第13章_生物传感器

生物传感器 Biosensor 以生物学组件作为主要功能性元件 能够感应规定的待测量并按照一定规律将其转换成可识别信号的器件或装置 生物传感器具有选择性好 灵敏度高 分析速度快 成本低 能在复杂的体系中进行在线连续监测等特点 特别是它高度自动化 微型化和集成化的特点 使其在近几十年获得蓬勃迅速的发展 第13章生物传感器 图13 1生物传感器的构成 图13 2生物传感器的三个发展阶段 生物传感器的三个发展阶段 酶促反应 酶是生化反应的高效催化剂 具有高度的专一性 在反应过程中酶与底物形成了酶 底物复合物 此时酶的构象对底物分子显示识别能力 免疫化学反应 抗体 Ab 与相应抗原 Ag 的反应 可表示为Ag Ab AgAb抗原是由外界入侵到体内的异物 而抗体是该异物入侵后体内生成的一种蛋白质 离子在膜上的选择传输 如缬氨酶作为K 选择电极的膜材料 上述的分子识别机理只对分子态的生物活性物质而言 分子集合体 细胞器或微生物等的分子识别则比较复杂 影响因素甚多 一般难以预示呈现选择性的条件 必须依靠实验的探索 图13 3固体电极的相间电位 13 1信号转换器 13 1 1电化学型信号转换器 图13 4液体接界电位 浓差电位 ai m 产生膜电位响应的I 在膜中的活度 ai 产生膜电位响应的I 在溶液1中的活度 ai 产生膜电位响应的I 在溶液2中的活度 X 溶液中I 的对离子 S S 分别泛指膜中存在的中性物质和阴离子 图13 5膜电极电位 1 电极引线 2 电极帽 3 甘汞芯 4 玻璃外壳 5 饱和KCl液 6 多孔陶瓷塞 7 KCl补液口 8 Ag AgCl丝图13 6甘汞电极和银 氯化银电极 图13 7用于电流测量的三电极测量体系 图13 8场效应晶体管结构 a 与符号 b 13 1 2离子敏场效应晶体管型信号转换器 图13 9酶热敏电阻的测量系统 13 1 3热敏电阻型信号转换器 m 附着层物质的质量变化图13 10压电石英晶体型信号转换器 13 1 4压电晶体型信号转换器 图13 11压电石英晶体传感器的工作系统 图13 12光纤光学生物传感系统结构示意图 13 1 5光纤光学型信号转换器 图13 13光纤生物传感信号转换器的3种结构 图13 14SPR传感器原理示意图 13 1 6表面等离子体共振型信号转换器 图13 15SPR传感器检测系统 图13 16生物功能物质的固定化方法 13 2生物敏感膜制备 13 2 1生物组分固定化方法的类别 图13 17用双功能团试剂在信号转换器表面上固定生物组分 13 2 4共价键固定法 13 2 2吸附法 13 2 3包埋法 图13 18自组装膜法固定生物组分 图13 19典型的LB膜成膜过程 13 2 5LB膜法 图13 20酶LB膜的制作过程 目前的生物传感器中 生物活性物质的分子识别与下述生物物理化学过程有关 酶促反应 免疫化学反应此乃抗体 Ab 与相应抗原 Ag 的反应 可表示为Ag Ab AgAb 离子在膜上的选择传输 13 3典型生物传感器13 3 1酶传感器 1 渗析膜 2 固定化酶层 3 透气膜 4 O形环5 铂电极 6 银电极 7 内电解质 8 气敏电极图13 21酶电极的结构示意图 图13 22多酶体系的工作原理 组织传感器是将哺乳动物或植物的组织切片作为分子识别元件的传感器 组织传感器一般可视为酶传感器的衍生物 其基本原理仍是酶催化反应 但它与酶传感器相比 更具一些独特优点 提供一种新概念 即用存在于自然环境中的自然物质本身探测自然 省去了酶传感器中酶的分离 制作简单 价格低廉 使用寿命相对较长 可用于酶催化途径不清楚的体系 组织中时常含有诸如辅酶等物质的协同因子或最佳条件下所必须的成分 而生物催化机制常常是生物体由多种辅助因子的系统表现或分步联合的结果 13 3 2组织传感器 细胞传感器由固定或未固定的活细胞与电极或其它转换元件组合而成 细胞传感器主要有两种 一种是将整个细胞固定上 利用其酶体系分析分子态底物的传感器 另一种是为检测细胞和评价细胞的生物生理行为的传感器 后者通常被称为细胞分析传感器 细胞器是由膜构成的亚细胞结构 它是聚集高度功能的分子集合体 是进行一系列代谢活动的场所 将细胞器从细胞中分离出来后 再进行固定化处理而得到细胞器传感器 13 3 3细胞 细胞器传感器 图13 23呼吸机能型传感器的原理 13 3 4微生物传感器 图13 24代谢机能型传感器的原理 A 呼吸活性测定型 B 代谢物质测定型1 铂电极 2 对电极 Pb或Ag 3 固定化微生物膜4 O形环 5 聚四氟乙烯膜 6 尼龙网 7 阴离子交换树脂膜图13 25微生物电极的结构示意图 图13 26非标志免疫电极结构示意图 13 3 5免疫传感器 1 铂阳极 2 多孔聚四氟乙烯膜 3 聚合物膜 4 抗体 5 抗原 待测物 6 酶标志抗原 图13 27酶免疫电极结构示意图 1 抗原 2 抗体 3 补体 4 标志物 5 磷脂图13 28基于溶菌作用的免疫电极工作原理图 图13 29DNA的双螺旋结构 13 3 6DNA传感器 DNA RNA 细菌DNA 图13 30RNA与DNA 13 3 7生物芯片 目前常见的生物芯片分为3类 第1类为微阵列芯片 包括基因芯片 gene chip 蛋白芯片 protein chip 细胞芯片 cell chip 和组织芯片 tissue chip 第2类为微流控芯片 属于主动式芯片 包括各类样品制备芯片 聚合酶链反应 PCR 芯片 毛细管电泳芯片和色谱芯片等 第3类为以生物芯片为基础的集成化分析系统 也叫 芯片实验室 lab on chip 是生物芯片技术的最高境界 生物芯片制作的方法 大体分为原位合成和合成点样两类 原位合成主要指光引导合成技术 另外一种方法是压电打印法或称作喷印合成 合成点样