生物传感器的原理和应用省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生物传感器原理及应用卢余盛11045生物化工第1页 传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）转换成易于测量、传输、处理电学量（如电压、电流、电容等）一个组件，起自动控制作用。普通由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，如：一、传感器含义一、传感器含义非电物理量非电物理量转换器件转换器件敏感元件敏感元件转换电路转换电路电学量电学量二、传感器分类二、传感器分类第2页EPASBR0APASBR0VE1.力电传感器 力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、当代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等。第3页2.热电传感器 热电传感器是利用热敏电阻阻值会随温度改变而改变原理制成，如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等）温度控制、火警报警器、恒温箱等。3.光电传感器 光电传感器中主要部件是光敏电阻或光电管。假如是光敏电阻阻值随光照强度改变而改变原理制成。如自动冲水机、路灯控制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器原理。声电传感器、电容传感器。第4页pH 测量原理测量系统是：pH 玻璃电极 参比电极E=EGlas-ERef 此方程是用来测量溶液中pH电极与参比电极电位之差。玻璃电极参比电极pH 计第5页pH电极结构S7 接口铂金属丝内参比液电极膜玻璃填充口参比系统参比电解液膜玻璃玻璃电极参比电极第6页复合电极第7页生物传感器u生物传感器(biosensor)：以生物活性单元(如酶、抗体、核酸、细胞等)作为生物敏感基元，对目标被测物含有高度选择性检测器。它经过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间反应，然后将反应程度用离散或连续电信号表示出来，从而得出被测物浓度。u是由固定化生物敏感材料作识别元件与适当理化换能器及信号放大装置组成分析工具或系统第8页原理被分析物扩散进入固定化生物敏感膜，经分子识别，发生生物学反应，产生信息继而被对应化学换能器或物理换能器转变成可定量和可处理电信号，再经检测放大器放大并输出，便可知道待测物浓度。待分析物待分析物生物敏感膜生物敏感膜化学量或化学量或物理量改变物理量改变换能器换能器可定量加工可定量加工电信号电信号第9页分子识别原件第10页换能器 换能器作用是将各种生物、化学和物理信息转换成电信号。生物学反应过程产生信息是多元化，微电子学和传感器技术当代结果为检测这些信息提供了丰富伎俩，使得研究者在设计生物传感器时换能器选择有足够盘旋余地。主要换能器包含氧电极、光敏管、场效应管、和压电晶体等。第11页生物传感器分类a.依据生物传感器中生物分子识别元件上 敏感物质可分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、基因传 感器、免疫传感器等；b.依据生物传感器信号转化器可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、热生物传感器、光生物传感器、压电型生物传感器等。电化学生物传感器又可分为安培型和电位型两种。第12页固定化酶固定化微生物固定化免疫物质固定化细胞器生物组织切片微生物微生物传感器传感器分子识别分子识别元件元件酶传感器酶传感器免疫传感器免疫传感器细胞器传感器细胞器传感器组织传感器组织传感器按分子按分子识别元件分元件分类第13页按器件分类电化学电极光学换能器介体半导体传递系统换能器热敏电阻压电晶体介体生物传感器介体生物传感器换能器半导体生物半导体生物传感器传感器生物电极生物电极光生物传感器光生物传感器热生物传感器热生物传感器压电晶体生物传感器压电晶体生物传感器第14页酶传感器第15页测定物质氧气过氧化氢氨气二氧化碳透气膜铂阴电极铂阳电极氢正离子敏感膜电流测量电位测量电极酶膜H正离子电位（电极）电流（场效应管）热光热敏电阻传感器光纤传感器酶传感器类型第16页应用举例：葡萄糖传感器工作原理故葡萄糖浓度测试方法有三种：测耗量 测生成量 测由葡萄糖酸而产生改变。葡萄糖氧化葡萄糖氧化酶（）（）葡萄糖葡萄糖+H2O葡萄糖酸葡萄糖酸手掌型血糖分析器第17页测量氧消耗量葡萄糖传感器第18页测量氧消耗量葡萄糖传感器1.1.氧氧电电极极组组成成：由由b b阳阳极极和和t t阴阴极极浸浸入入碱碱溶溶液液，阴阴极极表表面面用用氧氧穿穿透透葡葡萄萄糖糖（基基质质）膜膜覆覆盖盖 特特氟氟隆隆，厚厚约约mm2.2.氧氧电电极极测测O O2 2原原理理：利利用用氧氧在在阴阴极极上上首首先先被被还还原原特特征征。溶溶液液中中O O2 2穿穿过过特特氟氟隆隆膜膜抵抵达达PtPt阴阴极极上上，当当外外加加一一个个直直流流电电压压为为氧氧极极化化电电压压(如如0.7V)0.7V)时时，则则氧氧分分子子在在PtPt阴阴极极上上得得电电子，被还原子，被还原:其电流值与含其电流值与含O O2 2浓度成百分比。浓度成百分比。2 2+2 2+e=e=第19页免疫传感器工作原理基本原理是免疫反应。利用固定化抗体（或抗原）膜与对应抗原（或抗体）特异反应，使得生物敏感膜电位发生改变。抗原或抗体一经固定于膜上，就形成含有识别免疫反应强烈分子功效性膜。如，抗原在乙酰纤维素膜上进行固定化，因为蛋白质为双极性电解质，（正负电极极性随值而变）所以抗原固定化膜含有表面电荷。其膜电位随膜电荷要改变。故依据抗体膜电位改变，可测知抗体附量。第20页免疫传感器结构3室注入含有抗体盐水抗体与固定化抗原膜上抗原相结合膜表面吸附抗体膜带电状态改变1、2室内电极产生电位差第21页微生物电极传感器将微生物(惯用主要是细菌和酵母菌)作为敏感材料固定在电极表面组成电化学生物传感器称为微生物电极传感器。其工作原理大致可分为三种类型:其一,利用微生物体内含有酶(单一酶或复合酶)系来识别分子,这种类型与酶电极类似;其二,利用微生物对有机物同化作用,经过检测其呼吸活性(摄氧量)提升,即经过氧电极测量体系中氧降低间接测定有机物浓度;其三,经过测定电极敏感代谢产物间接测定一些能被厌氧微生物所同化有机物。第22页微生物传感器BOD传感器（示例）发展背景：传统标准稀释法所需时间长、操作繁琐、准确度差。BOD传感器不但能满足实际监测要求，而且有快速、灵敏特点。BOD传感器工作原理：以微生物单一菌种或混合种群作为BOD微生物电极，因为水体中BOD物质加人或降解代谢发生，造成水中微生物内外源呼吸方式改变或转化，藕联着电流强弱信号改变，一定条件下传感器输出电流值与BOD浓度呈线性关系。制作BOD生物传感器微生物主要有酵母、假单胞菌、芽抱杆菌、发光菌和嗜热菌等。第23页组织电极与细胞器电极传感器直接采取动植物组织薄片作为敏感元件电化学传感器称组织电极传感器。其原理是利用动植物组织中酶,优点：酶活性及其稳定性均比离析酶高,材料易于获取,制备简单,组织中酶处于适宜环境，同时又相当于被固定化了，使用寿命长等。缺点：但在选择性、灵敏度、响应时间等方面还存在不足。第24页动物组织电极主要有:肾组织电极、肝组织电极、肠组织电极、肌肉组织电极、胸腺组织电极等。测定对象主要有:谷氨酰胺、葡萄糖胺 6 磷酸盐、氨基酸、22、地高辛、胰岛素、腺苷、等。植物组织电极敏感元件选材范围很广,包含不一样植物根、茎、叶、花、果等。植物组织电极制备比动物组织电极更简单,成本更低并易于保留。细胞器电极传感器是利用动植物细胞器作为敏感元件传感器。细胞器是指存在于细胞内被膜包围起来微小“器官”,如线粒体、微粒体、溶酶体、过氧化氢体、叶绿体、氢化酶颗粒、磁粒体等等。其原理是利用细胞器内所含酶(往往是多酶体系)。第25页电化学传感器电化学DNA传感器是利用单链DNA(ssDNA)或基因探针作为敏感元件固定在固体电极表面,加上识别杂交信息电活性指示剂(称为杂交指示剂)共同组成检测特定基因装置。其工作原理是利用固定在电极表面某一特定序列ssDNA与溶液中同源序列特异识别作用(分子杂交)形成双链DNA(dsDNA)(电极表面性质改变),同时借助一能识别ssDNA和dsDNA杂交指示剂电流响应信号改变来到达检测基因目标。第26页杂交检测技术电化学检测电化学检测DNA DNA 能够分为直接检测和间接检测。能够分为直接检测和间接检测。直接检测直接检测依据在于依据在于DNA DNA 与一些电极表面直接电子转移是可与一些电极表面直接电子转移是可能能,而且而且DNA DNA 一些组分包含碱基和核糖在一定电势窗口下一些组分包含碱基和核糖在一定电势窗口下也是有电化学活性。也是有电化学活性。间接检测间接检测则是经过一些氧化还原媒介来实现电子传递则是经过一些氧化还原媒介来实现电子传递,借借助于这些与助于这些与DNA DNA 选择性结合有电化学活性指示剂来进行杂选择性结合有电化学活性指示剂来进行杂交检测。交检测。第27页压电晶体生物传感器利用压电石英晶体对表面电极区附着质量敏感性，并结合生物功效分子(如抗原和抗体)之间选择特异性，使压电晶体表面产生微小压力改变，引发其振动频率改变可制成压电生物传感器。它主要由压电晶体、振荡电路、差频电路、频率计数器及计算机等部分组成。惯用压电晶体材料：石英（SiO2）、钽酸锂（LiTaO3）晶体振动两种类型：体声波(bulk acoustic wave,BAW)表面声波(Surface acoustic wave,SAW)第28页石英晶体电极及表面固定和检测石英晶体电极及表面固定和检测第29页第30页谢谢！第31页