第12章生物传感器知识单元与知识点生物传感器的概念、特点、分类；生物传感器的工作原理；生物芯片的含义与分类；生物传感器的发展。能力点理解生物传感器的概念、特点、分类；理解生物传感器的工作原理；了解生物芯片的含义与分类；了解生物传感器的发展。重难点重点：生物传感器的概念、特点、分类；生物传感器的工作原理；生物芯片的含义与分类。难点：生物传感器的工作原理；生物芯片的工作机理。学习要求了解生物传感器的概念、特点、分类；了解生物传感器的工作原理；了解生物芯片的含义与分类；了解生物传感器的发展。12.112.1概述概述 一、生物传感器的定义一、生物传感器的定义一般定义：一般定义：使用固定化的生物分子(immobilized biomolecules)结合换能器，用来侦测生物体内或生物体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置。Gronow定义：定义：一种含有固定化生物物质(如酶、抗体、全细胞、细胞器或其联合体)并与一种合适的换能器紧密结合的分析工具或系统，它可以将生化信号转化为数量化的电信号。 二、生物传感器的特点生物传感器的特点 (1) 测定范围广泛。 (2)生物传感器使用时一般不需要样品的预处理，样品中的被测组分的分离和检测同时完成，且测定时一般不需加入其它试剂。(3) 采用固定化生物活性物质作敏感基元（催化剂），价值昂贵的试剂可以重复多次使用。(4)测定过程简单迅速。 (5) 准确度和灵敏度高。一般相对误差不超过1。(6)由于它的体积小，可以实现连续在线监测，容易实现自动分析。(7) 专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。(8)可进入生物体内。 (9)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，便于推广普及。12.1.3 生物传感器的分类生物传感器的分类根据传感器输出信号的产生方式：亲和型生物传感器、代谢型生物传感器、催化型生物传感器。根据生物传感器中信号检测器（分子识别元件）上的敏感物质分类：生物传感器可分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞及细胞器传感器、基因传感器、免疫传感器等根据生物传感器的信号转换器分类：电化学生物传感器、半导体生物传感器、热学型生物传感器、光学型生物传感器、声学型生物传感器等根据检测对象的多少：以单一化学物质为检测对象的单功能型生物传感器和同时检测微量多种化学物质的多功能型生物传感器。根据生物传感器的用途：免疫传感器、药物传感器等。12.1.4 生物传感器的应用生物传感器的应用目前，生物传感器应用较多的领域是在医疗、医药、生物工程、环境保护、食品、农业、畜牧等与生命科学关系密切的一些领域 随着社会的进一步信息化，生物传感器必将获得越来越广泛的应用 生物传感器的主要应用领域 生物传感在线分析系统 12.2 12.2 生物传感器的基本原理生物传感器的基本原理 换能器（Transducer）感受器（Receptor）测量信号（MeasurableSignal）=分析物（Analyte）溶液（Solution）选择性膜（Thinselectivemembrane）识别元件（RECOGNITION）生物传感器工作机理一、生物分子特异性识别（生物感受器）一、生物分子特异性识别（生物感受器） 生物感受器是一种可以识别目标分析物的生物材料。 表生物传感器的分子识别元件分子识别元件生物活性单元酶膜各种酶类全细胞膜细菌、真菌、动植物细胞组织膜动植物组织切片细胞器膜线粒体、叶绿体免疫功能膜抗体、抗原、酶标抗原等二、生物放大二、生物放大 生物放大作用:指模拟和利用生物体内的某些生化反应，通过对反应过程中产量大、变化大或易检测物质的分析来间接确定反应中产量小、变化小、不易检测物质的(变化)量的方法。 通过生物放大原理可以大幅度提高分析测试的灵敏度。生物传感器常用的生物放大作用: 酶催化放大 酶溶出放大 酶级联放大 脂质体技术 聚合酶链式反应和离子通道放大等。三、三、 信号信号转换与与处理理 表生物传感器的信号处理方法由生物活性元件引起的变化（生物学反应信息）信号处理方法（换能器的选择）电极活性物质的生成或消耗电流检测电极法离子性物质的生成或消耗电位检测电极法膜或电极电荷状态的变化膜电位法、电极电位法质量变化压电元件法阻抗变化电导率法热变化（热效应）热敏电阻法光谱特性变化（光效应）光纤和光电倍增管几种主要的生物传感器几种主要的生物传感器 1、酶传感器(Enzyme Sensor) 测定项目酶固定化方法使用电极稳定性天测定范围（mg/ml）葡萄糖葡萄糖氧化酶共价氧电极10015102胆固醇胆固醇酯酶共价铂电极30105103青霉素青霉素酶包埋PH电极714101103尿素尿素酶交联铵离子电极60101103磷脂磷脂酶共价铂电极301025103乙醇乙醇氧化酶交联氧电极120105103尿酸尿酸酶交联氧电极120101103L一谷氨酸谷氨酸脱氨酶吸附铵离子电极2101104L一谷酰胺谷酰胺酶吸附铵离子电极2101104L一酪氨酸L一酪氨酸脱羧酶吸附二氧化碳电极20101104优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛 的应用。缺点：1.酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差异的梭曼与沙林。 2.酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。酶传感器的特点： 2、组织传感器(Tissue Sensor) 测定项目组织膜基础电极稳定性天线性范围谷氨酸木瓜CO27210-41.310-2mol/L尿素夹克豆CO2943.410-51.510-3mol/LL一谷氨酰胺肾NH330110-41.110-2mol/L多巴胺香蕉O214丙酮酸玉米芯CO27810-5310-3mol/L过氧化氢肝O214510-32.510-1U/mL3、微生物传感器(Microorganism Sensor) 测定项目微生物测定电极检测范围（mg/L）葡萄糖荧光假单胞菌O25200乙醇芸苔丝孢酵母O25300亚硝酸盐硝化菌O251200维生素B12大肠杆菌O2谷氨酸大肠杆菌CO28800赖氨酸大肠杆菌CO210100维生素B1发酵乳杆菌燃料电池0.0110甲酸梭状芽胞杆菌燃料电池1300头孢菌素费式柠檬酸细菌pH烟酸阿拉伯糖乳杆菌pH 4、免疫传感器、免疫传感器免疫传感器是将特异性免疫反应与高灵敏度的传感技术相结合而构成的一类新型生物传感器，用于分析研究免疫原性物质。免疫传感器利用动物体内抗原、抗体能发生特异性吸附反应的特性，将抗原（或抗体）固定在传感器基体上，通过传感技术使吸附发生时产生物理、化学、电学或光学上的变化，并转变成可检测的信号来测定环境中待测分子的浓度。免疫传感器技术具有分析灵敏度高、特异性强、使用简便及成本低的优势，已广泛应用于临床医学与生物检测、食品工业、环境监测与处理等领域。5、细胞传感器、细胞传感器细胞器传感器是20世纪80年代末出现的一种以真核生物细胞、细胞器作为识别元件的生物传感器。1987年Blondin等提出了固定线粒体评价水质；Carpentier 及其合作者用类囊体膜构建的生物传感器, 可在mg/L浓度下测定铅与镉的毒性, 也可对银或铜进行快速测定；Rouillon 等用特殊的固定化技术将叶绿体与类囊体膜包埋在光交联的苯乙烯基吡啶聚乙烯醇(PVA - sbQ) 中, 可以在g/L浓度水平下检测到汞(Hg)、铅( Pb)、镉(Cd)、镍(Ni)、锌(Zn) 和铜(Cu)等离子的存在。6、DNA传感器传感器DNA传感器是一种能将目标DNA 的存在转化为可检测的电、光、声信号的装置，所检测的是核酸的杂交反应。DNA传感器的结构包括一个靶序列识别层和一个信号换能器。识别层通常由固定在换能器上的探针DNA 以及一些其它的辅助物质组成, 它可以特异性地识别靶序列并与其杂交。换能器可将此杂交过程所产生的变化转变为可识别的信号, 根据杂交前后信号量的变化, 可以对靶DNA 进行准确定量。几种常见生物检测与分析仪器12.3 生物芯片生物芯片所谓生物芯片，是通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统，将成千上万与生命相关的信息集成在一块面积约为1cm2的硅、玻璃、塑料等材料制成的芯片上，在待分析样品中的生物分子与生物芯片的探针分子发生相互作用后，对作用信号进行检测和分析，以达到到基因、细胞、蛋白质、抗原以及其他生物组分准确、快速的分析和检测。几种主要的生物芯片 基因芯片。也称DNA芯片，它是在基因探针基础上研制而成的 蛋白质芯片。以蛋白质代替DNA作为检测目的物，蛋白质芯片与基因芯片的原理基本相同，但其利用的不是碱基配对而是抗体与抗原结合的特异性，即免疫反应来实现检测 细胞芯片。由裸片、封装盖板和底板组成，裸片上密集分布有600010000乃至更高密度不同细胞阵列，封装于盖板与底板之间。细胞芯片能够通过控制细胞培养条件使芯片上所有细胞处于同一细胞周期，在不同细胞间生化反应及化学反应结果可比性强；一块芯片上可同时进行多信息量检测 组织芯片。是基因芯片技术的发展和延伸，它可以将数十个甚至上千个不同个体的临床组织标本按预先设计的顺序排列在一张玻璃芯片上进行分析研究 12.5 生物传感器的发展生物传感器的发展开发新材料，采用新工艺开发新材料，采用新工艺研究仿生传感器研究仿生传感器研究多功能集成的智能式传感器研究多功能集成的智能式传感器成本低、高灵敏度、高稳定性、高寿命成本低、高灵敏度、高稳定性、高寿命和微型化生物传感器和微型化生物传感器快速葡萄糖快速葡萄糖(glucose)(glucose)分析仪分析仪生物传感器应用举例生物传感器应用举例德国研发的环境废水德国研发的环境废水BODBOD分析仪分析仪一种血糖乳酸自动分析仪一种血糖乳酸自动分析仪