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发酵过程控制（Control of Fermentation Process)第四章 生物传感器 第四章 生物传感器 4.1 概述 4.2 生物传感器基本原理 4.3 酶传感器 4.4 微生物传感器 4.5 其他生物传感器 什么是传感器？ 某工艺参数 传感器 电、热、光 变换器 电信号转换器数字量 4.1 概述4.1.1 什么是生物传感器 功能：被测物质浓度→生物传感器→可传递信号→数字量 生物传感器的发展历程： 酶法分析——具有高度专一性，但操作复杂、时间长。 固定化酶——使酶法分析自动化，但不具备传递性，只能取样检测。 电极——具传递性，但不具备专一性。 生物传感器的发展历程： 4.1.2 生物传感器的特点 （1）特异性好：能从复杂的系统中准确测出某一物质的浓度。 （2）灵敏度高：可检测0.1~1.0ppm浓度的物质，最小极限为10-10g/mL。 （3）稳定性相对较差：检测结果易受物理和化学环境因素的影响。 （4）不能加热杀菌处理：其中的生物物质有失活的可能，因此一般不能加热杀菌处理。 （5）制作工艺精细，废品率高，成本昂贵。 4.1.3 生物传感器的分类 （1）根据生物物质分类（感受器） （2）根据转换器分类 生物物质发出的信号 转换器 可传递信号 4.1.4 应用领域与前景4.1.4.1生物传感器的应用领域 （1）在酵工业方面：主要是各种酶传感器和微生物传感器 如：糖、甲醇、乙醇、醋酸、甲酸、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸、天冬氨酸、抗生物质、氨、甲烷、BOD及菌体数等生物传感器 。 （2）环境检测方面：应用较多的是各种微生物传感器 如：BOD、NH3、NOX、SOX、甲烷及各种重金属离子等BOD、NH3、NOX、SOX、甲烷及各种重金属离子等。 （3）医疗方面：主要是酶传感器、免疫传感器、基因传感器 如：血清检查和尿样检查等。 （4）食品分析：主要是各种酶传感器、免疫传感器 4.2 生物传感器的原理4.2.1电极式生物传感器原理 电极式生物传感器原理模式： 被测物质 固定化生物催化剂膜 电极活性物质 电 极 电信号 4.2.2电极活性物质 电极活性物质——指易于在电极上反应的物质，如：O2、CO2、H2O2、H+、NH3等 。例如： 4.2.3电极的转换方式 ★电流法——电极活性物质在电极上反应产生电流。 常用电极有：氧电极、H2O2电极、燃料电池型电极等。 ★电压法——电极活性物质有选择地感应产生膜电压。 常用电极有：离子选择电极、氨电极、CO2电极等。 4.2.4其它生物传感器原理 被测物质固定化生物催化剂膜 热 热敏电阻 电信号 生物化学反应 被测物质固定化生物催化剂膜 光 光计数器 电信号 生物化学反应 4.3 酶传感器 △酶传感器是应用固定酶膜作为识别被测物质敏感元件（感受器）的生物传感器。 △酶传感器包括酶电极传感器、酶光纤传感器和酶热敏电阻传感器等。 △Clack最初提出了使用酶进行电化学测定的原理。 △希克斯（Hicks）和厄迪克（Updick） 首先研制成了测定葡萄糖的酶传感器。 4.3.1 酶反应与转换器的耦联 耦联关系是指酶反应所生成（如：H2O2、CO2等）或消耗（如O2等）的某种物质，能被转换器转换成电信号。 酶传感器中转换器与酶反应的耦联关系 4.3.2 固定化酶膜（EBM）的制备 （1）固定化方法 包埋法：活性损失最小，但不适于测量大分子底物； 共价法、交联法：活性损失较大，适应性较广。 （2）酶膜制备 酶膜制备实例: 将乙醇氧化酶和聚乙烯亚胺及牛血清蛋白溶液混合起来，加入5%（V）戊二醛溶液，在5℃下，存放4小时。 这种酶的混合物包在聚碳酸脂膜（孔径0.03μm）和醋酸纤维素膜之间，并在5℃使其风干24h。 用0.02%（V）戊二醛溶液处理，并用磷酸盐缓冲液洗涤，即制得乙醇氧化酶膜(厚度约20μm)。 （3）酶膜的性质 ② 使用寿命：与使用环境条件（温度、pH等）有关，一般为一个月左右。 4.3.3 酶传感器实例 例1：葡萄糖传感器： ①传感器组成： 葡萄糖传感器示意图 例1：葡萄糖传感器： ③测定原理： ④主要性能 测量范围：1~500 mg/L 响应时间：10~30 s 使用寿命：60~100 day 氧化酶膜与过氧化氢电极组成葡萄糖传感器： 例2：乙醇传感器： ①传感器组成：将固定化乙醇氧化酶膜用圆形橡胶环装在过氧化氢电极的表面，即组成乙