第11章 生物传感器ppt课件.ppt

1,生 物 传 感 器（biosensor）,2,目录,11.1 简要介绍11.2 酶传感器11.3 微生物传感器11.4 免疫传感器11.5 半导体生物传感器11.6 生物传感器应用与未来本章小结,3,11.1 简要介绍,生物传感器的发展史定义及说明生物传感器的基本组成和工作原理生物传感器的分类生物传感器的固定方法生物传感器的特点,4,生物传感器的发展史(1),最先问世的生物传感器是酶电极，Clark和Lyons最先提出组成酶电极的设想。70年代中期，人们注意到酶电极的寿命一般都比较短，提纯的酶价格也较贵，而各种酶多数都来自微生物或动植物组织，因此自然地就启发人们研究酶电极的衍生型：微生物电极、细胞器电极、动植物组织电极以及免疫电极等新型生物传感器，使生物传感器的类别大大增多；进入本世纪80年代之后，随着离子敏场效应晶体管的不断完善，于1980年Caras和Janafa率先研制成功可测定青霉素的酶FET。,5,生物传感器发展的整体划分:,第一代生物传感器以将生物成分截留在膜上或结合在膜上为基础，这类器件由透析器(膜)、反应器(膜)和电化学转换器所组成，其实验设备相当简单。第二代生物传感器是指将生物成分直接吸附或共价结合在转换器的表面上，从而可略去非活性的基质膜。第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子元件上，例如FET的栅极上，它可直接感知和放大界面物质的变化，从而将生物识别和电信号处理集合在一起。这种放大器可采用差分方式以消除干扰。,生物传感器的发展史(2),6,快速葡萄糖分析仪,7,血糖乳酸自动分析仪,8,生物传感器定义及说明,生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定实现测量，主要由两大部分组成：一为功能识别物质（分子识别元件），由其对被测物质进行特定识别；其二是电、光信号转换装置（换能器），由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。,9,生物传感器的基本组成和工作原理,生物传感器的基本组成生物传感器的工作原理分类,10,生物传感器基本构成示意图,11,生物传感器的分子识别元件,12,生物传感器的工作原理,13,生物传感器的工作原理,将化学变化转变成电信号（间接型）将热变化转换为电信号（间接型）将光效应转变为电信号（间接型）直按产生电信号方式（直接型）化学物质 物理 热被测 化学（产生 光）电信号物质 变化 声,生物敏感膜,电化学器件热敏元件光敏元件声敏元件,14,将化学变化转变成电信号的生物传感器,15,将热变化转换为电信号的生物传感器,热辐射热传导,16,将光效应转变为电信号的生物传感器,被测物 h 电信号,固定化酶,光检测器,17,直按产生电信号方式的生物传感器,例：Cass 等提出一种测定葡萄糖的传感器，是用二茂络铁为电子传递体。,G、GL代表葡萄糖和葡萄糖内脂，GODox和GODred为氧化型和还原型的葡萄糖氧化酶，而Fecp2R和Fecp2R+则为还原型和氧化型二茂络铁。葡萄糖被GOD氧化的同时，GOD被还原成GODred，氧化型的电子传递体2Fecp2R+可将GODred再氧化成GODox,反应直接在电极表面上发生,18,Love is ever the beginning of knowledge as fire is of light.Thomas Carlyle,知识总是从爱好开始，犹如光总是从火开始一样。,19,生物传感器的特点,根据生物反应的奇异和多样性，从理论上讲可以制造出测定所有生物物质的多种多样的生物传感器；这类生物传感器是在无试剂条件下工作的(缓冲液除外)，比各种传统的生物学和化学分析法操作简便、快速、准确；可连续测量、联机操作、直接显示与读出测试结果。,20,生物传感器的分类,按分子识别元件分类按换能器分类,21,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,微生物传感器,分子识别元件,酶传感器,免疫传感器,细胞器传感器,组织传感器,按分子识别元件分类,22,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,换能器,半导体生物传感器,生物电极,光生物传感器,热生物传感器,压电晶体生物传感器,23,生物传感器的固定方法,固定化技术：把生物活性材料与载体固定化成为生物敏感膜。物理方法：夹心法、吸附法、包埋法；化学方法:共价连接法、交联法；近年来,由于半导体生物传感器迅速发展,因而又出现了采用集成电路工艺制膜技术。,24,夹心法,将生物活性材料封闭在双层滤膜之间，形象地称为夹心法。这种方法的特点是操作简单，不需要任何化学处理，固定生物量大，响应速度快，重复性好。,25,吸附法,用非水溶性固相载体物理吸附或离子结合，使蛋白质分子固定化的方法。载体种类较多，如活性炭、高岭土、硅胶、玻璃、纤维素、离子交换体等。,26,包埋法,把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。此方法的特点是一般不产生化学修饰，对生物分子活性影响较小；缺点是分子量大的底物在凝胶网格内扩散较固难。,27,28,共价连接法,使生物活性分子通过共价键与固相载体结合固定的方法。此方法的特点是结合牢固，生物活性分子不易脱落，载体不易被生物降解，使用寿命长；缺点是实现固定化麻烦，酶活性可能因发生化学修饰而降低。,29,交联法,依靠双功能团试剂使蛋白质结合到惰性载体或蛋白质分子彼此交联成网状结构。这种方法广泛用于酶膜和免疫分子膜制备，操作简单。,30,11.2 酶传感器,酶传感器信号变换方式葡萄糖传感器,31,酶传感器：酶敏感膜+电化学器件酶的催化作用是在一定条件下使底物分解，故酶的催化作用实质上是加速底物分解速度。,32,信号变换方式,(1)电位法 电位法是通过不同离子生成在不同感受体，从测得膜电位去计算与酶反应有关的各种离子的浓度。一般采用铵离子电极（氨气电极）、氢离子电极、氧化碳电极等；(2)电流法 电流法是从与酶反应有关的物质的电极反应得到的电流值来计算被测物质的方法。电化学装置采用的是氧电极。燃料电池型电极和过氧化氢电极等；,酶电极：酶传感器由固定酶和基础电极组成，酶电极的设计主要考虑酶催化过程产生或消耗的电极活性物质，如一个酶催化反应是耗过程，就可以使用电极或电极；若酶催化反应过程产生酸，即可使用电极。,33,葡萄糖传感器,工作原理测量氧消耗量的葡萄糖传感器测22生成量的葡萄糖传感器,34,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的变化。,葡萄糖氧化酶（）葡萄糖+H2O葡萄糖酸,35,测量氧消耗量的葡萄糖传感器,36,测量氧消耗量的葡萄糖传感器,氧电极构成：由b阳极和t阴极浸入碱溶液，阴极表面用氧穿透葡萄糖（基质）膜覆盖特氟隆，厚约m氧电极测O2原理：利用氧在阴极上首先被还原的特性。溶液中的O2穿过特氟隆膜到达Pt阴极上，当外加一个直流电压为氧的极化电压(如0.7V)时，则氧分子在Pt阴极上得电子，被还原:其电流值与含O2浓度成比例。2+2+e=,37,聚四氟乙烯膜（作用）,它避免了电极与被测液直接相接触，防止了电极毒化；如电极Pt为开放式，它浸入含蛋白质的介质中，蛋白质会沉淀在电极表面上从而减小电极有效面积，使电流下降，使传感器受到毒化。,38,测22生成量的葡萄糖传感器,Pt阳极聚四氟乙烯膜（作用）固相酶膜半透膜多孔层半透膜致密层,39,葡萄糖氧化产生，而通过选择性透气膜，在Pt电极上氧化，产生阳极电流。葡萄糖含量与电流成正比，由此可测出葡萄糖溶液浓度。在t电极上加0.6V电压时，则产生的阳极电流为：,葡萄糖氧化酶（）葡萄糖+H2O葡萄糖酸,40,11.3 微生物传感器,分类 好气性微生物传感器 厌气性微生物传感器 注：气微生物固定方式及工作原理,传感器放入含有有机化合物的被测溶液中，有机物向微生物膜扩散而被微生物摄取（称为资化）。,41,好气性微生物传感器,微生物的呼吸可用氧电极或二氧化碳电极来测定结构被测 氧消耗变化 电信号物质（呼吸技能）,微生物固定化膜,封闭式氧电极或CO2电极,42,O2电极好气性微生物传感器,电解液O型环Pb阴极聚四氟乙烯固化微生物膜尼龙网Pt阳极,43,O2电极好气性微生物传感器响应曲线,44,厌气性微生物传感器,可测定微生物代谢产物，可用离子选择电极来测定,45,甲酸传感器(H2电极厌气性微生物传感器),圆环液体连接面电解液(100mol/m3磷酸缓冲液)Ag2O2电极(阴极)Pt电极(阳极)聚四氟乙烯膜,46,甲酸传感器原理,将产生氢的酪酸梭状芽菌固定在低温胶冻膜上，并把它固定在燃料电池Pt电极上；当传感器浸入含有甲酸的溶液时，甲酸通过聚四氟乙烯膜向酪酸梭状芽菌扩散，被资化后产生H2,而H2又穿过Pt电极表面上的聚四氟乙烯膜与Pt电极产生氧化还原反应而产生电流，此电流与微生物所产生的H2含量成正比，而H2量又与待测甲酸浓度有关，因此传感器能测定发酵溶液中的甲酸浓度。,47,11.4 免疫传感器,免疫传感器的工作原理免疫传感器的结构,48,免疫传感器的工作原理,基本原理是免疫反应。利用固定化抗体（或抗原）膜与相应的抗原（或抗体）的特异反应，使得生物敏感膜的电位发生变化。抗原或抗体一经固定于膜上，就形成具有识别免疫反应强烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纤维素膜上进行固定化，由于蛋白质为双极性电解质，（正负电极极性随值而变）所以抗原固定化膜具有表面电荷。其膜电位随膜电荷要变化。故根据抗体膜电位的变化，可测知抗体的附量。,49,免疫传感器的结构,3室注入含有抗体的盐水,抗体与固定化抗原膜上的抗原相结合,膜表面吸附抗体,膜带电状态变化,1、2室内的电极产生电位差,50,11.5 半导体生物传感器,酶光敏二极管酶FET,51,酶光敏二极管,酶光敏二极管由催化发光反应的酶和光敏二极管(或晶体管)半导体器件构成；在硅光敏二极管的表面透镜上涂上一层过氧化氢酶膜，即构成了检测过氧化氢的酶光敏二极管；当二极管表面接触到过氧化氢时，由于过氧化氢酶的催化作用，加速发光反应，产生的光子照射到硅光敏二极管pn结点，从而改变了二极管的导通状态。即将发光效应转换成光敏二极管的光电流，从而检测出过氧化氢及其浓度大小。,52,酶光敏二极管的结构,53,酶FET,54,结构与工作原理,结构：大多数由以有机物所制作的敏感膜与HFET(氢离子场效应管)组成。制法：去掉FET的栅极金属，在此处固定生物敏感膜，如氮化硅膜，它易于被离子和水分渗透，而且表面一旦与若干水分溶化在一起时（称为水合作用），下式中的电位与氢离子浓度倒数的对数(即PH值)成比例。,55,举例：用电子聚合物将丁酰胆碱脂酶固定在ISFET 电极的敏感栅极上来测定敌敌畏（1）检测原理：溶液pH 值变化的减少量(即抑制率)与农药的浓度呈相关关系（2）器件设计,电子聚合物生物传感器阵列单元的MOS场效应管剖面示意图其中，4是Si3N4 钝化层，5是电子聚合物层,6是生物材料层,56,场效应管芯片的梳妆结构示意图,57,（3）制备工艺采用标准的MOS工艺制作出MOS场效应管；刻蚀去除栅区的金属铝；运用PVD法在梳状栅区沉积Si3N4钝化层（80-150 nm）；采用自组装法在Si3N4钝化层上制备厚度为1-2m的电子聚合物层(PEDOT)；在PEDOT层上沉积23 m的生物活性材料酶；引线、封装。,58,电子聚合物ENFET的性能测试系统,59,电子聚合物ENFET在不同pH值的缓冲溶液中的电流值与时间的关系由上而下，其pH值分别为6.2，6.8，7.5，8.6，9.2,60,电子聚合物基酶电极生物传感器在不同浓度的敌敌畏溶液中所测得的漏电流与时间的关系,61,11.6 生物传感器应用与未来,应用：发酵工业、医疗机构、军事发展方向：集成化微型生物传感器的研究生物芯片(仿人脑)仿生传感器(蝙蝠的超声波定位、海豚的声纳导航测距、信鸽的方向识别、狗的嗅觉),62,63,生物芯片就是在一块玻璃片、硅片、尼龙膜等材料上放上生物样品，然后由一种仪器收集信号，用计算机分析数据结果。生物芯片的集成，是生物材料的集成。,64,本章小结,概念:生物传感器问题1:请问生物传感器有哪些组成部分?问题2:简要说明一下生物传感器的固定方法，并分别进行比较。,