生物传感器.pptx
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酶生物传感器.pptx
㈢酶促反应动力学 酶促反应动力学是研究酶反应速度及
各种因素对酶反应速度影响的科学。 主要影响因素包括有：底物浓度、酶
浓度、 pH值、温度、抑制剂与激活剂等。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
酶动力学测定的是初速度，是指酶 在反应过程中底物初始浓度被消耗在5% 以内的速度。目的是排除酶反应过程中 出现的各种干扰因素，以便测得准确的 酶反应速度。
产物+H2O2
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基础电极可采用氧、过氧化氢电极， 还可采用近年开发的介体修饰的炭、铂、 钯和金等固体电极或介体修饰电极。
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氧电极：是一个通过测定电解电流来测定 溶液中氧含量的电解池。
工作时，在铂阴极和 Ag阳极之间施加0.6V 的电压。当E=-0.2V时 电极开始电解，产生还 原电流，其还原反应式 为：
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㈠电流型酶电极 电流型酶电极是将酶促反应产生
的物质在电极上发生氧化或还原反应产 生的电流作为测量信号，在一定条件下， 利用测得的电流信号与被测物活度或浓 度的函数关系，来测定样品中某一生物 组分的活度或浓度。
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第14页/共110页
制作生物传感器最常用的是氧化酶：
底物+O2
第45页/共110页
降低胆固醇的食物： § 含膳食纤维丰富的食物 § VC 与 VE § 饮酒可能使血中的高密度脂蛋白升高，
加强防治高胆固醇血症的作用。葡萄酒较合适， 但必须严格限制摄入量。
第46页/共110页
胆固醇电极是一种用于临床测定 血清胆固醇含量的电流型酶传感器。
胆固醇 H2O 胆固醇脂酶 游离胆固醇 RCOOH 游离胆固醇 O2 胆固醇氧化酶 胆甾烯酮 H2O2
各种因素对酶反应速度影响的科学。 主要影响因素包括有：底物浓度、酶
浓度、 pH值、温度、抑制剂与激活剂等。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
酶动力学测定的是初速度，是指酶 在反应过程中底物初始浓度被消耗在5% 以内的速度。目的是排除酶反应过程中 出现的各种干扰因素，以便测得准确的 酶反应速度。
产物+H2O2
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基础电极可采用氧、过氧化氢电极， 还可采用近年开发的介体修饰的炭、铂、 钯和金等固体电极或介体修饰电极。
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氧电极：是一个通过测定电解电流来测定 溶液中氧含量的电解池。
工作时，在铂阴极和 Ag阳极之间施加0.6V 的电压。当E=-0.2V时 电极开始电解，产生还 原电流，其还原反应式 为：
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㈠电流型酶电极 电流型酶电极是将酶促反应产生
的物质在电极上发生氧化或还原反应产 生的电流作为测量信号，在一定条件下， 利用测得的电流信号与被测物活度或浓 度的函数关系，来测定样品中某一生物 组分的活度或浓度。
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制作生物传感器最常用的是氧化酶：
底物+O2
第45页/共110页
降低胆固醇的食物： § 含膳食纤维丰富的食物 § VC 与 VE § 饮酒可能使血中的高密度脂蛋白升高，
加强防治高胆固醇血症的作用。葡萄酒较合适， 但必须严格限制摄入量。
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胆固醇电极是一种用于临床测定 血清胆固醇含量的电流型酶传感器。
胆固醇 H2O 胆固醇脂酶 游离胆固醇 RCOOH 游离胆固醇 O2 胆固醇氧化酶 胆甾烯酮 H2O2
13生物传感器PPT课件
Outline：
生物传感器概念 生物传感器类 生物传感器结构和原理 生物传感器的信号转换器 微生物传感器 生物传感器应用领域
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一、what is biosensor?
1、概述
传感器是一种信息获取与处理的装置。 对物质成分传 感的器件就是化学传感器，它是一种小型化的、能专一和可 逆地对某种化学成分进行应答反应的器件，并能产生与该成 分浓度成比例的可测信号。
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1.2 基本电化学信号测量技术
• （1）电位信号测量方法 对于一个选择性膜电极，当其他外界
条件固定时，膜电位与溶液中待测离子 活度（或浓度）的对数值呈线性关系， 即符合能斯特关系式。由于单个电极电 位值是无法测量的，通常将待测电极与 一个参比电极组成一个电池，测量其电 位差值。采用的参比电极处理可使用标 准氢电极外常常使用甘汞电极和银-氯化 银电极（结第22构页/共如11下1页 图）。
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生物传感器分类示意图
酶传感器 固定化酶
微生物传感器
固定化微生物 生物分子 固定化抗体 免疫传感器 识别元件
固定化寡链核苷酸
生物组织切片
基因传感器
组织传感器
生物传感器按生物分子识别元件敏感物质分类
第12页/共111页
3、根据生物传感器的信号转化器 分：
电化学生物传感器 （bioelectrode） 半导体生物传感器 （semiconductbiosensor） 测热型生物传感 （calorimetricbiosensor） 测光型生物传感器 （opticalbiosensor） 压电晶体生物传感器 （piezoelectricbiosensor）
1. Pt阳极 2. 聚四氟乙烯膜（作用） 3. 固相酶膜 4. 半透膜多孔层 5. 半透膜致密层
生物传感器概念 生物传感器类 生物传感器结构和原理 生物传感器的信号转换器 微生物传感器 生物传感器应用领域
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一、what is biosensor?
1、概述
传感器是一种信息获取与处理的装置。 对物质成分传 感的器件就是化学传感器，它是一种小型化的、能专一和可 逆地对某种化学成分进行应答反应的器件，并能产生与该成 分浓度成比例的可测信号。
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1.2 基本电化学信号测量技术
• （1）电位信号测量方法 对于一个选择性膜电极，当其他外界
条件固定时，膜电位与溶液中待测离子 活度（或浓度）的对数值呈线性关系， 即符合能斯特关系式。由于单个电极电 位值是无法测量的，通常将待测电极与 一个参比电极组成一个电池，测量其电 位差值。采用的参比电极处理可使用标 准氢电极外常常使用甘汞电极和银-氯化 银电极（结第22构页/共如11下1页 图）。
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生物传感器分类示意图
酶传感器 固定化酶
微生物传感器
固定化微生物 生物分子 固定化抗体 免疫传感器 识别元件
固定化寡链核苷酸
生物组织切片
基因传感器
组织传感器
生物传感器按生物分子识别元件敏感物质分类
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3、根据生物传感器的信号转化器 分：
电化学生物传感器 （bioelectrode） 半导体生物传感器 （semiconductbiosensor） 测热型生物传感 （calorimetricbiosensor） 测光型生物传感器 （opticalbiosensor） 压电晶体生物传感器 （piezoelectricbiosensor）
1. Pt阳极 2. 聚四氟乙烯膜（作用） 3. 固相酶膜 4. 半透膜多孔层 5. 半透膜致密层
第8章-生物传感器PPT课件
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8.1 生物传感器的工作原理
生物传感器是在基础传感器上再耦合一个生物敏感膜而形成的，生物 功能膜上(或膜中)附着有生物传感器的敏感物质，被测量溶液中待测 定的物质经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别或发生生物学反 应，其所产生的信息可通过相应的化学或物理原理转变成可定量和可 显示的电信号，通过电信号的分析就可知道被测物质的成分或浓度。
➢ 多功能酶传感器、测定酶活性传感器、半导体酶传感器以及检测难 溶于水的物质的酶传感器正在研究之中。随着基因工程技术的开发，
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使酶传感器的特性会得到进一步的发展。
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葡萄糖传感器
➢葡萄糖是典型的单糖类，是一切生物的良好能源，测定血液中葡萄
糖浓度对糖尿病患者作临床检查是很重要的。葡萄糖传感器是以葡
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➢图8-6为这种免疫传感器的结构原理图。图中2、3两室间有固定化 抗原膜，而1、3两室之间没有固定化抗原膜。正常情况下，1、2室 内电极间无电位差。若3室内注入含有抗体的盐水时，由于抗体和固 定化抗原膜上的抗原相结合，使膜表面吸附了特异的抗体，而抗体是 有电荷的蛋白质，从而使抗原固定化膜带电状态发生变化，因此1、2 室内的电极间有电位差产生。
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图8-1 生物传感器工作原理示意图
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血糖－乳酸测定流程
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体育上耐力训练
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手掌型葡萄糖(glucose)分析仪
2021/7/2
《生物传感器》PPT课件
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
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
灵敏。
完整版课件ppt
3
敏感元件：
酶、抗体、核酸、细胞等。
转换器：
电化学电极、光学检测元件、 场效应晶体管、压电石英晶体、 表面等离子共振。
酶 (Enzyme)
抗体(Antibody)
完整版课件ppt
DNA
4
2. 分类
根据输出信号产生的方式 生物亲和型、代谢型、催化型
根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基 因传感器等
根据信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器等
其他分类 被测对象、大小、功能
完整版课件ppt
6
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。
产生量
信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2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
灵敏。
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3
敏感元件：
酶、抗体、核酸、细胞等。
转换器：
电化学电极、光学检测元件、 场效应晶体管、压电石英晶体、 表面等离子共振。
酶 (Enzyme)
抗体(Antibody)
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DNA
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2. 分类
根据输出信号产生的方式 生物亲和型、代谢型、催化型
根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基 因传感器等
根据信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器等
其他分类 被测对象、大小、功能
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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。
第二讲生物传感器ppt课件
✓ 分析成本远低于大型分析仪器， 度的影响。 便于推广普及；
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
Ⅳ 生物传感器的发展历程
BIOSENSORS
第一代生物传感器：
✓ 1962年，Clark和 Lyon报道了用葡萄糖氧化酶与 氧电极相结合检测葡萄糖的结果，可认为是最早 提出了生物传感器（酶传感器）的原理。
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
第一代生物传感器：
BIOSENSORS
✓ 1967年Updike和 Hicks将葡萄糖氧化酶固定在氧电极表面， 研制成功酶电极，被认为是世界上第一个生物传感器，开创 了生物传感器的历史。这类传感器抗干扰能力差，背景电流 大，易受溶液中氧浓度变化影响。
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
第一代生物传感器：
BI9年，美国YSI公司(维赛仪器公司) ，血糖测试用
酵素电极。
② 1988年，美国Medisense公司（1996年，雅培）， 电化学法血糖仪-- ExactechPen ，袭卷70%以上的第
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
Ⅴ 国内外得到应用的生物传感器：
测定水质的BOD（biochemical oxygen demand） 分析仪，在市场上有以日本和德国为代表产品供应
德国研发的环境废水BOD分析仪
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10.1.2 生物传感器的类型
生物传感器可以根据其分子识别元件的敏感物 质分为：酶传感器、微生物传感器、组织传感 器、细胞传感器和免疫传感器。还可以根据换 能器和测声型生物传感器等。生物传感器的分 类如图10-1所示。
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▪
图10-1 生物传感器的基本结构
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生物传感器通常将生物物质固定在高分子膜等 固体载体上，例如酶、微生物组织、动物细胞、 底物、抗原、抗体等，被识别的生物分子作用 于生物功能性人工膜（生物传感器）时，将会 产生生理变化或化学变化，换能器将此信号转 换为电信号，从而检测出待测物质。转换包括 电化学反应、热反应、光反应等，输出为可处 理的电信号。人们把这类固定化的生物物质： 酶、抗原、抗体、激素等，或生物体本身：细 胞、细胞体（器）、组织作为敏感元件的传感 器，称为生物分子传感器或简称生物传感器。
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10.3.2 生物场效应晶体管结构类型
一 生物场效应晶体管有分离型和结合型 二 结合型生物场效应晶体管 三 酶场效应晶体管差分输出
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10.3.3 应用研究实例
1 尿素测定 2 NAD+-NADH测定 3 肌酸酐测定 4 青霉素测定 5 甲醛测定 6 有机磷农药测定 7 活细胞场效应晶体管 8 昆虫触角天线场效应晶体管 9 其他用途
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▪ DNA在固体电极上的固定化方法： ▪ （1）吸附法 ▪ （2）共价键结合法 ▪ （3）自组装膜法
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10.2.3 电化学传感器中的标识物
（1）电化学活性的杂交指示剂作为标识物 （2）寡聚核苷酸上修饰电化学活性的官能
团作为识别物 （3）利用酶的化学放大功能
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10.2.1电化学DNA传感器原理
电化学DNA传感器是由一个支持DNA片段（探 针）的电极和检测用的电活性杂交指示剂构成。 DNA 探针是单链DNA（ssDNA）片段（或者一 整条链），长度从十几个到上千个核苷酸不等， 它与靶序列（target sequence）是互补的。外， 由于杂交过程没有共价键的形成，是可逆的，因 此固定在电极上的ssDNA可经受杂交、再生循 环。这不但有利于传感器的实际应用，而且还可 用于分离纯化基因。
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结束
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第 10 章 本章要点
生物传感器的基本结构、类型、要点、固化 技术
电化学DNA传感器的工作原理 半导体生物传感器原理、特点和结构 生物传感器的应用
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10.2 电化学DNA传感器
DAN的化学研究工作始于20世纪60年代，早期 的工作主要集中在DNA基本电化学行为的研究。 经过十几年的发展，当前“电化学DNA传感器” 与“压电DNA传感器”和“光学DNA传感器” 一样，已成为一种全新的、高效的DNA（基因） 检测技术，它与通常的标记（放射性同位素标记、 荧光标记等）探针技术相比，不仅具有分子识别 功能，而且还有无可比拟的分离纯化基因的功能， 因此，在分子生物学和生物医学工程领域具有很 大的实际意义。
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10.2.2 DNA在固体电极上的固定
固载DNA的电极有液态汞个固体电极两类。 早期主要采用DNA修饰汞电极。汞电极易得 到新鲜、重现的电极表面，能方便地修饰 DNA。Fojta 以悬汞电极为基底，根据超螺 旋DNA、线性DNA和变性DNA三者电化学 信号的差异，用吸附转移溶出伏安法实现了 低于微克级的三种DNA的检测。但汞呈液态 且有毒性，一定程度上限制了其使用，故不 宜作为传感器或检测器的电极材料。
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10.3 .1 原理与特点
半导体器件有电容型和电流型两种基本 类型。在N型（或P型）半导体基片(Si)的表 面 形 成 100nm 的 氧 化 物 （ SiO2 ） 和 金 属 （ 如 AI 、 Pd ） 薄 层 的 器 件 叫 MOS(metalox-ide-semiconductor) 结 构 ， 这 种 结 构 在 被施加电压时表现电导和电容特性，而且电 导率和电容随外加电压的变化而改变，因而 成为MOS电容。
第10章 生物传感器
10.1 概述 10.2 电化学DNA传感器 10.3 半导体生物传感器 本章要点
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10.1 概述
10.1.1生物传感器基本结构 10.1.2生物传感器的类型 10.1.3生物传感器的优点 10.1.4生物传感器的固定化技术
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10.1.1生物传感器基本结构
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10.2.4 电化学传感器的应用
▪ （1）临床诊断 ▪ （2）药物分析 ▪ （3）环境监测
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10.3 半导体生物传感器
半导体生物传感器 （ semiconductive biosensor）由半导体器件和生物分子识别 元件组成。通常用的半导体器件是场效应晶 体管（field-effect transistor ，FET），因 此，半导体生物传感器又称生物场效应晶体 管（BioFET）.BioFET 源于两种成熟技术： 固态集成电路和离子选择性电极。
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10.1.3 生物传感器的优点
生物传感器与传统的化学传感器和离线分析技术 (如分光光度计或质谱仪等)相比，具有明显的优势， 如高度特异性，灵敏度高，稳定性好，成本低廉， 体积小，能在体进行快速实时的连续检测。
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10.1.4 生物传感器的固定化技术
生物活性单元的固定化技术是生物传感器制作的 核心部分，它要保持生物活性单元的固有特性， 避免自由活性单元应用上的缺陷。固定化技术决 定着生物传感器的稳定性、灵敏度和选择性等主 要性能。