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1、生物傳感器,,生物傳感器的模型,,是一門由生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透成長起來的高新技術(shù)。 應(yīng)用領(lǐng)域：環(huán)境監(jiān)測、食品分析、生物醫(yī)學(xué),一、概述,1. 定義 敏感材料由生物體成分（或本身）組成的傳感器 利用生物活性物質(zhì)具有的分子識(shí)別功能，專一、靈敏。,敏感元件：,酶、抗體、核酸、細(xì)胞等。,轉(zhuǎn)換器：,電化學(xué)電極、光學(xué)檢測元件、場效應(yīng)晶體管、壓電石英晶體、表面等離子共振。,,酶 (Enzyme),抗體(Antibody),DNA,2. 分類 根據(jù)輸出信號(hào)產(chǎn)生的方式 生物親和型、代謝型、催化型 根據(jù)生物分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì) 酶傳感器、組織傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、基

2、因傳感器等 根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化器 電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器等 其他分類 被測對(duì)象、大小、功能,,3. 生物傳感器的特點(diǎn),,高選擇性。生物傳感器是由選擇性好的主體材料構(gòu)成的分子一識(shí)別元件，因此，一般不需進(jìn)行樣品的預(yù)處理。測定時(shí)一般不需另加其它試劑。,體積小、可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在位監(jiān)測。,響應(yīng)快、樣品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反復(fù)多次使用。,傳感器連同測定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀器，因而便于推廣普及。,二、酶電極和酶傳感器,概述 酶及酶促反應(yīng) 酶：由生物體產(chǎn)生的具有催化能力的蛋白質(zhì) 特性：高效106-13，條件溫和，高度專一，（酶原激活） 酶的活力單位：提高反應(yīng)速度的能力（初速度）

3、 標(biāo)準(zhǔn)酶單位、比活力,,,,酶（Enzyme）,酶的專一性：鎖和鑰匙的關(guān)系。這種關(guān)系在生物大分子的相互作用中具有普遍性，,對(duì)底物選擇性地結(jié)合，避免其它物質(zhì)干擾。,3.酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)影響因素,底物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響,Km:酶性質(zhì) Vm:酶催化效能,3.酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)影響因素,酶濃度的影響 pH 溫度 抑制劑和激活劑,4.酶的固定化技術(shù),早期的酶電極 固定化技術(shù)的重要性三代生物傳感器（1）非活性基質(zhì)膜和化學(xué)電極（2）生物成分結(jié)合轉(zhuǎn)換器表面（3）生物成分直接固定于電子元件,各種固定化方法介紹,（1）共價(jià)鍵結(jié)合 ：牢固，易失活，單層 （2）交聯(lián)固定：固定量大，部分失活 （3）包埋：多樣，失

4、活小，影響因素多 （4）吸附：簡單，失活小，牢固性差 （5）夾心：簡單 （6）LB膜等新技術(shù),LB膜成膜過程,,Langmuir-Blodgett 膜,為了獲得高靈敏度和穩(wěn)定性的生物傳感器，應(yīng)能有效控制酶在電極表面的存在形式，維持高的有序程度。,LB膜可用于將酶和其它物質(zhì)修飾到電極表面。,LB膜技術(shù)是很好的模擬生物膜的技術(shù)。,,5.酶電極及酶傳感器實(shí)例,生物分子識(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換元件：氧電極，pH電極及H2O2電極,,（1）葡萄糖氧化酶電極,,一種葡萄糖傳感器-Glucowatch,Glucose pulled throu

5、gh the skin by 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,生物分子識(shí)別元件：乙醇氧化酶膜 信號(hào)轉(zhuǎn)換元件：氧電極,,（2）乙醇傳感器,生物分子識(shí)別元件：乙醇脫氫酶膜 信號(hào)轉(zhuǎn)換元件：Ox 電子傳遞介質(zhì)（二茂鐵、四硫富瓦烯） 15秒，10

6、-610-4 mol/L,生物分子識(shí)別元件：丙酮酸氧化酶 信號(hào)轉(zhuǎn)換元件：氧電極， H2O2電極及pH、CO2電極,,（3）GPT傳感器,三、組織電極,以動(dòng)植物組織薄片材料作為生物敏感膜的生物傳感器 特點(diǎn)： 酶處于天然、理想狀態(tài)，穩(wěn)定、功效高 壽命一般較長 有些沒有了解的反應(yīng)途徑或無條件擬合的體系，可直接用組織代替 組織可直接成膜，便于固定，成本低 組織酶源廣 商品化難以實(shí)現(xiàn),實(shí)例1:豬腎組織L-谷氨酰胺電極,1979，Rechnitz, 6.010-5 6.710-3mol/L 6min 28天,2,1.尼龍網(wǎng) 2.組織切片 3.透析膜,實(shí)例2:花椰菜膜L-抗壞血酸組織電極,,,電極制

7、作：組織糊+牛血清白蛋白+戊二醛+尼龍網(wǎng) +氧電極 工作條件：底液、pH、溫度 響應(yīng)曲線： 影響因素：組織、固定化、工作條件,問題,在酶傳感器制備時(shí)，常用的酶固定化方法有哪些？各有何優(yōu)缺點(diǎn)？ 組織電極與酶電極相比有何優(yōu)缺點(diǎn)？ 式舉例說明酶電極的制作原理和結(jié)構(gòu)。,四、微生物傳感器1.特點(diǎn),適合發(fā)酵體系 微生物的菌株價(jià)格低 其細(xì)胞內(nèi)酶的活性因細(xì)胞增殖而再生,壽命長 適合完成需要輔助因子的復(fù)雜連續(xù)反應(yīng) 干擾較酶傳感器嚴(yán)重,2. 微生物傳感器的分類,按工作原理： （1）用微生物體內(nèi)酶的生物活性 類似酶傳感器 （2）利用微生物對(duì)有機(jī)物的同化作用 （a）呼吸機(jī)能型微生物傳感器（b）代謝機(jī)能型

8、微生物傳感器,,3. 微生物學(xué)基本知識(shí),分類、組成及性質(zhì) 營養(yǎng)：自養(yǎng)型與異養(yǎng)型 生長與控制：生長曲線 保存：要求、方法,4.實(shí)例1：葡萄糖微生物電極Pseudomonas fluorescence,菌種 有氧 30C, 20小時(shí)培養(yǎng) 6000 n/min 離心、0.1 g 濕細(xì)胞 + 1.8 g 膠原纖維，混勻，滴于四氟乙烯膜上，室溫晾干,浸于戊二醛中1分鐘，4C干燥，裝在氧電極外套上 測定原理及過程：響應(yīng)參數(shù)和條件：35C, pH 7, 10-410-5mol/L,30 D,實(shí)例2：BOD微生物傳感器,BOD概念 傳感器原理： 細(xì)菌在同化有機(jī)物時(shí)，消耗氧，其程度與同化作用的強(qiáng)弱，即有機(jī)物的濃

9、度成正比。,五、免疫傳感器,引言: 免疫 自然免疫 獲得性免疫 免疫分析 抗原 抗體 免疫傳分析特點(diǎn)：利用抗原、抗體所具有的高靈敏度、高選擇性的結(jié)合做為分子識(shí)別手段進(jìn)行分析。 免疫傳感器分類：非標(biāo)記免疫傳感器和標(biāo)記免疫傳感器兩類,1 非標(biāo)記免疫傳感器,原理： 抗體與抗原（蛋白質(zhì)）的結(jié)合有高度選擇性，當(dāng)兩者結(jié)合時(shí)，蛋白質(zhì)分子發(fā)生各種性質(zhì)變化，如攜帶的大量電荷會(huì)產(chǎn)生電位變化，繼而引起事先固定了抗原或抗體的各種轉(zhuǎn)換元件電化學(xué)及物理參數(shù)的改變。,,例：p425 優(yōu)點(diǎn)： 儀器要求簡單、操作容易、不需要額外試劑 缺點(diǎn)： 靈敏度較低、樣品需要量大、非特異性吸附造成假陽性,2 標(biāo)記免疫傳感器,標(biāo)記：以酶、

10、熒光物質(zhì)、電活性化合物、放射性同位素等為標(biāo)記物。 （1）競爭法：用一定量的標(biāo)記過的抗原加入到被測的非標(biāo)記抗原中，此時(shí)非標(biāo)記抗原與標(biāo)記抗原與傳感器表面抗體發(fā)生競爭反應(yīng)，再通過抗原-抗體結(jié)合體中“標(biāo)記”性信號(hào)的檢測，實(shí)現(xiàn)非標(biāo)記抗原的測量。 （2）夾心法：抗原與傳感器表面抗體結(jié)合后，再加標(biāo)記抗體與抗原結(jié)合，,標(biāo)記免疫傳感器,,,優(yōu)點(diǎn)： 靈敏度高、選擇性好，可做為常規(guī)方法使用 缺點(diǎn)： 需要標(biāo)記物，操作較復(fù)雜,六、其他生物傳感器,場效應(yīng)晶體管型生物傳感器例：酶場效應(yīng)晶體管型生物傳感器 測熱及測光型生物傳感器 例：酶傳感器 酶反應(yīng)的熱效應(yīng)+熱敏電阻（10-4K)化學(xué)發(fā)光：放能化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的光輻射

11、 光的利用 生物現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象、物理現(xiàn)象的組合,七、生物芯片,引言 傳感器陣列和生物微陣列傳感器 基因傳感器和基因芯片,,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(shí)進(jìn)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(bǔ)堿基之間的氫鍵作用，與標(biāo)記的樣品分子進(jìn)行雜交，然后用精密掃描儀或攝像紀(jì)錄，通過計(jì)算機(jī)軟件分析處理，得到有價(jià)值的生物信息。 在基因芯片制備過程中，使用了半導(dǎo)體領(lǐng)域的微加工技術(shù)（如右圖中的光刻技術(shù)）。 基因芯片可同時(shí)對(duì)大量核酸分子進(jìn)行檢測分析，已應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、生物分子學(xué)、人類基因組研究和醫(yī)學(xué)臨床診斷領(lǐng)域

12、。,,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(xì)胞、蛋白質(zhì)、核酸、糖類以及其它生物組分的微點(diǎn)陣。芯片與標(biāo)記的樣品進(jìn)行雜交，通過檢測雜交信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品的分析。,,生物芯片的類型,常見的生物芯片主要有: 基因芯片; 蛋白質(zhì)芯片; 組織芯片。,世界著名生物芯片公司:Affymetrix (Santa Clara, California),其他: BraxGenomicsLimited(Cambridge,UK) ， Hyseq(Sunnyvale,California)， IncytePharmaceutica

13、ls(PaloAlto,Cali-fornia)等等。,,蛋白質(zhì)芯片,蛋白質(zhì)芯片主要是蛋白質(zhì)如抗原或抗體在載體上的有序排列，依據(jù)蛋白質(zhì) 分子、蛋白質(zhì)與核酸相互作用的原理進(jìn)行雜交、檢測和分析。,如：,,組織芯片,組織芯片與基因芯片、蛋白質(zhì)芯片及細(xì)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(gè)甚至上千個(gè)不同個(gè)體的組織標(biāo)本集成在一張固相載體上，為醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)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。,芯片上的實(shí)驗(yàn)室,將生命科學(xué)研究中的許多不連續(xù)的分析過程如樣品制備、生物化學(xué)反應(yīng)和目標(biāo)基因分離檢測等煩瑣的實(shí)驗(yàn)操作，通過采用象集成電路制作中的半導(dǎo)體光刻加工那樣的縮微技術(shù)，移植到芯片上進(jìn)行，使其連續(xù)化、微型化.,生物傳感器的發(fā)展方向,集成化與功能化 提高靈敏度 智能化,