第13章生物傳感器傳感器原理與應用13.1概述13.2酶傳感器13.3免疫傳感器13.4微生物傳感器13.5其他常見生物傳感器及應用目錄

傳感與檢測技術第13章生物傳感器

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.1概述生物傳感器〔Biosensor〕起源于20世紀60年代，在20世紀80年代得到了公認與開展，并作為傳感器的一個分支應用于食品、制藥、化工、臨床檢驗、生物醫學、環境監測等方面。生物傳感器利用酶、抗體、微生物等作為敏感材料，并將其產生的物理量、化學量的變化轉化為電信號，用以檢測與識別生物體內的化學成分。將生物敏感材料固定在高分子人工膜等載體上，被識別的生物分子作用于人工膜〔生物傳感器〕時，將會產生變化的信號〔電、熱、光等〕輸出，然后采用電化學法、熱測量法或光測量法等測出輸出信號。具有選擇性好、靈敏度高、響應速度快、本錢低廉、能在復雜的體系中進行在線連續監測等特點

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.1概述開展歷程：1962年，Clark教授→酶電極1967年，Updike，Hicks→酶傳感器1975年，C.Divis提出用完整的微生物活細胞取代純酶制作的傳感器1977年，美國A.Rchnitz研制出檢測測精氨酸的微生物電極1979年，A.Rchnitz成功研制出了測定谷氨酰胺的組織傳感器20世紀80年代，牛津出版社?生物傳感器：根底與應用?1990年，在新加坡召開了“首屆世界生物傳感器學術大會〞

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.1.1生物傳感器的工作原理工作原理：被測物質經擴散進入生物敏感膜層，經分子識別，發生生物學反響〔物理、化學變化〕，產生物理、化學現象或產生新的化學物質，由相應的敏感元件轉換成可定量、可傳輸處理的電信號。生物傳感器敏感膜〔分子識別元件〕敏感元件〔信號轉換元件〕圖13-1生物傳感器的根本工作原理

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.1.1生物傳感器的工作原理圖13-2

敏感膜對生物分子的選擇性作用生物敏感膜——又稱分子識別元件利用生物體內具有奇特功能的物質制成的膜與被測物質相接觸時會伴有物理、化學反響選擇性地“捕捉〞自己感興趣的物質

傳感與檢測技術第13章生物傳感器生物敏感膜生物活性材料酶膜各種每類全細胞膜細菌、真菌、動植物細胞組織膜動植物組織切片免疫膜抗體、抗原、酶標抗原等細胞器膜線粒體、葉綠體具有生物親和力的物質膜配體、受體核酸膜寡聚核苷酸模擬酶膜高分子聚合物表13-1生物傳感器的生物敏感膜13.1.1生物傳感器的工作原理

根據生物敏感膜選材的不同，可以制成酶膜、全細胞膜、組織膜、免疫膜、細胞器膜、復合膜等

傳感與檢測技術第13章生物傳感器

生物分子識別元件與換能器的不同組合，可以構建出適用于不同用途的生物傳感器類型。13.1.1生物傳感器的工作原理

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.1.2生物傳感器的分類〔1〕根據生物識別元件進行分類

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.1.2生物傳感器的分類〔2〕根據換能器信號轉換的方式進行分類

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.1.3生物傳感器的特點應用范圍較廣由具有高度選擇性的生物材料構成敏感〔識別〕元件的，一般情況下，檢測時不需要另加其他試劑，也不需要進行樣品的預處理體積小、分析速度快、準確度高，容易實現在線檢測和自動分析操作相對簡單、本錢低、易于推廣應用制造工藝上較難，使用壽命較短

傳感與檢測技術第13章生物傳感器生物傳感器的主要應用領域生物傳感器在全國應用數量和地理分布東北46華北93華東148臺灣2華南31華中58西部25

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.2酶傳感器酶傳感器是利用被測物質與各種生物活性酶在化學反響中產生或消耗的物質量，通過電化學裝置轉換成電信號，從而選擇性地測出某種成分的器件。操作簡單體積小便于攜帶現場測試廣泛應用于檢測血糖、血脂、氨基酸、青霉素、尿素等物質的含量

傳感與檢測技術第13章生物傳感器

酶是由生物體內產生并具有催化活性的一類蛋白質，也成為生物催化劑。13.2.1酶的特性與一般催化劑作比較，相同點：僅能影響化學反響的速度，而不改變反響的平衡點不同點：〔1〕酶的催化效率比一般催化劑要高106~1013倍；〔2〕酶催化反響常溫常壓條件下即可進行；〔3〕酶的催化具有高度的專一性，即一種酶只能作用于一種或一類物質，產生一定產物，而非酶催化劑對作用物沒有如此嚴格的選擇性。〔4〕酶的催化過程是一種化學放大，即物質通過酶的催化作用能產生大量產物。

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.2.2酶傳感器的結構及原理酶傳感器——也稱為“酶電極〞，由生物酶膜和各種電極〔如：離子選擇電極、氣敏電極、氧化復原電極等〕組合而成。圖13-7電化學酶傳感器的基本原理示意圖工作原理——被測物質與各種生物活性酶在化學反響中產生或消耗的物質量，通過電化學裝置〔電極〕轉換成電信號，從而選擇性地測出某種成分。

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.2.2酶傳感器的結構及原理酶傳感器電流輸出型電壓輸出型由與酶催化反響有關物質電極反響所得到的電流來確定反響物質的濃度，一般采用氧電極、H2O2電極等；通過測量敏感膜的電位來確定與催化反響有關的各種物質的濃度，一般采用NH3電極、CO2電極、H2電極等

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.2.2酶傳感器的結構及原理檢測方式被測物質酶檢測物質電流型氧檢測方式葡萄糖過氧化氫尿酸膽固醇葡萄糖氧化酶過氧化氫酶尿酸氧化酶膽固醇氧化酶O2過氧化氫檢測方式葡萄糖L-氨基酸葡萄糖氧化酶L-氨基酸氧化酶H2O2電位型離子檢測方式尿素L-氨基酸D-氨基酸天門冬酰胺L-酪氨酸L-谷氨酸青霉素尿素酶L-氨基酸氧化酶D-氨基酸氧化酶天門冬酰胺酶酪氨酸脫羧酶谷氨酸脫羧酶青霉素酶NH4+NH4+NH4+NH4+CO2NH4+H+表13-2酶傳感器的分類

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.2.3酶的固化技術酶的固定是酶生物傳感器研究的關鍵環節能保持生物活性單元的固有特性，防止自由活性單元應用上的缺陷目前，已有的固化技術有吸附法、化學交聯法、共價鍵合法、物理包埋法圖13-8酶的固定化技術〔a〕吸附法〔b〕化學交聯法〔c〕共價鍵合法〔d〕物理包埋法

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.2.4酶傳感器的應用〔1〕Clark氧電極Clark氧電極是使用最廣泛的液相氧傳感器，用以測定溶液中溶解氧的含量。由一個陽極和一個陰極電極浸入溶液所構成氧通過一個通透膜擴散進入電極外表，在陽極減少，并產生一個可測量電流。酶促反響以及微生物呼吸鏈中的氧化磷酸化使得電子流入氧，并被氧電極所測量。采用一個特氟龍〔Tefolon〕膜將電極局部與反響腔隔離，它可以使氧分子穿透并到達陰極，在那里電解并消耗氧，產生的電流電位可以被儀器所記錄。圖13-9Clark氧電極

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.2.4酶傳感器的應用(2)葡萄糖酶電極傳感器的測量由酶膜和Clark氧電極〔或過氧化氫電極〕組成將葡萄糖酶傳感器插入被測葡萄糖溶液中，葡萄糖發生氧化反響，消耗氧，生成葡萄糖酸和過氧化氫H2O2H2O2通過選擇性透氣膜，使電極外表的氧化量減少，相應電極的復原電流減少，從而可以通過電流值的變化來確定葡萄糖的濃度葡萄糖濃度越高，消耗的氧就越多，生成的過氧化氫也越多

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.2.4酶傳感器的應用通過區分氧電極、過氧化氫電極，是以是否使用電子轉移媒介體，可以將葡萄糖酶電極區分為以下兩個不同的類型：(2)葡萄糖酶電極傳感器的測量①

氧電極葡萄糖傳感器②

過氧化氫電極葡萄糖傳感器以鉑電極〔-0.6V〕作為陰極，Ag/AgCl電極〔+0.6V〕作為陽極，電極對氧響應產生電流鉑電極〔-0.6V〕作為陽極，Ag/AgCl〔+0.6V〕作為陰極，電極對過氧化氫響應產生電流

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.3免疫傳感器13.3.1免疫傳感器的根本原理抗體——是由機體B淋巴細胞和血漿細胞分泌產生，可對外界〔非自身〕物質產生反響的一種血清蛋白。抗原——外界物質因其能引發機體免疫反響，也稱為免疫原。

由于具有高的親和常數和低的交叉反響，抗原抗體反響被認為有很強的特異性

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.3免疫傳感器13.3.1免疫傳感器的根本原理免疫傳感器的根本原理是免疫反響——即利用抗體能識別抗原并與抗原結合的功能的生物傳感器利用固定化抗體〔或抗原〕膜與相應的抗原〔或抗體〕的特異反響，反響的結果使生物敏感膜的電位發生變化；分析靈敏度高、特異性強、使用簡便廣泛應用到臨床診斷、微生物檢測、環境監測及食品分析等諸多領域非標識免疫傳感器標識免疫傳感器免疫傳感器

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.3免疫傳感器〔1〕非標識免疫傳感器也稱直接免疫傳感器利用抗原或抗體在水溶液中兩性解離本身帶電的特性，將其中一種固定在電極外表或膜上，當另一種與之結合形成抗原抗體復合物時，原有的膜電荷密度將發生改變，從而引起膜的Donnan電位和離子遷移的變化，最終導致膜電位改變。

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.3免疫傳感器〔1〕非標識免疫傳感器〔a〕一種是在膜的外表結合抗體〔或抗原〕，用傳感器測定抗原抗體反響前后的膜電位；〔b〕另一種是在金屬電極的外表直接結合抗體〔或抗原〕作為感受器，測定與抗原抗體反響相關電極的電位變化

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.3免疫傳感器間接免疫傳感器利用酶的標識劑來增加免疫傳感器的檢測靈敏度該類傳感器將免疫的專一性和酶的靈敏性融為一體，可對低濃度底物進行檢測常用的標記酶有：辣根過氧化物酶、葡萄糖氧化酶、堿性磷酸酶和脲酶〔2〕標識免疫傳感器

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.3免疫傳感器〔2〕標識免疫傳感器無論是電位型還是電流型酶標記的免疫傳感器，都可歸結為是對復原型輔酶I〔NADH〕、苯酚、O2、H2O2和NH3等電活性物質的檢出。

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.3免疫傳感器〔2〕標識免疫傳感器

在用過氧化氫酶作為標識酶時，標識酶的活性是在給定的過氧化氫中根據每單位時間內所生成的氧量而求出的，即：將去除游離抗原后的酶免疫傳感器放在H2O2溶液中浸漬抗體膜外表結合的標識酶催化H2O2，分解成水和氧氧經擴散透入抗體膜及Clark氧電極的透氣膜，到達鉑陰極，得到了與生成的氧量相對應的電流從電流量可求出在膜上結合的標識酶的量使用該方法可以測定人的血清白蛋白〔HSA〕及人絨毛膜促性腺激素〔HCG〕

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.3免疫傳感器〔3〕抗體的固定免疫生物傳感器制備過程中一個非常重要的步驟是將抗體或抗原固定在傳感器外表，這樣才能檢測相應的抗原或抗體。制備方法：直接法：吸附法、包埋法、交聯法、共價結合法間接法：生物素-親和素體系和自組裝單層膜、戊二醛交聯法、蛋白A等其他間接固定

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.3免疫傳感器〔4〕免疫傳感器的應用梅毒抗體傳感器1為基準容器2為測試容器3為抗原容器參考膜〔不含抗原的乙酰纖維素膜〕與抗原膜由容器1和容器3分開血清注入容器2中，抗原膜作為帶電膜工作假設血清中存在抗體，那么抗體被吸附于抗原說明形成復合體抗體帶正電荷，所以膜的負電荷減少，引起膜電位的變化，最終通過測量兩個電極間的電位差，來判斷血清中是否存在梅毒抗體

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.4微生物傳感器13.4.1工作原理微生物主要包括原核微生物〔如細菌〕、真核微生物〔如真菌、藻類和原蟲〕和無細胞生物〔如病毒〕等幾大類微生物傳感器也成為微生物電極，它屬于酶電極的衍生電極，除了生物活性物質不同外〔用微生物替代酶〕，兩者之間有相似的結構和工作原理。

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.4微生物傳感器微生物傳感器根據對氧氣的反響情況分為呼吸機能型微生物傳感器和代謝機能型微生物傳感器13.4.1工作原理〔a〕呼吸機能型〔b〕代謝機能型

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.4微生物傳感器〔1〕呼吸機能型由好氧型微生物固定化膜和氧電極〔或CO2電極〕組合而成測定時以微生物的呼吸活性為根底當微生物傳感器插入溶解氧保持飽和狀態的試液中時，試液中的有機化合物受到微生物的同化作用，微生物的呼吸加強，在電極上擴散的氧減少，電流值急劇下降。

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.4微生物傳感器〔2〕代謝機能型以微生物的代謝活性為根底當微生物攝取有機化合物，生成的各種代謝產物中含有電極活性物質時，用安培計可測得氫、甲酸和各種復原型輔酶等代謝物，而用電位計那么可測得CO2、有機酸〔H＋〕等代謝物。由此可以得到有機化合物的濃度信息。

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.4微生物傳感器微生物傳感器的結構與酶傳感器相比，所不同的是將酶傳感器的固定化酶膜改換為固定化的微生物膜也可采用吸附、包埋、交聯或共價結合的方法目前常用的方法是通過離心、過濾或混合培養，使微生物附著在如醋酸纖維素膜、濾紙或尼龍等膜上，此種方法包埋微生物靈敏度高13.4.2微生物的固化

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.4微生物傳感器13.4.3微生物傳感器的應用〔1〕BOD微生物傳感器BOD的含義——在微生物作用下，將單位體積水樣中有機物氧化所消耗的溶解氧質量，單位是mol/L采用固定有微生物的合成膜作為生物識別元件生物氧化進程通過一個溶解性的O2電極進行記錄1-電解液2-O形環3-陽極4-聚四氟乙烯膜5-微生物膜6-尼龍網7-陰極

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.4微生物傳感器微生物BOD傳感器結構示意圖〔1〕BOD微生物傳感器

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.4微生物傳感器電流型BOD生物傳感器檢測原理鐵氰化鉀K3[Fe(CN)6](HCF(III))作為電活性分子利用脫氫酶、細胞色素、輔酶Q等對有機分子進行氧化將鐵氰化鉀參加之后，它可充當一個電子受體，在有機分子氧化時被優先復原為亞鐵氰化鉀K4[Fe(CN)6](HCF(II))被復原的鐵氰化鉀能在工作電極〔陰極〕外表被重新氧化，期間能產生足夠高的電位改變〔1〕BOD微生物傳感器

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.4微生物傳感器〔2〕甲酸傳感器圖13-21甲酸傳感器的結構圖1-圓環；2-液體連接面；3-電解液；4-Ag2O2電極〔陰極〕5-Pt電極〔陽極〕；6-聚四氟乙烯膜屬于代謝性微生物傳感器由Pt電極、Ag2O2電極、電解液〔0.1mol/L磷酸緩沖液〕以及液體連接面組成當傳感器進入含有甲酸的溶液時，甲酸通過聚四氟乙烯膜向酪酸梭牙菌擴散，被資化后產生H2H2又穿過Pt電極外表上的聚四氟乙烯膜與Pt電極產生氧化復原反響電流此電流與微生物所產生的H2含量成正比，H2的含量由于待測甲酸溶液濃度有關因此該傳感器可以用來測定發酵溶液中的甲酸濃度。

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.5其他常見生物傳感器及應用國內外得到應用的生物傳感器主要包括：1.測定水質的BOD(BiochemicalOxygenDemand)分析儀:在市場上有日本和德國產品供給。水中的溶解氧〔DO〕、生物需氧量〔BOD〕高，說明浮游生物種類和數量多。2.手掌型血糖分析器:已形成規模化生產，年銷售量約為十億美元；3.固定化酶傳感分析儀：國外以美國的YSI公司和德國BST公司為代表，都有系列分析儀產品，它們主要用于環境監測和食品分析。德國研發的環境廢水BOD分析儀早期的血糖速測儀

手掌型葡萄糖(glucose)分析儀胰島素泵固定化酶生物傳感分析儀BOD生物傳感器SPR生物傳感器

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.5其他常見生物傳感器及應用13.5.1血糖測試儀血液中的糖分稱為血糖正常人的空腹血糖濃度為3.9~6.1mmol/L，空腹血糖高于6.1mmol/L稱為高血糖，低于3.9mmol/L稱為低血糖。圖13-22各種便攜式血糖儀商品

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.5其他常見生物傳感器及應用13.5.1血糖測試儀血糖測試儀根據檢測原理分為兩種，光化學法和電化學法〔1〕光化學法——基于血液和試劑產生的反響測試血糖試條吸光度的變化值GOD-葡萄糖氧化酶POD-過氧化物酶；OP-燃料AH-產物光化學法的血糖儀必須經常清潔光孔，否那么污染后將導致測試結果產生偏差光化學法原理比電化學原理的血糖儀測試時需要的血樣多

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.5其他常見生物傳感器及應用13.5.1血糖測試儀〔2〕電化學法——通過測定鉑金電極上過氧化氫的氧化分解而產生的電流變化，來測算出溶液中因氧的消耗導致的氧分壓下降值，進而測得葡萄糖的濃度，20世紀70年代Williams等采用分子導電介質鐵氰化鉀代替氧分子進行氧化復原反響的電子傳遞，實現了血糖的電化學測定，其反響原理如下：

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.5其他常見生物傳感器及應用血糖測試儀的硬件結構圖13.5.1血糖測試儀

傳感與檢測技術第13章生物傳感器13.5其他常見生物傳感器及應用13.5.2