第11章 生物傳感器

1、第六章 生物傳感器生物傳感器（biosensor）：生物傳感器通常是指由一種生物敏感部件和換能器緊密結(jié)合,對特定種類化學(xué)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)具有選擇性和可逆響應(yīng)的分析裝置。用于微量物質(zhì)的檢測?；窘M成和工作原理 被識別的生物分子作用于生物傳感膜，會產(chǎn)生物理變化或化學(xué)變化。生物敏感膜是生物傳感器的關(guān)鍵部分。特定識別功能的生物活性物質(zhì)高度特異/高度敏感 如：酶， 抗原，抗體，各種受體。酶酶 (Enzyme)抗體抗體(Antibody)被測物質(zhì)生物傳感膜物理、化學(xué)變化換能器電信號 換能器將信號轉(zhuǎn)換為電信號。有電極（化學(xué)變化轉(zhuǎn)換為電信號）、光電轉(zhuǎn)換器（將光信號轉(zhuǎn)換成電信號）、熱電轉(zhuǎn)換器、離子敏感性場效應(yīng)

2、管（將離子濃度變化轉(zhuǎn)換成電信號）等。 生物傳感器的固定化技術(shù)是生物傳感器制作的核心 固定化技術(shù)：使酶等活性物質(zhì)固定在各種載體上，并作為生物敏感膜應(yīng)用的結(jié)合技術(shù) 目前固定的生物活性物質(zhì)：酶、輔酶、抗原、抗體、微生物菌體、激素、抑制劑、細(xì)胞器等 固定化技術(shù)主要有吸附法、共價(jià)鍵合法、物理包埋法和交聯(lián)法生物傳感器的分類根據(jù)傳感器輸出信號的產(chǎn)生方式輸出信號的產(chǎn)生方式,可分為生物親合型生物傳感器、代謝型或催化型生物傳感器;根據(jù)分子識別元件的敏感物質(zhì)分：酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器。根據(jù)換能器分：電極型、測熱型、發(fā)光型、半導(dǎo)體型、測聲型。按工作原理分：電化學(xué)生物傳感器、熱效應(yīng)

3、生物傳感器、光電效應(yīng)生物傳感器。生物傳感器的工作原理將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號（間接型）將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號（間接型）將熱變化轉(zhuǎn)換為電信號（間接型）將熱變化轉(zhuǎn)換為電信號（間接型）將光效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ㄩg接型）將光效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ㄩg接型）直接產(chǎn)生電信號方式（直接型）直接產(chǎn)生電信號方式（直接型）1 電化學(xué)生物傳感器 酶催化特定生物物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使特定反應(yīng)產(chǎn)物的量增減 換能器把產(chǎn)物量的增減轉(zhuǎn)換為電信號 電化學(xué)電極分為電位型電極和電流型電極電化學(xué)生物傳感器中采用電流型電極為信號轉(zhuǎn)換器的趨勢日益增加，這是因?yàn)檫@類電極和電位型電極相比有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）電極的輸出直接和被測物的濃度呈線性關(guān)系，不像電位型電極

4、那樣和被測物濃度的對數(shù)呈線性關(guān)系（2）電極輸出值的讀數(shù)誤差所對應(yīng)的待測物濃度的相對誤差比電位型電極的小（3）電極的靈敏度比電位型電極的高生物分子識別元件：生物分子識別元件：葡萄糖氧化酶膜可用的測量量：可用的測量量：O2的減少量，葡萄糖酸或H2O2的產(chǎn)生量信號轉(zhuǎn)換元件信號轉(zhuǎn)換元件：氧電極，pH電極及H2O2電極 此外，還有膽固醇傳感器、乳酸傳感器、肌酸和肌酸酐傳感器等22712622612622OHOHCOOHOHC葡萄糖氧化酶葡萄糖傳感器2 熱效應(yīng)生物傳感器 固定化的酶膜與待測生物物質(zhì)作用，產(chǎn)生熱效應(yīng) 熱敏元件將熱量轉(zhuǎn)換為電阻和電壓的變化SCHnT/ 系統(tǒng)溫度變化與產(chǎn)物濃度呈線性關(guān)系。系統(tǒng)溫度

5、變化與產(chǎn)物濃度呈線性關(guān)系。T：體系的溫度變化n：產(chǎn)物的摩爾數(shù)Cs：體系的熱容量H：酶催化反應(yīng)的焓變（能量）3 光電效應(yīng)生物傳感器 固定化生物物質(zhì)與被測生物物質(zhì)作用，產(chǎn)生光學(xué)現(xiàn)象 將光信號轉(zhuǎn)換為電信號 如光學(xué)DNA生物傳感器、血紅蛋白檢測系統(tǒng)DNA基于光學(xué)生物傳感器的便攜式血紅蛋白檢測系統(tǒng) 血紅蛋白(Hb)存在于血液紅細(xì)胞中,主要用于氧和二氧化碳的運(yùn)輸,因此它對人體的新陳代謝起著關(guān)鍵性作用。 所以,Hb 含量的測定對了解機(jī)體內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)機(jī)能水平及營養(yǎng)狀況等信息都是非常重要的。 當(dāng)全血樣品滴加到固定有裂解劑和氧化試劑的傳感器敏感膜上時(shí),血紅細(xì)胞在裂解劑作用下發(fā)生裂解,釋放出的Hb與氧化試劑作用生成穩(wěn)

6、定的棕紅色產(chǎn)物,Hb濃度愈高,敏感膜顏色愈深。通過光纖光譜儀檢測,反應(yīng)后的敏感膜在波長570 nm處產(chǎn)生特異性吸收,且得到的光反射率與Hb濃度有較好的線性關(guān)系。4 直接產(chǎn)生電信號方式 上述三原理的生物傳感器共同點(diǎn)： 都是將分子識別元件中的生物敏感物質(zhì)與待測物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將反應(yīng)后所產(chǎn)生的化學(xué)或物理變化再通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M(jìn)行測量,這種方式統(tǒng)稱為間接測量方式. 直接產(chǎn)生電信號方式可以使酶反應(yīng)伴隨的電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞的氧化直接(或通過電子遞體的作用)在電極表面上發(fā)生.根據(jù)所得的電流量即可得底物濃度.生物芯片生物芯片 生物芯片是生物傳感器的陣列和集成化。 生物芯片是指包被在硅片、尼龍膜等固

7、相支持物上的高密度的組織、細(xì)胞、蛋白質(zhì)、核酸、糖類以及其它生物組分的微點(diǎn)陣。芯片與標(biāo)記的樣品進(jìn)行雜交，通過檢測雜交信號即可實(shí)現(xiàn)對生物樣品的分析。生物芯片的類型生物芯片的類型 常見的生物芯片主要有: 基因芯片; 蛋白質(zhì)芯片; 組織芯片。世界著名生物芯片公司:Affymetrix (Santa Clara, California) 其他: Brax Genomics Limited (Cambridge, UK) ， Hyseq (Sunnyvale, California) ， Incyte Pharmaceuticals(Palo Alto, Cali- fornia) 等等。基因芯片基因芯片

8、 基因芯片又稱寡核苷酸探針微陣列。將系列DNA片段固定在載體上（硅片、尼龍膜）?？赏瑫r(shí)進(jìn)行數(shù)百次常規(guī)測試。 大量探針分子固定于支持物上后，利用DNA雙鏈的互補(bǔ)堿基之間的氫鍵作用，與標(biāo)記的樣品分子進(jìn)行雜交，然后用精密掃描儀或攝像紀(jì)錄，通過計(jì)算機(jī)軟件分析處理，得到有價(jià)值的生物信息。在基因芯片制備過程中，使用了半導(dǎo)體領(lǐng)域的微加工技術(shù)（如右圖中的光刻技術(shù)）?；蛐酒赏瑫r(shí)對大量核酸分子進(jìn)行檢測分析，已應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、生物分子學(xué)、人類基因組研究和醫(yī)學(xué)臨床診斷領(lǐng)域。如基因表達(dá)與分析、疾病診斷、藥物研究與開發(fā)等。蛋白質(zhì)芯片蛋白質(zhì)芯片 蛋白質(zhì)芯片主要是蛋白質(zhì)如抗原或抗體在載體上的有序排列，依據(jù)蛋白質(zhì) 分子、蛋

9、白質(zhì)與核酸相互作用的原理進(jìn)行雜交、檢測和分析。如：組織芯片組織芯片 組織芯片與基因芯片、蛋白質(zhì)芯片及細(xì)胞芯片等一樣，屬于一種特殊、新型的生物芯片，是一種新型的高通量、多樣本的研究工具。 它將數(shù)十個(gè)甚至上千個(gè)不同個(gè)體的組織標(biāo)本集成在一張固相載體上，為醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)提供了一種高通量、大樣本以及快速的分子水平的分析工具。 1 醫(yī)學(xué) (1)臨床醫(yī)學(xué) 在臨床醫(yī)學(xué)中，酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器，目前，已成功地應(yīng)用于血糖、乳酸、維生素C、尿酸、尿素、谷氨酸等物質(zhì)的檢測。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器，在臨床中應(yīng)用的微生物傳感器有葡萄糖、乙醉、膽固醇等傳感器。 DNA傳感器

10、是目前生物傳感器中報(bào)道最多的一種，用于臨床疾病診斷是DNA傳感器的最大優(yōu)勢，它可以幫助醫(yī)生從DNA、RNA、蛋白質(zhì)及其相互作用層次上了解疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，有助于對疾病的及時(shí)診斷和治療。 (2)軍事醫(yī)學(xué) 軍事醫(yī)學(xué)中，對生物毒素的及時(shí)快速檢測是防御生化武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測多種細(xì)菌、病毒及其毒素，如鼠疫耶爾森菌、肉毒桿菌類毒素等。 此外，在法醫(yī)學(xué)中，生物傳感器可用作DNA鑒定和親子認(rèn)證等。應(yīng)用領(lǐng)域2 2 食品工業(yè)食品工業(yè) 食品成分分析 在食品工業(yè)中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和貯藏壽命的一個(gè)重要指標(biāo)。已開發(fā)的酶電極型生物傳感器可用來分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖。其它

11、糖類，如果糖，啤酒、麥芽汁中的麥芽糖，也有成熟的測定傳感器。 食品添加劑的分析 亞硫酸鹽通常用作食品工業(yè)的漂白劑和防腐劑，采用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料制成的電流型二氧化硫酶電極可用于測定食品中的亞硫酸鹽含量(3) 農(nóng)藥殘留量分析 近年來，人們對食品中的農(nóng)藥殘留問題越來越重視，各國政府也不斷加強(qiáng)對食品中的農(nóng)藥殘留的檢測工作。Yamazaki等人發(fā)明了一種使用人造酶測定有機(jī)磷殺蟲劑的電流式生物傳感器，可用于檢測果蔬表面有機(jī)磷農(nóng)藥 。(4) 微生物和毒素的檢驗(yàn) 食品中病原性微生物的存在會給消費(fèi)者的健康帶來極大的危害，食品中毒素不僅種類很多而且毒性大，大多有致癌、致畸、致突變作用，因此，加強(qiáng)對食品中的

12、病原性微生物及毒素的檢測至關(guān)重要。 一種快速靈敏的免疫生物傳感器可以用于測量牛奶中雙氫除蟲菌素的殘余物，它是基于細(xì)胞質(zhì)基因組的反應(yīng)，通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸信號。已達(dá)到的檢測極限為16.2 ng/ml。一天可以檢測20個(gè)牛奶樣品。 環(huán)境監(jiān)測(1)水環(huán)境監(jiān)測 生物需氧量(BOD)是一種廣泛采用的表示有機(jī)物污染程度的綜合性指標(biāo)。國外普遍采用的BOD生物傳感器一般是將微生物膜固定在溶解氧的探頭上，當(dāng)樣品溶液通過傳感器檢測系統(tǒng)時(shí)，滲透通過多孔膜的有機(jī)物被固定化的微生物吸收，消耗氧，引起膜周圍溶解氧減少，使氧電極電流隨時(shí)間急劇減小。(2)大氣環(huán)境監(jiān)測 二氧化硫(S02)是酸雨酸霧形成的主要原因，傳統(tǒng)的檢測方法很復(fù)雜。Martyr等人將亞細(xì)胞類脂類(含亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體)固定在醋酸纖維膜上，和氧電極制成安培型生物傳感器，對S02形成的酸雨酸霧樣品溶液進(jìn)行檢測，lOmin可以得到穩(wěn)定的測試結(jié)果。 (1)原材料及代謝產(chǎn)物的測定 微生物傳感器可用于測量發(fā)酵工業(yè)中的原材料和代謝產(chǎn)物。測量的裝置基本上都是由適合的微生物電極與氧電極組成，原理是利用微生物的同化作用耗氧，通過測量氧電極電流的變化量來測量氧氣的減少量，從而達(dá)到測量底物濃度的目的。(2)微生物細(xì)胞數(shù)目的測定 人們發(fā)