第11章-生物传感器..ppt

1、第六章生物传感器、生物传感器(biosensor ) :生物传感器通常是指一种生物传感器与传感器紧密结合，对特定种类的化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。 用于微量物质的检测。 识别了基本组成和动作原理的生物分子作用于生物传感膜，产生物理变化和化学变化。 生物传感器的重要部分是生物传感器。 特定识别功能的生物活性物质的高度特异/高度敏感例：酶、抗原、抗体、各种受体。 酶、抗体、换能器将信号转换成电信号。以及电极(将化学变化转换为电信号)、光电转换器(将光信号转换为电信号)、热电转换器、离子灵敏度场效应管(将离子浓度变化转换为电信号)等。 生物传感器固定化技术是生物传感器制作的

2、核心，固定化技术：将酶等活性物质固定化在各种载体上，作为生物敏感膜应用的结合技术目前固定化的生物活性物质：酶、辅酶、抗原、抗体、微生物菌体、激素、抑制剂、细胞器等固定化技术主要是有吸附法、共价键法的分子识别元件根据换能器，采用电极型、测热型、发光型、半导体型、测音型。 按工作原理：电化学生物传感器、热效应生物传感器、光电效应生物传感器。 生物传感器的工作原理是将化学变化转换为电信号(间接型)，将热变化转换为电信号(间接型)，将光效应转换为电信号(间接型)，直接产生电信号的方式(直接型)，1电化学生物传感器，酶催化特定的生物物质的反应， 特定反应生成物的量增减换能器将生成物量的增减分为电信号电化

3、学电极的电化学生物传感器所采用的电流型电极作为信号转换器的倾向增高，这样的电极与电位型电极相比，(1) 如电极的输出与被检体的浓度直接存在直线关系的电位型电极那样，与被检体浓度的对数没有线性关系的(2)与电极输出值的读取误差对应的被检体浓度的相对误差比电位型电极小的(3)电极的灵敏度高，生物分子识别元件：可利用葡萄糖氧化酶膜的测定量： O2的减少量， 葡萄糖酸或H2O2的产生量信号转换元件：氧电极胆固醇传感器、乳酸传感器、肌酸酐和肌酸酐传感器等，葡萄糖传感器、2热效应生物传感器、固定化的酶膜与被测定生物物质发生作用，产生热效应的热敏元件对热进行电阻t :系统温度变化n :产物摩尔数Cs :系统

4、热容量h :酶催化反应焓变化(能量)，3光电效应生物传感器，固定化生物量和被测量生物量作用，光学现象产生光信号作为光学DNA生物传感器，血红蛋白检测系统，DNA 由于基于光学生物传感器，Hb含量的测定对于了解生物体内循环系统的功能水平和营养状况等信息非常重要。 全血样品滴入固定有裂解剂和氧化试剂的感应膜时，血红蛋白细胞被裂解剂裂解，释放出的Hb和氧化试剂生成稳定的褐色生成物，Hb浓度越高，感应膜的颜色越浓。根据光纤分光器的检测，反应后的感应膜在波长570 nm产生特异的吸收，得到的光反射率与Hb浓度有良好的线性关系。 4、直接产生电信号的方式、上述三原理的生物传感器都是使分子识别元件中的生物感

5、应物质与被测定物进行化学反应，通过信号转换器将反应后产生的化学或物理变化转换为电信号进行测定而直接产生电信号的方式，是直接(或电子生物芯片是指被硅片、尼龙薄膜等固相支撑体包复的高密度组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类和其他生物成分的微阵列。 芯片可以与标记样品进行杂交，通过检测杂交信号实现生物样品的分析。 生物芯片的类型，常见的生物芯片组装蛋白质芯片主要有：个基因芯片。 世界萩名生物芯片公司：Affymetrix (Santa Clara，California )，其他： braxgenomicslimited (Cambridge，UK )，hyseq(sseq )，基因芯片，基因芯片是寡核将系

6、列DNA片段固定在载体(硅片、尼龙薄膜)上。 可以同时进行数百次的普通测试。 大量探针分子固定在支撑物上后，利用DNA双链互补碱基之间的氢键作用，与标记的样品分子进行杂交，用精密扫描仪或相机记录，用计算机软件分析处理，得到有价值的生物信息。 在基因芯片的制造中，使用半导体领域的微细加工技术(例如右图的光刻技术)。 基因芯片可同时检测分析大量核酸分子，并应用于生物医学、生物分子学、人类基因组研究和医学临床诊断领域。 如基因表达和分析、疾病诊断、药物研究和发展等。 蛋白质芯片、蛋白质芯片主要是蛋白质，如抗原和抗体在载体上的规则排列，根据蛋白质分子、蛋白质和核酸的相互作用原理进行杂交、检测和分析。

7、组织芯片、组织芯片和基因芯片、蛋白质芯片以及细胞芯片等一样，都是特殊、新型的生物芯片，是新型的高吞吐量、多样本的研究工具。 将数十至数千个不同个体的组织标本整合为一个固相载体，为医学分子生物学提供了高通量、大样本和快速分子水平分析工具。 1医学(1)临床医学临床医学中，酶电极是研制最早、应用最多的传感器，目前已成功检测出血糖、乳酸、维生素c、尿酸、尿素、谷氨酸等物质。 可以利用具有不同生物特性的微生物代替酶制造微生物传感器，临床应用的微生物传感器有葡萄糖、乙醉、胆固醇等传感器。 DNA传感器是目前生物传感器中报告最多的一种，用于临床疾病诊断是DNA传感器的最大优势，医生可以帮助从DNA、RNA

8、、蛋白质及其相互作用的水平了解疾病的发生、发展过程，有助于对疾病的及时诊断和治疗。 (2)在军事医学和军事医学中，及时快速检测生物毒素是防御生化武器的有效措施。 生物传感器已经应用于监测多种细菌、病毒及其毒素，如鼠疫埃尔森菌、肉毒菌类毒素等。 另外法医学中，生物传感器可以作为DNA鉴定和亲子认证等。 在应用领域、2食品工业、食品成分分析食品工业中，葡萄糖含量是测定水果成熟度和贮藏寿命的重要指标。 研制的酶电极型生物传感器可用于分析白酒、苹果汁、果酱、蜂蜜中的葡萄糖。 其他糖类是糖、啤酒、麦芽汁中的麦芽糖，也有成熟的测定传感器。食品添加剂的分析亚硫酸盐通常作为食品工业的漂白剂和防腐剂，以亚硫酸盐

9、氧化酶为敏感材料制备的电流型二氧化硫酶电极可用于食品中亚硫酸盐含量的测定；(3)农药残留量的分析近年来，食品中农药残留问题越来越受到重视，各国政府也越来越强化对食品中农药残留的检测。 Yamazaki等人发明了使用人工酶测定有机磷杀虫剂的电流式生物传感器，可以用于蔬果表面的有机磷农药的检测。 (4)微生物和毒素检测食品中病原微生物的存在对消费者的健康造成很大危害，食品中毒素不仅种类繁多，毒性大，多具有致癌、致畸、致突变作用，因此加强食品中病原微生物和毒素的检测至关重要。 快速敏捷的免疫生物传感器可用于测定牛奶中二氢除虫菌的残留物，基于细胞质基因组的反应，通过光学系统传递信号。 到达的检测极限为

10、16.2 ng/ml。 一天可以检查20个牛奶样品。 环境监测(1)水环境监测生物的需氧量(BOD )是表示广泛采用的有机物污染程度的综合指标。 国外普遍采用的BOD生物传感器是将微生物膜固定在溶解氧的探头上，样品溶液通过传感器检查系统时，透过多孔膜的有机物被固定化的微生物吸收，消耗氧，减少膜周围的溶解氧，使氧电极电流随时间急剧减少。 (2)大气环境监测二氧化硫(S02 )是酸雨雾形成的主要原因，传统的检测方法复杂。 Martyr等人将亚细胞系脂质(含亚硫酸盐氧化酶的肝微粒体)固定在醋酸纤维膜上，将氧电极作为安培型生物传感器，检测出在S02形成的酸雨雾样品溶液，lOmin得到了稳定的测定结果。 (1)原材料和代谢产物的测定微生物传感器可以用于发酵工业原材料和代谢产物的测定。 测定装置基本上由适当的微生物电极和氧电极组成，原理是利用微生物的同化作用消耗氧，通过测定氧电极电流的变化量来测定氧的减少量，测定基质浓度。 (2)微生物细胞数的测定在阳极表面菌体被直接氧化产生电流。 这个电化学系统能够应用于