化學(xué)系統(tǒng)可以應(yīng)用于細(xì)胞數(shù)目的測(cè)定。測(cè)定結(jié)果與常規(guī)的細(xì)胞計(jì)數(shù)法測(cè)定的數(shù)值相近。利用這種電化學(xué)微生物細(xì)胞數(shù)傳感器可以實(shí)現(xiàn)菌體濃度連續(xù)、在線的測(cè)定。,4.醫(yī)學(xué),臨床醫(yī)學(xué) 在臨床醫(yī)學(xué)中，酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器，目前，已成功地應(yīng)用于血糖、乳酸、維生素C、尿酸、尿素、谷氨酸、轉(zhuǎn)氨酶等物質(zhì)的檢測(cè)。其原理是：用固定化技術(shù)將酶裝在生物敏

14、感膜上，檢測(cè)樣品中若含有相應(yīng)的酶底物，則可反應(yīng)產(chǎn)生可接受的信息物質(zhì)，指示電極發(fā)生響應(yīng)可轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，根據(jù)這一變化，就可測(cè)定某種物質(zhì)的有無(wú)和多少。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器，在臨床中應(yīng)用的微生物傳感器有葡萄糖、乙酸、膽固醇等傳感器。若選擇適宜的含某種酶較多的組織，來(lái)代替相應(yīng)的酶制成的傳感器稱為生物電極傳感器。如用豬腎、兔肝、牛肝、甜菜、南瓜和黃瓜葉制成的傳感器，可分別用于檢測(cè)谷酰胺、鳥嘌呤、過氧化氫、酪氨酸、維生素C和胱氨酸等。,4.醫(yī)學(xué),軍事醫(yī)學(xué) 軍事醫(yī)學(xué)中，對(duì)生物毒素的及時(shí)快速檢測(cè)是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測(cè)多種細(xì)菌、病毒及其毒素，如炭疽

15、芽孢桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等。 2000年，美軍報(bào)道已研制出可檢測(cè)葡萄球菌腸毒素B、蓖麻素、土拉弗氏菌和肉毒桿菌等4種生物戰(zhàn)劑的免疫傳感器。檢測(cè)時(shí)間為3lOmin，靈敏度分別為10，5Omg/L,5x10的5次方，和5x10的4次方cfu/ml。Song等人制成了檢測(cè)霍亂病毒的生物傳感器。該生物傳感器能在30min內(nèi)檢測(cè)出低于1xlO的負(fù)5次方mol/L的霍亂毒素，而且有較高的敏感性和選擇性，操作簡(jiǎn)單。該方法能夠用于具有多個(gè)信號(hào)識(shí)別位點(diǎn)的蛋白質(zhì)毒素和病原體的檢測(cè)。 此外，在法醫(yī)學(xué)中，生物傳感器可用作DNA鑒定和親子認(rèn)證等。,五.應(yīng)用實(shí)例,各種類型的傳感器有許多潛在

16、的應(yīng)用。在研究與商用領(lǐng)域?qū)τ谏飩鞲衅鞯男枨笾饕獊?lái)自于對(duì)于特定目標(biāo)分子的辨別、生物識(shí)別成分的實(shí)用性以及在某些場(chǎng)合中優(yōu)于實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的可以一次性使用的檢測(cè)系統(tǒng)。下面是一些實(shí)例5： 糖尿病人的血糖監(jiān)測(cè)，來(lái)自于市場(chǎng)需求的動(dòng)力 其它與醫(yī)療相關(guān)的目標(biāo)： 環(huán)保方面的應(yīng)用，如殺蟲劑檢測(cè)以及河流污染物檢測(cè)； 空氣傳播細(xì)菌的遙測(cè)，如對(duì)抗生物恐怖襲擊的活動(dòng)； 病原體的檢測(cè)； 生物修復(fù)之前及之后毒素量的確定； 有機(jī)磷酸酯的檢測(cè)與定量分析； 日常的葉酸、微生物H、維生素B12以及泛酸分析測(cè)量，取代微生物鑒定； 測(cè)定食物尤其是肉食及蜂蜜中抗生素、生長(zhǎng)促進(jìn)素等的藥物殘留； 藥品開發(fā)以及新化合物生物活性的評(píng)測(cè)。,五.應(yīng)用實(shí)例,特點(diǎn) 采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，價(jià)值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過去酶法分析試劑費(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。 專一性強(qiáng)，只對(duì)特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響。 分析速度快，可以在一分鐘得到結(jié)果。 準(zhǔn)確度高，一般相對(duì)誤差可以達(dá)到1% 操作系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析 成本低，在連續(xù)使用時(shí)，每例測(cè)定僅需要幾分錢人民幣。 有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)