光學(xué)生物傳感器

1、關(guān)于光學(xué)生物傳感器第1頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四生物傳感器定義生物傳感器對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、DNA、蛋白質(zhì)等生物活性物質(zhì)）與適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。第2頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四生物傳感器原理與結(jié)構(gòu) 生物傳感器由分子識別部分（敏感元件）和轉(zhuǎn)換部分（換能器）構(gòu)成，以分子識別部分去識別被測目標(biāo)，是可以引起某種物理變化或化學(xué)變化的主要功能元件。分子識別部分是生物傳感器選擇性測定的基礎(chǔ)。生物體

2、中能夠選擇性地分辯特定物質(zhì)的物質(zhì)有酶、抗體、組織、細(xì)胞等。這些分子識別功能物質(zhì)通過識別過程可與被測目標(biāo)結(jié)合成復(fù)合物，如抗體和抗原的結(jié)合，酶與基質(zhì)的結(jié)合。第3頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四轉(zhuǎn)換器生物光學(xué)傳感器 生物光學(xué)傳感器利用被測物質(zhì)與探測試劑反應(yīng)后引發(fā)的光學(xué)信號變化（熒光、顏色、折射率變化等）作為探測基礎(chǔ)，一般由傳感層、光信號轉(zhuǎn)換和放大處理三個功能模塊組成。傳感層待測物第4頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四光學(xué)DNA生物傳感器類型 由于光學(xué)的方法具有非破壞性和高靈敏度的優(yōu)點，因此生物光學(xué)傳感器在生物活性物質(zhì)探測方面有著廣泛的應(yīng)用。目前研究的用于

3、DNA檢測的光學(xué)生物傳感器有光纖式、表面等離子諧振式、光波導(dǎo)式等類型。第5頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四大多數(shù)DNA傳感器，不論是光學(xué)的還是電類的，都是建立在DNA雜交的基礎(chǔ)上，即DNA堿基配對和系列互補原理，它是由固定有已知的核甘酸序列的單鏈DNA(亦稱之為ssDNA探針)的電極(探頭)和換能器兩部分組成。第6頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四1.1 光纖DNA生物傳感器的工作原理光纖 DNA 生物傳感器是將單鏈DNA 探針固定在mm級的光導(dǎo)纖維的末端上, 然后將若干條固定有單鏈 DNA探針的光導(dǎo)纖維合成一束, 形成一個微陣列的傳感器裝置.第7

4、頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四1.1 光纖DNA生物傳感器的工作原理 圖1 光纖DNA生物傳感器裝置圖第8頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四1.2 光纖DNA生物傳感器的優(yōu)點 可進(jìn)行液相雜交檢測可在線和實時檢測可對活體內(nèi)核酸動態(tài)進(jìn)行檢測靈敏度高；特異性強光纖傳輸功率損耗小，傳輸信息容量大第9頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四1.3 光纖DNA生物傳感器的應(yīng)用 用于模式寡核苷酸的檢測用于 DNA損傷的檢測用于基因檢測用于藥物檢測用于酶的檢測第10頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四2.SPR(Surface

5、 plasmon resonance biosensors) 生物傳感器的工作原理 SPR是一種物理光學(xué)現(xiàn)象,是電磁波所激發(fā)的在金屬和電介質(zhì)交界面上形成的影響電磁波傳播的諧振波。表面等離子體(SP)是沿著金屬和電介質(zhì)間界面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄐ纬傻?。?1頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四2.1 SPR生物傳感器的工作原理圖第12頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四表面等離子體共振測量（SPR）技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的生物光學(xué)檢測技術(shù)，它利用了衰減全內(nèi)反射的原理。當(dāng)光從棱鏡等光密介質(zhì)以大于布儒斯特角入射到金屬薄膜等光疏介質(zhì)時會有一部分光以倏逝波的形式繼續(xù)在金屬薄

6、膜中傳播，其強度呈指數(shù)式衰減。膜的光會激發(fā)金屬薄膜中的自由電子產(chǎn)生振動，當(dāng)這部分光的波矢量與自由電子產(chǎn)生的表面等離子體的波矢量相同時，就會產(chǎn)生表面等離子體共振，反射光能量急劇下降的現(xiàn)象。將DNA、蛋白質(zhì)、抗體（抗原）的生物活性分子固定在金屬膜上形成生物敏感膜層，當(dāng)生物敏感膜層與待測物接觸后，其折射率會發(fā)生變化，表面等離子體共振生物傳感器通過準(zhǔn)確的測定膜層折射率的變化對待測物實現(xiàn)無標(biāo)記檢測。第13頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四2.2 SPR生物傳感器的優(yōu)點測量準(zhǔn)確度高無需對待測分子進(jìn)行標(biāo)記處理響應(yīng)快 , 體積小 , 機械強度大 , 抗電磁干擾能力強可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集和

7、連續(xù)的在線監(jiān)控可實時檢測，也易于微型化和集成化 第14頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四2.3 SPR生物傳感器的應(yīng)用藥物篩選蛋白質(zhì)檢測和蛋白-蛋白相互作用等蛋白質(zhì)組學(xué)研究 食物檢測和環(huán)境監(jiān)控遺傳分析（DNA檢測分析）第15頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四3.1 光波導(dǎo)DNA生物傳感器的工作原理 圖3 光波導(dǎo)DNA生物傳感器裝置圖第16頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四3.2 光波導(dǎo)DNA生物傳感器研究狀況 光波導(dǎo)DNA生物傳感器光波導(dǎo)DNA生物傳感器是在光波導(dǎo)載波片表面制成ssDNA探針陣列，將光波導(dǎo)載波片與另一片載波片疊加

8、在一起，中間形成175“m厚、254一寬的通道。在此通道中含有生物素標(biāo)記的DNA和抗生物素一硒結(jié)合物的溶液與ssDNA探針雜交，抗生物素與生物紊結(jié)合，使硒粒子聚焦在光波導(dǎo)載波片表面ssDNA探針的雜交部位上。以燈光經(jīng)狹縫照射光波導(dǎo)邊緣，光線在波導(dǎo)內(nèi)以全反射方式傳播，在溶液中距波導(dǎo)載波片表面100300nm形成的隱失波場中產(chǎn)生散射。利用CCD相機可記錄下散射光信號的圖樣，經(jīng)計算機分析處理，可獲得DNA雜交的圖譜。采用該原理設(shè)計的DNA生物傳感器由于對技術(shù)要求很高，現(xiàn)仍然處于實驗室的研究階段，而且相對于光纖來說，它的實用價值較差。第17頁，共19頁，2022年，5月20日，9點35分，星期四光學(xué)DNA生物傳感器 綜合比較上述三種光學(xué)生物傳感器 我們會發(fā)現(xiàn) 生物傳感器的設(shè)計涉及