光導(dǎo)纖維生物傳感器課件

1、 3.1 概述 3.2 核心元件 3.3 電化學(xué)傳感器 3.4 光學(xué)傳感器 3.5 其他傳感器第三章 化學(xué)與生物傳感器參考書：布萊恩 R 埃金斯 著 化學(xué)與生物傳感器 化學(xué)工業(yè)出版社傳感器是一種選擇性地、連續(xù)地和可逆地感受某一物理量或化學(xué)量或生物量的裝置。傳感器是什么東西呀？3.1 概述傳感器結(jié)構(gòu)示意圖樣品識別元件換能器測量裝置傳導(dǎo)器圖示鼻子類似為傳感器 嗅覺膜生物識別元件 神經(jīng)細(xì)胞轉(zhuǎn)換器 神經(jīng)纖維傳導(dǎo)器 大腦測量元件識別元件 對某種或某類分析物產(chǎn)生選擇性響應(yīng)?；瘜W(xué)量換能器 將某種可以觀察到的變化轉(zhuǎn)化為可測量的信號。傳導(dǎo)器 施加一種可計量的作用后整個裝置以該部分元件來運轉(zhuǎn)系統(tǒng)。電信號或光信號檢

2、測器傳感器分類物理傳感器 用以測量物理量，如長度、重量、溫度、壓力和電性能?；瘜W(xué)傳感器 是通過某種化學(xué)反應(yīng)以選擇性方式對特定的待測分析物質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)從而對分析物進(jìn)行定性或定量測定。生物傳感器 實際上是化學(xué)傳感器的子系統(tǒng)，但也常冠以其名單獨作為專題考慮。采用某種生物敏感元件與換能器相連。與普通的化學(xué)傳感器不同的關(guān)鍵在于其識別元件在性質(zhì)上是生物質(zhì)?；瘜W(xué)與生物傳感器分類電化學(xué)傳感器 電位測定、伏安測定、電導(dǎo)測定等。光學(xué)傳感器 吸收光譜、熒光光譜、化學(xué)發(fā)光等。壓電傳感器熱傳感器核心元件敏感元件傳感器識別分析物的核心部件3.2 識別分析物的敏感模式離子的識別分子的識別生物的識別 酶催化識別反應(yīng) 抗體-抗原

3、免疫反應(yīng) 核酸雜交識別反應(yīng) 適配體與目標(biāo)物識別反應(yīng) 信息分子與受體識別反應(yīng)分子的識別生物識別試劑酶催化識別反應(yīng)葡萄糖 + O2 + H2O 葡萄糖酸 + H2 O2葡萄糖氧化酶 酶 組織材料 微生物 線粒體抗體-抗原免疫反應(yīng) Ag + Ab = Ag-Ab核酸雜交反應(yīng)由于核酸成分之間有特定堿基配對進(jìn)而產(chǎn)生遺傳密碼，這種遺傳密碼決定了所有生命細(xì)胞的再現(xiàn)特性，從而能確定一類物質(zhì)中的個別物質(zhì)的遺傳特性.DNA探測試劑能用于檢查遺傳疾病、癌癥和病毒傳染病。DNA鑒定通常包括有加入體系標(biāo)記的DNA，此標(biāo)記可以是放射活性的、可光測的、酶或電活性等.Figure 9-3 The four bases of

4、DNA all contain nitrogen.They are shown on colored shapes that will be used throughout the chapter to represent these chemicals. 生物組分的固定化吸附法許多物質(zhì)在其表面都能吸附酶，例如，氧化鋁、活性炭、黏土、纖維素、高嶺土、硅膠、玻璃和膠原蛋白。此技術(shù)不需要試劑，但需要提純步驟，并且對酶只有較小的破壞作用。一般有兩種形式：物理吸附V.S. 化學(xué)吸附這是最簡單的方法，包含最少的準(zhǔn)備過程，但是鍵聯(lián)比較弱。適于短期研究。最早期用于生物傳感器的一種方法，此技術(shù)將生物材料固定在

5、惰性膜后面，這樣使生物材料與轉(zhuǎn)換器之間緊密接觸，采用此方法不會影響酶的可靠性，并能防止污染和生物降解。對于溫度、pH值、離子強度和化學(xué)組成的變化也是穩(wěn)定的。但是，此體系對某些材料，例如小分子包括各種氣體和電子是可以穿透的。生物組分的固定化微囊包封法生物材料與一種單體溶液混合，然后進(jìn)行聚合生成凝膠將生物材料夾在里面。通常應(yīng)用的凝膠是聚丙稀酰胺。生物組分的固定化截留法生物材料與固體支撐物或與其他支撐材料，像凝膠發(fā)生化學(xué)鍵聯(lián)。雙官能試劑，如戊二醛，可以用于此技術(shù)。但對于生物材料來說此技術(shù)對某些擴散存在限制。對生物材料也有危害。另外，體系的機械強度不良。生物組分的固定化交聯(lián)法此方法中需要小心設(shè)計生物材

6、料中官能團和支撐基質(zhì)之間的鍵合作用。生物材料氨基酸中的親核官能團對催化作用不是本質(zhì)的，而酶在這方面是適合的。生物組分的固定化共價法例如，支撐物上的羧酸基團與碳化二亞胺發(fā)生反應(yīng)，然后與生物材料上胺官能團偶聯(lián)在支撐物和酶之間形成一種胺鍵。3.4 光 纖 傳 感 器引 言 光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用是20世紀(jì)70年代以來世界科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域最重要的發(fā)明之一，它與激光器、光導(dǎo)體、光探測器一起，構(gòu)成了光電子學(xué)的新領(lǐng)域。光導(dǎo)纖維化學(xué)傳感器和生物傳感器是80年代誕生的一種新的傳感技術(shù)，是分析化學(xué)近10多年來的一個重大發(fā)展。 光導(dǎo)纖維生物傳感器又稱光極 美國 fiber optical biosensor 歐洲大陸 opt

7、ode 英國 optrode光導(dǎo)纖維生物傳感器的結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維的波導(dǎo)作用及其構(gòu)形 人們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光到達(dá)光導(dǎo)纖維纖芯和包層界面時，并不能立刻產(chǎn)生全反射，而是滲入光疏介質(zhì)一定深度（圖19.3）。也就是說，光的電場強度在界面處并沒有立即減小為零，而是在外部介質(zhì)中以指數(shù)的形式減弱，且延伸到第二介質(zhì)中去，在第二介質(zhì)形成一個“尾巴”，這一現(xiàn)象叫消失波（evanescent wave）。 傳感層 傳感層由固定化分子識別物質(zhì)和載體組成 優(yōu)良的傳感層：高的靈敏度和選擇性較快的響應(yīng)速度良好的穩(wěn)定性和可逆性較長的壽命 光導(dǎo)纖維生物傳感器的分子識別反應(yīng) 酶催化識別反應(yīng) 特異性抗體-抗原免疫反應(yīng) 核酸雜交反應(yīng) 蛋白分子受

8、體-配位體識別反應(yīng) 外源集素-糖分子識別反應(yīng)用于固定分子識別物質(zhì)的載體都是光學(xué)透明物質(zhì) 玻璃（包括硅藻凝膠、硅膠、石英和多孔玻璃微球等）、纖維素、瓊脂糖、高分子聚合物（包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、尼龍等）、離子交換膜、滲析膜、殼質(zhì)胺、牛血清蛋白等。 厚度在5200m之間。近年來具有單分子層結(jié)構(gòu)的人工類脂膜受到很大重視，已用于制備高選擇性、快響應(yīng)的生物傳感器。分子識別物質(zhì)在載體上的固定化方法有包埋法、 吸附固定法、電價固定法和共價偶聯(lián)法。 對玻璃類的載體則需先進(jìn)行硅烷化處理，“修飾”上活性基團：光纖傳感器的檢測模式紫外可見光吸收光譜熒光光譜化學(xué)發(fā)光

9、光反射全內(nèi)反射光譜光散射生物催化傳感器 最簡單的一種是用固定化酯酶或脂肪酶作成生物催化層進(jìn)行分子識別，再通過產(chǎn)物的光吸收對底物濃度進(jìn)行傳感，如測量在404nm波長下的吸收，即可確定對硝基苯磷酸的含量，線性范圍為0400mol/L，生物體內(nèi)許多酶類和脂肪類物質(zhì)都可用這類傳感器進(jìn)行測定。 研究最多的當(dāng)屬檢測NADH的生物催化傳感器 乳酸 + NAD+ 丙酮酸 + NADH 在生物催化層中生成的NADH也可利用耦合的FMN（黃素單核苷酸）生物發(fā)光反應(yīng)，通過光導(dǎo)纖維進(jìn)行傳感。 谷氨酸鹽 + NAD+ 酮式二酸 + NH4+ + NADH NADH + FMN + H+ NAD+ + FMNH2 FMNH2 + RCHO + O2 FMN + RCOOH +h 某些生物催化反應(yīng)所產(chǎn)生的物質(zhì)不能直接給出光學(xué)信號，需要在生物催化層和光測量之間插入一個起換能作用的化學(xué)反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槟苓M(jìn)行光檢測的物質(zhì)，稱為復(fù)合光極。如許多酶催化反應(yīng)都能消耗或產(chǎn)生質(zhì)子、氧、二氧化碳或過氧化氫等. 青霉素G 青霉素酮酸鹽 + H+ 膽固醇 + O2 +H2O 膽固烯酮 +H2O2 L-蘇氨酸 -丁酮酸 + NH3 L-谷氨酸 L-氨基素 + CO2生物感受器（biological receptor）