第8章生物傳感器資料學(xué)習(xí)目的

掌握生物傳感器的工作原理及分類(lèi)掌握酶?jìng)鞲衅鞯脑砑皯?yīng)用掌握葡萄糖傳感器的原理熟悉免疫傳感器的原理了解微生物傳感器的分類(lèi)及原理了解生物傳感器的應(yīng)用

1/12/20232第8章生物傳感器資料8.1生物傳感器的工作原理8.2最常用的生物傳感器8.3生物傳感器的應(yīng)用本章小結(jié)復(fù)習(xí)思考題主要內(nèi)容返回主目錄1/12/20233第8章生物傳感器資料生物傳感器是在基礎(chǔ)傳感器上再耦合一個(gè)生物敏感膜而形成的，生物功能膜上(或膜中)附著有生物傳感器的敏感物質(zhì)，被測(cè)量溶液中待測(cè)定的物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物敏感膜層，經(jīng)分子識(shí)別或發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，其所產(chǎn)生的信息可通過(guò)相應(yīng)的化學(xué)或物理原理轉(zhuǎn)變成可定量和可顯示的電信號(hào)，通過(guò)電信號(hào)的分析就可知道被測(cè)物質(zhì)的成分或濃度。圖8-1生物傳感器工作原理示意圖8.1生物傳感器的工作原理1/12/20234第8章生物傳感器資料血糖－乳酸測(cè)定流程1/12/20235第8章生物傳感器資料體育上耐力訓(xùn)練1/12/20236第8章生物傳感器資料手掌型葡萄糖(glucose)分析儀1/12/20237第8章生物傳感器資料工廠(chǎng)發(fā)酵車(chē)間化驗(yàn)員正在分析樣品發(fā)酵工廠(chǎng)谷氨酸-葡萄糖分析1/12/20238第8章生物傳感器資料SBA-40型谷氨酸(乳酸)-葡萄糖雙功能分析儀進(jìn)樣帽位于反應(yīng)池上部。可以從此處注入樣品或標(biāo)準(zhǔn)液儀器處在隨時(shí)通電狀態(tài)，測(cè)定時(shí)按一下開(kāi)關(guān)1/12/20239第8章生物傳感器資料德國(guó)研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀1/12/202310第8章生物傳感器資料按識(shí)別功能膜分類(lèi)生物傳感器的生物功能膜起分子識(shí)別的作用，它決定傳感器的選擇性.返回本章目錄1/12/202311第8章生物傳感器資料酶?jìng)鞲衅饔煞肿幼R(shí)別功能的固定化酶膜與電化學(xué)裝置兩部分構(gòu)成。由于酶是蛋白質(zhì)組成的生物催化劑，能催化許多生物化學(xué)反應(yīng)，生物細(xì)胞的復(fù)雜代謝就是由成千上萬(wàn)個(gè)不同的酶控制的。酶的催化效率極高，而且具有高度專(zhuān)一性，即只能對(duì)待定待測(cè)生物量（底物）進(jìn)行選擇性催化，并且有化學(xué)放大作用，因此利用酶的特性可以制造出高靈敏度、選擇性好的傳感器。酶的催化反應(yīng)公式：8.2.1酶?jìng)鞲衅?/p>

酶的催化作用是在一定的條件下使底物分解，故酶的催化作用實(shí)際上是加速底物的分解速度。

8.2最常用的生物傳感器1/12/202312第8章生物傳感器資料當(dāng)把裝有酶膜的酶?jìng)鞲衅鞑迦朐囈簳r(shí)，被測(cè)物質(zhì)在固定化酶膜上發(fā)生催化化學(xué)反應(yīng)，生成或消耗電極活性物質(zhì)(如O2、H2O2、CO2、NH3等)，用電化學(xué)測(cè)量裝置(如電極)測(cè)定反應(yīng)中電極活性物量的變化，電極就能把被測(cè)物質(zhì)的濃度變換成電信號(hào)，從被測(cè)物質(zhì)濃度與電信號(hào)之間的關(guān)系就可測(cè)定未知濃度，如圖8-3所示。

圖8-3酶?jìng)鞲衅鞯脑硎疽鈭D1/12/202313第8章生物傳感器資料利用酶?jìng)鞲衅骺梢詼y(cè)定各種糖、氨基酸、酯質(zhì)和無(wú)機(jī)離子等，在醫(yī)療、食品、發(fā)酵工業(yè)和環(huán)境分析等領(lǐng)域獲得多方面的應(yīng)用。例如：酶?jìng)鞲衅骺梢杂糜谒|(zhì)監(jiān)測(cè)：酚是一類(lèi)對(duì)人體有害的化合物，經(jīng)常通過(guò)煉油和煉焦等工廠(chǎng)的廢水排放到河流和湖泊中。根據(jù)測(cè)定水中酚含量的需要，科學(xué)家利用固定化多酚氧化酶研制成多酚氧化酶?jìng)鞲衅鳎@種酶?jìng)鞲衅骺煽焖贉y(cè)定出水中質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅有的酚。多功能酶?jìng)鞲衅?、測(cè)定酶活性傳感器、半導(dǎo)體酶?jìng)鞲衅饕约皺z測(cè)難溶于水的物質(zhì)的酶?jìng)鞲衅髡谘芯恐小ｋS著基因工程技術(shù)的開(kāi)發(fā)，使酶?jìng)鞲衅鞯奶匦詴?huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

把酶制成膜狀，將其設(shè)置在電極附近，這種方式應(yīng)用最普遍；金屬或FET柵極表面直接結(jié)合酶，使受體與電極結(jié)合起來(lái)；把固定化酶填充在小柱中作為受體，使受體與電極分離開(kāi)。大多數(shù)酶是水溶性的，需要通過(guò)固定化技術(shù)制成酶膜，才能構(gòu)成酶?jìng)鞲衅鞯氖荏w。在酶?jìng)鞲衅髦袠?gòu)成固定化酶有三種方式：應(yīng)用：1/12/202314第8章生物傳感器資料葡萄糖是典型的單糖類(lèi)，是一切生物的良好能源，測(cè)定血液中葡萄糖濃度對(duì)糖尿病患者作臨床檢查是很重要的。葡萄糖傳感器是以葡萄糖氧化酶(GOD)為生物催化劑，氧電極為電化學(xué)測(cè)量裝置，通過(guò)測(cè)定酶作用后氧含量的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)糖的量的測(cè)量，如圖8-4所示。圖8-4葡萄糖傳感器的原理示意圖8.2.2葡萄糖傳感器1/12/202315第8章生物傳感器資料圖中試料中的葡萄糖因葡萄糖氧化酶的作用被氧化，反應(yīng)方程為：上式表明可以通過(guò)測(cè)量氧的消耗量、或H2O2的生成量、或由葡萄糖酸引起的PH值的變化來(lái)測(cè)量葡萄糖的濃度。因此，從溶液中向電極擴(kuò)散的氧氣一部分因酶反應(yīng)而被消耗掉，到達(dá)電極的氧氣量減少，由氧電極測(cè)定氧濃度的變化即可知道葡萄糖的濃度。1/12/202316第8章生物傳感器資料氧電極是隔膜型Pt陰電極，氧穿透膜一般是厚的特氟隆；測(cè)量時(shí)將其與Pb陽(yáng)極浸入濃NaOH溶液中構(gòu)成電池，溶液中的氧穿透膜后達(dá)到Pt電極被還原，反應(yīng)方程為：這樣，有陰極電流流過(guò)，氧量減小，此電流值減小，當(dāng)溶液中向膜擴(kuò)散的氧量達(dá)到平衡時(shí)電流值恒定，此恒電流值與起始的電流值之差△I與試液中葡萄糖的濃度有一定的關(guān)系，通過(guò)測(cè)得△I就能容易地求出葡萄糖的濃度。1/12/202317第8章生物傳感器資料微生物傳感器由固定化微生物膜及電化學(xué)裝置組成，微生物膜的固定法與酶的固定方式相同，一般用吸附法和包裹法兩種。微生物的生存特性對(duì)氧氣有好氣性與厭氣性之分，其傳感器分為:好氣性微生物傳感器厭氣性微生物傳感器8.2.3微生物傳感器1/12/202318第8章生物傳感器資料好氣性微生物生存在含氧條件下，生長(zhǎng)過(guò)程離不開(kāi)氧，它吸入氧氣而放出二氧化碳，這種微生物的呼吸可用氧電極或二氧化碳電極來(lái)測(cè)定。將微生物固定化膜與氧電極或二氧化碳電極組合在一起，構(gòu)成呼吸型微生物傳感器，其結(jié)構(gòu)原理如圖8-5a所示。

1．好氣性微生物傳感器

圖8-5微生物傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖1/12/202319第8章生物傳感器資料其中將微生物固定于乙酰纖維素等膜上，然后把它附著在隔膜式氧電極的透氧膜上就構(gòu)成了呼吸型微生物氧電極。把這種微生物傳感器放入含有機(jī)化合物的試液中，有機(jī)物向微生物膜內(nèi)擴(kuò)散，而被微生物攝取，攝取有機(jī)物時(shí)呼吸旺盛，余下部分的氧通過(guò)特氟隆膜到達(dá)氧電極，而變成穩(wěn)定的陰極電流。也就是說(shuō)，有機(jī)物被攝取前后，微生物呼吸量可轉(zhuǎn)化為電流值來(lái)測(cè)定。這種電流與有機(jī)物濃度間有著直接關(guān)系。利用這種關(guān)系就可對(duì)有機(jī)物進(jìn)行定量測(cè)試。圖8-5微生物傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖1/12/202320第8章生物傳感器資料厭氣性微生物的生長(zhǎng)會(huì)受到氧的妨礙，可由其生成的二氧化碳或代謝產(chǎn)物量來(lái)測(cè)定其生理狀態(tài)。當(dāng)測(cè)定微生物的代謝生成物時(shí)，可用離子選擇電極來(lái)測(cè)定，如圖8-5b所示用氫生菌固定膜，它能使有機(jī)物氧化生成氫，氫通過(guò)膜并在鉑電極表面擴(kuò)散、氧化，即可產(chǎn)生電流，其值與試液中有機(jī)物的濃度有關(guān)，可測(cè)知有機(jī)物的濃度。圖8-5微生物傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖

2．厭氣性微生物傳感器

1/12/202321第8章生物傳感器資料微生物傳感器是把活著的微生物菌固定于膜面上，作為生物功能元件來(lái)使用。目前微生物傳感器已用到發(fā)酵工藝及環(huán)境監(jiān)測(cè)等部門(mén)。如通過(guò)測(cè)水中有機(jī)物含量即可測(cè)量江河及工業(yè)廢水中有機(jī)物污染程度。醫(yī)療部門(mén)通過(guò)測(cè)定血清中的微量氨基酸(苯基丙氨酸和亮氨酸)，對(duì)早期診斷苯基酮尿素病毒和糖尿病有效。酶和微生物傳感器主要是以低分子有機(jī)化合物作為測(cè)定對(duì)象，但對(duì)高分子有機(jī)化合物的識(shí)別能力不佳。利用抗體對(duì)抗原的識(shí)別功能和與抗原的結(jié)合功能構(gòu)成對(duì)蛋白質(zhì)、多糖類(lèi)結(jié)構(gòu)略異的高分子有高選擇性的免疫傳感器。1/12/202322第8章生物傳感器資料一旦病原菌或其他異性蛋白質(zhì)（即抗原）侵入人體，會(huì)在人體內(nèi)產(chǎn)生能識(shí)別抗原并將其從體內(nèi)排除的物質(zhì)（稱(chēng)為抗體），抗原與抗體結(jié)合形成復(fù)合物（稱(chēng)免疫反應(yīng)），從而將抗原清除。免疫傳感器的基本原理就是免疫反應(yīng)，它是利用抗體能識(shí)別抗原并與抗原結(jié)合的功能而制成的生物傳感器。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)，此反應(yīng)的結(jié)果使生物敏感膜的電位發(fā)生變化。如用心肌磷質(zhì)膽固醇固定在醋酸纖維膜上，就可以對(duì)梅毒患者血清中的梅毒抗體產(chǎn)生有選擇性地反應(yīng)，其結(jié)果使膜電位發(fā)生變化。8.2.4免疫傳感器1/12/202323第8章生物傳感器資料圖8-6免疫傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖圖8-6為這種免疫傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中2、3兩室間有固定化抗原膜，而1、3兩室之間沒(méi)有固定化抗原膜。正常情況下，1、2室內(nèi)電極間無(wú)電位差。若3室內(nèi)注入含有抗體的鹽水時(shí)，由于抗體和固定化抗原膜上的抗原相結(jié)合，使膜表面吸附了特異的抗體，而抗體是有電荷的蛋白質(zhì)，從而使抗原固定化膜帶電狀態(tài)發(fā)生變化，因此1、2室內(nèi)的電極間有電位差產(chǎn)生。1/12/202324第8章生物傳感器資料根據(jù)上述原理，可以把免疫傳感器的敏感膜與酶免疫分析法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行超微量測(cè)量，它是利用酶為標(biāo)識(shí)劑的化學(xué)放大。化學(xué)放大就是微量酶（E）使少量基質(zhì)（S）生成多量生成物。當(dāng)酶是被測(cè)物時(shí)，一個(gè)E應(yīng)相對(duì)許多P，測(cè)量P對(duì)E來(lái)說(shuō)就是化學(xué)放大，根據(jù)這種原理制成的傳感器稱(chēng)為酶免疫傳感器。目前正在研究的診斷癌癥用的傳感器把α-甲胎蛋白（AFP）作為癌診斷指標(biāo)，它將AFP的抗體固定在膜上組成酶免疫傳感器，可檢測(cè)10-9gAFP。這是一種非放射性超微量測(cè)量方法。返回本章目錄1/12/202325第8章生物傳感器資料生物傳感器目前仍處于開(kāi)發(fā)階段，具有廣泛的應(yīng)用前景。特別是隨著生物醫(yī)學(xué)工程迅速發(fā)展，對(duì)生物傳感器的需求更迫切，下表列出了生物傳感器在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。由于醫(yī)療診斷的需要，很多場(chǎng)合要求生物傳感器置入體內(nèi)檢測(cè)，并直接顯示測(cè)量結(jié)果。因此，研究、開(kāi)發(fā)集成化微型生物傳感器是生物傳感器發(fā)展的重要方向之一。8.3生物傳感器的應(yīng)用1/12/202326第8章生物傳感器資料為了迅速檢測(cè)發(fā)酵培養(yǎng)液中谷氨酸含量，可采用谷氨酸傳感器，它是將微生物大腸桿菌（含有谷氨酸脫羧酶）固定化在電極硅橡膠膜上與CO2的電極組成谷氨酸傳感器。在測(cè)量時(shí)，谷氨酸脫羧酶引起發(fā)酵培養(yǎng)液反應(yīng)產(chǎn)生CO2氣體，而CO2氣體可使電極電位增高，而電位變化又與谷氨酸濃度的對(duì)數(shù)成正比關(guān)系，因此這種傳感器可連續(xù)測(cè)量谷氨酸含量。生物傳感器在工業(yè)生產(chǎn)中也得到廣泛的應(yīng)用，如發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中各種化學(xué)物質(zhì)需連續(xù)控制發(fā)酵生成物的濃度，以保證發(fā)酵質(zhì)量。應(yīng)用1/12/202327第8章生物傳感器資料生物傳感器測(cè)定食品成分也有許多優(yōu)越性：可以使食品分析專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員從繁瑣的常規(guī)分析中解放出來(lái)，由于采用了專(zhuān)一性高的酶法分析，在分析中不受顏色和其它成分的干擾，速度快。因此有廣泛的應(yīng)用前景。它們不僅可以直接應(yīng)用在食品成分的直接分析上，而且在許多場(chǎng)合可以用作打擊假冒食品的主要工具。現(xiàn)舉以下實(shí)例加以說(shuō)明。蜂蜜中摻雜一些特殊成分的鑒別：當(dāng)摻假物質(zhì)為蔗糖、飴糖、面粉、人工轉(zhuǎn)化糖等的時(shí)候，用葡萄糖傳感器測(cè)定：①未加以轉(zhuǎn)化的蜂蜜中葡萄糖量；②加糖化酶轉(zhuǎn)化后的葡萄糖量：③采用稀酸轉(zhuǎn)化后的葡萄糖量。分析結(jié)果表明：葡萄糖量超過(guò)稀酸轉(zhuǎn)化后的葡萄糖量的50%時(shí)，可能摻有轉(zhuǎn)化糖、面粉、飴糖等成分。用糖化酶處理后的蜂蜜，如葡萄糖明顯增高，則表明其中摻有飴糖、面粉等。1/12/202328第8章生物傳感器資料類(lèi)似的分析測(cè)定方法也可以用在乳品、含糖酒品等許多食品的分析上。比如用乳酸傳感器可以測(cè)定牛乳鮮度，用葡萄糖傳感器鑒別奶中的糊精。其它的生物傳感器如尿素、蔗糖、酒精、谷氨酸、乳酸等都可以在鑒別食品成分和打假中。這些生物傳感器與食品專(zhuān)業(yè)分析人員的日常工作結(jié)合，不僅可以產(chǎn)生很大的社會(huì)效益，而且可以豐富和發(fā)展食品分析科學(xué)，并且發(fā)展和制訂我國(guó)的食品分析法規(guī)。1/12/202329第8章生物傳感器資料人們已經(jīng)注意到，生物體本身就存在各式各樣的傳感器，生物體借助于這些傳感器與環(huán)境不斷地交流信息，以維持正常的生命活動(dòng)。例如細(xì)菌的趨化性和趨光性，植物的向陽(yáng)性，動(dòng)植物器官（如人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)等）以及某些動(dòng)物的特異功能（如蝙蝠的超聲波定位、海豚的聲納導(dǎo)航測(cè)距、信鴿和候鳥(niǎo)的方向識(shí)別、犬類(lèi)敏銳的嗅覺(jué)等）都是生物傳感功能的典例。因此制造各種人工模擬生物傳感器或稱(chēng)仿生物傳感器是傳感器發(fā)展的重要課題。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)傳感器的發(fā)展取得相當(dāng)成績(jī)。但是，生物傳感器的精巧結(jié)構(gòu)和奇特功能是現(xiàn)階段人工仿生傳感器無(wú)法比擬的。目前對(duì)生物傳感器的結(jié)構(gòu)、性能和響應(yīng)機(jī)理知之甚少，甚至連一些感覺(jué)器官在生物體內(nèi)的分布和地址都不太清楚。因此，要研制仿生傳感器，需要做大量的基礎(chǔ)研究工作。返回本章目錄1/12/202330第8章生物傳感器資料本章小結(jié)生物傳感器是在基礎(chǔ)傳感器上再耦合一個(gè)生物敏感膜而形成的，被測(cè)量溶液中待測(cè)定的物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物敏感膜層，經(jīng)分子識(shí)別或發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，其所產(chǎn)生的信息可通過(guò)相應(yīng)的化學(xué)或物理原理轉(zhuǎn)變成可定量和可顯示的電信號(hào)，通過(guò)電信號(hào)的分析就可知道被測(cè)物質(zhì)的成分或濃度。酶?jìng)鞲衅鳌煞肿幼R(shí)別功能的固定化酶膜與電化學(xué)裝置兩部分構(gòu)成。由于酶是蛋白質(zhì)組成的生物催化劑，能催化許多生物化學(xué)反應(yīng)，生物細(xì)胞的復(fù)雜代謝就是由成千上