第九章生物傳感器

第九章生物傳感器第一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四第一節(jié)概述1傳感器的定義與分類定義：能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件：指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺埽ɑ蝽憫?yīng)）被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件：指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺埽ɑ蝽憫?yīng)）的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適宜傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。第二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四分類按功能分類：有源傳感器、無(wú)源傳感器按輸出信號(hào)形式分類：模擬式、數(shù)字式按效應(yīng)分類：物理傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器按測(cè)量量分類：位移、速度、力、真空、溫度、光、聲、射線、濃度和粘度傳感器第三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四分析生物技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域便是生物傳感器(biosensor),它是一個(gè)典型的多學(xué)科交叉產(chǎn)物,結(jié)合了生命科學(xué)、分析化學(xué)、物理學(xué)和信息科學(xué)及其相關(guān)技術(shù)，能夠?qū)λ枰獧z測(cè)的物質(zhì)進(jìn)行快速分析和追蹤。生物的基本特征之一，是能夠?qū)ν饨绲母鞣N刺激作出反應(yīng)。其所以能夠如此，首先是由于生物能感受外界的各類刺激信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成體內(nèi)信息處理系統(tǒng)所能接收并處理的信號(hào)。例如，人能通過(guò)眼、耳、鼻、舌、身等感覺(jué)器官將外界的光、聲、溫度及其它各種化學(xué)和物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成人體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)等信息處理系統(tǒng)能夠接收和處理的信號(hào)。生物傳感器的出現(xiàn)，是科學(xué)家的興趣和科學(xué)技術(shù)發(fā)展及社會(huì)發(fā)展需求多方面雙驅(qū)動(dòng)的結(jié)果，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一個(gè)涉及內(nèi)容廣泛、多學(xué)科介入和交叉、充滿創(chuàng)新活力的領(lǐng)域。第四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四生物傳感器發(fā)展階段20世紀(jì)60～70年代，起步階段：傳統(tǒng)酶電極20世紀(jì)70年代末期到80年代，發(fā)展高潮階段：介體酶電極20世紀(jì)90年代以后市場(chǎng)開(kāi)發(fā)獲得顯著成績(jī)生物親和傳感器的技術(shù)突破酶的直接電化學(xué)第五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四第二節(jié)生物傳感器的原理和特點(diǎn)生物敏感膜(biosensitivemembrane)又稱分子識(shí)別元件(molecularrecognitionelement),是生物傳感器的關(guān)鍵元件，直接決定傳感器的功能和質(zhì)量．待分析物生物敏感膜化學(xué)量或物理量變化換能器可定量加工的電信號(hào)第六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四生物傳感器的工作原理根據(jù)生物分子識(shí)別部分發(fā)生的變化分為下列四種：1）將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)2）將熱變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)3）將生物光效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)4）直接誘導(dǎo)電信號(hào)第七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四生物傳感器的分類1）根據(jù)生物傳感器中分子識(shí)別元件中的敏感物質(zhì)分類：酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、?xì)胞器傳感器、免疫傳感器2）依所用換能器來(lái)分類：電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測(cè)熱型生物傳感器、測(cè)光型生物傳感器、測(cè)聲型生物傳感器3）根據(jù)傳感器輸出信號(hào)產(chǎn)生的方式來(lái)分類：代謝型或催化型生物傳感器；親和型生物傳感器第八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四生物傳感器的主要特點(diǎn)（1）特異性好：能從復(fù)雜的系統(tǒng)中準(zhǔn)確測(cè)出某一物質(zhì)的濃度。（2）靈敏度高：可檢測(cè)0.1~1.0ppm濃度的物質(zhì)，最小極限為10-10g/mL。（3）穩(wěn)定性相對(duì)較差：檢測(cè)結(jié)果易受物理和化學(xué)環(huán)境因素的影響。（4）不能加熱殺菌處理：其中的生物物質(zhì)有失活的可能，因此一般不能加熱殺菌處理。（5）制作工藝精細(xì)，廢品率高，成本昂貴。第九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四分子識(shí)別元件分類法酶?jìng)鞲衅魑⑸飩鞲衅鹘M織傳感器細(xì)胞傳感器核酸傳感器免疫傳感器分子印跡生物傳感器EnzymesensorMicrobialsensorTissuesensorOrganellesensorDNA/RNAsensorimmunosensorMolecularimprintedbiosensor第三節(jié)生物傳感器的敏感元件第十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四酶?jìng)鞲衅鞲鞣N酶微生物傳感器微生物細(xì)胞細(xì)胞器傳感器細(xì)胞膜、線粒體、電子傳遞體、微粒體等細(xì)胞器組織傳感器細(xì)胞組織免疫傳感器抗原、抗體基因（DNA）傳感器核酸（DNA、RNA）第十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四器件分類法光生物傳感器電導(dǎo)/阻抗生物傳感器聲波生物傳感器熱生物傳感器電化學(xué)生物傳感器半導(dǎo)體生物傳感器懸臂梁生物傳感器OpticalbiosensorCalorimetricbiosensorAcousticwavebiosensorConductive/impedancebiosensorElectrochemicalbiosensorSemiconductbiosensorCantileverbiosensor第十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四

生物物質(zhì)發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)換器可傳遞信號(hào)信號(hào)轉(zhuǎn)換器生物反應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)電極式各種電極活性物質(zhì)，如O2、CO2、H+、NH4+等熱敏電阻式熱光電纖維式光半導(dǎo)體式電場(chǎng)壓電晶體式氣體等離子體共振式磁場(chǎng)第十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四酶?jìng)鞲衅髅福寒a(chǎn)生于生物體內(nèi)具有催化活性的一類蛋白質(zhì)。酶在生命活動(dòng)中參與新陳代謝、生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖與運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所有生化反應(yīng)。具有以下特點(diǎn)：1）酶的催化反應(yīng)條件極易達(dá)到，這使酶極易用作敏感元件2）酶的催化效率比一般催化劑高約106-10133）酶的催化作用具有高度專一性4）酶的活性在生物體內(nèi)受各種元素的調(diào)節(jié)與控制第十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四酶?jìng)鞲衅鳎喊鸽姌O、酶場(chǎng)效應(yīng)晶體管、酶熱敏電阻、發(fā)光型生物傳感器等。酶電極：實(shí)際上它是一種電池。在原電極上覆蓋一層由酶制成的膜，許多有機(jī)物在酶的催化下與氧反應(yīng)，放出NH3、H2O2、CO2等，它們?nèi)芙獾絻?nèi)電解液中，由有關(guān)的離子選擇電極測(cè)出它們的變化，從而測(cè)定該有機(jī)物。由于酶的專一性強(qiáng)，故酶電極的選擇性特別好。目前已有幾十種酶電極，它可以測(cè)一些生化體系的物質(zhì)，如尿素、葡萄糖、氨基酸、膽固醇、青霉素、苦味仁苷等。第十五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四酶場(chǎng)效應(yīng)晶體管：簡(jiǎn)記ENFET，是由酣膜和ISFET兩部分構(gòu)成、其中的ISFET又多為PH-ISFET，其結(jié)構(gòu)如圖所示。把酶膜固定在柵極絕緣膜(Si3N4-SiO2)上、進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于酶的催化作用，使待測(cè)的有機(jī)分子反應(yīng)生成ISFET能夠響應(yīng)的離子。Si3N4，表面離子濃度發(fā)生變化時(shí)，表面電荷將發(fā)生變化，場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極對(duì)表面電荷非常敏感，由此引起柵極的電位變化，這樣就可以對(duì)漏極電流進(jìn)行調(diào)制。第十六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四第十七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四酶熱敏電阻：由固定化酶和熱敏電阻組合而成，利用的原理是溫度引起電阻變化。酶反應(yīng)總是伴有熱效應(yīng)發(fā)生，若放出熱量全部用于反應(yīng)體系溫度升高，則應(yīng)滿足下列關(guān)系式：式中n為產(chǎn)物的摩爾數(shù)，ΔH為酶催化反應(yīng)的焓變，ΔT為反應(yīng)體系的溫度變化，C為反應(yīng)體系的熱容量。第十八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四發(fā)光型生物傳感器：主要是利用螢火蟲(chóng)瑩蟲(chóng)素酶體系、細(xì)菌瑩蟲(chóng)系酶體系的生物發(fā)光測(cè)定多種酶和代謝產(chǎn)物，以及利用過(guò)氧化物測(cè)定H2O2，而H2O2在多種化學(xué)反應(yīng)中均可產(chǎn)生。測(cè)定方法是將發(fā)光反應(yīng)的有關(guān)成分放置玻璃杯中置于光電倍增管前端，根據(jù)發(fā)光反應(yīng)的光輻射測(cè)定所測(cè)物的含量?；?qū)l(fā)光的敏感物質(zhì)酶制成酶膜，裝在光導(dǎo)纖維一端，經(jīng)光導(dǎo)纖維傳到另一端，用光子計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)測(cè)。第十九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四微生物傳感器微生物膜作為分子識(shí)別元件利用：①利用微生物細(xì)胞內(nèi)單一或多個(gè)酶的機(jī)能來(lái)識(shí)別分子—類似于酶?jìng)鞲衅?；②利用微生物的生理機(jī)能。第二十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四微生物傳感器主要由固定化微生物膜和轉(zhuǎn)換器件組成。轉(zhuǎn)換器件可供使用的較多，但主要有電化學(xué)電極和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。酶活性測(cè)定型——以微生物酶催化反應(yīng)的活性為指標(biāo)；（類似于酶?jìng)鞲衅鳎┖粑钚詼y(cè)定型——以微生物呼吸活性為指標(biāo)；電極活性物質(zhì)測(cè)定型——以微生物代謝產(chǎn)物為指標(biāo)。第二十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四（1）呼吸活性測(cè)定型——必須是好氣性微生物氧濃度↓氧電極電流值↓

CO2生成CO2電極電位值↑

氧

微生物利用的被測(cè)物質(zhì)好氣微生物膜第二十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四（2）電極活性物質(zhì)測(cè)定型——包括厭氧和好氧微生物待測(cè)物質(zhì)固定化微生物膜

CO2CO2電極電位式H2鉑陽(yáng)極，Ag2O2陰極電流式NH3氨電極電位式H+玻璃電極電位式還原型輔酶燃料電極電流式第二十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四微生物傳感器特點(diǎn)：（1）微生物較酶易獲得，價(jià)格相對(duì)較低；（2）穩(wěn)定性好，連續(xù)使用時(shí)間可達(dá)一個(gè)月左右；（3）響應(yīng)時(shí)間比酶?jìng)鞲衅鏖L(zhǎng)，多數(shù)在10分鐘左右；（4）特異性較酶?jìng)鞲衅鞑?。第二十四?yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四免疫傳感器免疫電極是以免疫物質(zhì)（抗原或抗體）作為敏感元件的電化學(xué)生物傳感器?？乖阂环N進(jìn)入機(jī)體后刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)。他可能是生物體（如病毒細(xì)菌等各種微生物），也可能是非生物體（如各種異性蛋白、多糖等）?？贵w：是一種免疫球蛋白。第二十五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四免疫物質(zhì)的高特異性識(shí)別使免疫電極具有很高的特異性。根據(jù)測(cè)定過(guò)程是否需要標(biāo)記物可分為直接免疫電極和間接免疫電極。第二十六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四（1）直接免疫電極——不用任何標(biāo)記物

例如（設(shè)抗體為被測(cè)物）：抗體電信號(hào)（電壓）電化學(xué)或電學(xué)變化膜電壓變化特點(diǎn)：不需額外試劑，儀器要求簡(jiǎn)單，操作容易，響應(yīng)快；缺點(diǎn)：靈敏度低，因而難以作為標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法

第二十七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四2）間接免疫電極-需要制備酶標(biāo)抗體或酶標(biāo)抗原結(jié)合物

利用標(biāo)記物將免疫反應(yīng)的信號(hào)放大后間接測(cè)定抗原或抗體，這類電極稱為間接免疫電極，亦稱酶聯(lián)免疫測(cè)定法或ELISA法（enzymelinkedimmunoassay）。第二十八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四例如（設(shè)抗體為被測(cè)物）：推測(cè)試樣中抗體濃度

抗體↓固定化酶標(biāo)抗原膜抗體與酶標(biāo)抗原結(jié)合↓

改變酶標(biāo)抗原存在狀態(tài)↓固定化酶標(biāo)抗原膜←底物狀態(tài)改變的酶標(biāo)抗原催化底物反應(yīng)↓反應(yīng)速度與試樣中抗體濃度有關(guān)↓第二十九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四

DNA傳感器DNA測(cè)定主要指靶DNA的檢測(cè)、DNA序列測(cè)定和DNA雜交測(cè)定。DNA測(cè)定在分子生物學(xué)及其基因操作研究、臨床診斷、反恐偵檢、食品安全、檢疫等方面應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的DNA檢測(cè)主要依靠膜上分子雜交和電泳，其特點(diǎn)是技術(shù)要求高，時(shí)間長(zhǎng)、成本高、效率低。近年來(lái)DNA傳感器和DNA列陣的出現(xiàn)，使DNA的檢測(cè)大大減化。第三十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四（2）DNA傳感器的分類★按轉(zhuǎn)換器的不同可分為電極型（電化學(xué)型）、光學(xué)型和質(zhì)量型等。其中應(yīng)用最廣泛的電極型DNA傳感器，根據(jù)其作用原理的不同可分為五大類：A.直接DNA電化學(xué)型（directDNAelectrochemistry）B.間接DNA電化學(xué)型（indirectDNAelectrochemistry）C.特異性氧化還原指示劑型（specificredoxindicator）D.DNA介導(dǎo)的帶電輸出型（DNA-mediatedchargetransport）E.納米顆粒電化學(xué)放大型（nanoparticleselectrochemicalenhancing）第三十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四（3）DNA電化學(xué)傳感器原理DNA電化學(xué)傳感器通常由已知序列的單鏈DNA（ssDNA，通常稱為探針）分子和電極組成。樣品中互補(bǔ)的ssDNA固定化ssDNA

dsDNA電極表面

電信號(hào)變化識(shí)別和測(cè)定靶基因雜交反應(yīng)結(jié)構(gòu)變化電化學(xué)反應(yīng)第三十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四第四節(jié)應(yīng)用領(lǐng)域在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門如食品、制藥、化工、臨床檢驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面有廣泛的應(yīng)用前景。特別是分子生物學(xué)與微電子學(xué)、光電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)及納米技術(shù)等新學(xué)科、新技術(shù)結(jié)合，正改變著傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)動(dòng)植