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生物传感器省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、生物传感器生物传感器第1页n是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等各种学科相互渗透成长起来高新技术。n应用领域:环境监测、食品分析、生物医学转换器转换器敏感元件敏感元件待测物待测物第2页第3页n开端于20世纪60年代。n1962年克拉克等人报道了用葡萄糖氧化酶与氧电极组合检测葡萄糖结果,最早提出了生物传感器(酶传感器)原理。n1967年实现了酶固定化技术,研制成功酶电极,这被认为是世界上第一个生物传感器n20世纪70年代中期,生物传感器技术成功主要集中在对生物活性物质探索、活性物质固定化技术、生物电信息转换以及生物传感器等研究,如Divies首先提出用固定化细胞与氧电极配合,组成对醇类进行
2、检测所谓“微生物电极”。n1977年,钤木周一等发表了关于对生化需氧量(BOD)进行快速测定微生物传感器汇报,并在微生物传感器对发酵过程控制等方面作了详细报导,正式提出了对生物传感器命名。第4页生物传感器生物传感器(biosensor)biosensor)是利用一些生物活性物质所含有是利用一些生物活性物质所含有高度选择性来识别待测化学物质一类传感器。高度选择性来识别待测化学物质一类传感器。n生物传感器通常是指由一个生物敏感部件和转化器紧密结合,对特定种类化学物质或生物活性物质含有选择性和可逆响应分析装置。n它是对物质在分子水平上进行快速和微量分析方法。第5页1.原理n生物传感器结构普通是在基础
3、传感器(如电化学装置)上再耦合一个生物敏感膜(称为感受器或敏感元件)。生物敏感膜紧贴在探头表面上,再用一个半渗透膜与被测溶液隔开。当待测溶液中成份透过半透膜有选择地附着于敏感物质上时,形成复合体,随之进行生化和电化学反应,产生普通电化学装置能感知O2、H2、NH4+、CO2等或光声等信号,并经过信号转换元件转换为电信号。第6页第7页生物敏感膜n利用生物体内含有特殊功效物质制成膜与被测物质接触时伴有物理、化学改变生化反应能够进行分子识别。n生物敏感膜是生物传感器关键元件,它直接决定着传感器功效与质量。第8页第9页信号转换器n信号转换器是将分子识别元件进行识别时所产生化学或物理改变转换成可用信号装
4、置。生物传感器信号转换器已经有许各种,其中到当前为止用得最多且比较成熟是电化学电极,用它组成生物传感器称为电化学生物传感器。第10页将化学改变转变成电信号以酶传感器为例,酶催化特定底物发生反应,从而使特定生成物量有所增减。用能把这类物质量改变转换为电信号装置和固定化酶耦合,即组成酶传感器。惯用转换装置有氧电极、过氧化氢电极。第11页将热改变转换成电信号n固定化生物材料与对应被测物作用时常伴有热改变。比如大多数酶反应热焓改变量在25-100kJ/mol范围。这类生物传感器工作原理是把反应热效应借热敏电阻转换为阻值改变,后者经过有放大器电桥输入到统计仪中。第12页将光信号转变为电信号比如,过氧化氢
5、酶能催化过氧化氢/鲁米诺体系发光,所以如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管前端,再和光电流测定装置相连,即可测定过氧化氢含量。还有很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧光,也能够用这种方法测定底物浓度。第13页2.生物传感器特点n操作简单,需用样品少,能在短时间内完成测定。n普通不需进行样品预处理,它利用本身具备优异选择性把样品中被测组分分离和检测统一为一体,测定时普通不需另加其它试剂,使测定过程简便快速,轻易实现自动分析。n可进入生物体内,进行活体分析。n对被检测物质含有极好选择性,噪音低。n经固定化处理后,可保持长久生物活性,传感器可重复使用。n传感器连同测定仪成本远低于大型分析仪,因
6、而便于推广普及。主要缺点是寿命较短。第14页3.生物传感器分类n依据传感器输出信号产生方式输出信号产生方式,可分为生物亲合型生物传感器、代谢型或催化型生物传感器。n依据生物传感器中生物分子识别元件上敏感材料生物分子识别元件上敏感材料可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、基因传感器、细胞及细胞器传感器。n依据生物传感器信号转换器信号转换器可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。第15页生物亲合型传感器生物亲合型传感器 被测物质与分子识别元件上敏感物质含有生物亲合作用,即二者能特异地相结合,同时引发敏感材料分子结构和/或固定
7、介质发生改变,如电荷、温度、光学性质等改变。反应式可表示为:S(底物)(底物)+R(受体)(受体)=SR第16页代谢型或催化型传感器代谢型或催化型传感器底物(被测物)与分子识别元件上敏感物质相作用并生成产物,信号转换器将底物消耗或产物增加转变为输出信号,这类传感器称为代谢型传感器,其反应形式可表示为:S(底物)(底物)R(受体)(受体)=SRP(生成物)(生成物)第17页第18页第19页第20页生物活性材料固定化技术n使用生物活性材料作为生物敏感膜,必须研究怎样使用生物活性材料固定在载体(或称基质)上,这种结合技术称为固定化技术。在研制传感器时,关键是把生物活性材料与载体固定化成为生物敏感膜。
8、n固定化生物敏感膜应该含有特点:对被测物质选择性好、专一性好性能稳定能够重复使用,长久保持其生理活性使用方便第21页惯用载体:丙烯酰胺聚合物、甲基丙烯系聚合物等合成高分子胶原、右旋糖酐、纤维素、淀粉等天然高分子陶瓷、不锈钢、玻璃等无机物惯用固定化方法:n夹心法、吸附法、包埋法、共价连接法、交联法第22页1)1)酶生物传感器酶生物传感器n酶传感器是由酶传感器和电化学器件组成。因为酶是蛋白质组成生物催化剂,能催化许多生物化学反应。酶催化效率极高,而且含有高度专一性,即能对待测生物量(底物)进行选择性催化,而且有化学放大作用。所以利用酶特征能够制造出高灵敏度、选择性好传感器。第23页第24页第25页
9、第26页第27页葡萄糖酶传感器工作原理与检测过程当测量时,葡萄糖酶传感器插入到被测葡萄糖溶液中,因为酶催化作用而产生耗氧(过氧化氢),其反应式为 葡萄糖氧化酶葡萄糖H2OO2 葡萄糖酸H2O2在Pt阳极上加0.6V电压,则H2O2在Pt电极上产生氧化电流为 0.6V Pt H2O2 O22H+2e-式中,2e-为形成电流电子。第28页n不一样酶传感器检测物质机理是不一样。有些酶对物质含有催化转化能力(如酪氨酸酶对酚类),有些物质对酶活性有特异性抑制作用(如有机磷酸酯类对乙酰胆碱酯酶)或作为调整、辅助因子对酶活性进行修饰(如Mn()对辣根过氧化酶)。检测酶反应所产生信号,能够间接测定物质含量。n
10、因为单酶传感器只能测定数目有限环境污染物,能够在一个生物传感器上偶联几个酶促反应来增加可测分析物数目。多酶传感器例子之一就是糖原磷酸化酶与一个碱性磷酸酶变旋酶葡萄糖氧化酶相结合以测定无机磷酸盐。结合各种酶之后,分析物数目就能够增加,如共固定酪氨酸酶和漆酶之后就能检测各种酚类化合物。第29页2)微生物传感器n细胞除含有各种酶外,还含有辅酶及酶促反应其它必要成份,它们存在于细胞内,直接参加酶促反应,在使用中不需纯化,亦不需添加其它成份。可直接用活细胞代替纯酶用于生物传感器。n微生物传感器分为两类:利用微生物在同化底物时消耗氧呼吸作用利用不一样微生物含有不一样酶。第30页n装置由适合微生物电极与氧电
11、极组成。n原理:利用微生物同化作用耗氧,经过测量氧电极电流改变量来测量氧气降低许,从而到达测量底物浓度目标。n比如,荧光假单胞菌能同化葡萄糖;芸苔丝孢酵母可同化乙醇,所以可分别用来制备葡萄糖和乙醇传感器,这两种细菌在同化底物时,均消耗溶液中氧,所以可用氧电极来测定。第31页第32页n微生物反应特点微生物反应过程是利用生长微生物进行生物化学反应过程。也就是说,微生物反应是将微生物作为催化剂进行反应。酶在微生物反应中起最基本催化作用。n微生物反应与酶促反应共同点同属生化反应,都在温和条件下进行;凡是酶能催化反应,微生物也能够催化;催化速度靠近,反应动力学模型近似。第33页3)3)免疫传感器免疫传感
12、器n抗原:含有能够引发免疫反应物质;抗体:由抗原刺激机体产生特异性免疫功效球蛋白,又称免疫球蛋白。n抗原抗体反应:选择性强,灵敏度高n免疫传感器利用抗体对对应抗原含有识别和结合双重功效,将抗体或抗原和换能器组合而成装置。n因为蛋白质分子(抗体或抗原)携带有大量电荷、发色基团等,当抗原抗体结合时,会产生电学、化学、光学等改变,经过适当传感器可检测这些参数,从而组成不一样免疫传感器。第34页n基本原理 采取抗原与抗体特异反应将待测物与酶连接,然后经过酶与底物产生颜色反应,用于定量测定。n在这种测定方法中有3种必要试剂:固相抗原或抗体(免疫吸附剂)酶标识抗原或抗体(标识物)酶作用底物(显色剂)第35
13、页第36页4)生物组织传感器n生物组织传感器是以活动植物组织细胞切片作为识别元件,并与对应变换元件组成生物组织传感器。生物组织含有丰富酶类,这些酶在适宜自然环境中,能够得到相当稳定酶活性,许多组织传感器工作寿命比对应酶传感器寿命长很多;在所需要酶难以提纯时,直接利用生物组织能够得到足够高酶活性;组织识别元件制作简便,普通不需要采取固定化技术。第37页第38页第39页肝组织电极肝组织电极 动物肝组织中含有丰富H2O2酶,可与氧电极组成测定H2O2及其它过氧化物组织电极1981年Mascini等研究了数种哺乳动物和其它动物(鸟、鱼、龟)肝组织电极,报道了基于牛肝组织H2O2电极。牛肝-H2O2电极
14、 取0.1mm厚牛肝一片,覆盖于氧电极特氟隆膜上,用“O”型橡皮圈固定,即成牛肝组织电极。在pH6.8缓冲液中,使电极与空气中氧平衡,然后加入底物,底物为浓度大于1O-5molL H2O2溶液反应产生氧气抵达氧电极特氟隆膜时,使电极输出增加在110-4mol/L底物浓度时,1.5min即可取得稳定电流。第40页 若向溶液中通以氮气,以降低氧溶解度,降低空气平衡溶液中氧残余电流(约10A)至十分之几微安,检测下限可降低至110-5molL,相关系数R=0.997 (n9)。第41页5)核酸传感器n依据生物体内核苷酸次序相对稳定,核苷酸碱基次序互补原理而设计出核酸探针传感器,即基因传感器。基因传感
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