《现代传感技术与系统》课件第三章（34）

第三章(3)智能传感与信息系统1 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 生物体细胞间的联系是通过神经末梢的蛋白质进 行的。它嵌入细胞膜表面，用于信息分子的选择性辨 识。相对而言，嗅觉和味觉中的分子辨识则主要通过 分子的无选择性接收以及随后在神经网络中进行的模 式识别所决定。生物传感器是模仿生物催化、生物吸 附和味觉、嗅觉这些生物机理设计的。 第三章(3)智能传感与信息系统2 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 1. 生物系统的分子识别机理 胰导素类的荷尔蒙分子是通过遍布全身的特殊细胞分泌的 ，这种分子的作用是从正在分泌的细胞到特殊的目标细胞之间 传递相应信息。通过这些信息分子的交换，在生物系统实现了 细胞间的通讯。 另一种细胞间的联系产生于神经突触(synapse)，即神经 元之间的结点。神经末梢分泌神经传递分子。因为相邻神经元 之间通过3nm的气隙连接，分泌的神经传递物质扩散至相邻的神 经元从而实现信息的传送。 第三章(3)智能传感与信息系统3 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 上述过程清楚地表明了实现生物间信息传递的基本要求是分泌 、传输以及分子信息的接收机制。在这些机制中，接收机制是最重要 的。在接收机理中，每一个特殊的分子信息被选择性地识别。能在目 标细胞中分辨相应分子信息的是接收体蛋白质。 在接收体分子合成方面，生物学的飞速发展已经给我们提供了 一个清楚的脉络。有几种通过它们的结构进行的分类和阐述。第一类 是与离子通道相关的接收器，对应的配体分子被分辨出来，紧接着通 过离子门的不同开或关方式的感应，在接收端的特殊点偶合。神经传 递型的接收器也可归于这一类。第二类由与G蛋白相关的接收器构成 ，第三类则包括磷活化酶相关的接收器。 第三章(3)智能传感与信息系统4 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 虽然还有一些其它的接收器分类，应当记住的是 ，分子信息在接收蛋白质的特殊点被识别后，接收器 蛋白质感应构造的变化导致了输入信息的放大感应， 由临近蛋白质分子汇编完成。这些分子辨识机理给我 们提供了一个用于实现分子辨识的生物传感器的设计 原则。 第三章(3)智能传感与信息系统5 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 用于嗅觉和味觉传感的分子辨识机制与生物系统的机制有 相当大的差别。有些味道和气味是通过鼻子和舌头上的接收细 胞被识别的。这些分子的辨识机理应当对应于荷尔蒙和其他神 经传递的机理。然而，许多接受细胞对各种各样的分子都有反 应，这些接收细胞将信息传送到连接的神经网络，然后，输入 信息通过神经元网络以及最终在大脑中某一特殊区域的映射得 以处理。大脑可通过模式识别辨别出每一种气味和味道，这可 能是因为神经元网络具有一个充分的学习过程。 目前关于人工鼻和人工舌的研究方向已集中在与神经网络 相连的分子辨识机制的模拟方面。 第三章(3)智能传感与信息系统6 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 2. 用于分子辨识识的生物传传感器设计设计 原理 图3.3.6表明了设计用于分子识别的生物传感器的两种方式 。一种是实施一个面向特定目标的接收器蛋白质的选择，另一 种则是非特定接收器和神经网络的集成。 面向特定目标型生物传感器早在1970年以后就受到充分的 关注。这种类型生物传感器的最重要部分是用于分子辨识的装 有生物材料的接收器。有两组生物材料可用于接收器：以酶为 代表的生物催化物质和包括抗体与连接蛋白质在内的生物吸附 物质。 第三章(3)智能传感与信息系统7 第三章(3)智能传感与信息系统8 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 生物催化物质能够识别相应的本原分子以及随后的即时分裂 所产生的复合转换形式。因此生物传感器的信号传输部件应该 以这样一种方式设计：或者将一个复合型转换状态、或者将一 个产物变换为输出信号。变换的信号可以引入电流表、电压表 ，光、热或者压电声学的装置。这种类型的传感器通常由固定 在信号转换装置表面的生物催化物质构成。特定分子的识别完 全通过接收器实现。 生物吸附型传感器的设计方法与生物催化传感器类似。由于 强烈的吸附性，生物吸附物质形成了一种非常稳定的与特定目 标对应的复合体。这样，在分子辨识中，关键的问题是怎样防 止非特定的相互影响和污染结果的产生。 第三章(3)智能传感与信息系统9 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 关于非特定目标接收器的生物传感器，可对一定范围内的分 子产生响应。许多络合物质及生物体可以作为非特定型接收器 工作。这些物质根据每一类设定目标分子的反映特性，以略微 不同的方式对其作出响应。通常需使用几种非特定型接收器去 分辨某一种特定的气味或味道。 每种非特定接收器与一个信号交换装置成对配置。整个传 感系统由多段组合了具有不同特性的非特定接收器组成，对特 定的分子来说，这些分段的输出信号可能是不相同的。 传感部分的输出信号被传输到神经元网络，经学习之后， 借助于接收器的非特定识别和神经元网络的模式识别，整个传 感系统就可以区分识别特定的分子了。 第三章(3)智能传感与信息系统10 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 . 用于分子辨识的生物催化传感器 生物催化型生物传感器由两部分组成，分别完成分子辨识和 信号变换的功能。酶是这类传感器最通用的分子辨识部件，通 过在多点的特定交互作用以及随之而来的特殊催化反应，酶的 催化作用被精心设计以辨识对应的基原物质。在生物催化传感 器中，特定的分子是通过催化物质识别的。特定分子在催化物 质的活性面形成了复合变换形态，这又随之导致了复合物的分 解。 第三章(3)智能传感与信息系统11 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 分子辨识之后是和用电化学、光、热或者声学装置实施的 信号转换。因为生物催化作用常伴随着这些领域中的参量变化 ，所以生物催化型的生物传感器可分为：电化学、光学、热学 和声学传感四类，主要取决于它们的信号转换原理。 用酶之类的生物催化物质进行分子辨识，辨识对象限定 于酶反应物和其它一些物质。目前已应用的例证大概有：葡萄 糖、果糖、蔗糖；谷氨酸、亮氨酸、丙氨酸；胆固醇、神经脂 类；尿素和三磷酸腺苷 (ATP Adenosine triphosphate)等。 第三章(3)智能传感与信息系统12 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 用于葡萄糖识别的生物催化传感器 葡萄糖是通过葡萄糖氧化酶识别的。氧化酶催化了葡萄糖的 氧化作用，产生了糖化酯类和过氧化氢。葡萄糖氧化酶能严格地 从其它分子中分辨出-D-葡萄糖。 对于葡萄糖的选择性测定，有几种信号传输机理：从过氧化 氢或氧分子转换为电流信号；从葡萄糖氧化酶的电子传输获取电 流信号以及通过场效应管获取电压信号 第三章(3)智能传感与信息系统13 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 关于第一种情况，过氧化氢或氧分子可分别在压控电极表面 通过电化学中的氧化或还原作用定量地测定。电极表面通常为选 择性的高分子复合膜覆盖以避免干扰。由复合膜键合的葡萄糖氧 化酶固定在电极表面的复合膜上，试验溶液贯穿传感器的含酶的 膜之后，只有-D-葡萄糖被选择性地转换成含酶膜内的糖化酯 类，这样导致了相邻复合膜中过氧化氢的增加和氧分子的减少， 进而这种变化迅速地反映在输出电极上。所以，通过最终的电流 测定，生化传感器就能实现对葡萄糖的测量。 第三章(3)智能传感与信息系统14 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 安培表型的葡萄糖传感器早在70年代中期就已投入商业化应 用。主要用来进行血糖诊断和食品分析。 尽管葡萄糖氧化酶对葡萄糖几乎有完美的选择性，但当它 暴露于整个血液中时，选择测定有时会受到血液成份的干扰。为 保护生物传感器免受整个血液的污染已采取了一些改进措施。但 无论如何，在使用葡萄糖传感器对在线活体进行血糖的连续监测 时，仍存在的严重问题是对传感器表面体液成分的适应性。 第三章(3)智能传感与信息系统15 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 关于第二种情况，在生物催化反应中，葡萄糖氧化酶通过葡 萄糖的氧化作用减少，葡萄糖氧化酶的减少形式通过转移电子 到溶解氧的方式再产生氧化物，导致过氧化氢的产生。电极可 以代替氧作为电子接收器工作。如果葡萄糖氧化物的减少形式 能表现为电子向电极方向的转移，那么通过测量氧化作用的生 成电流，就可以实现葡萄糖的测定。 第三章(3)智能传感与信息系统16 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 由于葡萄糖氧化酶的空间排列位阻障碍，直接把电子从葡 萄糖氧化酶转移到电极是不容易的。为此，有人提出了所谓的“ 分子界面”方法以促进生化酶和电极表面间的电子移动。分子界 面是电子中介、传导聚合体和传导有机盐。分子界面的葡萄糖 氧化酶使葡萄糖在氧化减少的时候电子的移动变得顺和。 电子移动型的葡萄糖传感器在构成和特性上有一些强于过氧 化氢和氧电极型传感器的优点，包括传感器结构的简化和它在 平面技术方面的处理能力。出于这些优点，这类简易型的葡萄 糖传感器已经批量生产并投入商业化应用。 第三章(3)智能传感与信息系统17 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 一个简易型葡萄糖传感器可采用网板印刷技术，在一个塑 料盘上铺衬碳糊，然后将另一层含酶聚合体网板铺衬在碳糊电 极上。所需的电子中介物可混合在碳糊中。配合这些网板处理 ，还应考虑欧姆关联网络和封装的形式。 现在，只有信用卡大小的葡萄糖分析仪已经广泛地用于个 人血糖监测。使用这种传感器芯片，仅仅一滴血就足以实现血 糖检测了。 第三章(3)智能传感与信息系统18 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 第三种情况，由场效应管获取电位信号。对PH值敏感的场 效应管可在葡萄糖传感器中作为信号转换装置使用。这是因为 生物催化反应造成质子密度的增加，对PH值敏感的场效应管的 门开关表面上形成一个葡萄糖氧化酶层。这样通过传感器输出 信号的变化，就可以识别葡萄糖了。 测试溶液的缓冲作用会引起传感器的延迟响应，这是应当 注意避免的。 第三章(3)智能传感与信息系统19 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 用于乙醇识别的生物催化传感器 乙醇可由一些特殊来源的酒精脱氢酶有选择性地加 以识别。这些酒精脱氢酶与共生因子烟酰胺腺嘌呤二 核苷酸（NAD nicotinamide adenine dinucleotide） 相关，而后者不能牢固地固定在酶的活跃位置，为此 把酒精脱氢酶和NAD装入传感装置内是很困难的。目前 尚未有这类可行的乙醇生化传感器。 第三章(3)智能传感与信息系统20 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 然而，人们在和用电化学过程构造一个生物催化 乙醇传感器方面却取得了显著的进展。这一方法是将 镀铂电极浸入含有酒精脱氢酶的溶液中，脱氢酶与麦 尔多拉蓝（meldolas blue）合成然后转化为含吡咯 （pyrrole）的溶液。吡咯的电化学聚合开始于电极的 恒定电位，而当吡咯膜厚度到达要求数值时聚合反应 停止。然后吡咯酶键合膜由透气性聚合膜覆盖。 第三章(3)智能传感与信息系统21 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 乙醇或以气态或以液态渗透薄膜，并且由酒精脱氢酶键 合膜来识别。在酶的活跃点经过酒精脱氢酶，电子从乙醇转移 到NAD。其结果是NAD的减小。在减小的NAD表现形式与电极之 间，麦尔多拉蓝与吡咯形成了一个电子传输网络。 乙醇是在固定电位下通过电流测量选择性确定的。这种传 感器在气相和液相状态下都能工作。 这种生物传感原理已用来构筑用于丙氨酸、白氨酸和其 他类似的物质检测，因为这些特定分子是与NAD辅酶相关的。 第三章(3)智能传感与信息系统22 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 用于三磷酸腺苷（ATP）识别的生物催化传感器 ATP是由ATP酶和荧火虫的莹光酶选择性辨识的。ATP酶催 化ATP的分解，生成二磷酸腺苷（ADP），当荧光和ATP出现时 ，荧光酶产生冷光，因为具有与ATP极为密切的相关性，荧火 虫的荧光酶是非常合适的高敏感性ATP测量介质。 用于ATP识别的ATP酶基生物传感器已通过固定型ATP酶与 热电阻偶合的方式得以实现。因为热是通过生物催化反应定量 产生的，ATP酶对ATP的识别是经由热电阻转化的。 此外，荧火虫的莹光酶是通过光纤或光导与光计数器或 光电二极管偶合的。 第三章(3)智能传感与信息系统23 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 4用于分子辨识的生物吸附传感器 用于同类免疫测试的光学免疫传感器 免疫传感器的选择性可能是基于抗体的选择性分子辨识。 源于抗体对相应抗原的极高的吸附性，免疫测试技术通常可提 供高度的选择性。然而，如果没有明显合适的标记，取得高灵 敏度从技术上来说是很困难的。象酶这样的标记可在化学放大 的基础上，大大提高选择性。这样，为获得最终的高灵敏度， 各种标记已经与免疫传感器结合起来。 第三章(3)智能传感与信息系统24 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 尽管标记可以为免疫传感器提供较高的灵敏度， 通常需要一个包括了自由键合（B-F ）分离在内的较 长的过程。相对而言，同类免疫测试却不需要B-F分离 过程，因为标记的自由形式与它的键合形式在物理特 性上是有所不同的。这样用于同类免疫测试的免疫传 感器的实现就没有了机制上障碍。 第三章(3)智能传感与信息系统25 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 在多种标记中，光学标记在实现这种同类免疫传感中似乎 具有更多的优点。某些原理已经为两类很好的免疫传感器例证 所证实。一种是基于荧光的标记，光纤的核心为一抗体层所修 改调整，被标记的抗原与需在溶液中测定的自由抗原是同时出 现的。标记抗原与自由抗原争着与固定抗体发生反应。如果激 励光束穿过光纤，一瞬时波贯穿核外表面附近，贯穿深度限于 两个或三个蛋白质分子的长度。这样，附着在核固定抗体表面 的标记应当为瞬时波所激发，标记的键合形式和自由形式就可 以区分出来。这一类的免疫传感器有望在不远的将来推出。 第三章(3)智能传感与信息系统26 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 同类免疫传感器还有基于另一原理的方案设想：传感 器由光纤电极组成，光纤端点外附透明的铂制薄膜，用于 免疫测试的标记在电极表面发生电化学反应时产生电化学 荧光，标记抗原与自由抗原都加入到包含相应抗体的溶液 中竞先形成免疫综合体，当合适的电压施加于电极时，只 有标记的自由形式能产生电化学荧光。 第三章(3)智能传感与信息系统27 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 电化学荧光免疫传感器亦已制造出样品：光纤的 端部通过溅喷在其表面形成了铂制透明电极。光纤电 极又与光计数器和具功能发生器的恒压源相连。 用于标记的可能候选材料包括芘(pyrene)、氨基 苯二酰一肼（luminol）和荧光素(luciferin) 等荧光 物质。其中氨基苯二酰一肼对于构筑一个同类免疫测 试系统表现出完美的特性。它的电激发化学荧光特性 在呈中性PH值的特殊领域应用已获深入的研究。 第三章(3)智能传感与信息系统28 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 在中性溶液中的氨基苯二酰一肼的差动脉冲电压 显示出尖锐的阳极峰值，这可能源于它的氧化过程。 如果在不同周期的差动电压显示中，电极电位先保持 为高于峰值电位之上的正电压值，然后再转变成为相 反的负电位，那么，当溶解的氧被清除时，就可探测 到荧光。由此我们可总结出：从溶解氧中经电化学过 程产生的过氧化氢，激发了氨基苯二酰一肼的活跃组 份发射光子。 第三章(3)智能传感与信息系统29 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 在存在过氧化氢的正电位的条件下，明显地产生了氨基苯二酰一肼 的电激发化学荧光。过氧化氢表现出显著的氨基苯二酰一肼荧光的增 强作用。在此基础上，可从一个维持在+0.75V电位的银/氯化银电极 上获得氨基苯二酰一肼的电激发荧光,过氧化氢的浓度加至2mM。荧光 密度与氨基苯二酰一肼的浓度对应，检测下限是10-12M。 同类免疫测试是以光学免疫传感器实现的，定量的氨基苯二酰一 肼标记的抗原加入到包含被测抗原的样本溶液中，加入抗体之后，和 用光纤电极，通过对标记的电激发化学荧光的测定，实现溶液的培育 和分析。免疫复合型标记发射的荧光可忽略不计，这样全部荧光都可 归咎于自由标记。例如，通过这种方式，可在10-1210-8M的浓度范围 ，测定抗免疫球蛋白G的抗体。 第三章(3)智能传感与信息系统30 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 用于抗癌与抗病毒基因识别的DNA相干作用特征辨识 的电化学荧光传感 三羟钌菲咯啉（phenanthroline）基于电化学反 应产生电化学荧光。若存在草酸盐，荧光会显著地增 强。最近的研究表明，可将菲咯啉配体置于DNA双螺 旋体基对之间。由于受到DNA分子空间排列的阻碍， 钌络合物位于DNA的主轨道内不发射荧光。 第三章(3)智能传感与信息系统31 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 因为钌络合物的电化学荧光可象感应探针那样工作，不少科研 人员正对其进行深入的研究以探讨用于DNA与抗病毒或抗癌药物组合 的模式问题。将钌络合物与各种浓度的DNA混合，并测试混合物的荧 光。伴随着DNA的数量增加（从1直到20M），钌络合物荧光在减少 ，当钌络合物与DNA键合时，它与电极间的电子转移被DNA分子的空间 排列所阻碍。另一方面，当DNA浓度超出20M时，荧光的减少就观察 不到了。DNA基对与钌络合物间的饱和组合比大约是20：1。为评估使 用钌络合物作为感应探针的可能性，在存在DNA和这些试剂的条件下 ，考查它的电化学荧光。顺式铂（Cisplatin）可与DNA紧密地组合， 尽管其组合模式尚未知晓。当使用顺式铂与DNA络合物时，钌络合物 的电化学荧光随着抗癌物剂量的增加而增加。由于顺式铂与DNA主轨 道的紧密组合，钌络合物对DNA的组合被抑止了。 第三章(3)智能传感与信息系统32 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 用DNA培育道诺霉素（daunomycin）过程中，可以观测到 类似的荧光增加现象。道诺霉素也可占据主轨道而与DNA键合， 为钌络合物留下不多的空位。此外，在培育放线菌素D（ actinomycin D）时，观察不到钌络合物的荧光增加。这可能说 明了药物被键合到DNA的次要轨道上，留下DNA的主轨道与空间 位置用于药物的组合，从而导致了自由钌络合物的减少。 色霉素A3（chromomycin A3）的荧光类似于使用放线菌素D 的情况，它也被组合到到DNA的次要轨道上，这样，钌络合物与 DNA的组合就没有被抑止。 第三章(3)智能传感与信息系统33 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 概括起来说，物质的DNA组合模式分类取决于它们 在双绞合的DNA中的介入形式，或者是组合到双螺旋的 主轨道，或者组合于它的次要轨道。对于抗病毒或抗 癌物质的详细的组合模式的估价，当前基于电化学荧 光的传感被证实是可行的。 第三章(3)智能传感与信息系统34 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 大肠杆菌重组环境下的苯衍生物荧光生物监测 酶和组合蛋白这类基因作为标记，插入基因后可允许对各种生 物学上重要的物质进行寻踪。尽管这些溶解蛋白与蛋白质工程的研究 密切相关，但主要原动力还是在遗传工程中微生物所展示出的全新功 能，比如在环境工程中对工业垃圾的监测能力具有潜在的经济技术效 益。 荧光酶的引入使人们能和用特殊的微生物检测环境中的工业污 染而不必提取标记酶制剂。生物荧光技术有许多优点，比如对下水道 和土壤样本中标记物质的无损伤探测。这些技术涉及到用于辨识标记 物质和产生荧光的基因的引入，最初这分别是从假单胞酵母菌和荧火 虫克隆而来的。因为用于测量光子的技术具有高敏感性和线性响应， 用于环境保护的新的传感系统研制将通过把荧光微生物固定在光纤的 表面得以实现。 第三章(3)智能传感与信息系统35 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 与一系列芳香类化合物相关的荧光研究可通过在一个含有相应 化学物质的肉汤里培育大肠杆菌得以实施。具有A660=1的细菌样本被 收集起来，再对相关的每个样本的荧光密度进行比较。大肠杆菌 HB101-承载Ptsn316对苯和甲苯展示了较多荧光；而对于甲苯的的衍 生物乙荃则产生较少的光。ppm水平测定是借助于细胞质粒承载的大 肠杆菌进行的。 根据生物荧光感知苯衍生物的原理，将外来基因引入大肠杆菌 用于这种传感就提供了一种新的环境监测方式，对甲苯甲基醇的情 况，其测量下限可达仅几ppm的含量水平。在敏感性方面的进一步改 进可和用一个更敏感的光倍增管、通过减小背景光获得。而和用更 强有力的和更具选择性的促进剂激活基因，在特殊衍生物的辨识方 面可获得更高的敏感性。 第三章(3)智能传感与信息系统36 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 此外，这里描述的方法有几方面优于其它遗传工 程中采用的方法。萤火虫的荧光酶基因和相关的细胞 质粒已经实现完全排序，人们有可能进一步强化培育 促进作用。从原理上说，苯、甲苯、二甲苯和它们的 衍生物可通过目前的方案进行监测；其它的污染例如 芳香类碳氢化合物和卤素芳香类也应当被监测。因而 ，应当制备多种可与各种工业废品发生反应的微生物 用于整个环境的监测。 第三章(3)智能传感与信息系统37 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 5、用于气味和味道的生物传感 香水通过几种组份的混合制备创造了迷人的气味。这些组份的混 合方式与音乐合成相类似，就象多种基调合成为一种和谐的声音。 对气味和味道好坏的判别不仅通过对每一种分子组份的识别，而且 要通过这些组份组合后的识别取得。所以，一个基本为人接受的说 法是气味和味道的识别是通过接收端细胞借助于神经网络的帮助， 在实现了分子的辨识后完成的。 实现以气味和味道传感为目的的生物传感器已进行了多种尝试。 有两种方案比较可行。一种是集成很多种选择性传感元素用于多种 分子的信息收集。另一种方案是集成非选择性传感元素。这两种型 式的传感器都需要多组份即时识别的信息处理过程。 第三章(3)智能传感与信息系统38 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 这里的一个实例是通过集成非选择性传感元素的方法，日本科 研人员装配的一种用于食物“umami”的光学味觉传感器。传感元素由 一些光学透明物质和几层膜组成,每层膜都包含有不同的荧光团，当 与相应的凝缩剂或或扩张剂接触时，膜上的荧光可减弱或加强，因为 每种荧光团的荧光有不同的特征波长，膜的响应也有所不同。 适当放置传感器使其与含有umami物质的溶液密切接触，这些物 质包括三磷酸腺苷（ATP）、 腺苷一磷酸（AMP）、鸟苷一磷酸（GMP ）、次黄苷一磷酸（IMP）和谷氨酸钠（MSG）等。这些物质产生强烈 的凝缩效应表现为膜的荧光变化，这种特征效应由每一种umami物质 引起，所以umami物质可以通过传感器荧光响应的特征模式辨识出来 。 第三章(3)智能传感与信息系统39 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 在GMP与IMP这类核苷与MSG共存情况下，umami获得 极度扩张，在诸多效应中，导致食品生出鲜美味道的一个 重要的因素是响应GMP和MSG的共存状态而衍生出的单一特 征。这两种umami物质在360-410nm的波长范围内大大增强 了荧光效应，尽管它们中的任一个在单独存在时却呈现荧 光缩减效应。基于这种荧光增强，成功地探测出多重 umami效应。umami物质的组份可通过在其他波长区域的响 应模式得到辨识。 第三章(3)智能传感与信息系统40 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例1 1） 分子识别传感器顾名思义是一种对分子进行识别和定量 化的传感仪器。生物膜的作用是通过镶嵌在磷脂质双层膜内 的蛋白质（即离子通道），使特殊K+离子和Na+离子产生电流 ，从而得到神经兴奋的信息。 如果结合某些特定的物质，将上述信息转变成通过电极 的电流，就形成了一种化学物质测定的传感方法，将这种传 感器称为中性载荷离子传感器。下面就以环糊精式传感器为 例做一介绍。 第三章(3)智能传感与信息系统41 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例1 1） 环糊精（CD）是一种微生物，能够分解出淀粉，与6个以上的葡 萄糖结合成一个环状体。CD在食品和医药领域的应用十分广泛，山葵 等香料食品中就含有CD，因为CD具有控制香精外流的功能，所以能使 香味一直保持下去。低糖也属于这一类。大家都知道药品中将不易溶 于水（疏水性）的物质和不稳定易分解的物质放入CD中，就可以减少 药品的苦味。这是因为CD表面上是亲水性的，而内部却是疏水性的。 CD能够包含在化学物质内部，这个功能可以引导人们开发出一种医药 系统（DDS），使药物进入生物体的指定部位后保持一段时间，我们 期待着这种系统的早日诞生。另外，使用直径特别小的细管即纳米管 （10-9m）也可以实现这种功能。 第三章(3)智能传感与信息系统42 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例1 1） CD式分子识别器： 第三章(3)智能传感与信息系统43 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例1 1） 环糊精（CD）： 第三章(3)智能传感与信息系统44 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例1 1） 纳米管的形成： 第三章(3)智能传感与信息系统45 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例1 1） CD式分子识别传感器通过制作一种单分子膜来控制电流。 这种单分子膜与朗缪尔（LB）膜及自身AU电极上的膜等二元细 小充填物十分接近。当有东西进入CD的内孔时，流入电极的电 流就会减少。另外，大脑内含有大量的谷氨酸蛋白质，如果将 其嵌入磷脂质双层膜中，就能够开发出检测灵敏度为30nM的高 灵敏度谷氨酸传感器。 分子识别传感器是利用与特定物质具有亲和性的物质特性 （流通通道）制成的，如果今后能够将各种具有流通特性的分 子合成起来，那么分子识别传感器的用途将会变得更为广泛。 第三章(3)智能传感与信息系统46 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例2 2） 生物中加入酶可以使反应过程变得更加稳定。酶是蛋白质，可 以与特定的化学物质以特别的方式结合在一起。采用酶有选择地测 定各种化学物质的传感器称为酶传感器。例如测定葡萄糖可以利用 下面化学反应式： 葡萄糖 + 02 葡萄糖酸内酯 + H2O2 这个反应式中，起催化作用的酶是葡萄糖氧化酶（GOD）。如果 在反应中减少氧的量，则可以通过测定电极上生成的过氧化氢的量 来测定葡萄糖的浓度。因为在膜上产生的H2O2与铂等电极将发生 H2O2 2H+ + O2 + 2e- 反应，所以通过测定电流可以得到H2O2的量。 第三章(3)智能传感与信息系统47 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例2 2） 测定尿素和青霉素时，采用尿素酶和青霉素酶。酶只对特 定的化学物质起催化作用，所以即使含有其他化学物质，也不 会影响测定目标的精度。 使酶固定在膜上的方法有两种：一种是共价键结合（高分 子物和玻璃与酶以共价键的形式结合）的化学方法；另外一种 是物理方法。其中物理方法又分包括法（用骨胶原等高分子物 将酶包在其中）和吸附法（利用纤维素膜吸附酶）。 第三章(3)智能传感与信息系统48 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例2 2） 葡萄糖传感器是世界上最早进入实用化的生物传感器，糖 尿病患者可以利用它来测定血糖的值。一次性使用的葡萄糖传 感器在市场上可以买到。这种传感器是一种从GOD经二茂铁介 质移动到电极的电子移动型传感器。利用它测定葡萄糖时不受 测定液中的含氧量影响。 在生物传感器集成化盛行的时代，利用ISFET（Ion Sensitive Field Effect Transistor,离子敏感场效应晶体管） 的酶传感器也正在开发中。这是一种借助ISFET测定固化酶薄 膜上产生的离子的量的传感器。 第三章(3)智能传感与信息系统49 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例2 2） 装在芯片上的生物传感器： 第三章(3)智能传感与信息系统50 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例2 2） 酶传感器的性能： 第三章(3)智能传感与信息系统51 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例3 3） 微生物传感器是一种利用微生物的呼吸机能及代谢机能有 选择地测定化学物质的传感器，一般用于发酵等工业过程控制 和环境监测。 微生物传感器分呼吸活性测定型和电极活性测定型。前者 利用电子化学装置测定固定化微生物的呼吸活性的变化，而后 者则属于测定微生物与电极进行化学反应的生成物（H2，CO2， NH3等）。与酶传感器相比，这种传感器更便宜更稳定。 第三章(3)智能传感与信息系统52 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例3 3） 喜氧性微生物依赖吸入的氧气产生能量。如果在氧化电极上 能测出实际的耗氧量，则可以得到呼吸的活动性。氧气透过聚四 氟乙烯膜时，能够通过铂电极还原出来。如果被测液体中存在影 响呼吸活动性的物质，则可利用氧气浓度计来评价化学物质的浓 度。 利用一种假单细胞的微生物能够开发出葡萄糖传感器。这种 菌被固定在骨胶膜中，如果将其放在检测液中，则会因为葡萄糖 的摄入而使呼吸的活动性增强，同时也使扩散到电极上的氧气量 减少。电极上测定这种呼吸的活动性的变化时，如果以电流值与 葡萄糖浓度的关系表示的话，将是一条直线，所以很容易评价葡 萄糖的浓度。 第三章(3)智能传感与信息系统53 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例3 3） 生物化学的耗氧量（BOD）能够反映水中混入的有机物的含量 ，所以可以使用它检测水质污染程度。水中的污染物也能够分解 出喜氧性的微生物，因为它要消耗氧，所以只要测定氧的含量， 便可以得知污染的程度。这种方法在日本工业标准（JIS K 0101 ）中虽然已有规定，但是操作起来特别繁杂，而且测定一次需要5 天，所以期盼着能有一种既简单又迅速的传感器早日问世。现在 能够生产的传感器由吸附并固化在纤维素上的毛孢子菌和氧化电 极构成，它产生的电流与废水的BOD值成比例，响应时间为5 10min，与以前的方法相比较，大大地缩短了时间。为了提高啤酒 厂的废水处理效率，现在已经采用能够与醋酸和乙基甲酮发生反 应的微生物传感器。 第三章(3)智能传感与信息系统54 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例3 3） 从污泥中分离硝化菌的氨传感器已进入了实用化阶段。 硝化菌吸氧，所以利用氨的氧化反应，根据氧传感器测定的 氧的含量，可以评价氨的浓度。以前，由于受到氨的挥发和 各种离子的影响，在氨水和氨气电极上获取氨的选择性很差 。而采用微生物原理制作的氨传感器就有很高的选择性，十 分适用于发酵工厂。 第三章(3)智能传感与信息系统55 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例3 3） 微生物传感器原理： 第三章(3)智能传感与信息系统56 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例4 4） 生物传感器利用酶和微生物固化膜技术，使得其结构变 得更加紧紧腠。另外还有一种反应器式（还狲作柱式）生物 传感器。u是一种在柱式容器中充填微生物和酶国化物粒子 载体（支持体），检汊器另外没计的传感器。 利用化学方法将酶固化在氨塞纤维素、氨丙基多孔性玻璃 多孔性氧化铝等固定化酶曲载体上，卉将其填充至J具有适 当长短曲玻璃管或骨肷管中的装置称为固定化酶反应器。 响 第三章(3)智能传感与信息系统57 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例4 4） 作为传感器使用时，在固定化酶反应器的后面还必须搭载检测器， 这就是为什么要将载荷液体注入其内的缘故。这里采用智能控制将采样 体注入到反应器中，通过检测器可以定量地测定反应生成物及消耗量。 例如在葡萄糖氧化酶（GOD）固定化反应器中，如果能够通过氧化电极 监控葡萄糖在氧化过程中消耗溶液中的氧气含量，则葡萄糖的浓度便可 以计算了。通常，反应器式传感器采用流量注入分析法（FIA）。 当初，评价鱼肉鲜度的传感器多采用覆盖酶的氧化电极式传感器， 后来作为改良产品使用酶填充器与氧化电极相结合的两级式流体系统。 这种方式下，因为酶被固化在空芯颗粒上，所以寿命长；同时，酶填充 器与氧化电极处于分离状态，所以容易保持守恒。实际上装置不使用时 ，可以取出酶填充器放在冰箱中保存起来。 第三章(3)智能传感与信息系统58 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例4 4） 两种生物传感器： 第三章(3)智能传感与信息系统59 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例4 4） 反应器式鲜度传感器： 第三章(3)智能传感与信息系统60 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例5 5） 现在来讨论鱼的新鲜度测定问题。鱼死后，高能量的化合物 腺苷三磷酸（ATP）将按顺序依次分解为腺苷二磷酸（ADP）、腺 苷酸脱氨酶（AMP）、胸苷一磷酸（IMP）、次黄苷（HR）、次 黄嘌呤（H）。1959年，人们发现鱼中的HR和H等的含量与 鱼的鲜度有关。从此，人们开始了进一步的研究，提出了值指 标概念。 式中， 表示浓度。K值在O20的范围内时，表示鱼新鲜， 可以作为生鱼片食用；K值在2040时就得加热处理后食用。 所以K值越小表示鱼越新鲜。 第三章(3)智能传感与信息系统61 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例5 5） 另外，如果从ATP到IMP的分解过程进行得较快的话，前面几 项就可以忽略不计了，则上式还可以改写成 这里，新鲜度传感系统由黄嘌呤氧化酶与核苷磷氧化酶的混 合膜和氧化电极构成，该测定能够达到20。使用这种传感器已 经对比目鱼、鲷鱼、竹荚鱼、狼鲈鱼等的K值作过测定。另外，如 果将IMP、HR、H的量辐射到3轴上（雷达图形），则根据条纹 形状还可以从视觉的角度评价鲜度。 第三章(3)智能传感与信息系统62 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例5 5） 现在，欧美诸国都使用组胺酶的量评价新鲜度。组胺酶是一种 能够引起食物中毒的毒素，鱼放得久了就有可能生成这种东西，在 测定的同时使用K值测定和组胺酶的测定，就能更可靠地确保饮食的 安全性。 使用嗅觉传感器（气体传感器）也可以评价新鲜度。氨系列中 三甲胺（TMA）的气味与鱼类不新鲜（腐臭味）时的味道相同。所以 我们可以尝试地使用TAM氧化物半导体作为测定传感器。例如使用钌 氧化钛测定时，其电阻将随着鱼的劣化程度而减小。所以利用电阻 的减小也可以评价新鲜度的降低程度。 还有关于利用多膜电位计型味觉传感器对食品的味道和品质进 行评价的报道。看来，为了使我们今后的饮食生活变得更加安全， 必须在工厂、餐厅、鱼店、家庭等处装设传感器进行监控。 第三章(3)智能传感与信息系统63 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例5 5） 新鲜度传感器： 第三章(3)智能传感与信息系统64 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例6 6） 最近利用化学物质间的亲和性研制传感器（亲和性传感器 ）十分盛行，其中抗原体反应式传感器最为常见。所谓抗原体 反应是对免疫功能的测定。这种传感器将与某种特定的化学物 质（抗原）具有结合力的抗体固化在传感接受部，用于测定化 学物质的浓度。实际使用中有两种信号输出：一种是利用晶体 振荡产生的周期变化；另一种是利用表面等离子共振形成的反 射光（SPR）的变化。前者属于质量变化，后者则反映折射率 的变化，不管哪一种都可以实现高灵敏度的测定。 第三章(3)智能传感与信息系统65 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例6 6） 患过庥疹和流行性腮腺炎的患者，二次患病时的症状就会减 轻。这种现象被称作免疫，也就是针对病源滋生的抗原体产生抵 抗即抗体作用。抗体只能与特定的抗原相结合，而对于其他的抗 原无效。抗原虽然是一般的病毒，但是不能自身繁殖，必须借助 其他的生物细胞来繁殖自己的后代。结 果，由于身体受外来细胞的侵入，破坏 了自身的正常工作，从而导致生病。T4 型噬菌体的6只脚与细胞表面能够很结实 地粘贴在一起，通过空心杆进入细胞， 从而将遗传因子送入体内。 T4型噬菌体 第三章(3)智能传感与信息系统66 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例6 6） 抗体对于4根多肽链，将以Y字型结合在一起。Y字的两个头部 属于与抗原结合的领域，抗体的遗传因子有几个分段。对于无数 种抗原，都必须有双倍于它的遗传因子分段与其对应。人的遗传 因子分段大约有500个， 其组合数量是极其庞大 的。要使各种抗体与其 对应的抗原进行结合需 要一个极其庞大的机构。 抗原与抗体的结合 第三章(3)智能传感与信息系统67 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例6 6） 晶体振动式亲和性传感器： 第三章(3)智能传感与信息系统68 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例7 7） 超导量子干涉器件（SQUID:Superconducting Quantum Interference Device）是一种超导状态下产生量子化效应（ 磁通的量子化）的装置，利用它可以在极其微弱的磁场下得到 高灵敏度的测定。特别是在医疗方面，通过测定大脑发生的磁 场强度（大约是地球磁场强度的十亿分之一），诊断和分析大 脑机能，这方面已经取得了很大成果。近年来随着高温超导体 的发现，依赖液态氮的温度变化调整动作值的传感器的制作已 经成为可能，再加上冷冻机的性能的提高，SQUID的应用范围 更加广阔。 第三章(3)智能传感与信息系统69 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例7 7） 最近，有一种利用抗原抗体反应原理检测特定的微量分子的传 感器很引人注目。它的原理是将纳米级磁性微粒结合到抗体（称作 MAKA）中，使之与抗原进行反应，测定采样的磁化状态。 首先将抗体放在玻璃板上（检查试剂），然后加入检测对象的 抗原体，使它与固定抗体进行反应。其次加入与抗体结合在一起的 磁性微粒（MAKA），使之与抗原相结合。最后，用水冲洗，留下固 化了的MAKA。测定MAKA的剩磁和磁性衰减的测定灵敏度要比以往的 光学MAKA的方法高10倍左右。所谓光学方法是将具有发光酶的MAKA 加进抗体中，根据它与抗原体结合形成MAKA时发出的光进行测定。 另外还有质量测定法，它是利用吸附抗体的晶体振子在与抗原结合 的过程中对抗原量的变化进行测定。 第三章(3)智能传感与信息系统70 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例7 7） 现在，能够检测到的磁性微粒的个数是2106，如果能够减少 系统噪音，还有可能减少一个数量级。不管怎么说，这种方式的灵 敏度已经比以往的方法 高两个数量级了。 高精度的蛋白质的 质量分析装置也已经开 发出来了。我们期待着 用于生物学领域的高性 能测定装置的研发成功。 第三章(3)智能传感与信息系统71 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例8 8） 大家都在想，测定血糖时要是不产生疼痛、程序再简单一些、时间用 得再少一点就好了。利用牙龈中分泌出的体液测定血糖的非侵入式便携式 装置目前还在试制阶段。牙龈液的分泌量为几微升，属于微量级别，但是 它所含的葡萄糖浓度与血糖的相关量的比值却可以达到0.9以上。 这里，可以考虑将装有葡萄糖试纸的毛细管作为牙龈分泌液的采样器。 在进行牙龈液分析时，要求葡萄糖试纸能够检测出浓度为1mg/L（因为血糖 值一般在10003000mg/L）的血糖值。这种采样器要插入腔，所以应采 用自由便携式。有关试纸是一种含有葡萄糖氧化酶（GOD）、过氧化酶（ POD）以及染色体基因的酶试纸，而且为了减少对还原物的影响，通常不选 用疏水性高分子。将反应的时间延至90秒可以提高增感效果。 第三章(3)智能传感与信息系统72 3.3.4 3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器（例分子识别的生物传感器（例8 8） 采样液在试纸上与葡萄糖发生反应时将产生色变，这种现 象可以通过