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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)具有的分子識別功能,專一、靈敏。,敏感元件:,酶、抗體、核酸、細胞等。,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 被測對象、大小、功能,,3. 生物傳感器的特點,,高選擇性。生物傳感器是由選擇性好的主體材料構(gòu)成的分子一識別元件,因此,一般不需進行樣品的預(yù)處理。測定時一般不需另加其它試劑。,體積小、可以實現(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、 標準酶單位、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)的動力學(xué)影響因素,底物濃度對反應(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例,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(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,生物分子識別元件:乙醇氧化酶膜 信號轉(zhuǎn)換元件:氧電極,,(2)乙醇傳感器,生物分子識別元件:乙醇脫氫酶膜 信號轉(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,生物分子識別元件:丙酮酸氧化酶 信號轉(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,以動植物組織薄片材料作為生物敏感膜的生物傳感器 特點: 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 商品化難以實現(xiàn),實例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,常用的酶固定化方法有哪些?各有何優(yōu)缺點? 組織電極與酶電極相比有何優(yōu)缺點? 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,適合發(fā)酵體系 微生物的菌株價格低 其細胞內(nèi)酶的活性因細胞增殖而再生,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)利用微生物對有機物的同化作用 (a)呼吸機能型微生物傳感器(b)代謝機能型
8、微生物傳感器,,3. 微生物學(xué)基本知識,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.實例1:葡萄糖微生物電極Pseudomonas fluorescence,菌種 有氧 30C, 20小時培養(yǎng) 6000 n/min 離心、0.1 g 濕細胞 + 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,實例2:BOD微生物傳感器,BOD概念 傳感器原理: 細菌在同化有機物時,消耗氧,其程度與同化作用的強弱,即有機物的濃
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:利用抗原、抗體所具有的高靈敏度、高選擇性的結(jié)合做為分子識別手段進行分析。 免疫傳感器分類:非標記免疫傳感器和標記免疫傳感器兩類,1 非標記免疫傳感器,原理: 抗體與抗原(蛋白質(zhì))的結(jié)合有高度選擇性,當兩者結(jié)合時,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: 儀器要求簡單、操作容易、不需要額外試劑 缺點: 靈敏度較低、樣品需要量大、非特異性吸附造成假陽性,2 標記免疫傳感器,標記:以酶、
10、熒光物質(zhì)、電活性化合物、放射性同位素等為標記物。 (1)競爭法:用一定量的標記過的抗原加入到被測的非標記抗原中,此時非標記抗原與標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“標記”性信號的檢測,實現(xiàn)非標記抗原的測量。 (2)夾心法:抗原與傳感器表面抗體結(jié)合后,再加標記抗體與抗原結(jié)合,,標記免疫傳感器,,,優(yōu)點: 靈敏度高、選擇性好,可做為常規(guī)方法使用 缺點: 需要標記物,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(dǎo)體領(lǐng)域的微加工技術(shù)(如右圖中的光刻技術(shù))。 基因芯片可同時對大量核酸分子進行檢測分析,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、細胞、蛋白質(zhì)、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。,,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(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。,芯片上的實驗室,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)和目標基因分離檢測等煩瑣的實驗操作,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,