生物传感技术省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第第 9 章章 生物传感技术生物传感技术v9.1 概述概述v9.2 生物传感技术分子生物传感技术分子 识别原理与技术识别原理与技术v9.3 生物传感仪器技术及其应用生物传感仪器技术及其应用1第1页9.1 9.1 概述概述 生物传感技术是一门由生物、化学、物理、医学、电子生物传感技术是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等各种学科相互渗透成长起来高新技术，在生物医学、技术等各种学科相互渗透成长起来高新技术，在生物医学、环境监测、食品、医药及军事医学等领域有着主要应用价环境监测、食品、医药及军事医学等领域有着主要应用价值。值。生物传感器有以下共同结构：包含一个或数种相关生物生物传感器有以下共同结构：包含一个或数种相关生物活性材料及能把生物活性表示信号转换为电信号物理或化活性材料及能把生物活性表示信号转换为电信号物理或化学换能器，二者组合在一起，用当代微电子和自动化仪表学换能器，二者组合在一起，用当代微电子和自动化仪表技术进行生物信号再加工，组成各种能够使用生物传感器技术进行生物信号再加工，组成各种能够使用生物传感器分析装置、仪器和系统。分析装置、仪器和系统。2第2页生物传感器特点：生物传感器特点：（1 1）采取固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵试剂能够）采取固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵试剂能够重复屡次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分重复屡次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂缺点。析繁琐复杂缺点。（2 2）专一性强，只对特定底物起反应，而且不受颜色、浊度）专一性强，只对特定底物起反应，而且不受颜色、浊度影响。影响。（3 3）分析速度快，能够在一分钟得到结果。）分析速度快，能够在一分钟得到结果。（4 4）准确度高，普通相对误差能够到达）准确度高，普通相对误差能够到达1 1。（5 5）操作系统比较简单）操作系统比较简单 ，轻易实现自动分析。，轻易实现自动分析。（6 6）成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。）成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。（7 7）有生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内供氧情）有生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内供氧情况和副产物产生。况和副产物产生。3第3页9.1.1 9.1.1 生物传感器工作原理生物传感器工作原理以生物活性物质为敏感材料做成传感器叫生物以生物活性物质为敏感材料做成传感器叫生物传感器。传感器。它以生物分子去识别被测目标，然后将生物分它以生物分子去识别被测目标，然后将生物分子所发生子所发生物理或化学改变转化为对应电信号，给予放大物理或化学改变转化为对应电信号，给予放大输出，从输出，从而得到检测结果。而得到检测结果。生物传感器选择性与分子识别元件相关，取决生物传感器选择性与分子识别元件相关，取决于与载体于与载体相结合生物活性物质。相结合生物活性物质。4第4页 为了提升生物传感器灵敏度，可利用化学放大功为了提升生物传感器灵敏度，可利用化学放大功效。所谓化学放大功效，就是使一个物质经过催化、效。所谓化学放大功效，就是使一个物质经过催化、循环或倍增机理同一个试剂作用产生出相对大量产物。循环或倍增机理同一个试剂作用产生出相对大量产物。传感器信号转换能力取决于所采取转换器。传感器信号转换能力取决于所采取转换器。依据器件信号转换方式可分为：依据器件信号转换方式可分为：直接产生电信号；直接产生电信号；化学改变转换为电信号；化学改变转换为电信号；热改变转换为电信号；热改变转换为电信号；光改变转换为电信号；光改变转换为电信号；界面光学参数改变转换为电信号。界面光学参数改变转换为电信号。5第5页9.1.2 9.1.2 生物传感技术发展历史生物传感技术发展历史 19671967年美国年美国S.J.S.J.乌普迪克等制出了第一个生物传感器乌普迪克等制出了第一个生物传感器葡萄糖传感器。现已发展了第二代生物传感器（微生物、葡萄糖传感器。现已发展了第二代生物传感器（微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器），研制和开发第三代生物免疫、酶免疫和细胞器传感器），研制和开发第三代生物传感器，将生物技术和电子技术结合起来场效应生物传感传感器，将生物技术和电子技术结合起来场效应生物传感器。近年来，伴随生物科学、信息科学和材料科学发展推器。近年来，伴随生物科学、信息科学和材料科学发展推进，生物传感器技术飞速发展。能够预见，未来生物传感进，生物传感器技术飞速发展。能够预见，未来生物传感器将含有以下特点：器将含有以下特点：（1 1）功效多样化）功效多样化（2 2）微型化）微型化（3 3）智能化与集成化）智能化与集成化（4 4）低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命）低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命 6第6页9.1.3 9.1.3 生物传感器分类生物传感器分类生物传感器主要有下面三种分类命名方式：生物传感器主要有下面三种分类命名方式：（1 1）依据生物传感器中分子识别元件即敏感元件不一样，生）依据生物传感器中分子识别元件即敏感元件不一样，生物传感器可分为酶传感器（固定化酶）、微生物传感器物传感器可分为酶传感器（固定化酶）、微生物传感器（固定化微生物）、免疫传感器（固定化抗体）、基因（固定化微生物）、免疫传感器（固定化抗体）、基因传感器（固定化单链核酸）、细胞传感器（固定化细胞传感器（固定化单链核酸）、细胞传感器（固定化细胞器）和组织传感器（固定化生物体组织）等。器）和组织传感器（固定化生物体组织）等。（2 2）按照传感器器件检测原理分类，可分为：热敏生物传感）按照传感器器件检测原理分类，可分为：热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。生物传感器等。（3 3）按照生物敏感物质相互作用类型分类，可分为亲和型和）按照生物敏感物质相互作用类型分类，可分为亲和型和代谢型两种。代谢型两种。7第7页9.2 生物传感技术分子识别原理与技术生物传感技术分子识别原理与技术酶促反应动力学（酶促反应动力学（kinetics of enzyme-kinetics of enzyme-catalyzed reactionscatalyzed reactions）是研究酶促反应速度及其）是研究酶促反应速度及其影响原因科学。这些原因主要包含酶浓度、底物浓影响原因科学。这些原因主要包含酶浓度、底物浓度、度、pHpH值、温度、抑制剂和激活剂等。但必须注意，值、温度、抑制剂和激活剂等。但必须注意，酶促反应动力学中所指明速度是反应初速度，因为酶促反应动力学中所指明速度是反应初速度，因为此时反应速度与酶浓度呈正比关系，这么防止了反此时反应速度与酶浓度呈正比关系，这么防止了反应产物以及其它原因影响。应产物以及其它原因影响。9.2.1 酶反应酶反应8第8页酶促反应含有一下几个特点：酶促反应含有一下几个特点：酶促反应含有普通催化剂性质；加速化学反应进行酶促反应含有普通催化剂性质；加速化学反应进行，而其本身在反应前后没有质和量改变，不影响反应方，而其本身在反应前后没有质和量改变，不影响反应方向，不改变反应平衡常数；酶促反应含有极高催化效率向，不改变反应平衡常数；酶促反应含有极高催化效率；酶促反应含有高度专一性。一个酶只作用于一类化合；酶促反应含有高度专一性。一个酶只作用于一类化合物或一定化学键，以促进一定化学改变，并生成一定产物或一定化学键，以促进一定化学改变，并生成一定产物，这种现象称为酶特异性或专一性。受酶催化化合物物，这种现象称为酶特异性或专一性。受酶催化化合物称为该酶底物或作用物。酶对底物专一性通常分为绝对称为该酶底物或作用物。酶对底物专一性通常分为绝对特异性、相对特异性和立体异构特异性。特异性、相对特异性和立体异构特异性。9第9页1 1.酶浓度对反应速度酶浓度对反应速度影响影响 在一定温度和在一定温度和pHpH值值条件下，当底物浓度大条件下，当底物浓度大大超出酶浓度时，酶浓大超出酶浓度时，酶浓度与反应速度呈正比关度与反应速度呈正比关系。系。酶浓度对反应初速度影响酶浓度对反应初速度影响10第10页2.2.底物浓度对反应速度影响底物浓度对反应速度影响 在酶浓度不变情况下，底在酶浓度不变情况下，底物浓度对反应速度影响作用展物浓度对反应速度影响作用展现矩形双曲线。在底物浓度很现矩形双曲线。在底物浓度很低时，反应速度随底物浓度增低时，反应速度随底物浓度增加而急聚加紧，二者呈正比关加而急聚加紧，二者呈正比关系，即一级反应。随底物浓度系，即一级反应。随底物浓度升高，反应速不呈正百分比加升高，反应速不呈正百分比加紧，反应速度增加幅度不停下紧，反应速度增加幅度不停下降。假如继续加大底物浓度，降。假如继续加大底物浓度，反应速度不再增加，表现为反应速度不再增加，表现为0 0级级反应。此时，不论底物浓度增反应。此时，不论底物浓度增加多大，反应速度也不再增加，加多大，反应速度也不再增加，说明酶被底物所饱和。说明酶被底物所饱和。11第11页3.pH3.pH值对反应速度影响值对反应速度影响 酶反应介质酶反应介质pHpH值可影响酶分子解离程度和催化值可影响酶分子解离程度和催化基团中质子供体或质子受体所需离子化状态，也可基团中质子供体或质子受体所需离子化状态，也可影响底物和辅酶解离程度，从而影响酶与底物结合。影响底物和辅酶解离程度，从而影响酶与底物结合。12第12页下表下表 一些酶最适一些酶最适pHpH值值 溶液溶液pHpH值高于和低于最适值高于和低于最适pHpH值时都会使酶活性降低，值时都会使酶活性降低，远离最适远离最适pHpH值时甚至造成酶变性失活。值时甚至造成酶变性失活。温度对唾液淀粉酶温度对唾液淀粉酶活性影响活性影响酶酶胃胃蛋蛋白白酶酶胰蛋胰蛋白酶白酶过过氧氧化化氢氢酶酶精精氨氨酸酸酶酶延延胡胡索索酸酸酶酶核核糖糖核核酸酸酶酶最最适适pH值值1.87.77.69.87.87.813第13页4.4.温度对反应速度影响温度对反应速度影响 化学反应速度随温度增化学反应速度随温度增高而加紧。但酶是蛋白质，高而加紧。但酶是蛋白质，可随温度升高而变性。左图可随温度升高而变性。左图所表示为温度对唾液淀粉酶所表示为温度对唾液淀粉酶活性影响活性影响14第14页5.5.抑制剂对反应速度影响抑制剂对反应速度影响 凡能使酶活性下降而不引发酶蛋白变性物质称作酶凡能使酶活性下降而不引发酶蛋白变性物质称作酶抑制剂。使酶变性失活（称为酶钝化）原因如强酸、强抑制剂。使酶变性失活（称为酶钝化）原因如强酸、强碱等，不属于抑制剂。通常抑制作用分为可逆性抑制和碱等，不属于抑制剂。通常抑制作用分为可逆性抑制和不可逆性抑制两类。不可逆性抑制两类。6.6.激活剂对酶促反应速度影响激活剂对酶促反应速度影响 能使酶活性提升物质，都称为激活剂，其中大部分能使酶活性提升物质，都称为激活剂，其中大部分是离子或简单有机化合物。是离子或简单有机化合物。15第15页9.2.2 9.2.2 微生物反应微生物反应 利用微生物进行生物化学反应过程称为微生物反应过程，利用微生物进行生物化学反应过程称为微生物反应过程，即将微生物作为生物催化剂进行反应为微生物反应。即将微生物作为生物催化剂进行反应为微生物反应。1.1.微生物反应和酶反应共同特点微生物反应和酶反应共同特点（1 1）二者都是生物化学反应，反应所需要环境相同；）二者都是生物化学反应，反应所需要环境相同；（2 2）微生物细胞中包含各种酶，催化全部酶能够催化反应；）微生物细胞中包含各种酶，催化全部酶能够催化反应；（3 3）二者催化速度近似。）二者催化速度近似。16第16页2.2.微生物反应特殊性微生物反应特殊性（1 1）酶反应需要温和环境，微生物细胞膜系统为酶反应提）酶反应需要温和环境，微生物细胞膜系统为酶反应提供了天然供了天然“理想环境理想环境”，细胞能够在较长时间保持一定催，细胞能够在较长时间保持一定催化活性；化活性；（2 2）同一个微生物细胞本身包含数以千计种酶，显然比单）同一个微生物细胞本身包含数以千计种酶，显然比单一酶更适合多底物反应；一酶更适合多底物反应；（3 3）酶反应需要辅助因子和能量能够由微生物细胞提供；）酶反应需要辅助因子和能量能够由微生物细胞提供；（4 4）酶提纯等成本高，有些酶至今未能完全提纯，相比之）酶提纯等成本高，有些酶至今未能完全提纯，相比之下，微生物细胞起源方便，价格低廉。下，微生物细胞起源方便，价格低廉。17第17页3.3.传感器以微生物为敏感元件不足之处传感器以微生物为敏感元件不足之处 微生物传感器作为生物传感器主要组成部分，作为分微生物传感器作为生物传感器主要组成部分，作为分子识别元件即敏感元件生物传感器亦存在着本身不足之处：子识别元件即敏感元件生物传感器亦存在着本身不足之处：（1 1）因为反应过程中往往存在着微生物生长和死亡，故分）因为反应过程中往往存在着微生物生长和死亡，故分析反应标准不易建立。析反应标准不易建立。（2 2）微生物细胞本身是一个庞大酶系统，包含本身代谢在）微生物细胞本身是一个庞大酶系统，包含本身代谢在内许多反应并存，难以去除无须要反应。内许多反应并存，难以去除无须要反应。（3 3）微生物细胞受环境改变影响易引发本身生理状态复杂）微生物细胞受环境改变影响易引发本身生理状态复杂化，从而造成不期望反应。化，从而造成不期望反应。18第18页4.4.微生物反应分类方式微生物反应分类方式 微生物反应主要有下面三种分类方式微生物反应主要有下面三种分类方式（1 1）按照生物代谢流向，微生物反应能够分为同化作用）按照生物代谢流向，微生物反应能够分为同化作用和异化作用。和异化作用。（2 2）按照微生物对营养要求，微生物反应能够分为自养）按照微生物对营养要求，微生物反应能够分为自养性和异养性。性和异养性。（3 3）按照微生物反应对氧需求是否，微生物反应能够分）按照微生物反应对氧需求是否，微生物反应能够分为好氧反应和厌氧反应。为好氧反应和厌氧反应。19第19页 免疫指机体对病原生物感染抵抗能力。可区分为自然免免疫指机体对病原生物感染抵抗能力。可区分为自然免疫和取得性免疫。自然免疫是非特异型，取得性免疫普通是疫和取得性免疫。自然免疫是非特异型，取得性免疫普通是特异性，在微生物等抗原物质刺激后才形成，并能与该抗原特异性，在微生物等抗原物质刺激后才形成，并能与该抗原产生特异性反应。上述各种免疫过程中，抗原与抗体反应是产生特异性反应。上述各种免疫过程中，抗原与抗体反应是最基本反应。最基本反应。9.2.3 免疫反应免疫反应20第20页1.1.抗原抗原（1 1）抗原定义抗原定义 抗原是能够刺激动物体产生免疫反应物质。抗原有两种抗原是能够刺激动物体产生免疫反应物质。抗原有两种性能：刺激机体产生免疫应答反应和与对应免疫反应产物发性能：刺激机体产生免疫应答反应和与对应免疫反应产物发生异性结合反应。前一个性能称为免疫原性，后一个性能称生异性结合反应。前一个性能称为免疫原性，后一个性能称为反应原性。含有免疫原性抗原完全抗原，那些只有反应原为反应原性。含有免疫原性抗原完全抗原，那些只有反应原性，不刺激免疫应答反应称为半抗原。性，不刺激免疫应答反应称为半抗原。（2 2）抗原分类抗原分类 通常，依据起源不一样，抗原又能够分为以下几个：通常，依据起源不一样，抗原又能够分为以下几个：天然抗原天然抗原 人工抗原人工抗原 合成抗原。合成抗原是化学合成多肽分子。合成抗原。合成抗原是化学合成多肽分子。21第21页（3 3）抗原理化性状抗原理化性状抗原有两种性状：抗原有两种性状：物理性状。完全抗原分子量较大，通常相对分子质量物理性状。完全抗原分子量较大，通常相对分子质量在在1 1万以上。分子量越大，其表面积对应扩大，接触免万以上。分子量越大，其表面积对应扩大，接触免疫系统细胞机会增多，因而免疫原性也就增强。疫系统细胞机会增多，因而免疫原性也就增强。化学组成。自然界中绝大多数抗原都是蛋白质，即可化学组成。自然界中绝大多数抗原都是蛋白质，即可是纯蛋白，也可是结合蛋白。是纯蛋白，也可是结合蛋白。22第22页免疫传感器种类免疫传感器种类（4 4）抗原决定簇抗原决定簇 抗原决定簇是抗原分抗原决定簇是抗原分子表面特殊化学基团，抗子表面特殊化学基团，抗原特异性取决于抗原决定原特异性取决于抗原决定簇性质、数目和空间排列。簇性质、数目和空间排列。不一样种系动物血清白蛋不一样种系动物血清白蛋白因其末端氨基酸排列不白因其末端氨基酸排列不一样，而表现出各自种属一样，而表现出各自种属性特异。一个抗原常含有性特异。一个抗原常含有一个以上抗原决定簇，如一个以上抗原决定簇，如牛血清蛋白有牛血清蛋白有1414个，甲状个，甲状腺球蛋白有腺球蛋白有4040个。个。种 属 末端（N端COOH末端（C端）人天冬酰胺、丙氨酸甘氨酸、缬氨酸、丙氨酸、亮氨酸马天冬酰胺、苏氨酸缬氨酸、丝氨酸、亮氨酸、丙氨酸兔天冬酰胺亮氨酸、丙氨酸23第23页2.2.抗体抗体（1 1）抗体定义）抗体定义 抗体是由抗原刺激机体产生特征免疫功效球蛋白，抗体是由抗原刺激机体产生特征免疫功效球蛋白，又称免疫球蛋白。又称免疫球蛋白。（2 2）抗体结构）抗体结构 免疫球蛋白都是由一至几个单体组成，每个单体有免疫球蛋白都是由一至几个单体组成，每个单体有两条相同分子量较大重链和两条相同分子量较小轻链组成，链与链之两条相同分子量较大重链和两条相同分子量较小轻链组成，链与链之间经过二硫链及非共价键链连接。间经过二硫链及非共价键链连接。免疫球蛋白（免疫球蛋白（IgIg）结构模式图）结构模式图24第24页（3 3）抗体特征）抗体特征 抗体早已用在免疫检测中，其与对应抗抗体早已用在免疫检测中，其与对应抗原之间键连接甚至比酶与其基质之间连接愈加有力，尤原之间键连接甚至比酶与其基质之间连接愈加有力，尤其是对对应抗原连接更是如此。其是对对应抗原连接更是如此。3.3.抗原抗原-抗体反应抗体反应抗原抗原-抗体结合时将发生凝聚、沉淀、溶解反应和促进抗体结合时将发生凝聚、沉淀、溶解反应和促进吞噬抗原颗粒作用。在溶液中，抗原和抗体两个分子吞噬抗原颗粒作用。在溶液中，抗原和抗体两个分子表面电荷与介质中离子形成双层离子云，内层和外层表面电荷与介质中离子形成双层离子云，内层和外层之间电荷密度差形成静电位和分子间引力。因为这种之间电荷密度差形成静电位和分子间引力。因为这种引力仅在近距离上发生作用，抗原与抗体分子结合时对引力仅在近距离上发生作用，抗原与抗体分子结合时对位应十分准确。一是结合部位形状要互补于抗原形位应十分准确。一是结合部位形状要互补于抗原形状；二是抗体活性小心带有与抗原决定簇相反电荷。状；二是抗体活性小心带有与抗原决定簇相反电荷。25第25页 然而，抗体特异性是相正确，表现在两个然而，抗体特异性是相正确，表现在两个方面：其一，部分抗体不完全与抗原决定簇方面：其一，部分抗体不完全与抗原决定簇相对应。其二，即便是针对某一个半抗原抗相对应。其二，即便是针对某一个半抗原抗体，其化学结构也可能不一致。抗原与抗体体，其化学结构也可能不一致。抗原与抗体结合尽管是稳固，但也是可逆。调整溶液结合尽管是稳固，但也是可逆。调整溶液PHPH值或离子强度，能够促进可逆反应。一些酶值或离子强度，能够促进可逆反应。一些酶能促使逆反应，抗原能促使逆反应，抗原-抗体复合物解离时，都抗体复合物解离时，都保持自己原来特征。保持自己原来特征。26第26页9.2.49.2.4 膜技术膜技术 膜是指能以特定形式限制和传递各种物质分隔两相界膜是指能以特定形式限制和传递各种物质分隔两相界面。膜在生产和研究中使用技术被称之为膜技术，它包含面。膜在生产和研究中使用技术被称之为膜技术，它包含膜分离技术和非分离膜技术。膜分离技术和非分离膜技术。膜分离是利用膜特殊性能和各种分离装置单元使溶液膜分离是利用膜特殊性能和各种分离装置单元使溶液和悬浮液中一些组分较其它组分更加快地透过，从而到达和悬浮液中一些组分较其它组分更加快地透过，从而到达分离、浓缩目标。非分离膜技术是指一些含有特殊性能功分离、浓缩目标。非分离膜技术是指一些含有特殊性能功效膜应用及其它一些膜过程。能量转换膜、反应膜、膜蒸效膜应用及其它一些膜过程。能量转换膜、反应膜、膜蒸馏等，都是属于非分离膜技术。馏等，都是属于非分离膜技术。27第27页1.1.膜分离工作原理膜分离工作原理 一是依据混合物质量、体积和几何形态不一样，用过一是依据混合物质量、体积和几何形态不一样，用过筛方法将其分离；二是依据混合物不一样化学性质。物质筛方法将其分离；二是依据混合物不一样化学性质。物质经过分离膜速度取决于进入膜内速度和由膜一个表面扩散经过分离膜速度取决于进入膜内速度和由膜一个表面扩散到另一表面速度。经过分离膜速度愈大，透过膜所需时间到另一表面速度。经过分离膜速度愈大，透过膜所需时间愈短，同时，混合物中各组分透过膜速度相差愈大，则分愈短，同时，混合物中各组分透过膜速度相差愈大，则分离效率愈高。离效率愈高。28第28页2.膜处理方法膜处理方法 (1)微滤（微滤（MF）膜技术）膜技术 微滤膜是以静压差为推进力，微滤膜是以静压差为推进力，利利 用筛网状过滤介质膜筛分作用进行分离。用筛网状过滤介质膜筛分作用进行分离。(2)超滤（超滤（UF）膜技术）膜技术 超出滤是以压差为驱动力，利超出滤是以压差为驱动力，利用超滤膜高精度截留性能进行固液分离或使不一样相对分用超滤膜高精度截留性能进行固液分离或使不一样相对分子质量物质分级膜分离技术。子质量物质分级膜分离技术。3.纳滤（纳滤（NF）膜技术）膜技术 纳滤膜是在反渗透膜基础上发展起来，因含有纳米级孔纳滤膜是在反渗透膜基础上发展起来，因含有纳米级孔径故名纳滤。径故名纳滤。4.反渗透（反渗透（RO）膜技术）膜技术 反渗透（又称高滤）过程是渗透过程逆过程，推进力为反渗透（又称高滤）过程是渗透过程逆过程，推进力为压力差，即经过在待分离液一侧加上比渗透压高压力，使压力差，即经过在待分离液一侧加上比渗透压高压力，使原液中溶剂被压到半透膜另一侧。反渗透系统由反渗透装原液中溶剂被压到半透膜另一侧。反渗透系统由反渗透装置及其预处理和后处理三部分组成。置及其预处理和后处理三部分组成。29第29页5.电渗析（电渗析（ED）膜技术）膜技术 电渗析是一个电化学分离过程，是在直流电场作用下以电电渗析是一个电化学分离过程，是在直流电场作用下以电位差为驱动力，经过荷电膜将溶液中带电离子与不带电组分位差为驱动力，经过荷电膜将溶液中带电离子与不带电组分分离过程。该分离过程是在离子交换膜中完成。电渗析系统分离过程。该分离过程是在离子交换膜中完成。电渗析系统通常由预处理设备、整流器、自动控制设备和电渗析器等组通常由预处理设备、整流器、自动控制设备和电渗析器等组成。成。6.渗透蒸发（渗透蒸发（PV）膜技术）膜技术 渗透蒸发是一个压力驱动膜分离过程，它是利用液体中两渗透蒸发是一个压力驱动膜分离过程，它是利用液体中两种组分在膜中溶解度与扩散系数差异，经过渗透与蒸发，到种组分在膜中溶解度与扩散系数差异，经过渗透与蒸发，到达分离目标一个过程。达分离目标一个过程。7.双极膜（双极膜（BPM）技术）技术 双极膜是由阴离子交换膜和阳离子交换膜叠压在一起形成双极膜是由阴离子交换膜和阳离子交换膜叠压在一起形成新型分离膜。阴阳膜复合能够将不一样电荷密度、厚度和性新型分离膜。阴阳膜复合能够将不一样电荷密度、厚度和性能膜材料在不一样复合条件下制成不一样性能和用途双极膜，能膜材料在不一样复合条件下制成不一样性能和用途双极膜，如水解离膜，一、二价离子分离膜，防结垢膜，抗污染膜，如水解离膜，一、二价离子分离膜，防结垢膜，抗污染膜，低压反渗透脱硬膜。低压反渗透脱硬膜。30第30页表表 几个主要膜分离过程几个主要膜分离过程膜过程膜过程 v推进力 传递机理传递机理 透过物透过物 截留物截留物 膜类型膜类型 微滤微滤MF 压力差压力差 颗粒大小形状颗粒大小形状 水、溶剂溶解水、溶剂溶解物物 悬浮物颗粒纤悬浮物颗粒纤维维 多孔膜多孔膜 超滤超滤UF 压力差压力差 v分子特征大小形状 水、溶剂小分水、溶剂小分子子 v胶体和超出截留分子量分子 非对称性膜非对称性膜 纳滤纳滤NF 压力差压力差 离子大小及电离子大小及电荷荷 水、一价离子水、一价离子 多价离子有机多价离子有机物物 复合膜复合膜 反渗透反渗透RO 压力差压力差 v溶剂扩散传递 水、溶剂水、溶剂 溶质、盐溶质、盐 非对称性膜、非对称性膜、复合膜复合膜电渗析电渗析ED电位差电位差 v电解质离子选择传递 电解质离子电解质离子 非电解质大分非电解质大分子物质子物质 离子交换膜离子交换膜 渗透蒸发渗透蒸发PV 压力差压力差 选择传递选择传递 v易渗溶质或溶剂v难渗溶质或溶剂均相膜、复合均相膜、复合膜、非对称性膜、非对称性膜膜 31第31页8.膜技术集成应用膜技术集成应用每一个膜技术都有其特定能每一个膜技术都有其特定能和适用范围能够处理一定分和适用范围能够处理一定分离问题，不过在实际生产过程离问题，不过在实际生产过程中仅仅依靠一个膜技术完成例中仅仅依靠一个膜技术完成例如废水深度处理或精细物料分如废水深度处理或精细物料分离之类任务，其结果往往难离之类任务，其结果往往难以令人满意。集成各种膜技以令人满意。集成各种膜技术，优化各种膜分离性能，术，优化各种膜分离性能，能够到达一个膜技术根本无法能够到达一个膜技术根本无法实现效果。几个惯用膜集实现效果。几个惯用膜集成技术见右表。成技术见右表。几个常见膜集成技术及应用几个常见膜集成技术及应用膜集成技术膜集成技术 v适合工业生产 微滤反渗透微滤反渗透 纺织印染废水、电纺织印染废水、电厂锅炉给水、电镀厂锅炉给水、电镀废水处理等废水处理等纳滤（超滤）反纳滤（超滤）反渗透渗透 皮革工业废水、化皮革工业废水、化肥工业废水处理等肥工业废水处理等 反渗透反渗透 氯化铵废水、酸性氯化铵废水、酸性矿山废水处理等矿山废水处理等 电渗析超滤反电渗析超滤反渗透渗透 海带废水处理等海带废水处理等 32第32页 9.3.1 9.3.1 酶传感器酶传感器 酶传感器是将酶作为生物敏感基元，经过各种物理、化学酶传感器是将酶作为生物敏感基元，经过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间反应所产生与目标物浓信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间反应所产生与目标物浓度成百分比关系可测信号，实现对目标物定量测定分析仪器。度成百分比关系可测信号，实现对目标物定量测定分析仪器。酶传感器是由固定化生物敏感膜和与之亲密结合换能系统组成，酶传感器是由固定化生物敏感膜和与之亲密结合换能系统组成，它把固化酶和电化学传感器结合在一起，因而含有独特优点：它把固化酶和电化学传感器结合在一起，因而含有独特优点：（l l）它有不溶性酶体系优点，也有电化学电极高灵敏度；）它有不溶性酶体系优点，也有电化学电极高灵敏度；（2 2）因为酶专属反应性，使其含有高选择性，能够直接在复）因为酶专属反应性，使其含有高选择性，能够直接在复杂试样中进行测定。杂试样中进行测定。9.3 生物传感器仪器技术及其应用生物传感器仪器技术及其应用33第33页1.1.酶传感器基本结构酶传感器基本结构 酶传感器基本结构单元是由物质识别元件和信号转换器组酶传感器基本结构单元是由物质识别元件和信号转换器组成成.当酶膜上发生酶促反应时，产生电活性物质由基体电极对当酶膜上发生酶促反应时，产生电活性物质由基体电极对其响应。基体电极作用是使化学信号转变为电信号，从而加以其响应。基体电极作用是使化学信号转变为电信号，从而加以检测，基体电极可采取碳质电极、检测，基体电极可采取碳质电极、PtPt电极及对应修饰电极。电极及对应修饰电极。34第34页2.2.酶传感器工作原理酶传感器工作原理 当酶电极浸入被测溶液，待测底物进入酶层内部并参当酶电极浸入被测溶液，待测底物进入酶层内部并参加反应，大部分酶反应都会产生或消耗一个可被电极测加反应，大部分酶反应都会产生或消耗一个可被电极测定物质，当反应到达稳态时，电活性物质浓度能够经过定物质，当反应到达稳态时，电活性物质浓度能够经过电位或电流模式进行测定。所以，酶传感器可分为电位电位或电流模式进行测定。所以，酶传感器可分为电位型和电流型两类传感器。型和电流型两类传感器。基团之间形成化学共价键连接，从而使酶固定方法；基团之间形成化学共价键连接，从而使酶固定方法；交联法：将传感器表面预先组装上一层含有特定基团载交联法：将传感器表面预先组装上一层含有特定基团载体膜，再经过偶联活化剂分别以羧基氨基键形式或席夫体膜，再经过偶联活化剂分别以羧基氨基键形式或席夫碱形式等将酶键合到电极表面。碱形式等将酶键合到电极表面。35第35页3.3.酶固定方法酶固定方法酶固定是相当主要一个步骤。适当固定化方法应该满足：酶固定是相当主要一个步骤。适当固定化方法应该满足：（1 1）酶固定化后活性应尽可能少受影响，（）酶固定化后活性应尽可能少受影响，（2 2）固定化方）固定化方法对被测对象传质阻力小（法对被测对象传质阻力小（3 3）酶固定化牢靠，不易洗脱。）酶固定化牢靠，不易洗脱。酶固定化方法有各种，大致可分为以下四类：酶固定化方法有各种，大致可分为以下四类：吸附法：将酶经过静电引力、范德华力、氢键等作用力固吸附法：将酶经过静电引力、范德华力、氢键等作用力固定在电极表面，过程简单，但稳定性差；定在电极表面，过程简单，但稳定性差；包埋法：在温和条件下形成聚合物同时，将酶包埋在高聚包埋法：在温和条件下形成聚合物同时，将酶包埋在高聚物微小格子中，或用物理方法将其包埋在凝胶中方法；物微小格子中，或用物理方法将其包埋在凝胶中方法；共价键正当：是酶蛋白分子上官能团和固相支持物表面上共价键正当：是酶蛋白分子上官能团和固相支持物表面上反应反应36第36页酶固定方法酶固定方法4.4.酶传感器分类酶传感器分类 生物传感器按换生物传感器按换能方式可分为电化学能方式可分为电化学生物传感器和光化学生物传感器和光化学生物传感器生物传感器2 2种。下种。下面来集中介绍一下电面来集中介绍一下电化学酶传感器和光化化学酶传感器和光化学酶传感器。学酶传感器。37第37页5.5.电化学酶传感器电化学酶传感器 基于电子媒介体葡萄糖传感器，含有响应速度快、灵敏度基于电子媒介体葡萄糖传感器，含有响应速度快、灵敏度高、稳定性好、寿命长、抗干扰性能好等优点，尤为受到重视。高、稳定性好、寿命长、抗干扰性能好等优点，尤为受到重视。二茂铁因为有不溶于水、氧化还原可逆性好、电子传递速率高二茂铁因为有不溶于水、氧化还原可逆性好、电子传递速率高等优点，得到了广泛研究和应用。当前研究重点是预防二茂铁等优点，得到了广泛研究和应用。当前研究重点是预防二茂铁等电子媒介体流失，从而提升生物传感器稳定性和寿命。等电子媒介体流失，从而提升生物传感器稳定性和寿命。38第38页6.6.光化学酶传感器光化学酶传感器7.7.酶传感器中应用新技术酶传感器中应用新技术(1)(1)纳米技术纳米技术 固定化酶时引入纳米颗粒能够增加酶催化活性固定化酶时引入纳米颗粒能够增加酶催化活性,提升电极响应电流值。提升电极响应电流值。孟宪伟等首次研究了二氧化硅和金或铂组成复合纳米颗粒对葡萄糖生物孟宪伟等首次研究了二氧化硅和金或铂组成复合纳米颗粒对葡萄糖生物传感器电流响应影响传感器电流响应影响,其效果显著优于这其效果显著优于这3 3种纳米颗粒单独使用时对葡萄种纳米颗粒单独使用时对葡萄糖生物传感器增强作用糖生物传感器增强作用,复合纳米颗粒能够显著增强传感器电流响应。复合纳米颗粒能够显著增强传感器电流响应。(2)(2)基因重组技术基因重组技术 周亚凤等将黑曲霉周亚凤等将黑曲霉GODGOD基因重组进大肠杆菌、酵母穿梭质粒基因重组进大肠杆菌、酵母穿梭质粒,转化甲基转化甲基营养酵母营养酵母,构建出构建出GODGOD高产酵母工程菌株。重组酵母高产酵母工程菌株。重组酵母GODGOD比活力达比活力达426.63 426.63 u/mgu/mg蛋白蛋白,是商品黑曲霉是商品黑曲霉GODGOD1.61.6倍倍,催化效率更高。重组酵母催化效率更高。重组酵母GODGOD高活力高活力特征可有效提升葡萄糖传感器线性检测范围。特征可有效提升葡萄糖传感器线性检测范围。(3)(3)提升传感器综合性能其它技术提升传感器综合性能其它技术 提升固定化酶活力根本方法是保持酶空间构象不发生改变。提升固定化酶活力根本方法是保持酶空间构象不发生改变。39第39页9.3.2 9.3.2 微生物传感器微生物传感器1.1.微生物特征微生物特征 微生物有三大特征：体积小，繁殖快，分布广。微生物有三大特征：体积小，繁殖快，分布广。2.2.微生物传感器类型微生物传感器类型 微生物传感器是以活微生物作为敏感材料，利用其体内微生物传感器是以活微生物作为敏感材料，利用其体内各种酶系及代谢系统来测定和识别对应底物。它是由固定化各种酶系及代谢系统来测定和识别对应底物。它是由固定化微生物膜和电化学装置组成。微生物膜和电化学装置组成。微生物传感器种类很多，能够从不一样角度分类。依据微生物传感器种类很多，能够从不一样角度分类。依据微生物与底物作用原理不一样，微生物传感器可分为测定呼微生物与底物作用原理不一样，微生物传感器可分为测定呼吸活性型微生物传感器和测定代谢物质型微生物传感器依据吸活性型微生物传感器和测定代谢物质型微生物传感器依据测量信号不一样，微生物传感器可分为电流型微生物传感器测量信号不一样，微生物传感器可分为电流型微生物传感器和电位型微生物传感器：换能器输出是电位信号，电位值大和电位型微生物传感器：换能器输出是电位信号，电位值大小与被测物活度相关，二者呈能斯特响应。基于上述分类方小与被测物活度相关，二者呈能斯特响应。基于上述分类方法，常见微生物传感器有电化学微生物传感器、燃料电池型法，常见微生物传感器有电化学微生物传感器、燃料电池型微生物传感器、压电高频阻抗型微生物传感器、热敏电阻型微生物传感器、压电高频阻抗型微生物传感器、热敏电阻型微生物传感器、光微生物传感器等。微生物传感器、光微生物传感器等。40第40页微生物传感器及其特征微生物传感器及其特征传感器检测传感器检测对象对象 微生物微生物 固定法固定法 电化学器件电化学器件 稳定性稳定性（d）响应时间响应时间（min）测量范围测量范围（mg/L）葡萄糖葡萄糖 P.fluorescens 包埋法包埋法 O2电极电极 14以上以上 10 520 脂化糖脂化糖 B.lactofermentem 吸附法吸附法 O2电极电极 20 10 20200 甲醇甲醇 v未判定菌 吸附法吸附法 O2电极电极 30 10 520 乙醇乙醇 T.brassicae 吸附法吸附法 O2电极电极 30 10530 醋酸醋酸 T.brassicae 吸附法吸附法 O2电极电极 20 1010100蚁酸蚁酸 C.butyricum 包埋法包埋法 燃料电池燃料电池 30 301300 谷酰胺酸谷酰胺酸 E.Coli 吸附法吸附法 CO2电极电极 20 510800 已胺酸已胺酸 E.Coli 吸附法吸附法 CO2电极电极 14以上以上 510100 谷胺酸谷胺酸 S.flara 吸附法吸附法 O2电极电极 14以上以上 5201000 41第41页3.3.电化学微生物传感器电化学微生物传感器4.4.压电高频阻抗型微生物传感器压电高频阻抗型微生物传感器 压电高频阻抗型微生物传感器是基于高频压电晶体频率对压电高频阻抗型微生物传感器是基于高频压电晶体频率对溶液介质性质改变含有灵敏响应特征制成。微生物在生长过程溶液介质性质改变含有灵敏响应特征制成。微生物在生长过程中与外界溶液进行物质能量交换，改变培养液化学成份，使得中与外界溶液进行物质能量交换，改变培养液化学成份，使得培养液阻抗发生改变，造成培养液电导率和介电常数改变。培养液阻抗发生改变，造成培养液电导率和介电常数改变。5.5.燃料电池型微生物传感器燃料电池型微生物传感器 微生物传感器在发展早期，其应用一直被限定于间接方式，微生物传感器在发展早期，其应用一直被限定于间接方式，即微生物作为生物催化剂起到一