传感器技术在生化分析中应用进展-微生物传感器
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生物传感器
灵敏度高 选择性好 测定迅速 可微型化 现场检测
2.6 生物传感器在生化分析中的应用
➢ 基础研究：可实时监测生物大分子之间的相互作用， 动态观察抗原、抗体之间结合与解离的平衡关系。 ➢ 临床应用：用酶、免疫传感器等生物传感器来检测体 液中的各种化学成分，为医生的诊断提出依据。 ➢ 生物医药：利用生物工程技术生产药物时，将生物传 感器用于生化反应的监视，可以迅速地获取各种数据， 有效地加强生物工程产品的质量管理。
4.2 电化学DNA传感器 电化学DNA 生物传感器是将单链DNA 探针固定在电极
上，电极作为信号传导器将表面发生的杂交反应导出。
图4-2 电化学DNA传感器的原理示意图
4 基因传感器(DNA Biosensor)
4.2.1 DNA探针固定方法
➢ DNA 探针在电极表面的固定首先要考虑实现其与电极 的稳定连接和杂交活性的保持，因此电化学DNA 传感器 的性质，包括灵敏度和使用寿命等，很大程度上与探 针DNA 的固定方法密切相关。
1.4.2 BOD微生物传感器
1.5 展望
➢ 优点：成本低、操作简便、设备简单，市场前景 十分巨大和诱人。 ➢ 缺点：选择性不够好，这是由于在微生物细胞中 含有多种酶引起的。 ➢ 发展趋势：微型化、集成化、智能化。
4 基因传感器(DNA Biosensor)
4.1 基本原理 基因传感器也称为DNA生物传感器，是一种能将目的 DNA的存在转变为可检测的电、光、声等信号的传感 装置。
表1.典型微生物传感器一览表
测定对象 葡萄糖 甲酸 乙醇 乙醇 硝酸盐 亚硝酸盐 甲烷 谷氨酸 谷酰胺
微生物名称
测定电极
荧光假单胞菌 氧电极
丁酸梭菌
燃料电极
芸苔丝酵母菌 氧电极
木醋杆菌
氧电极
棕色固氮菌
氨气敏电极
硝化杆菌
氧电极
鞭毛甲基单胞菌 氧电极
大肠杆菌
二氧化碳电极
黄色八叠球菌 氨气敏电极
L-组氨酸 假单胞杆
➢ 生物传感器：指由一种生物敏感部件(如酶、抗 体、全细胞、细胞器或其联合体)和转化器紧密结 合,对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择 性和可逆响应的分析装置。 ➢ 它是发展生物技术必不可少的一种先进的检测 与监控方法,也是对物质在分子水平上进行快速和 微量分析的方法。
2.2 生物传感器工作原理
组成：DNA生物传感器和其它的生物传感器一样，包 含两部分，即分子识别元件(DNA) 和换能器。
种类：根据换能器种类不同，可以分成不同类型的DNA 生物传感器，如电化学DNA传感器、光学DNA传感器和 压电DNA传感器等。
4 基因传感器(DNA Biosensor)
图4-1 DNA传感器的分类
4 基因传感器(DNA Biosensor)
离子选择电极 氧化还原电极
电位型 电极
电流型 电极
氧电极
2.4 生物传感器分类
输出信号的 产生方式
分
类
原
信号转换器
则
生物亲和型 代谢型 催化型
电化学、半导体 测热型、测光型、测声型
生物分子识别元 件上的敏感材料
酶传感器、微生物传感器、 免疫传感器、组织传感器、 基因传感器、细胞及细胞 器传感器。
2.5 生物传感器的特点
（1）吸附法：利用载体 与微生物细胞间简单的 物理吸附进行固定。
（2）共价键法：通
过交联剂把活细胞以 共价键结合到载体上。
（3）包埋法：将微 生物活细胞包埋于
适当的立体网状材
料中，最常用。
1.3 测定系统
1.3.1 批式测定系统
1.3.2 流动测定系统
1.4 应用实例
1.4.1 氨传感器
图5. 微生物传感器的应用－氨传感器
氨气敏电极
检出范围 3~20 mg/ L 14~1320mg/ L 10~100mg/ L < 18 mg/ L 0.01~0.8mmol/L 0. 01~0. 6mmol/ L 0.01~36.6mmol/L 60~80 mg/L 0.1~10 mmol/L
0.1~3 mmol/ L
1.2 制备方法
LOGO
传感器技术在生化分析中的应用进展
专业：分析化学 组员：陈裕富、董秋鹏、祖洪波、刘丹
一、生物传感器的介绍
二、生物传感器在生化分析中的应用
1. 微生物传感器
目
2. 酶传感器
录
3. 免疫传感器
4. 基因传感器
三、生物传感器的发展趋势
一、生物传感器的介绍
1. 传感器技术
➢ 传感器(transducer或sensor)：将各种非电量 (包括物理量、化学量、生物量等)按—定规律转换 成便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的 装置。 ➢ 传感器技术：利用各种功能材料实现信息检测 的一门应用技术，是检测(传感)原理、材料科学、 工艺加工等三个要素的最佳结合。
图3. 微生物传感器原理示意图
➢ 例如，荧光假单胞菌，能同化葡萄糖；芸苔丝孢 酵母可同化乙醇，因此可分别用来制备葡萄糖和乙 醇传感器，这两种细菌在同化底物时，均消耗溶液 中的氧，因此可用氧电极来测定。
➢ 基于不同类型的信号转换器，常见的微生物传感 器：电化学型、光学型、热敏电阻型、压电高频阻 抗型和燃料电池型。
二、生物传感器在生化分析中的应用
1
微生物传感器 陈裕富
2
酶传感器
刘丹
ห้องสมุดไป่ตู้
3
免疫传感器
祖洪波
4
基因传感器
董秋鹏
1. 微生物传感器(Microorganism Sensor)
1.1 原理
➢ 微生物传感器是以活的微生物作为敏感材料，利用 其体内的各种酶系及代谢系统来测定和识别相应底物。 ➢ 组成：固定化微生物、换能器和信号输出装置。 ➢分类：呼吸活性测定型；电极活性测定型。
传感器的组成部份
被测量
敏感元件
转换元件
电量
转换电路
图1.传感器的组成示意图
传感器的分类
被检测量
物理量传感器 化学量传感器 生物量传感器
压阻式、压电式、电感式、
分 类
物理原理
电容式、应变式、霍尔式……
原
结构型
则
工作机理
物性型
能量的传递方式
有源传感器 无源传感器
2. 生物传感器
2.1 生物传感器的基本概念
化学物质 力 热 光
...
声
被 测 对 象
生物敏 感膜
（分子 识别感 受器）
物理、化学反应
换
电
能
信
器
号
图图21.生6-1物生传物传感感器器原原理理图图
2.3 信号转换
➢ 信号转换器是将分子识别元件进行识别时所产生的 化学的或物理的变化转换成可用信号的装置。
➢ 用得最多的且比较成熟的是电化学电极。
电化学电极
灵敏度高 选择性好 测定迅速 可微型化 现场检测
2.6 生物传感器在生化分析中的应用
➢ 基础研究：可实时监测生物大分子之间的相互作用， 动态观察抗原、抗体之间结合与解离的平衡关系。 ➢ 临床应用：用酶、免疫传感器等生物传感器来检测体 液中的各种化学成分，为医生的诊断提出依据。 ➢ 生物医药：利用生物工程技术生产药物时，将生物传 感器用于生化反应的监视，可以迅速地获取各种数据， 有效地加强生物工程产品的质量管理。
4.2 电化学DNA传感器 电化学DNA 生物传感器是将单链DNA 探针固定在电极
上，电极作为信号传导器将表面发生的杂交反应导出。
图4-2 电化学DNA传感器的原理示意图
4 基因传感器(DNA Biosensor)
4.2.1 DNA探针固定方法
➢ DNA 探针在电极表面的固定首先要考虑实现其与电极 的稳定连接和杂交活性的保持，因此电化学DNA 传感器 的性质，包括灵敏度和使用寿命等，很大程度上与探 针DNA 的固定方法密切相关。
1.4.2 BOD微生物传感器
1.5 展望
➢ 优点：成本低、操作简便、设备简单，市场前景 十分巨大和诱人。 ➢ 缺点：选择性不够好，这是由于在微生物细胞中 含有多种酶引起的。 ➢ 发展趋势：微型化、集成化、智能化。
4 基因传感器(DNA Biosensor)
4.1 基本原理 基因传感器也称为DNA生物传感器，是一种能将目的 DNA的存在转变为可检测的电、光、声等信号的传感 装置。
表1.典型微生物传感器一览表
测定对象 葡萄糖 甲酸 乙醇 乙醇 硝酸盐 亚硝酸盐 甲烷 谷氨酸 谷酰胺
微生物名称
测定电极
荧光假单胞菌 氧电极
丁酸梭菌
燃料电极
芸苔丝酵母菌 氧电极
木醋杆菌
氧电极
棕色固氮菌
氨气敏电极
硝化杆菌
氧电极
鞭毛甲基单胞菌 氧电极
大肠杆菌
二氧化碳电极
黄色八叠球菌 氨气敏电极
L-组氨酸 假单胞杆
➢ 生物传感器：指由一种生物敏感部件(如酶、抗 体、全细胞、细胞器或其联合体)和转化器紧密结 合,对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择 性和可逆响应的分析装置。 ➢ 它是发展生物技术必不可少的一种先进的检测 与监控方法,也是对物质在分子水平上进行快速和 微量分析的方法。
2.2 生物传感器工作原理
组成：DNA生物传感器和其它的生物传感器一样，包 含两部分，即分子识别元件(DNA) 和换能器。
种类：根据换能器种类不同，可以分成不同类型的DNA 生物传感器，如电化学DNA传感器、光学DNA传感器和 压电DNA传感器等。
4 基因传感器(DNA Biosensor)
图4-1 DNA传感器的分类
4 基因传感器(DNA Biosensor)
离子选择电极 氧化还原电极
电位型 电极
电流型 电极
氧电极
2.4 生物传感器分类
输出信号的 产生方式
分
类
原
信号转换器
则
生物亲和型 代谢型 催化型
电化学、半导体 测热型、测光型、测声型
生物分子识别元 件上的敏感材料
酶传感器、微生物传感器、 免疫传感器、组织传感器、 基因传感器、细胞及细胞 器传感器。
2.5 生物传感器的特点
（1）吸附法：利用载体 与微生物细胞间简单的 物理吸附进行固定。
（2）共价键法：通
过交联剂把活细胞以 共价键结合到载体上。
（3）包埋法：将微 生物活细胞包埋于
适当的立体网状材
料中，最常用。
1.3 测定系统
1.3.1 批式测定系统
1.3.2 流动测定系统
1.4 应用实例
1.4.1 氨传感器
图5. 微生物传感器的应用－氨传感器
氨气敏电极
检出范围 3~20 mg/ L 14~1320mg/ L 10~100mg/ L < 18 mg/ L 0.01~0.8mmol/L 0. 01~0. 6mmol/ L 0.01~36.6mmol/L 60~80 mg/L 0.1~10 mmol/L
0.1~3 mmol/ L
1.2 制备方法
LOGO
传感器技术在生化分析中的应用进展
专业：分析化学 组员：陈裕富、董秋鹏、祖洪波、刘丹
一、生物传感器的介绍
二、生物传感器在生化分析中的应用
1. 微生物传感器
目
2. 酶传感器
录
3. 免疫传感器
4. 基因传感器
三、生物传感器的发展趋势
一、生物传感器的介绍
1. 传感器技术
➢ 传感器(transducer或sensor)：将各种非电量 (包括物理量、化学量、生物量等)按—定规律转换 成便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的 装置。 ➢ 传感器技术：利用各种功能材料实现信息检测 的一门应用技术，是检测(传感)原理、材料科学、 工艺加工等三个要素的最佳结合。
图3. 微生物传感器原理示意图
➢ 例如，荧光假单胞菌，能同化葡萄糖；芸苔丝孢 酵母可同化乙醇，因此可分别用来制备葡萄糖和乙 醇传感器，这两种细菌在同化底物时，均消耗溶液 中的氧，因此可用氧电极来测定。
➢ 基于不同类型的信号转换器，常见的微生物传感 器：电化学型、光学型、热敏电阻型、压电高频阻 抗型和燃料电池型。
二、生物传感器在生化分析中的应用
1
微生物传感器 陈裕富
2
酶传感器
刘丹
ห้องสมุดไป่ตู้
3
免疫传感器
祖洪波
4
基因传感器
董秋鹏
1. 微生物传感器(Microorganism Sensor)
1.1 原理
➢ 微生物传感器是以活的微生物作为敏感材料，利用 其体内的各种酶系及代谢系统来测定和识别相应底物。 ➢ 组成：固定化微生物、换能器和信号输出装置。 ➢分类：呼吸活性测定型；电极活性测定型。
传感器的组成部份
被测量
敏感元件
转换元件
电量
转换电路
图1.传感器的组成示意图
传感器的分类
被检测量
物理量传感器 化学量传感器 生物量传感器
压阻式、压电式、电感式、
分 类
物理原理
电容式、应变式、霍尔式……
原
结构型
则
工作机理
物性型
能量的传递方式
有源传感器 无源传感器
2. 生物传感器
2.1 生物传感器的基本概念
化学物质 力 热 光
...
声
被 测 对 象
生物敏 感膜
（分子 识别感 受器）
物理、化学反应
换
电
能
信
器
号
图图21.生6-1物生传物传感感器器原原理理图图
2.3 信号转换
➢ 信号转换器是将分子识别元件进行识别时所产生的 化学的或物理的变化转换成可用信号的装置。
➢ 用得最多的且比较成熟的是电化学电极。
电化学电极