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1、生物传感器,生物传感器的模型,是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。 应用领域：环境监测、食品分析、生物医学,一、概述,1. 定义 敏感材料由生物体成分（或本身）组成的传感器 利用生物活性物质具有的分子识别功能，专一、灵敏。,生物传感器的分子识别元件,这里所说的膜是采用固定化技术制作的人工膜而不是天然的 生物膜(细胞膜),生物学反应信息和换能器的选择,换能器的作用是将各种生物的、化学的和物理的信息转化成电信号,生物传感器分类,2 分类,生物传感器分类,根据生物传感器的特性还有其他的命名或分类,对于个别生物传感器的命名,一般采用“功能+构成特征”的方法，比
2、如：葡萄糖氧化酶电极，谷氨酸脱氢酶电极，BOD微生物电极，葡萄糖酶光纤传感器等。,3. 生物传感器的特点,高选择性。生物传感器是由选择性好的主体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其它试剂。,体积小、可以实现连续在位监测。,响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。,传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。,二、酶电极和酶传感器,1 酶：由生物体产生的具有催化能力的蛋白质,1）蛋白质是氨基酸组成的，而酶的水解产物都是氨基酸，即 酶是由氨基酸组成的； 2）酶具有蛋白质所具有的颜色反应； 3）一切可使蛋白质变性的因
3、素，如热、酸、碱、紫外线等， 同样可使酶变性失活； 4）酶同样具有蛋白质所具有的大分子性质，如不能透过半透 膜，可以电泳，并有一定电位点。,酶的专一性：锁和钥匙的关系。这种关系在生物大分子的相互作用中具有普遍性，,对底物选择性地结合，避免其它物质干扰。,与一般催化剂相比较，酶催化具有如下特点,2）催化效率高：其催化效率是其他催化剂的1071013倍。 3）因为酶是蛋白质，其催化一般在温和条件下进行，极端的环境条件（如高温、酸碱）会使酶失活。 4）有些酶（如脱气酶）需要辅酶或辅基。 5）酶在体内的活力常受多种方式调控。,2 酶的作用机理 一) 降低反应活化能 酶的构象对底物分子显示分子识别能力，
4、可作为一种催化剂，加速反应的进程，这样的反应称为酶促反应。酶可以使反应至少加速100万倍。酶对应的加速是通过酶与底物结合形成复合物以降低反应的活化自由能实现的。这种复合物的形成为反应提供了一条新的途径，它的过度态能量要比没有酶条件下相应所需要的能量低的多。,图2-1 酶对反应活化能的影响 无酶掺入是活化能为G1,酶催化时降为G2, 但反应的自由能变化G保持不变,B为反应生成产物分子的能量状态,A 初态( initial) A*活化态,过度态 (transition state) G1活化能(energy of activation),活化能:在一定温度下,1 mol底物 全部进入活化态所需要的
5、自由能 F (free energy),单位是 J/mol.,酶催化的化学形式 酶催化的化学形式主要包括亲核、亲电催化和酸碱催化。,酶分子中具有各种酸性或碱性氨基酸侧链，酸碱催化通过瞬时向反应物提供质子或从反应物中汲取质子，以增加过渡态，加速反应。,在催化时，亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或汲取电子并作用底物的缺电子中心或负电中心，迅速形成不稳定的共价复合物，降低反应自由能，加速反应。,酸碱催化,亲核、亲电催化,酶各种固定化方法,酶电极及酶传感器实例,生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜 可用的测量量：O2的减少量，葡萄糖酸或H2O2的产生量 信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极,
6、（1）葡萄糖氧化酶电极,一种葡萄糖传感器-Glucowatch,Glucose pulled through the skin by charged molecules The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxide The reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor,生物分子识别元件：乙醇氧化酶膜 信号转换元件：氧电极,（2）乙醇传感器
7、,生物分子识别元件：乙醇脱氢酶膜 信号转换元件：Ox 电子传递介质（二茂铁、四硫富瓦烯） 15秒，10-610-4 mol/L,二、组织电极,以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的生物传感器 特点： 酶处于天然、理想状态，稳定、功效高 有些没有了解的反应途径或无条件拟合的体系，可直接用组织代替 组织可直接成膜，便于固定，成本低 商品化难以实现(复反应多，寿命短）,猪肾组织L-谷氨酰胺电极,6.010-5 6.710-3mol/L 6min 28天,2,1.尼龙网 2.组织切片 3.透析膜,夹壳豆-尿素电极,夹壳豆粉中含有脲酶，将其固化并与氨气电极组合构成尿素组织电极。脲酶与尿素发生酶促水解反应，
8、产物中有NH3生成：,该电极有良好的选择性，线性范围为： 10-510-3mol/L,响应时间为15分钟。 使用寿命可达百天。,三、微生物传感器 1.特点,适合发酵体系 微生物的菌株价格低 其细胞内酶的活性因细胞增殖而再生,寿命长 响应时间长。（微生物呼吸代谢为指标）,2. 微生物传感器的分类,按工作原理： （1）用微生物体内酶的生物活性 类似酶传感器 （2）利用微生物对有机物的同化作用 （a）呼吸机能型微生物传感器 （b）代谢机能型微生物传感器,葡萄糖微生物电极 Pseudomonas fluorescence,电解液 O型环 Pb阴极 聚四氟乙烯（透气膜） 固化微生物膜 尼龙网 Pt阳极,
9、甲酸传感器 (H2电极厌气性微生物传感器),圆环 液体连接面 电解液(100mol/m3磷酸缓冲液) Ag2O2电极(阴极) Pt电极(阳极) 聚四氟乙烯膜,酪酸梭状芽菌,资化后产生H2,五、免疫传感器,免疫传分析特点： 利用抗原、抗体所具有的高灵敏度、高选择性的结合做为分子识别手段进行分析。 免疫传感器分类： 非标记免疫传感器和标记免疫传感器两类,1 非标记免疫传感器,原理： 抗体与抗原（蛋白质）的结合有高度选择性，当两者结合时，蛋白质分子发生各种性质变化，如携带的大量电荷会产生电位变化，继而引起事先固定了抗原或抗体的各种转换元件电化学及物理参数的改变。,优点： 仪器要求简单、操作容易、不需要额外试剂 缺点： 灵敏度较低、样品需要量大、非特异性吸附造成假阳性,2 标记免疫传感器,标记：以酶、荧光物质、电活性化合物、放射性同位素等为标记物。 （1）竞争法：用一定量的标记过的抗原加入到被测的非标记抗原中，此时非标记抗原与标记抗原与传感器表面抗体发生竞争反应，再通过抗原-抗体结合体中“标记”性信号的检测，实现非标记抗原的测量。 （2）夹心法：抗原与传感器表面抗体结合后，再加标记抗体与抗原结合，,标记免疫传感器,优点： 灵敏度高、选择性好，可做为常规方法使用 缺点： 需要标记物，操作较复杂,
