文档介绍：第16章生物传感器(Biosensors)
§ 概述
一、生物传感器的定义
一般定义:使用固定化的生物分子(immobilized biomolecules)结合换能器,用来侦测生物体内或生物体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置。
Gronow定义:一种含有固定化生物物质(如酶、抗体、全细胞、细胞器或其联合体)并与一种合适的换能器紧密结合的分析工具或系统,它可以将生化信号转化为数量化的电信号。
二、生物传感器的特点
(1) 测定范围广泛。
(2)生物传感器使用时一般不需要样品的预处理,样品中的被测组分的分离和检测同时完成,且测定时一般不需加入其它试剂。
(3) 采用固定化生物活性物质作敏感基元(催化剂),价值昂贵的试剂可以重复多次使用。
(4)测定过程简单迅速。
(5) 准确度和灵敏度高。一般相对误差不超过1%。
(6)由于它的体积小,可以实现连续在线监测,容易实现自动分析。
(7) 专一性强,只对特定的底物起反应,而且不受颜色、浊度的影响。
(8)可进入生物体内。
(9)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器,便于推广普及。
三、生物传感器的发展
概念(Concept )-- Leland Clark (1956)
尿传感器(Urea Sensor) -- Guibault & Montalvo (1969)
葡萄糖分析器(Glucose Analyser) -- Yellow Springs Instr. Co. (1973)
酶热调节器(Enzyme Thermistor) – Mosbach (1974)
微生物电极(Microbial Electrodes) – Divis (1975)
光纤氧传感器(Fibre-Optic Oxygen Sensor )– Lubbers & Opitz (1975)
Biostator – Clemens et al. (1976)
免疫传感器(Immnosensor )– Liedberg et al. (1982)
酶电极(Enzyme Electrode) – MediSense Inc. (1987)
BIAcore – Pharmacia, Sweden (1991)
纳米传感器(NanoSensor) – Vo-Dinh (2000)
1、测定水质的BOD分析仪、在市场上有以日本和德国为代表产品供应。
2、采用丝网印刷和微电子技术的手掌型血糖分析器,已形成规模化生产,年销售量约为十亿美元;
3、固定化酶传感分析仪,国外以美国的YSI公司和德国BST公司为代表,都有系列分析仪产品,它们主要用于环境监测和食品分析,国内到目前为主只有山东省科学院生物研究所的系列化产品在市场得到应用。
4、SPR生物传感器,在日、美、德、瑞典等国得到了开发和初步应用。
目前,极大多数同类其它研究还都处在探索性阶段。
国内外得到应用的生物传感器主要包括:
1. 微型化
2. 阵列化
3. 多功能化
生物传感器的发展方向
§ 生物传感器的基本原理
换能器(Transducer)
感受器(Receptor)
测量信号(Measurable Signal)
=分析物(Analyte)
溶液(Solution)
选择性膜(Thin selective membrane)
识别元件(RECOGNITION)
生物传感器工作机理
一、生物分子特异性识别(生物感受器)
生物感受器是一种可以识别目标分析物的生物材料。
表16-1 生物传感器的分子识别元件
分子识别元件
生物活性单元
酶膜
各种酶类
全细胞膜
细菌、真菌、动植物细胞
组织膜
动植物组织切片
细胞器膜
线粒体、叶绿体
免疫功能膜
抗体、抗原、酶标抗原等
二、生物放大
生物放大作用:指模拟和利用生物体内的某些生化反应,通过对反应过程中产量大、变化大或易检测物质的分析来间接确定反应中产量小、变化小、不易检测物质的(变化)量的方法。
通过生物放大原理可以大幅度提高分析测试的灵敏度。
生物传感器常用的生物放大作用:
酶催化放大
酶溶出放大
酶级联放大
脂质体技术
聚合酶链式反应和离子通道放大等。
三、信号转换与处理
表16-2 生物传感器的信号处理方法
由生物活性元件引起的变化(生物学反应信息)
信号处理方法(换能器的选择)
电极活性物质的生成或消耗
电流检测电极法
离子性物质的生成或消耗
电位检测电极法
膜或电极电荷状态的变化
膜电位法、电极电位法
质量变化
压电元件法
阻抗变化
电导率法
热变化(热效应)
热敏电阻法
光谱特性变化(光效应)
光纤和光电倍增管