第11章-生物傳感器

第11章-生物傳感器.第一頁，共25頁。基本組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)生物理變化或化學變化。生物敏感膜是生物傳感器的關鍵部分。特定識別功能的生物活性物質——高度特異/高度敏感如：酶，抗原，抗體，各種受體。酶(Enzyme)抗體(Antibody)被測物質生物傳感膜物理、化學變化換能器電信號第二頁，共25頁。換能器將信號轉換為電信號。有電極（化學變化轉換為電信號）、光電轉換器（將光信號轉換成電信號）、熱電轉換器、離子敏感性場效應管（將離子濃度變化轉換成電信號）等。

第三頁，共25頁。生物傳感器的固定化技術是生物傳感器制作的核心固定化技術：使酶等活性物質固定在各種載體上，并作為生物敏感膜應用的結合技術目前固定的生物活性物質：酶、輔酶、抗原、抗體、微生物菌體、激素、抑制劑、細胞器等固定化技術主要有吸附法、共價鍵合法、物理包埋法和交聯(lián)法第四頁，共25頁。生物傳感器的分類根據(jù)傳感器輸出信號的產(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分：酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、免疫傳感器。根據(jù)換能器分：電極型、測熱型、發(fā)光型、半導體型、測聲型。按工作原理分：電化學生物傳感器、熱效應生物傳感器、光電效應生物傳感器。第五頁，共25頁。生物傳感器的工作原理將化學變化轉變成電信號（間接型）將熱變化轉換為電信號（間接型）將光效應轉變?yōu)殡娦盘枺ㄩg接型）直接產(chǎn)生電信號方式（直接型）第六頁，共25頁。1電化學生物傳感器酶催化特定生物物質發(fā)生反應，使特定反應產(chǎn)物的量增減換能器把產(chǎn)物量的增減轉換為電信號電化學電極分為電位型電極和電流型電極電化學生物傳感器中采用電流型電極為信號轉換器的趨勢日益增加，這是因為這類電極和電位型電極相比有以下優(yōu)點：（1）電極的輸出直接和被測物的濃度呈線性關系，不像電位型電極那樣和被測物濃度的對數(shù)呈線性關系．（2）電極輸出值的讀數(shù)誤差所對應的待測物濃度的相對誤差比電位型電極的?。?）電極的靈敏度比電位型電極的高．第七頁，共25頁。生物分子識別元件：葡萄糖氧化酶膜可用的測量量：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葡萄糖傳感器第八頁，共25頁。2熱效應生物傳感器固定化的酶膜與待測生物物質作用，產(chǎn)生熱效應熱敏元件將熱量轉換為電阻和電壓的變化系統(tǒng)溫度變化與產(chǎn)物濃度呈線性關系?！鱐：體系的溫度變化n：產(chǎn)物的摩爾數(shù)Cs：體系的熱容量△H：酶催化反應的焓變（能量）第九頁，共25頁。3光電效應生物傳感器固定化生物物質與被測生物物質作用，產(chǎn)生光學現(xiàn)象將光信號轉換為電信號如光學DNA生物傳感器、血紅蛋白檢測系統(tǒng)DNA第十頁，共25頁?；诠鈱W生物傳感器的便攜式血紅蛋白檢測系統(tǒng)血紅蛋白(Hb)存在于血液紅細胞中,主要用于氧和二氧化碳的運輸,因此它對人體的新陳代謝起著關鍵性作用。所以,Hb含量的測定對了解機體內循環(huán)系統(tǒng)機能水平及營養(yǎng)狀況等信息都是非常重要的。第十一頁，共25頁。當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,血紅細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)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,反應后的敏感膜在波長570nm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系。第十二頁，共25頁。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：都是將分子識別元件中的生物敏感物質與待測物發(fā)生化學反應,將反應后所產(chǎn)生的化學或物理變化再通過信號轉換器轉變?yōu)殡娦盘栠M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伴隨的電子轉移、微生物細胞的氧化直接(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.第十三頁，共25頁。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、尼龍膜等固相支持物上的高密度的組織、細胞、蛋白質、核酸、糖類以及其它生物組分的微點陣。芯片與標記的樣品進行雜交，通過檢測雜交信號即可實現(xiàn)對生物樣品的分析。第十四頁，共25頁。生物芯片的類型

常見的生物芯片主要有:基因芯片;蛋白質芯片;組織芯片。世界著名生物芯片公司:Affymetrix(SantaClara,California)其他:Brax

Genomics

Limited

(Cambridge,

UK)，

Hyseq

(Sunnyvale,

California)

，

Incyte

Pharmaceuticals(Palo

Alto,

Cali-

fornia)

等等。第十五頁，共25頁。基因芯片

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進行數(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雙鏈的互補堿基之間的氫鍵作用，與標記的樣品分子進行雜交，然后用精密掃描儀或攝像紀錄，通過計算機軟件分析處理，得到有價值的生物信息。在基因芯片制備過程中，使用了半導體領域的微加工技術（如右圖中的光刻技術）。

第十六頁，共25頁?；蛐酒赏瑫r對大量核酸分子進行檢測分析，已應用于生物醫(yī)學、生物分子學、人類基因組研究和醫(yī)學臨床診斷領域。如基因表達與分析、疾病診斷、藥物研究與開發(fā)等。第十七頁，共25頁。蛋白質芯片

蛋白質芯片主要是蛋白質如抗原或抗體在載體上的有序排列，依據(jù)蛋白質分子、蛋白質與核酸相互作用的原理進行雜交、檢測和分析。如：第十八頁，共25頁。組織芯片

組織芯片與基因芯片、蛋白質芯片及細胞芯片等一樣，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)十個甚至上千個不同個體的組織標本集成在一張固相載體上，為醫(yī)學分子生物學提供了一種高通量、大樣本以及快速的分子水平的分析工具。第十九頁，共25頁。1醫(yī)學

(1)臨床醫(yī)學在臨床醫(yī)學中，酶電極是最早研制且應用最多的一種傳感器，目前，已成功地應用于血糖、乳酸、維生素C、尿酸、尿素、谷氨酸等物質的檢測。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傳感器是目前生物傳感器中報道最多的一種，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診斷和治療。(2)軍事醫(yī)學軍事醫(yī)學中，對生物毒素的及時快速檢測是防御生化武器的有效措施。生物傳感器已應用于監(jiān)測多種細菌、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)學中，生物傳感器可用作DNA鑒定和親子認證等。應用領域第二十頁，共25頁。2食品工業(yè)⑴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重要指標。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。⑵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)

農藥殘留量分析近年來，人們對食品中的農藥殘留問題越來越重視，各國政府也不斷加強對食品中的農藥殘留的檢測工作。Yamazaki等人發(fā)明了一種使用人造酶測定有機磷殺蟲劑的電流式生物傳感器，可用于檢測果蔬表面有機磷農藥。第二十一頁，共25頁。(4)微生物和毒素的檢驗食品中病原性微生物的存在會給消費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，加強對食品中的病原性微生物及毒素的檢測至關重要。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，它是基于細胞質基因組的反應，通過光學系統(tǒng)傳輸信號。已達到的檢測極限為16.2ng/ml。一天可以檢測20個牛奶樣品。第二十二頁，共25頁。⒊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物污染程度的綜合性指標。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，當樣品溶液通過傳感器檢測系統(tǒng)時，滲透通過多孔膜的有機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)的檢測方法很復雜。Martyr等人將亞細胞類脂類(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行檢測，lOmin可以得到穩(wěn)定的測試結果。

第二十三頁，共25頁。(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