离子敏传感器与生物传感器.pptx

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,传感器原理与应用,第14章,离子敏传感器与生物传感器,1/98,第14章 离子敏传感器与生物传感器,如图所表示是ELIT双电极组合系统，是由插入式全固态离子选择电极、8mm参比电极和双极组合插座组成，完全能够代替传统复合电极，有效地到达了高率益、低成本和实用性最正确化。,2/98,第14章 离子敏传感器与生物传感器,图示为英飞凌科技与德国马克思浦朗克研究所合作研发含有活神经细胞生物传感器芯片，可读取细胞所发出电子讯号。,3/98,第14章 离子敏传感器与生物传感器,这种被英飞凌称为“神经芯片”突破技术，将有利于研究人员在神经元、神经组织及有机神经网络方面取得新发觉。在药品发展领域中，此种神经芯片将有利于测试活神经元新药品配方功效。,4/98,第14章 离子敏传感器与生物传感器,SBA,-,40型生物传感分析仪如图所表示，是快速、准确测定葡萄糖、L,-,乳酸和谷氨酸双指标智能化仪表，国家级重点新产品，经过更换不一样酶膜，能够同时得到上述任两种成份定量分析结果。,5/98,第14章 离子敏传感器与生物传感器,14.1 离子敏传感器,14.2 生物传感器,6/98,14.1 离子敏传感器,离子敏传感器是一个电化学敏感器件，是最早研究开发应用一类化学传感器，它能在复杂被测物质中快速、灵敏、定量地测出离子或中性分子浓度。其中，离子选择电极,(,ISE,),已在化学、环境保护、医药、食品及生物工程等工业领域取得了广泛应用。伴随半导体技术及微电子技术与微机械加工技术发展，离子敏场效应管等也得到了快速发展和应用。,7/98,14.1 离子敏传感器,离子敏传感器原理框图如图所表示。,8/98,14.1 离子敏传感器,离子传感器技术进步取决于,敏感膜,与,换能器,，所以离子传感器分类通常是依据敏感膜种类或换能器类型来划分。,依据敏感膜种类，可划分为,玻璃膜式、固态膜式、液态膜式、以离子传感器为基本体隔膜式,等。,依据换能器类型，可划分为,电极型、场效应晶体管型、光导纤维型、声表面波型,等。,9/98,14.1 离子敏传感器,14.1.1 离子选择电极,14.1.2 离子敏场效应管,14.1.3 离子敏传感器应用,10/98,14.1.1 离子选择电极,离子选择电极法是指使用离子选择电极作指示电极电位分析方法,，是电化学分析主要分支。它含有快捷、准确、精密度高、操作简单、仪器体积小、适于连续操作等特点，且电极不受样品颜色、浊度、悬浮物或粘度干扰。已被广泛应用于试验室痕量分析、常规离子分析及环境监测等领域。,当代离子电极定量分析方法理论基础是描述电极电势与溶液组分关系表示式Nernst方程。,11/98,14.1.1 离子选择电极,1,.,离子电极结构,内参比电极封入一个塑料或玻璃材质无反应性容器中，并浸在容器中内参比溶液里。在容器下端用一块,离子选择性膜,封闭，使离子选择电极溶液与外界隔离。,不一样离子选择电极其膜物理性质也不一样，,离子选择电极选择性即源于离子选择性膜,。,12/98,14.1.1 离子选择电极,2,.,离子选择电极工作原理,当把离子选择电极浸入溶液时，若溶液中含有能透过离子选择性膜离子，且内参比溶液中该离子浓度与样品溶液中浓度不相等时，该种离子从高浓度一侧向低浓度一侧扩散，就在离子选择性膜两侧产生了电位差，该电位差依赖于样品溶液中离子活度及内参比溶液中离子活度，为,13/98,14.1.1 离子选择电极,式中，,n,为被测离子上基本电荷数，即相当于,n,个质子电荷；,a,i,为样品中离子活度，,a,j,为内参比溶液中离子活度；,T,为温度；,R,为气体常数；,F,为法拉弟常数。,14/98,14.1.1 离子选择电极,3,.,离子活度,电解质溶液中某种离子体积浓度是化学计量浓度，以,C,i,表示，活度是指有效体积浓度，以,a,i,表示。二者是有区分，比如浓度为0.1mol,/,LNaCl溶液其活度却为0.078mol,/,L。活度与体积浓度关系为,式中，,u,i,为离子活度系数，普通,u,i,1，只有当,C,i,趋于零时，,u,i,=1。,15/98,14.1.1 离子选择电极,如图所表示，,经过一个高输入阻抗电位测量装置测量离子选择电极和参比电极之间电位差即可知道离子浓度。,前面公式是在电极仅对被测离子响应前提下得出。然而离子选择电极经常对其它离子也有响应，则输出将受其它离子影响。,16/98,14.1 离子敏传感器,14.1.1 离子选择电极,14.1.2 离子敏场效应管,14.1.3 离子敏传感器应用,17/98,14.1.2 离子敏场效应管,离子敏场效应管ISFET传感器是在金属氧化物场效应晶体管,(,MOSFET,),基础上制成对特定离子敏感离子检测器件，是集半导体制造工艺和普通离子电极特征于一体传感器，其结构与普通MOSFET类似。在ISFET中,由特定离子敏感膜、被测电解液及参比电极代替了MOSFET金属栅极,。,18/98,14.1.2 离子敏场效应管,1,.,ISFET传感器结构与原理,离子选择电极是利用离子感应膜产生膜电位,(也称为界面电位),来进行检测。用离子感应膜来取代MOSFET金属栅极，得到ISFET。溶液中特定离子能使膜两侧产生膜电位差，此电位差又能引发沟道电流改变。所以ISFET传感器是集半导体制造工艺和普通离子电极特征于一体新型传感器。,19/98,14.1.2 离子敏场效应管,MOSFET结构如图所表示。,20/98,14.1.2 离子敏场效应管,ISFET结构如图所表示，和MOSFET相比，用离子敏感膜代替了金属栅极。,21/98,14.1.2 离子敏场效应管,电压电流关系如图所表示。在饱和区，,I,d,与,U,ds,无关，仅取决于,U,gs,。若外加,U,gs,不变，因离子浓度改变造成膜两侧出现电势差，,I,d,将改变。,22/98,14.1 离子敏传感器,14.1.1 离子选择电极,14.1.2 离子敏场效应管,14.1.3 离子敏传感器应用,23/98,14.1.3 离子敏传感器应用,1,.,离子选择电极应用,主要应用范围分为以下三大类,试验室分析；,工业流程分析；,医学上分析。,24/98,14.1.3 离子敏传感器应用,离子选择电极直接响应溶液中离子组分，所以应用离子电极对溶液体系,(比如各种水质、工业流程溶液、生理溶液等)进行分析是最为方便。固体样品(比如矿石、土壤、生物组织等)可经过溶解、浸取或消煮后进行测定，气体组分或大气中微粒可用溶液吸收后进行测定。使用气敏电极还可直接测定溶液中气体组分(,NH,3,、CO,2,、NO,x,及SO,2,等,),。离子选择电极还可用来测定许多有机化合物,(比如氨基酸、扁桃苷、脑甾醇、尿素、青霉素等),。,25/98,14.1.3 离子敏传感器应用,比如，土壤中氯含量测定。长久以来采取汞量滴定法或银量滴定法。因为土壤提取液本身比较浑浊，故妨碍了滴定分析。采取氯离子选择电极进行土壤中氯测定则不受干扰。,再比如测水泥生、熟料中二氧化硅含量等。,26/98,14.1.3 离子敏传感器应用,一个工业流程自动电位滴定系统如图所表示。IR是由ISE和参比电极组成复合电极，TE为温度计，APT为自动电位滴定仪，内设时间控制程序，FT为流量变送器，SV为取样阀。,27/98,14.1.3 离子敏传感器应用,先加样品，由SV,1,启、停时间和FT,1,给出流速可知样品加入量,V,x,。之后SV,2,开启，加入滴定试剂，经过ISE指示滴定终点。抵达终点时，SV,2,自动关闭。由SV,2,启、停时间和FT,2,给出流速可知滴定试剂加入量,V,s,。,28/98,14.1.3 离子敏传感器应用,滴定试剂浓度,C,s,已知，由此可求得样品浓度,C,x,。最终SV,3,开启放掉溶液，SV,1,又重新开启，重复上述滴定过程。分析结果由统计仪给出。需要自动调整时，分析结果信号可送至调整器去控制调整阀。上述整个滴定过程和数据处理可由微机完成。,29/98,14.1.3 离子敏传感器应用,2,.,离子敏场效应晶体管应用,离子敏场效应晶体管,(,ISFET,),在生物医学上取得了广泛应用，这是因为它含有体积小、反应快、使用方便等特点，能快速测定人体中血液、尿、汗、淋巴、唾液、脑髓液、骨髓、胃液中成份，为临床诊疗提供可靠依据。,30/98,14.1.3 离子敏传感器应用,实用探针式ISFET器件，漏源栅区被设计成平行长条形，用集成工艺技术制造。敏感膜在针端部，用SiO,2,和Si,3,N,4,绝缘，以预防离子浸入，最外面覆盖离子敏感层,(,譬如测Na,用硅酸铝,),。ISFET做成微型探针嵌入注射器针头内，可直接监测生物体内所需部位瞬态离子情况。,当前做成微型结构，端部宽仅30,m,m，可插入细胞中直接测量像神经细胞等伴随兴奋状态改变离子浓度改变情况，能判别正常细胞与癌细胞。,31/98,14.1.3 离子敏传感器应用,利用集成化技术做成多功效ISFET，在同一探头上能够同时测量和综合诊疗。比如用多功效ISFET可同时测出兔子头盖骨内pH和pNa在停顿呼吸四分钟时有瞬时增加现象，如图所表示。,32/98,14.1 离子敏传感器,14.1.1 离子选择电极,14.1.2 离子敏场效应管,14.1.3 离子敏传感器应用,33/98,第14章 离子敏传感器与生物传感器,14.1 离子敏传感器,14.2 生物传感器,34/98,14.2 生物传感器,生物传感器是利用酶、抗体、微生物等作为传感材料，将所感受到生物体转换为电信号进行检测传感器。由两部分组成：,固定化生物大分子作识别元件,(或称为,感受器,)；,适当信号转换器,，称,基础电极,或,内敏感器,(如电流或电位测量电极、氧电极、场效应管、光纤等),，是一个电化学或光学检测元件。当分子识别元件与底物,(待测物)特异结合后，所产生复合物(或光、热等),经过信号转换器转变为输出电信号、光信号，从而到达分析检测目标。,35/98,14.2 生物传感器,14.2.1 生物传感器特点、原理及分类,14.2.2 酶传感器,14.2.3 微生物传感器,14.2.4 免疫传感器,14.2.5 组织传感器,14.2.6 生物电子学传感器,14.2.7 仿生传感器,14.2.8 生物传感器应用,14.2.9 生物芯片技术,36/98,14.2.1 生物传感器特点、原理及分类,1,.,生物传感器特点,生物传感器是利用酶、抗体、微生物等作为元件敏感材料,，故采取不一样生物物质，可有选择地对特定物质响应。如酶识别酶作用物、抗体识别抗原、核酸识别形成互补碱基正确核酸等。和普通化学分析方法相比，生物传感器含有以下特点,选择性好，只对特定被测物质起反应，而且不受颜色、浊度影响；,37/98,14.2.1 生物传感器特点、原理及分类,操作简单，需样品量少，能直接完成测定；,经固定化处理，可保持较长久生物活性，传感器可重复使用；,分析检测速度快；,准确度高，普通相对误差小于1%；,主要缺点是使用寿命较短。,38/98,14.2.1 生物传感器特点、原理及分类,2,.,生物传感器结构与原理,生物传感器结构普通是在基础电极上再耦合一个生物敏感膜。生物传感器,原理,如图所表示。,39/98,14.2.1 生物传感器特点、原理及分类,生物传感器中信号测量主要有,电化学式,和,光学式,两种，测量方法选择,(即基础电极选择),是传感器结构设计基本依据，而测量方法选择在很大程度上取决于生化过程本质。生物传感器所用,基础电极,如表所表示。,40/98,14.2.1 生物传感器特点、原理及分类,声表面波生物传感器如图所表示。,41/98,14.2 生物传感器,14.2.1 生物传感器特点、原理及分类,14.2.2 酶传感器,14.2.3 微生物传感器,14.2.4 免疫传感器,14.2.5 组织传感器,14.2.6 生物电子学传感器,14.2.7 仿生传感器,14.2.8 生物传感器应用,14.2.9 生物芯片技术,42/98,14.2.2 酶传感器,1,.,酶传感器分类,酶是由蛋白质组成生物催化剂，能对特定待测物质进行选择性催化，故利用酶特征可制造出高灵敏度、高选择性传感器。,按照输出信号不一样，普通将酶传感器分为两类，即,电流型,和,电位型,。,43/98,14.2.2 酶传感器,(,1,),电流型酶传感器,电流型酶传感器是依据与催化反应相关物质电极反应所得到电流来确定反应物质浓度。即电流型传感器是基于溶液中电极组成电化学反应池中电流电压关系，当传感器加上一个电压时，电流值同活性物质浓度成百分比。O,2,与H,2,O,2,都是电化学活性物质与酶一起参加反应，普通采取O,2,电极、燃料电池电极H,2,O,2,电极等。,44/98,14.2.2 酶传感器,(,2,),电位型酶传感器,电位型酶传感器是经过电化学敏感器件测量敏感膜电位来确定催化反应相关各种离子浓度，普通采取NH,3,电极，CO,2,、H,2,电极等。,酶传感器分类如表,14,.,2,所表示。,45/98,14.2.2 酶传感器,2,.,酶传感器结构与原理,(,1,),葡萄糖酶传感器结构与原理,葡萄糖酶传感器敏感膜为葡萄糖氧化酶。它固定在聚乙烯酰胺凝胶上。其中电化学传感器阴极为Pt，阳极为Pb，中间为电解液。在Pt电极表面上覆盖一层透氧气聚四氟乙烯膜，形成封闭式氧电极。在聚四氟乙烯膜外侧再包上一层葡萄糖氧化酶即组成葡萄糖酶传感器。,46/98,14.2.2 酶传感器,1阴极；2聚四氟乙烯膜；3固定酶膜；4非对称透膜多孔层；5半透膜致密层,经典葡萄糖酶传感器由三层组成。内层用来固定酶，同时是O,2,或H,2,O,2,选择膜。中层为酶膜，是酶反应场所，在此膜内葡萄糖与O,2,反应产生H,2,O,2,。外层膜用来限制葡萄糖传质过程，以使葡萄糖在膜内扩散过程为反应控制步骤。,47/98,14.2.2 酶传感器,其工作原理为,葡萄糖,+O,2,+H,2,O,葡糖酶,GOD,葡萄糖酸,+H,2,O,2,当传感器放入葡萄糖溶液中时，因为酶作用而耗氧，此时聚四氟乙烯膜附近氧气量降低，对应电极还原电流降低，经过电流值改变可确定葡萄糖浓度大小。当然也可用金属电极经过测量H,2,O,2,测定葡萄糖浓度。上述氧电极一个优点是聚四氟乙烯膜起到了隔离作用，防止了被测物质与电极直接接触。,48/98,14.2.2 酶传感器,(,2,),常见酶传感器及其主要特征,因为酶能选择性地快速识别特定底物，并在较温和条件下对底物起催化作用，所以酶是一个作为生物传感器首选生物活性物质。自然界中已获判定酶有2500各种，但大多数酶制备与纯化困难，加之固定化技术对酶活性影响很大，这就极大限制了酶传感器研究和应用。当前已实用化市售酶传感器达200种以上。一些酶传感器主要特征列于表14,.,3中。,49/98,14.2 生物传感器,14.2.1 生物传感器特点、原理及分类,14.2.2 酶传感器,14.2.3 微生物传感器,14.2.4 免疫传感器,14.2.5 组织传感器,14.2.6 生物电子学传感器,14.2.7 仿生传感器,14.2.8 生物传感器应用,14.2.9 生物芯片技术,50/98,14.2.3 微生物传感器,微生物包含细菌、酵母、霉菌等，它们在适宜条件下分裂繁殖很快，故活性微生物是生物电极优良酶源。,微生物传感器分子识别是由固定化微生物组成,。提出这类传感器基本思绪是,(,1,),微生物细胞内含有能使从外部摄入物质进行代谢酶体系，因而可防止使用价格较高分离酶。而且有些微生物酶体系功效是单种酶所没有。,51/98,14.2.3 微生物传感器,(,2,),微生物能繁殖生长或在营养液中再生，因而有可能长时间保持生物催化剂活性，延长传感器使用期限。,52/98,14.2.3 微生物传感器,1,.,微生物传感器分类及特点,微生物本身就含有生命活动细胞，有各种生理机能。如呼吸机能,(,O,2,消耗,),和新陈代谢机能,(物质合成与分解),，还有菌体内复合酶、能量再生系统、辅助酶再生系统等。所以设计微生物传感器主要问题是在不损坏微生物机能情况下，怎样把细胞内酶反应与电化学过程偶联起来。就偶联方式而言，微生物传感器可分为两类,53/98,14.2.3 微生物传感器,(,1,),呼吸机能型,即微生物是好,(亲),气型细菌。它呼吸时会使有机物氧化，消耗氧并生成CO,2,，所以可用O,2,电极或CO,2,气敏电极进行检测。,(,2,),代谢机能型,即微生物代谢产物是电极活性物质，可借助惰性金属电极进行电信号检测。如一些称为氢菌微生物可使葡萄糖、蔗糖、淀粉、各种氨基酸蛋白质转变产生氢。所以可经过氢氧化电流测定将微生物作用转变为电信号。,54/98,14.2.3 微生物传感器,微生物传感器原理如图所表示。,55/98,14.2.3 微生物传感器,微生物电极与普通酶电极比较有以下优点,结构简单，成本低。而许多酶很昂贵。,菌体内酶存在于细胞内天然环境中，寿命长，不用时可将微生物存放在营养介质中还可再生，而很多纯化酶不稳定。,细胞中除酶外还包含代谢反应中所需辅助因子，而一些用酶作电极需加昂贵辅助因子。,56/98,14.2.3 微生物传感器,若与被测物相关酶还末分离出或复杂反应还不清楚时，则用微生物细胞是唯一方法。,主要缺点是特效性、响应时间和重现性比酶电极差。,57/98,14.2.3 微生物传感器,2,.,呼吸机能型微生物传感器,微生物呼吸机能存在,好气性,和,厌气性,两种。,好气性微生物生长需要氧气。可经过测量氧气来控制呼吸机能并了解其生理状态。,厌气性微生物相反，它不需要氧气，氧气存在会妨碍微生物生长。可经过测量CO,2,及其它生成物来探知其生理状态。,58/98,14.2.3 微生物传感器,可见呼吸机能型微生物传感器是由微生物固定化膜和O,2,电极,(,或CO,2,电极,),组成，在应用O,2,电极时把微生物放在纤维性蛋白质中固定化处理，然后把固定化膜附着在封闭式O,2,电极透氧膜上。,59/98,14.2.3 微生物传感器,图示为生物化学耗氧量,(,BOD,),传感器。将其放入含有机化合物被测溶液中，有机物向微生物固定化膜扩散，而被微生物摄取,(称为资化),，因为微生物呼吸量在有机物资化前后不一样，这可经过O,2,电极转变为扩散电流值从而间接测定有机物浓度。,1电解质；2O形环；3Pb阴极；4聚四氟乙烯；5固化微生物膜；6尼龙网；7Pt阳极,60/98,14.2.3 微生物传感器,图示为响应曲线。稳定电流值表示传感器放入待测溶解氧处于饱和状态缓冲溶液中微生物呼吸水平。当溶液中加入葡萄糖或谷氨酸等营养液后，电流快速下降，并到达新稳定电流值。该稳定值与未添加营养源时电流值之间差值和样品中有机物浓度成正比。,61/98,14.2.3 微生物传感器,3,.,代谢机能型微生物传感器,代谢型微生物传感器基本原理是用微生物使有机物资化而产生各种代谢生成物，在这些代谢生成物中，含有被电极产生电化学反应物质,(即电极活性物质),。所以微生物固定化膜与离子电极,(或燃料电池型电极),相结合就组成了代谢型生物传感器。,62/98,14.2.3 微生物传感器,把产生H,2,酪酸梭状芽细菌固定在低温胶冻膜并把它装在燃料电池Pt电极上，燃料电池由Pt电极,(阳极),5，Ag,2,O,2,电极,(阴极),4，电解液3,(,0.1mol,/,L磷酸缓冲液,),以及液体联结面2组成，1为O型环，,6为聚四氟乙烯膜,。,63/98,14.2.3 微生物传感器,当传感器浸入含有甲酸溶液时，甲酸经过聚四氟乙烯膜向酪酸梭状芽细菌扩散，被资化后产生H,2,。H,2,穿过Pt电极表面上聚四氟乙烯膜与Pt电极产生氧化还原反应电流，此稳定电流与微生物产生H,2,含量成正比，而氢气量又与待测溶液甲酸浓度相关，所以传感器能快速测定发酵液中甲酸浓度。,64/98,14.2.3 微生物传感器,4,.,常见微生物传感器特征,和酶传感器相比，微生物传感器稳定性好,(达数月)，价格廉价，使用寿命较长、灵敏度不亚于酶传感器，但响应时间较长(数分钟),、选择性较差，因为普通微生物能与各种有机物作用。,常见一些微生物传感器性能见表14,.,4。,65/98,14.2 生物传感器,14.2.1 生物传感器特点、原理及分类,14.2.2 酶传感器,14.2.3 微生物传感器,14.2.4 免疫传感器,14.2.5 组织传感器,14.2.6 生物电子学传感器,14.2.7 仿生传感器,14.2.8 生物传感器应用,14.2.9 生物芯片技术,66/98,14.2.4 免疫传感器,免疫传感器基本原理是免疫反应，当有病原菌或其它异种蛋白,(抗原),侵入动物体内，体内即可产生能识别这些异物并把他们从体内排出抗体，抗原和抗体结合即可发生,免疫反应。其特异性很高,。免疫传感器就是利用抗体,(抗原)反抗原(抗体)识别功效而研制成生物传感器。因为抗体(或抗原),中没有酶那样催化功效，免疫传感器组成与酶或微生物传感器略有区分。,67/98,14.2.4 免疫传感器,1,.,抗原与抗体,(,1,),抗原,抗原是能够刺激动物机体产生免疫反应物质。从广义生物学观点看，凡含有引发免疫反应性能物质都能够称为抗原。抗原有两种性能：刺激机体产生免疫应答反应；与对应免疫反应物发生特异性结合反应。抗原一旦被淋巴球响应就形成抗体。,68/98,14.2.4 免疫传感器,(,2,),抗体,抗体是由抗原刺激机体产生含有特异性免疫功效球蛋白，又称,免疫蛋白,。抗体为Y字型结构，两个分支含有选择结合能力。抗原是异性蛋白质，一旦与抗体结合，就形成稳定复合体，二者结合反应称为,免疫反应,。,69/98,14.2.4 免疫传感器,2,.,标识免疫传感器与非标识免疫传感器,抗体反抗原选择亲和性与酶对底物有很大差异。酶与底物形成复合物寿命短，只存在于底物转变为产物过渡态中。而抗体,-,抗原复合物非常稳定，难以分离。另外，抗体,-,抗原反应不能直接提供电化学检测可利用效应。这些特点是设计免疫传感器时必须考虑。依检测原理，免疫传感器可分为,标识免疫传感器,与,非标识免疫传感器,。,70/98,14.2.4 免疫传感器,(,1,),标识免疫传感器,标识免疫测定法,是用放射性同位素、酶、荧光物质、稳定游离基、金属、红细胞、脂质体及噬菌体等作为标识物免疫测定法。,酶标识免疫传感器既利用了免疫反应特异性又吸收了酶催化反应灵敏性，是一个很有前途分析方法。,71/98,14.2.4 免疫传感器,以酶免疫传感器为例。结构如图所表示。,工作原理是：测量前在待测溶液中添加一定量酶(如,过氧化氢酶,)标识抗原,2,，即抗原与过氧化氢酶结合而成复合体。当酶免疫电极与待测溶液接触时，非标识抗原,1,(待测对象)与标识抗原竞争与电极上抗体,3,结合。,72/98,14.2.4 免疫传感器,一定时间后，将电极取出洗去未成复合物游离抗原，接着浸入含有H,2,O,2,溶液中，此时在,过氧化氢酶,作用下能引发大量H,2,O,2,分解产生O,2,。由氧电极可检测出O,2,生成速率，进而求出抗体膜上,过氧化氢酶,含量。若标识抗原添加量恒定，则待测液中非标识抗原含量越高，竞争结合在抗体膜上标识抗原量越少，因而检测到O,2,生成速率越小。由此可求出非标识抗原含量。,73/98,14.2.4 免疫传感器,(,2,),非标识免疫传感器,非标识免疫传感器工作原理是抗体,(抗原),被固定在膜或电极表面上。当发生免疫反应后，抗体与抗原形成复合体，改变了电极物理性质，如表面电荷密度、离子在膜中传输速度等，从而引发膜电极电位改变。这些改变是固定有抗体膜表面单分子层水平内发生微小改变。当然，首先还必须处理在表面非特异吸附等问题。,74/98,14.2.4 免疫传感器,非标识免疫传感器工作原理如图所表示。抗体,(或抗原),固定在基体上，基体一旦与含有抗原溶液接触，在基体表面就形成抗原,-,抗体复合体。,比较基体表面形成抗原,-,抗体复合体前后物理性质改变，就可知道抗原多少。已发觉物理性质改变有：膜电位；电极电位；压电特征；光学特征等。,75/98,14.2.4 免疫传感器,免疫传感器主要研究例子列于表14,.,5中。,免疫传感器一个应用实例是梅毒抗体传感器。梅毒抗体传感器是使用脂质抗原固定化膜。将乙酰纤维素与抗原溶于二氯乙烷与乙醇溶液中，然后将它摊在玻璃板上，形成厚度为10,m,m膜。将抗原在膜中进行包裹固定化。干燥后将膜剥下，经过支持物将它固定于容器内。,76/98,14.2.4 免疫传感器,梅毒抗体传感器由三个容器组成，参考膜,(不含有抗原纯乙酰纤维素膜),与抗原固定化膜分开。血清注入容器II中。,抗原膜带负电。假如血清中存在抗体，则抗体被吸附于抗原表面形成复合体。,因抗体带正电荷，所以膜负电荷降低，而引发膜电位改变。经过测定两个电极间电位差，判断血清中梅毒抗体有没有。,77/98,14.2.4 免疫传感器,几个光纤免疫传感方式如图所表示。,78/98,14.2 生物传感器,14.2.1 生物传感器特点、原理及分类,14.2.2 酶传感器,14.2.3 微生物传感器,14.2.4 免疫传感器,14.2.5 组织传感器,14.2.6 生物电子学传感器,14.2.7 仿生传感器,14.2.8 生物传感器应用,14.2.9 生物芯片技术,79/98,14.2.5 组织传感器,组织传感器是将哺乳动物或植物组织切片作为分子识别元件传感器,。因为组织只是生物体局部，组织细胞内酶品种可能少于作为生命整体微生物细胞内酶品种。所以，组织传感器可望有较高选择性。,80/98,14.2 生物传感器,14.2.1 生物传感器特点、原理及分类,14.2.2 酶传感器,14.2.3 微生物传感器,14.2.4 免疫传感器,14.2.5 组织传感器,14.2.6 生物电子学传感器,14.2.7 仿生传感器,14.2.8 生物传感器应用,14.2.9 生物芯片技术,81/98,14.2.6 生物电子学传感器,由生物分子和半导体器件等电子器件融合制作传感器称为生物电子学传感器,。,其敏感膜制备与前述几个生物传感器相同。主要特点是，轻易微型化、集成化、多参数与批量生产。这类生物传感器中主要有下面几个,(,1,),酶热敏电阻,由敏感膜包覆于热敏电阻上组成。反应产生热信号由热敏电阻传出。,82/98,14.2.6 生物电子学传感器,(,2,),生物敏场效应晶体管,通常是由敏感膜涂覆于ISFET栅区组成，如图所表示。,比如把青霉素酶膜涂覆于测量H,+,ISFET，可做成青霉素FET。酶与青霉素作用生成H,+,被传感，对青霉素进行定量测试，响应时间约25s，寿命可达数月。,83/98,14.2.6 生物电子学传感器,(,3,),光寻址电位传感器,它是场效应传感器家族中一员，结构如图所表示。,其基本原理是基于电场效应器件对绝缘层与电解质溶液间界面电位改变敏感。不一样是，它采取调制光束照射，并采取锁相检测技术。所以含有以下突出优点,84/98,14.2.6 生物电子学传感器,应用范围广。它检测是光照射部位所对应绝缘层表面电位，所以凡能经过各种反应引发绝缘层表面电位改变各种参数均能检测。,光寻址能力。利用光束对不一样部位照射，可选择性地激活不一样敏感部位，使其成为一个结构简单,(,只需2根引线,),而含有多参数或多样品同时检测功效生物传感器。,极高灵敏度。,85/98,14.2.6 生物电子学传感器,较高稳定性。,所需样品少,(数微升到数百微升),。,测量范围宽。,检测时间短。,光寻址电位传感器研究发展非常快速，在短短几年内，其功效己从单一H,+,敏光寻址电位传感器发展到酶光寻址电位传感器、免疫光寻址电位传感器及生物光寻址电位传感器，应用范围越来越广。,86/98,14.2 生物传感器,14.2.1 生物传感器特点、原理及分类,14.2.2 酶传感器,14.2.3 微生物传感器,14.2.4 免疫传感器,14.2.5 组织传感器,14.2.6 生物电子学传感器,14.2.7 仿生传感器,14.2.8 生物传感器应用,14.2.9 生物芯片技术,87/98,14.2.7 仿生传感器,从广义上说仿生传感器是属于生物传感器主要组成部分，因为在生物中有视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉等。所以生物传感器研究中一个主要内容就是研究能代替这些感觉器官生物传感器。称它为仿生传感器，也称它为以生物系统为模型生物传感器。,88/98,14.2.7 仿生传感器,五种感觉中有响应物理量光、力视觉、听觉和触觉，也有响应化学物质嗅觉和味觉，它们响应机理是不一样，尤其是嗅觉和味觉，其响应机理至今还有很多问题不明确。但这些感觉都是分子识别、分子信息转移、传输和处理过程。,89/98,14.2.7 仿生传感器,通常认为分子识别时会造成神经脉冲发生，引发界面膜电位改变。多年来利用一些生物材料、非生物材料或二者混合材料，来模仿生物系统，实现感官功效，研制出了一系列仿生传感器，如嗅觉传感器、味觉传感器、视觉传感器等。,90/98,14.2 生物传感器,14.2.1 生物传感器特点、原理及分类,14.2.2 酶传感器,14.2.3 微生物传感器,14.2.4 免疫传感器,14.2.5 组织传感器,14.2.6 生物电子学传感器,14.2.7 仿生传感器,14.2.8 生物传感器应用,14.2.9 生物芯片技术,91/98,14.2.8 生物传感器应用,生物传感器应用非常广泛，表14,.,6给出了其在生物医学中一些应用。,生物传感器不但应用在医学工程中，而且在工业生产中也得到应用。譬如发酵工业生产各种化合物，需要连续地控制发酵生成物浓度，方便深入提升发酵过程效率。为了快速检测发酵培养液中谷氨酸含量，可采取谷氨酸传感器。,其它如环境监测等方面皆有应用。,92/98,14.2 生物传感器,14.2.1 生物传感器特点、原理及分类,14.2.2 酶传感器,14.2.3 微生物传感器,14.2.4 免疫传感器,14.2.5 组织传感器,14.2.6 生物电子学传感器,14.2.7 仿生传感器,14.2.8 生物传感器应用,14.2.9 生物芯片技术,93/98,14.2.9 生物芯片技术,生物芯片技术指采取光导原位合成或微量点样等方法，将生物大分子样品有序地固化于支持物上，然后与已标识待测生物样品中靶分子杂交，再经过特定仪器对杂交信号强度进行检测分析，从而了解靶分子数量与质量。,生物芯片制作方法有两类，一类是,光导原位合成法,，另一类是,点样法,。,94/98,14.2.9 生物芯片技术,比如点样法，其制作机器上有很多一样“打印”针，吸针同时将生物大分子从多孔板中吸出，然后同时“打印”(或称固定)在芯片基上(或称支持物上)。大量制备好核酸、多肽、蛋白等生物大分子用特殊自动化微量点样装置将它们以较高密度互不干扰地印点于经过特殊处理玻片、尼龙膜、硝酸纤维素膜上，并使其与支持物牢靠结合。,95/98,14.2.9 生物芯片技术,1992年第一块生物芯片问世，是应用半导体摄影平板技术研制DNA芯片；1995年才进入广泛研究和应用时期。我国从1997年才开始对生物芯片有所了解，并逐步开始研究，到当前已经有20多家高等学府或科研院所从事生物芯片技术方面研究，尤其是近年来出现了一批专业以生物芯片技术研究和产业化开发为主营业务生物芯片技术企业。,预计生物芯片技术产业化将带来非常可观社会经济效益,。,96/98,14.2 生物传感器,14.2.1 生物传感器特点、原理及分类,14.2.2 酶传感器,14.2.3 微生物传感器,14.2.4 免疫传感器,14.2.5 组织传感器,14.2.6 生物电子学传感器,14.2.7 仿生传感器,14.2.8 生物传感器应用,14.2.9 生物芯片技术,97/98,第14章 离子敏传感器与生物传感器,14.1 离子敏传感器,14.2 生物传感器,98/98,