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1、生物传感器,生物传感器的模型,是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。 应用领域：环境监测、食品分析、生物医学,一、概述,1. 定义 敏感材料由生物体成分（或本身）组成的传感器 利用生物活性物质具有的分子识别功能，专一、灵敏。,敏感元件：,酶、抗体、核酸、细胞等。,转换器：,电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振。,酶 (Enzyme),抗体(Antibody),DNA,2. 分类 根据输出信号产生的方式 生物亲和型、代谢型、催化型 根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基因传感器等
2、 根据信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器等 其他分类 被测对象、大小、功能,3. 生物传感器的特点,高选择性。生物传感器是由选择性好的主体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其它试剂。,体积小、可以实现连续在位监测。,响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。,传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。,二、酶电极和酶传感器,概述 酶及酶促反应 酶：由生物体产生的具有催化能力的蛋白质 特性：高效106-13，条件温和，高度专一，（酶原激活） 酶的活力单位：提高反应速度的能力（初速度） 标准酶单位、比活
3、力,酶（Enzyme）,酶的专一性：锁和钥匙的关系。这种关系在生物大分子的相互作用中具有普遍性，,对底物选择性地结合，避免其它物质干扰。,3.酶促反应的动力学影响因素,底物浓度对反应速度的影响,Km:酶性质 Vm:酶催化效能,3.酶促反应的动力学影响因素,酶浓度的影响 pH 温度 抑制剂和激活剂,4.酶的固定化技术,早期的酶电极 固定化技术的重要性 三代生物传感器 （1）非活性基质膜和化学电极 （2）生物成分结合转换器表面 （3）生物成分直接固定于电子元件,各种固定化方法介绍,（1）共价键结合 ：牢固，易失活，单层 （2）交联固定：固定量大，部分失活 （3）包埋：多样，失活小，影响因素多 （4
4、）吸附：简单，失活小，牢固性差 （5）夹心：简单 （6）LB膜等新技术,LB膜成膜过程,Langmuir-Blodgett 膜,为了获得高灵敏度和稳定性的生物传感器，应能有效控制酶在电极表面的存在形式，维持高的有序程度。,LB膜可用于将酶和其它物质修饰到电极表面。,LB膜技术是很好的模拟生物膜的技术。,5.酶电极及酶传感器实例,生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜 可用的测量量：O2的减少量，葡萄糖酸或H2O2的产生量 信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极,（1）葡萄糖氧化酶电极,一种葡萄糖传感器-Glucowatch,Glucose pulled through the skin by
5、charged molecules The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxide The reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor,生物分子识别元件：乙醇氧化酶膜 信号转换元件：氧电极,（2）乙醇传感器,生物分子识别元件：乙醇脱氢酶膜 信号转换元件：Ox 电子传递介质（二茂铁、四硫富瓦烯） 15秒，10-610-4 mol/L,生物分
6、子识别元件：丙酮酸氧化酶 信号转换元件：氧电极， H2O2电极及pH、CO2电极,（3）GPT传感器,三、组织电极,以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的生物传感器 特点： 酶处于天然、理想状态，稳定、功效高 寿命一般较长 有些没有了解的反应途径或无条件拟合的体系，可直接用组织代替 组织可直接成膜，便于固定，成本低 组织酶源广 商品化难以实现,实例1:猪肾组织L-谷氨酰胺电极,1979，Rechnitz, 6.010-5 6.710-3mol/L 6min 28天,2,1.尼龙网 2.组织切片 3.透析膜,实例2:花椰菜膜L-抗坏血酸组织电极,电极制作：组织糊+牛血清白蛋白+戊二醛+尼龙网 +氧
7、电极 工作条件：底液、pH、温度 响应曲线： 影响因素：组织、固定化、工作条件,问题,在酶传感器制备时，常用的酶固定化方法有哪些？各有何优缺点？ 组织电极与酶电极相比有何优缺点？ 式举例说明酶电极的制作原理和结构。,四、微生物传感器 1.特点,适合发酵体系 微生物的菌株价格低 其细胞内酶的活性因细胞增殖而再生,寿命长 适合完成需要辅助因子的复杂连续反应 干扰较酶传感器严重,2. 微生物传感器的分类,按工作原理： （1）用微生物体内酶的生物活性 类似酶传感器 （2）利用微生物对有机物的同化作用 （a）呼吸机能型微生物传感器 （b）代谢机能型微生物传感器,3. 微生物学基本知识,分类、组成及性质
8、营养：自养型与异养型 生长与控制：生长曲线 保存：要求、方法,4.实例1：葡萄糖微生物电极 Pseudomonas fluorescence,菌种 有氧 30C, 20小时培养 6000 n/min 离心、0.1 g 湿细胞 + 1.8 g 胶原纤维，混匀，滴于四氟乙烯膜上，室温晾干,浸于戊二醛中1分钟，4C干燥，装在氧电极外套上 测定原理及过程： 响应参数和条件：35C, pH 7, 10-410-5mol/L,30 D,实例2：BOD微生物传感器,BOD概念 传感器原理： 细菌在同化有机物时，消耗氧，其程度与同化作用的强弱，即有机物的浓度成正比。,五、免疫传感器,引言: 免疫 自然免疫 获
9、得性免疫 免疫分析 抗原 抗体 免疫传分析特点： 利用抗原、抗体所具有的高灵敏度、高选择性的结合做为分子识别手段进行分析。 免疫传感器分类： 非标记免疫传感器和标记免疫传感器两类,1 非标记免疫传感器,原理： 抗体与抗原（蛋白质）的结合有高度选择性，当两者结合时，蛋白质分子发生各种性质变化，如携带的大量电荷会产生电位变化，继而引起事先固定了抗原或抗体的各种转换元件电化学及物理参数的改变。,例：p425 优点： 仪器要求简单、操作容易、不需要额外试剂 缺点： 灵敏度较低、样品需要量大、非特异性吸附造成假阳性,2 标记免疫传感器,标记：以酶、荧光物质、电活性化合物、放射性同位素等为标记物。 （1）
10、竞争法：用一定量的标记过的抗原加入到被测的非标记抗原中，此时非标记抗原与标记抗原与传感器表面抗体发生竞争反应，再通过抗原-抗体结合体中“标记”性信号的检测，实现非标记抗原的测量。 （2）夹心法：抗原与传感器表面抗体结合后，再加标记抗体与抗原结合，,标记免疫传感器,优点： 灵敏度高、选择性好，可做为常规方法使用 缺点： 需要标记物，操作较复杂,六、其他生物传感器,场效应晶体管型生物传感器 例：酶场效应晶体管型生物传感器 测热及测光型生物传感器 例：酶传感器 酶反应的热效应+热敏电阻（10-4K) 化学发光：放能化学反应产生的光辐射 光的利用 生物现象、化学现象、物理现象的组合,七、生物芯片,引言
11、 传感器阵列和生物微阵列传感器 基因传感器和基因芯片,基因芯片,基因芯片又称寡核苷酸探针微阵列。将系列DNA片段固定在载体上（硅片、尼龙膜）。可同时进行数百次常规测试。 大量探针分子固定于支持物上后，利用DNA双链的互补碱基之间的氢键作用，与标记的样品分子进行杂交，然后用精密扫描仪或摄像纪录，通过计算机软件分析处理，得到有价值的生物信息。 在基因芯片制备过程中，使用了半导体领域的微加工技术（如右图中的光刻技术）。 基因芯片可同时对大量核酸分子进行检测分析，已应用于生物医学、生物分子学、人类基因组研究和医学临床诊断领域。,生物芯片,生物芯片是生物传感器的阵列和集成化。,生物芯片是指包被在硅片、尼
12、龙膜等固相支持物上的高密度的组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类以及其它生物组分的微点阵。芯片与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号即可实现对生物样品的分析。,生物芯片的类型,常见的生物芯片主要有: 基因芯片; 蛋白质芯片; 组织芯片。,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。,蛋白质芯片,蛋白
13、质芯片主要是蛋白质如抗原或抗体在载体上的有序排列，依据蛋白质 分子、蛋白质与核酸相互作用的原理进行杂交、检测和分析。,如：,组织芯片,组织芯片与基因芯片、蛋白质芯片及细胞芯片等一样，属于一种特殊、新型的生物芯片，是一种新型的高通量、多样本的研究工具。,它将数十个甚至上千个不同个体的组织标本集成在一张固相载体上，为医学分子生物学提供了一种高通量、大样本以及快速的分子水平的分析工具。,芯片上的实验室,将生命科学研究中的许多不连续的分析过程如样品制备、生物化学反应和目标基因分离检测等烦琐的实验操作，通过采用象集成电路制作中的半导体光刻加工那样的缩微技术，移植到芯片上进行，使其连续化、微型化.,生物传感器的发展方向,集成化与功能化 提高灵敏度 智能化,