环境分析化学 生物传感器 Biosensor
生物传感器原理(biosensor)
生物传感器原理(biosensor)
生物传感器(biosensor)
生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。
生物传感器具有接受器与转换器的功能。
由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能，只对特定反应起催化活化作用，因此生物传感器具有非常高的选择性。
缺点是生物固化膜不稳定。
生物传感器涉及的是生物物质，主要用于临床诊断检查、治疗时实施监控、发酵工业、食品工业、环境和机器人等方面。
生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。
在未来21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。
各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。
电化学生物传感器-文档资料
共价结合法 a .重氮 b.迭氮 c.卤化氰 d.缩合
e.烷基化法 物理包埋法 将酶分子包埋在凝胶的细微格子里制成固定化。 常用的凝胶有：聚丙烯酸胺、淀粉、明胶、聚乙烯醇、 海藻酸钙、硅树脂 用凝胶包埋法制备的固定化酶如：木瓜蛋白酶、纤维素 酶、乳酸脱氢酶
2、酶传感器应用
（1）葡萄糖传感器
大肠杆菌改良型葡萄糖传感器
电化学生物传感器
报告人：邢月寒
一、什么是生物传感器？
生物传感器(Biosensor)是指用固定化的 生物体成分或生物体本身作为敏感元件 的传感器，是一种将生物化学反应能转 换成电信号的分析测试装置。
电化学生物传感器的基本组成
敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件
二、电化学生物传感器的信号转换器
Ito Y, Yamazaki S,Biosens Bioelectron.2019 , 17(11-12):993-8
MWCNTs-HRP葡萄糖传感器
施加电压为-300mv时，可避免抗坏血酸、尿酸 等干扰，对葡萄糖在GOD作用下生成的过氧化氢 有高的灵敏度。 MWCNTs和HRP混合物固定在电极上，制成 MWCNTs-HRP改进型电极。 检测限达1.0 x 10(-7) mol/L,还可在线检测葡萄 糖。
1、双抗体夹心法 此法适用于检验各种蛋白质 等大分子抗原
3、竞争法 竞争法可用于抗原和半抗原的定量 测定，也可用于测定抗体。
2、间接法 间接法是检测抗体最常用的方法， 其原理为利用酶标记的抗体检测 已与固相结合的受检抗体，故称 为间接法。
酶联免疫吸附测定法临床应用
Yamamoto K , Shi G . Analyst . 2019 ,128(3):249-54
检测血清中葡萄糖浓度
Biosensors for Environmental Monitoring
Biosensors for EnvironmentalMonitoring近年来，随着人们对环境污染的日益关注，环境监测成为国家、企事业单位以及个人不可或缺的工作。
为了更加快速、准确地监测环境中的有害物质，人类研发出了一种叫做“生物传感器”（Biosensors）的技术。
本文就来探讨一下这个话题，为大家介绍一下生物传感器在环境监测中的应用。
一、生物传感器的定义什么是生物传感器？其实，生物传感器可以称作是一种整合型的分析技术，能够利用生物分子对目标分子（如重金属、农药、有机物等）的高度选择性识别，通过将这种识别转化成可量化的信号输出，实现对目标分子的快速、准确检测，并同时将检测结果在屏幕上展示出来。
二、生物传感器的分类按照生物传感器对于目标分子检测的方式，可以将生物传感器分为三种类型：1. 酶传感器利用酶对目标分子的催化作用，输出能量信号，实现目标分子的快速、准确检测。
例如：葡萄酒中酚类物质和硫酸盐的定量分析。
2. 抗体传感器利用特异性高的抗体来识别抗原，并实现抗原的定量测定。
例如：检测生物体内的肿瘤标志物。
3. 核酸传感器利用DNA或RNA分子上的特定序列在目标分子的存在下产生变化，输出相关信号，实现目标分子的快速、准确检测。
例如：检测口罩、鲜花等物品中的导致变质的细菌。
三、生物传感器在环境监测中的应用对于环境监测而言，常见的目标分子有：重金属离子、氨氮、挥发性有机物、农药、镉、汞等。
这些有害物质的监测对于人们的健康和安全至关重要。
因此，生物传感器在环境监测中的应用也日益受到重视。
1. 氨氮监测氨氮是常见的污染物之一，对于水体、空气和土壤污染都有着重要的影响。
利用生物传感器技术，可以快速、准确地检测出氨氮浓度，从而减少环境中氨氮造成的危害。
例如，可以制作一种根据电解水的PH值快速检测出氨氮浓度的氨氮生物传感器。
2. 水污染监测水污染是一种常见的环境问题。
生物传感器技术已经应用于污水治理中，可以便捷、高效地检测出水中各种有害物质，如重金属、有机物和氮及磷化合物。
生物传感器
3．微生物反应
微生物反应：
是指利用微生物作为天然的生物催化剂 进行的反应。 （1）微生物反应定量原理：微生物在利用 物质进行呼吸或代谢的过程中,将消耗溶液中 的溶解氧或产生一些电活性物质。在微生物 的数量和活性保持不变的情况下,其所消耗的 溶解氧量或所产生的电活性物质的量可反映 被检测物质的量。
（6）聚合酶链式反应
聚合酶链式反应(PCR扩增),是利用DNA聚 合酶依赖于DNA模板的特性,模仿体内的复制 过程,在附加的一对引物之间诱发聚合酶反应, 包括模板变性、引物退火及用DNA聚合酶延 伸退火引物在内的重复驯化,使末端被引物5’ 端限定的特异性片段成指数形式累积。由于 每一循环中合成的引物延伸产物可作为下一 循环的模板,因而每次循环靶DNA的拷贝数几 乎呈几何级数增长,20次PCR循环将产生约一 百万倍的扩增。
各种生物传感器有以下共同的结构：包括一
种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能 把生物活性表达的信号转换为电信号的物理 或化学换能器（传感器），二者组合在一起， 用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信 号的再加工，构成各种可以使用的生物传感 器分析装置、仪器和系统。 2．分子识别元件 是由一种敏感物质即分子识别材料,经固 定化后构成的生物传感器敏感元件。 是生 物传感器的核心元件。
(2)
FMNH(OOH)·E+RCHO→FMN+R·CO2H+E 十H2O+hv
颜色反应 生物反应中的颜色变化包括两个方面 生物体内产生色素 酶与底物作用后产生颜色物质, (4) 阻抗变化 生物反应可使培养中的电惰性物质,如碳水化 合物、类脂和蛋白质等代谢为电活性产物,如乳酸盐、 乙酸盐、碳酸盐和氨等代谢物。当微生物生长和代 谢旺盛时,培养基中生成的电活性分子和离子增多, 从而导致培养液的导电性增大,阻抗则随之降低,反 之,则阻抗升高。这类反应是设计微生物传感器的基 础。
生物传感器的设计与制备
生物传感器的设计与制备生物传感器（biosensor）已成为生物学、生化学、医学等领域的重要技术。
生物传感器的原理是利用化学、物理、生物学等方法将生物大分子（如酶、抗体、DNA）与传感器材料相结合，使其具有高度的选择性和灵敏度，从而实现对生物环境中特定物质的检测和定量。
生物传感器具有应用广泛、检测灵敏、实时性好等优点，被广泛应用于医药、环境、卫生等领域。
本文将简要介绍生物传感器的设计与制备方法。
一、生物大分子的选择生物传感器的核心部分是生物大分子，包括酶、抗体、DNA等。
这些生物大分子具有高度的选择性和特异性，可以实现对特定物质的检测和定量。
生物大分子的选择应根据检测目标的特性来确定。
例如，对葡萄糖的检测可以选择葡萄糖氧化酶或葡萄糖酸脱氢酶作为生物大分子；对肿瘤标记物的检测可以选择相应的抗体。
生物大分子的选择关系到生物传感器的检测范围和检测灵敏度。
二、传感器材料的选择传感器材料是建立生物传感器的物质基础，应具有高度的灵敏度和选择性。
常用的传感器材料有电化学材料、光学材料、催化剂、纳米材料等。
例如，利用电化学材料制备的生物传感器可以实现快速、灵敏的电信号检测；光学材料可以实现对光信号的检测；利用催化剂可以加速反应速度，提高检测的灵敏度。
传感器材料的选择应考虑生物大分子的特性和反应机理。
三、生物大分子的修饰生物大分子与传感器材料的结合通常需要通过化学修饰的方法进行。
生物大分子的修饰可通过交联、化学修饰、共价键合等方式实现。
例如，将葡萄糖氧化酶修饰到电极表面，可采用交联法和共价键合法。
交联法通常利用聚乙二醇、凝胶等进行修饰，其优点是具有较强的稳定性和免疫原性；共价键合法则利用特定的交联剂，可实现较紧密的结合。
生物大分子的修饰应考虑到修饰方法对其活性的影响以及与传感器材料间的相容性。
四、传感器的制备传感器的制备是生物传感器的关键步骤，应考虑到传感器材料的特性和生物大分子的修饰情况。
传感器的制备通常涉及物理、化学、电化学等多个领域。
生物传感器
将化学变化转变成电信号
以酶传感器为例，酶催化特定底物发生反 应，从而使特定生成物的量有所增减。 用能把这类物质的量的改变转换为电信 号的装置和固定化酶耦合，即组成酶传 感器。常用转换装置有氧电极、过氧化 氢电极。
将热变化转换成电信号
固定化的生物材料与相应的被测物作用 时常伴有热的变化。例如大多数酶反应 的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围。 这类生物传感器的工作原理是把反应的 热效应借热敏电阻转换为阻值的变化,后 者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。
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）＋R（受体）= SR → P（生成物）
生物活性材料固定化技术
使用生物活性材料作为生物敏感膜，必须研究如何使 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。
基本原理 采用抗原与抗体的特异反应将待测物与酶连接， 然后通过酶与底物产生颜色反应，用于定量测 定。
在这种测定方法中有3种必要的试剂： ①固相的抗原或抗体（免疫吸附剂） ②酶标记的抗原或抗体（标记物） ③酶作用的底物（显色剂）
4)生物组织传感器
生物组织传感器是以活的动植物组织细胞切片作为识 别元件，并与相应的变换元件构成生物组织传感器。 ①生物组织含有丰富的酶类，这些酶在适宜的自然环境 中，可以得到相当稳定的酶活性，许多组织传感器工 作寿命比相应的酶传感器寿命长很多； ②在所需要的酶难以提纯时，直接利用生物组织可以得 到足够高的酶活性； ③组织识别元件制作简便，一般不需要采用固定化技术。
3)免疫传感器
电化学生物传感器原理、发展趋势及应用
电化学生物传感器原理、发展趋势及应用一、电化学生物传感器的检测原理电化学生物传感器（electrochemical biosensor）是指由生物材料作为敏感元件，电极（固体电极、离子选择性电极、气敏电极等）作为转换元件，以电势或电流的变化为特征检测信号的传感器，简称生物电极。
这类传感器发展最早，研究内容十分丰富，并已经得到广泛应用。
电流型传感器主要基于探测生物识别膜或化学反应中的电活性物质，通过固定工作电极的电位提供电活性的电子转移反应驱动力，探测电流随时间的变化。
该电流直接反映了生物分子识别和电子转移反应的速度，即该电流与待测物质的浓度成正比。
电位型传感器将生物识别反应转换为电位信号，该信号与生物识别反应过程中产生或消耗的活性物质浓度对数成正比，从而与待测物质浓度的对数成正比。
电位型离子选择电极的选择性渗透离子导电膜可设计成与待测离子相关的产生电位信号的敏感膜，测试在电流为零的条件下进行。
根据作为敏感元件所用生物材料的不同，电化学生物传感器分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA传感器等。
电化学生物传感器具有以下特点：1.适合于对生物体液中的物质活度测定的需要，响应直观，通过计算机联用，可直接读出待测生物物质的浓度或活度。
2.由于其具有分子识别的功能和高选择性，在许多测定中，样品无需复杂处理，操作简便，易于自动化监测，可连续监测患者的血液物质浓度。
3.测定速度快电讯号的输出和测定响应快速，通过与计算机的接口还可进行多成分同时测定。
4.试样用量少可以将敏感探头微型化，只需微升级样品即可完成分析。
如有的K+、Ca2+、Cl-、Na+及CO2分析仪仅需50μl样品，每小时可测100个样品，这为临床检验缩短检测周期提供了条件。
5.可对体内物质直接和动态测量。
将微小探头埋在体内或留置于血管中，可以指示体内物质的变化，有利于床旁或现场检测。
6.灵敏度高例如AFP免疫电极可测定10-8～10-10 g/ml的浓度。
生物传感器
生物传感器信研1402摘要：生物传感器是一种以生物活性单元为敏感元件，结合化学、物理转换元件，对被分析物具有高度选择性的装置，它具有灵敏度高、检测速度快、操作简便、成本低、可进行连续动态监测等优点。
本文在介绍生物传感器发展现状、组成及工作原理以及输入输出信号的基础上，对生物传感器的应用进行了综述。
引言生物传感器技术是一个非常活跃的工程技术研究领域,它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起处在生命科学和信息科学的交叉区域，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控装置。
、生物传感器组成生物传感器（biosensor）,是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。
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（如图1所示）：一为功能识别物质（分子识别元件又称生物敏感膜），由其去识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。
分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础；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。
生物传感器被浏物g S 样品生物传感器识别和检测待测物的一般反应过程为：图1■生物传感器组成结构图首先，待测物分子与识别元素接触；然后，识别元素把待测物分子从样品中分离出来；接着，转换器将识别反应相应的信号转换成可分析的化学或物理信号；最后，使用现代分析仪器对输出的信号进行相应的转换，将输出信号转化为可识别的信号。
m AK :: Aoalyl白、工作原理生物传感器工作方式分为两种：直接转换为电信号和间接转换为电信号型, 间接型是将化学信号、光信号或者热信号等其他信号转换为电信号。
图2■生物传感器工作原理图三、生物传感器的分类根据识别元素的不同，生物传感器可分为酶免疫传感器、细胞传感器、微生物传感器、传感器等，，根据输出信号产生的方式生物传感器可分为生物亲和型传感器或催化型生物传感器等。
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(3)根据生物传感器的信号转化器分类
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。
传感器类型 敏感物质 信号传感器
酶传感器
(生物膜传感器)
微生物传感器
免疫传感器
酶
电化学测定装置
微生物
场效应晶体管
抗体或抗原 光纤 光敏二极管
细胞器传感器 细胞传感器
·用生物体成分(酶、抗原、抗体等)或生物体本身(微生物、 细胞器、动植物组织等)为敏感材料, 经过适当的方法固定 在惰性基质上构成分子识别元件，再和信号转换器件(传 导器)组成的传感器，它可以将生物信号转化为数量化的 电信号。
简言之: 生物传感器是将生物感应元件的专一性与一个能 够和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的一种小型 化分析装置。
３、生物传感器的分类
可以从三个角度进行分类：
生物亲和型Biosensor
(1)根据传感器输出信号的产生方式，分为 代谢型或催化型
(受体与基质的反应特性及受体来源)
仿生生物传感器
(2)根据生物传感器中分子识别元件上的敏感物质分类；
酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免 疫传感器等。
·２０世纪７０年代中期，人们研究酶电极的衍生物：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，使生物传感器的种类大大增多。
·２０世纪８０年代生物传感器开始出现研究热潮。（固定 化技术的研究）
·２０世纪末本世纪初，生物、化学、生物技术、生物化学、 物理、机械工程、电子技术等各领域开始多学科结合用于 生物传感器的开发。
性分析。响应范围 10-1—10-7mol/L。
二、生物传感器的基本组成、原理及分类
１、基本组成 由敏感元件（即生物元件）、信号传导器组
成。 生物元件：生物体、动植物组织、细胞、细
胞器、细胞膜、酶、酶组分、感受器、抗体、 抗原、核酸、神经受体、有机物分子等。 传导器：电热测量式、电流测定式、电导率 测量式、阻抗测定式、机械式、光强测量式、 热量测定式、声强测量式、 “分子”电子式。
细胞器
热敏电阻
动植物细胞 SAW装置
传感器类型
电化学生物传感器 半导体生物传感器 测光型生物传感器 测热型生物传感器
测热型生物传感器
图２ 生物传感器的分类
1. 酶传感器
以酶作为生物催化层，它是由离子选择性电极涂一 含酶层构成。
特点:酶纯化条件苛刻,且酶离开其天然生活环境较 易失活。
2. 细胞器传感器
细胞内含有残粒体、微粒体等细胞器,他们是高度机 能的分子集合体。用他们构成生物催化层并与敏感 膜电极结合可构成细胞器电极。
特点:细胞器仍需从天然环境中分离出来,故有酶电 极类似的缺点。
3. 细菌(微生物)传感器
它是直接利用酶源——细菌作生物催化层的膜电极。
特点:选择性不如酶电极,但寿命较长,稳定性较好,响应时间长。
5. 免疫传感器
非标记免疫传感器:使抗原或抗体与膜良好结合,与待测物中的抗原或抗 体起免疫反应,形成抗原或抗体复合物,引起信号变化。
标记免疫传感器:放射免疫、酶免疫。
三、生物传感器的发展和应用
1. 生物传感器的发展 ·１９６２年 Clark 和Lyons最先提出酶电极的设想，将电
极与含有葡萄糖氧化酶的膜结合应用于葡萄糖检测。此后， 不同底物酶电极的报道相继出现。１９７５年第一台以酶 电极为检测器的临床血糖分析仪问世。
2.生物传感器的应用
(1)医学与卫生保健上
微生物传感器、植物组织传感器、酶免疫传感器等用来测定 致癌物、谷氨酸盐、甲脂蛋白、葡萄糖、尿酶、梅毒、血型、 肝癌、脑癌、心肌缺血等。
(2) 环境监测中的应用 A. 水环境监测
· 酶类微生物传感器：Cu、CN-、苯、甲苯、二甲苯、碳酸盐、S、磷。。 · BOD生物传感器 ·阴离子表面活性传感器 ·NO3- NO2- NH3-N生物传感器 ·水体富营养化生物传感器 ·赤潮(浮游生物传感器、藻类传感器)
２、工作原理
待测物质
分 子 识 别
感 应 器信 号 转 换 Nhomakorabea换 能 器
信号 检测器
图１ 生物传感器的工作原理示意图
敏感元件（分子识别元件）和待测物质之间的 相互作用有以下几种类型：
（１）化学能变化；(如:质子H+浓度变化等) （２）热变化； （３）光效应转变； （４）声波变化; （５）场效应变化; （６）直接产生电信号方式。
生物传感器 Biosensor
第一部分 生物传感器简介 生物传感器的性能特点 生物传感器的基本组成、工作原理及分类 传感器的发展和应用
一、 生物传感器的性能特点
1．生物传感器的概念：
·生物传感器（Biosensor）是一类特殊的化学传感器，它
应用的是生物机理, 将生物化学传感同电子信号转换技术 相结合的一种测量装置。
4. 组织传感器
以动植物的某些器官切片,或以其它方式固定这些组织或完整细胞,与敏 感性电极结合形成组织传感器。
特点: 1)可用于不清楚或无法分离获取但又是所需要的酶,及其生物催化 途径尚不清楚的系统;2) 天然组织含有必需的副酶及其它必要的成分,并 处于最佳环境中,组织膜中的酶相当于被优化固定,所以电极寿命较长。 3) 在某些完整的细胞体系中,具有一定生物催化活性的诱导或再生能力, 活性可稳定至数周及数月;4)工艺简单,造价便宜。
2．生物传感器的特点
（1） 一般不需要样品的前处理，不需加入其 他试剂。
（2） 体积小，可以实现连续在线检测。 （3） 响应速度快、样品用量少，且由于敏感
元件是固定化的，可以反复多次使用。 （4） 选择性好、灵敏度高。 （5） 传感器连同测定仪的成本远低于大型的
分析仪器，因而便于推广普及。 生物传感器应用于单一分析物的广谱性和特异
(2) 环境监测中的应用
B. 大气环境监测
·CO2 Biosensor、亚硫酸Biosensor、 NOx Biosensor 氨Biosensor、甲烷Biosensor等。
C. 残留农药监测
·杀虫剂Biosensor、除草剂Biosensor
D. 海洋污染物监测
E. 其它环境监测
·有毒有害物质