《传感器原理及应用》课件-第五章.pptx

1、0101绪论绪论目目录录0202传感器的理论及技术基础传感器的理论及技术基础 0303物理量传感器物理量传感器0404化学传感器化学传感器0505生物传感器生物传感器0606微机电（微机电（MEMS）传感器传感器0707集成传感器集成传感器0808传感器在物联网中的应用传感器在物联网中的应用第五章生物传感器5.1 生物传感器原理及特点 生物敏感膜又称为分子识别元件，是生物传感器的关键元件，直接决定着传感器的功能与质量，其组成可以是酶、抗体、抗原、核酸等、细胞器或它们的不同组合。表1 生物传感器的分子识别元件分子识别元件生物活性材料分子识别元件生物活性材料酶各种酶类免疫物质抗体、抗原等全细胞细菌

2、、真菌、动植物细胞具有亲和力的物质配体、受体组织动植物组织切片核酸核苷酸细胞器线粒体、叶绿体模拟酶高分子聚合物5.1 生物传感器原理及特点 换能器的作用是将各种生物的信息转变为电信号，最后可以检测出待测物质或生物量。表2 生物学反应信息和换能器的选择生物学反应信息换能器选择生物学反应信息换能器选择离子变化离子选择性电极光学变化光纤、光敏管电阻变化、电导变化阻抗计、电导仪颜色变化光纤、光敏管质子变化场效应晶体管质量变化压电晶体气体分压变化气敏电极力变化微悬梁臂热焓变化热敏电阻、热电偶振动频率变化表面等离子体共振5.1 生物传感器原理及特点 生物传感器与传统分析检测手段相比，它具有以下主要特点：（

3、1）生物传感器由生物材料构成识别元件，具有高度选择性，所以检测时一般不需要进行复杂的样品预处理或添加额外的试剂；（2）根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测定所有生物物质的酶传感器；（3）灵敏度高，响应快，样品用量少，可以重复多次使用；传感器连同测试系统的成本远远低于大型仪器，便于推广普及。5.2 酶传感器5.2.1 酶传感器的基本结构、工作原理 1.基本结构 酶生物传感器的基本结构是由物质识别元件（固定化酶膜）和信号转换元件（基体电极）组成的。当酶膜上发生酶促反应时，产生的电活性物质由基体电极对其响应。基体电极的作用是使化学信号转变为电信号，从而能够加以测定。基体电极可以分为碳质电极

4、（石墨电极、碳棚电极、玻碳电极）、Pt电极及对应的修饰电极。2.工作原理 当酶电极浸入待测溶液，待测底物进入酶层的内部并参与反应时，大部分酶反应都会消耗或产生一种可被电极测定的物质，称为电极活性物质，当反应达到稳态时，电活性物质的浓度可以通过电位或电流进行测量，与其他类型的传感器相比，电位型和电流型传感器具有更加简单、直观的效果。酶电极的特性除与基础电极特性有关外，还与酶的活性、底物浓度、酶膜厚度、pH值和温度有关。5.2 酶传感器5.2.1 酶传感器的基本结构、工作原理例：葡萄糖酶电极的检测过程图2 葡萄糖电极检测过程5.2 酶传感器5.2.2 酶的固定技术 酶生物传感器是以酶作为生物识别元

5、件，在酶生物传感器的构建中，传感器的稳定性和长久使用性特别受到研究者的重视，这两个方面在一定程度上与酶的固定方式有很大的关联，常用的酶固定化技术主要有吸附法、包埋法（也称网格法）、共价键合法、交联法以及微胶囊法。图3 酶的常见四种固定方式5.2 酶传感器5.2.2 酶的固定技术 一种酶可以用不同方法固定化，但没有一种固定化方法可以普遍地适用于每一种酶。在实际应用时，常将两种或数种固定化方法并用，以取长补短。吸附法包埋法共价键合法交联法制备易较难难较难结合程度较弱强强强活力回收率高，但酶易流失高低中等再生能力可能不可能不可能不可能固定化成本低低高中等底物专一性不变不变可变可变表3 四种酶固定方法

6、比较5.3 微生物传感器5.3.1 微生物传感器的原理特性及分类 微生物传感器由微生物细胞和电化学器件组成，是酶电极的衍生型电极。微生物电极以活的微生物作为分子识别元件的敏感材料，其结构和工作原理类似酶电极，差异主要由所采用的生物活性物质的性质决定。与一般的酶电极相比，微生物传感器具有以下优点：（1）稳定性好，使用寿命长；（2）微生物传感器响应迟钝时，可将其放在培养介质中浸泡使之恢复；（3）细菌细胞中一般含有多种酶，对于需要多种酶的反应，微生物传感器提供了方便；（4）有些酶至今尚无分离办法，可用含有该酶的细菌组成传感器；（5）微生物传感器可以克服酶价格昂贵、提取困难和不稳定的缺点。5.3 微生

7、物传感器5.3.2 两类微生物传感器 1.呼吸活性型微生物传感器 呼吸活性型微生物传感器由固定化需氧性细菌膜和氧电极组合而成。它是以细菌呼吸活性物质为基础测定被测物的。当传感器插入含有饱和溶解氧的试液中时，试液中的有机物受到细菌细胞的同化作用，细菌细胞呼吸加强，扩散到电极表面上氧分子的量减少，电流减小。当耗氧量达到恒定时，就会产生一个恒定电流，电流与试液中的有机物浓度存在定量关系，据此可测定有关有机物。图4 呼吸活性型传感原理5.3 微生物传感器5.3.2 两类微生物传感器 2.代谢活性型微生物传感器 代谢活性型微生物传感器由固定化的厌氧菌膜和相应的电化学传感元件组合而成。它是以细菌代谢活性物

8、质为基础测定被测物的。此类细菌摄取有机物产生各种代谢产物，若代谢产物是氢、甲酸或各种还原型辅酶等，则可用电流法测定；若代谢产物是二氧化碳、有机酸（氢离子）等，则可用电位法测定。图5 代谢活性型传感原理5.3 微生物传感器5.3.3 微生物传感器的应用与发展 应用领域：发酵工业领域、测定微生物的呼吸活性、医学领域、环境监测领域 开发新的固定化技术，利用微生物育种、基因工程和细胞融合技术研制出新型、高效耐毒性的微生物传感器是该领域科研工作者面临的课题。随着生物技术、材料科学、微电子技术等的发展取得更大的进步，微生物传感器也会逐步趋向微型化、集成化、智能化。图6 微生物传感器应用领域5.4 细胞传感

9、器 细胞传感器是采用固定化的生物活细胞作为生物传感器的分子识别元件，结合传感器和理想换能器，能够产生间断或连续的数字电信号。其构成包括三部分：作为分子识别元件即一级感受器（细胞）、二级感受器（换能器）、信号处理和分析系统。细胞作为生物敏感元件，对外界刺激或者环境变化做出响应，而换能器的作用是将各种生物信号、理想信号转化为电信号，然后通过数据分析处理，得出相应结果。5.5 免疫传感器 动物免疫机制主要分为三个阶段：第一阶段和第二阶段均为非特异性，第三阶段是特异性的，免疫传感器正是依据抗原和抗体之间的特异性和亲和性，利用抗体检测抗原或利用抗原检测抗体的传感器，经过特性反应的结果是生物膜的电位发生变

10、化。图7 动物防疫系统5.1 生物传感器原理及特点 生物传感器的构成包括两部分：生物敏感膜和换能器。被分析物扩散进入固定化生物敏感膜层，经过分子识别，发生生物学反应，如生理生化、新陈代谢、遗传变异等，产生的信息继而被相应的化学换能器或物理换能器转化为可定量和可处理的电信号，在经过检测信号放大器放大并输出，便可知道待测物浓度。图1 生物传感器传感原理5.5 免疫传感器5.5.1 免疫传感器原理 免疫传感器是基于亲和作用，将特异性免疫反应与相应的信号转换技术结合起来，用以监测抗原-抗体反应的生物传感器，固定在换能器上的抗体（抗原）对样品介质中的抗原（抗体）进行特异性免疫识别，并且产生随分析物浓度的

11、变化而变化的分析信号。抗体和抗原之间的这种高亲和性和高特异性的结合反应决定了免疫传感器具有独一无二的特征：专一性和选择性。一个理想的免疫传感器设计应该具有以下特征：（1）检测和定量抗原（抗体）的能力；（2）在没有外加试剂情况下的转化免疫结合结果的能力；（3）在同一装置上测量重现的能力；（4）对实际样品特异性结合的抗体的检测能力。5.5 免疫传感器5.5.2 免疫传感器主要类型 根据换能器类型不同，免疫传感器主要分为电化学免疫传感器、光学免疫传感器、微重量免疫传感器。根据操作方式不同，免疫传感器还可以分为直接型免疫传感器和非直接型免疫传感器。图8 直接型/非直接型免疫传感器原理5.5 免疫传感器

12、5.5.2 免疫传感器主要类型 2.光学免疫传感器 SPR是一种光学现象，SPR检测是利用表面等离子体波进行检测的一项技术，当样品与芯片表面的生物分子识别膜相互作用时，会引起金膜表面折射率别的变化，导致SPR角度变化，通过检测SPR角的变化，可以获得被分析物的浓度、亲和力、动力学常数等信息。3.微重量免疫传感器 吸附识别区发生选择性结合，引起传感器表面质量和界面特性改变。1.电化学免疫传感器 采用电化学检测方法检测标记物的免疫试剂或者一些酶、金属离子和其他电活性物质标记的标记物，从而对疾病诊断或者患者状态监测中复杂体系的多组分混合物进行分析提供数据。图9 SPR免疫传感器示意图5.5 免疫传感

13、器5.5.3 免疫传感器的应用与前景图10 免疫传感器应用领域 应用领域：预防医学领域、血液探针、病原微生物检测、药物筛选 存在问题：免疫细胞类型的选择、转基因免疫细胞的结构合培养、细胞活性的保持*5.6 组织传感器 采用动植物组织薄片作为敏感元件的电化学传感器称为组织传感器。其原理主要是利用动植物组织中的酶的催化作用 组织生物传感器多是用动植物薄片材料制成的敏感膜和传感元件。其传感元件多用气敏电极，因为气敏电极有很好的选择性，可避免测定体系中金属离子及某些有机分子的干扰。而且气敏电极膜是便于装卸的片状结构，有利于组织电极的组装。选择活性高、含量丰富的组织是关键。动物的组织电极比植物组织电极的

14、实用性要强一些。*5.6 组织传感器5.6.1 动物组织传感器 1.肾组织传感器23H ONH 谷氨酰胺水解酶谷氨酰胺+谷氨酸432 NHOHNHH O 2.肝组织传感器 动物肝脏敏感膜可与氧电极组成测定H2O2及其他过氧化物的组织电极；动物肝组织敏感膜也可以与辣根过氧化物酶偶联组成测定半抗原的复合电极。222212H OH OO 肝（过氧化）222HRPH OH O还原物质氧化物质*5.6 组织传感器5.6.1 动物组织传感器 3.其他动物组织传感器 据动物肠组织、胸腺组织中含有较多的腺苷脱氨酶，已经研制出鼠小肠-腺苷电极用于腺苷的测定，其反应是用腺苷脱氨酶催化腺苷水解脱氨。23H ONH

15、腺苷脱酶腺苷肌苷23 5AMPAMPH ONH 脱氨酶单磷酸次黄苷*5.6 组织传感器5.6.2 植物组织传感器 1.基于二氧化碳气敏电极的植物组织传感器 基于CO2气敏电极的植物组织电极测定时所依据的酶促反应中都有CO2生成，故采用CO2气敏电极作为基础电极。2.基于氨气敏电极的植物组织传感器凡是植物组织敏感膜中所含的酶能与底物发生酶促反应有NH3生成，都可采用NH3气敏电极作为基础电极组成组织传感器 3.基于氧电极的植物组织传感器2CO 玉米芯丙酮酸乙醛5.7 生物传感器的应用 1.传统的医学领域，如动态检测人体血压、体温、血液酸碱度、血氧含量，检测酶活性、蛋白质等生化指标方面。2.非传统

16、医学领域参数传感器参数传感器温度热电偶，热敏电阻，铂电阻温度计DCO2CO2电极，膜管传感器罐压隔膜式压力表醇类物质浓度膜管传感器，生物传感器气体流量热质量流量计基质和代谢物浓度生物传感器搅拌转速转速传感器NH4+铵离子电极，氨电极，生物传感器搅拌功率应变计金属离子浓度离子选择性电极料液量测力传感器排气中氧分压热磁氧分析仪气泡接触电极排气中CO2分压红外气体分析仪流物料流量加转速传感器，测力传感器浊度或菌体浓度光导纤维法，等效电容法ph复合玻璃电极D0复膜氧电极，膜管传感器氧化还原电位复合铂电极 表4 生物传感器在发酵工业的应用课后习题 1.现有氨基酸600个，其中氨基总数为610个，羧基总数为608个，则由这些氨基酸合成的含有2条肽链的蛋白质共有肽键、氨基和羧基的数目依次是多少？2.生物传感器的工作原理是什么？3.举例说明酶传感器的应用。4.微生物传感器分为哪几种？各有何特点？5.用某植物测得如下数据：若该植物处于白天均温30、晚上均温15，有效日照15h环境下，请预测该植物1天中积 累的葡萄糖为多少？3015黑暗5h一定强度的光照10h黑暗下5hCO2减少880mgO2减少160mgO2减少80mg