生物传感器-2 PPT课件

生物传感器
简介 定义与分类 结构和原理 应用领域 应用实例

1
2
3 4 5
一.简介
传感器是一种可以获取并处理信息的特殊装置， 如人体的感觉器官就是一套完美的传感系统通过 眼、耳、皮肤来感知外界的光、声、温度、压力 等物理信息，通过鼻、舌感知气味和味道这样的 化学刺激。 而生物传感器是一类特殊的传感器，它以生 物活性单元（如酶、抗体、核酸、细胞等）作为 生物敏感单元，对目标测物具有高度选择性的检 测器。
二.定义与分类
用固定化生物成分或生物体作为敏感元件的 传感器称为生物传感器（biosensor）。生 物传感器并不专指用于生物技术领域的传 感器，它的应用领域还包括环境监测、医 疗卫生和食品检验等。生物传感器主要有 三种分类命名方式。
1．根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五 类： 酶传感器，微生物传感器，细胞传感器，组织传感器 和免疫传感器。显而易见，所应用的敏感材料依次为酶、 微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。
四.应用领域
1.食品工业 2.环境监测 3.发酵工业 4.医学
1.食品工业
⑴食品成分分析
在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重 要指标。已开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果 酱和蜂蜜中的葡萄糖。其它糖类，如果糖，啤酒、麦芽汁中的麦芽糖 ，也有成熟的测定传感器。 Niculescu等人研制出一种安培生物传感器，可用于检测饮料中的乙醇 含量。这种生物传感器是将一种配蛋白醇脱氢酶埋在聚乙烯中，酶和 聚合物的比例不同可以影响该生物传感器的性能。在目前进行的实验 中，该生物传感器对乙醇的测量极限为1nmol/L。
生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换 能器）构成，以分子识别部分去识别被测目标，是可以引 起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部 分是生物传感器选择性测定的基础。生物体中能够选择性 地分辩特定物质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些 分子识别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合 物，如抗体和抗原的结合，酶与基质的结合。
1.食品工业
⑵食品添加剂的分析
亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶 为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸 盐含量，测定的线性范围为0～6的负四次方mol/L。又如饮料、布丁 、醋等食品中的甜味素，Guibault等采用天冬氨酶结合氨电极测定， 线性范围为2×10的负五次方～1×10的负三次方 mol/L。此外，也有 用生物传感器测定色素和乳化剂的报道。
生物传感器(biosensor)对生物物质敏感并将其浓度 转换为电信号进行检测的仪器,是由固定化的生物 敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微 生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适 当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管 、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工 具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功 能。
一.简介
生物传感器是一门由生物、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。因其具有选择 性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、在复杂的体系中 进行在线连续监测，特别是它的高度自动化、微型化与集 成化的特点，使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。在 国民经济的各个部门如食品、制药、化工、临床检验、生 物医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。特别是分子 生物学与微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术 等新学科、新技术结合，正改变着传统医学、环境科学动 植物学的面貌。
2．根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有： 生物电极传感器，半导体生物传感器，光生物传感器 ，热生物传感器，压电晶体生物传感器等，换能器依次为 电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体 等。
3．以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类 有：生物亲合型生物传感器。
三.结构和原理
1.食品工业
⑷微生物和毒素的检验
食品中病原性微生物的存在会给消费者的健康带来极大的危害，食品 中毒素不仅种类很多而且毒性大，大多有致癌、致畸、致突变作用， 因此，加强对食品中的病原性微生物及毒素的检测至关重要。 食用牛肉很容易被大肠杆菌0157.H7.所感染，因此，需要快速灵敏的 方法检测和防御大肠杆菌0157.H7一类的细菌。Kramerr等人研究的光 纤生物传感器可以在几分钟内检测出食物中的病原体（如大肠杆菌 0157.H7.），而传统的方法则需要几天。这种生物传感器从检测出病 原体到从样品中重新获得病原体并使它在培养基上独立生长总共只需 1天时间，而传统方法需要4天。 还有一种快速灵敏的免疫生物传感器可以用于测量牛奶中双氢除虫菌 素的残余物，它是基于细胞质基因组的反应，通过光学系统传输信号 。已达到的检测极限为16.2ng/mL。一天可以检测20个牛奶样品。
1.食品工业
⑶农药残留量分析
近年来，人们对食品中的农药残留问题越来越重视，各国政府也不断 加强对食品中的农药残留的检测工作。 Yamazaki等人发明了一种使用人造酶测定有机磷杀虫剂的电流式生物 传感器，利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测定极限 为10的负七次方mol，在40℃下测定只要4min。Albareda等用戊二醛交 联法将乙酞胆碱醋酶固定在铜丝碳糊电极表面，制成一种可检测浓度 为10的负十次方mol/L的对氧磷和10的负十一次方mol/L的克百威的生 物传感器，可用于直接检测自来水和果汁样品中两种农药的残留。
三.结构和原理
在设计生物传感器时，选择适合于测定对象的识别功能物质，是极为 重要的前提。要考虑到所产生的复合物的特性。根据分子识别功能物 质制备的敏感元件所引起的化学变化或物理变化，去选择换能器，是 研制高质量生物传感器的另一重要环节。敏感元件中光、热、化学物 质的生成或消耗等会产生相应的变化量。根据这些变化量，可以选择 适当的换能器。