第11章 生物传感器

第11章生物传感器,1.定义,指由生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、细胞、生物组织等）作为敏感基元构成分子识别系统，对被测物进行高选择性的识别，通过各种化学或物理换能器捕捉目标物与敏感基元之间的作用，并将作用程度用离散或连续信号表达出来，从而得出被测物的种类和含量的装置。,一、生物传感器概述,上海中医药大学生化教研室制作,2.基本组成,敏感元件,酶、抗体、核酸、细胞等。,转换器,电化学电极光学检测元件场效应晶体管压电石英晶体,酶(Enzyme),抗体(Antibody),DNA,+,上海中医药大学生化教研室制作,3.工作原理,待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生的信息如化学物质、光、热、质量等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电/光信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度。,上海中医药大学生化教研室制作,固定化酶固定化微生物固定化免疫物质固定化细胞器生物组织切片,微生物传感器,分子识别元件,酶传感器,免疫传感器,细胞器传感器,组织传感器,4.分类,上海中医药大学生化教研室制作,敏感元件=基体材料+成膜材料+敏感功能材料,二、生物敏感膜和敏感元件的制备技术,基体材料：敏感元件的载体,1.构成及材料,成膜材料：用于固定敏感功能材料的物质，具有良好的成膜性、一定的刚性和柔韧性、一定的物理或化学作用,敏感功能材料：是传感器的核心组成，能直接感受被测对象的非电量信息部分,上海中医药大学生化教研室制作,吸附法,包埋法,共价键合法,交联法,夹心法,微胶囊法,2、生物敏感材料的固定化技术,上海中医药大学生化教研室制作,1.吸附法,作用力：氢键，范德华力，离子键，疏水作用力，电子亲和力，共同作用,优点：方法简单，操作条件温和，对生物分子活性影响小，生物分子不易发生变性,缺点：表面结合力弱，稳定性差，易脱附，重现性差，灵敏度低,上海中医药大学生化教研室制作,常用固相载体：活性炭、氧化铝、黏土、纤维素、高岭土、硅胶、多孔玻璃、胶原蛋白、离子交换体,分类：物理吸附；化学吸附,概念：用非水溶性固相载体，通过物理吸附，化学或离子键键和作用，使生物分子固定化的方法,物理和化学吸附法,上海中医药大学生化教研室制作,上海中医药大学生化教研室制作,物理吸附,定义：物理吸附也称范德华吸附，它是由吸附质和吸附剂分子间作用力所引起，此力也称作范德华力。,物理吸附示意图,活性炭,多孔性,上海中医药大学生化教研室制作,物理吸附,上海中医药大学生化教研室制作,定义：吸附质分子与固体表面原子(或分子)发生电子的转移、交换或共有，形成吸附化学键的吸附。,化学吸附,(langmuir-Blodgettfilm)LB膜法,概念：将兼具亲水头和疏水尾的两亲性分子分散在水面上，经逐渐压缩其水面上的占有面积，使其排列成单分子层，再将其转移沉积到固体基底上所得到的一种膜。可以是单层或多层。,上海中医药大学生化教研室制作,十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）,Br-,Na+,十二烷基磺酸钠（SDS）,两亲性分子,上海中医药大学生化教研室制作,常用基底,玻璃类：石英玻璃、硅片、CaF2片、云母片、ITO导电玻璃、盖玻片,金属类：不锈钢片、半导体基片和铂、金等金属片,固体基底,上海中医药大学生化教研室制作,垂直拉提法,水平附着法,亚相降低法,三种制备方法,上海中医药大学生化教研室制作,疏水基片,亲水基片,三种基本类型,上海中医药大学生化教研室制作,优点,膜厚度可精确控制，精确到纳米级,脂质双层膜同生物膜结构类似，是理想的仿生膜，具有较好的生物相容性,可把功能分子固定在LB膜的预定位置上，进行分子识别设计，从而制备具有特殊功能的生物传感器,膜内分子排列有序且致密,应用：制备化学、生物或仿生传感器，用于分子识别,上海中医药大学生化教研室制作,缺点,机械稳定性差。LB膜是一种亚稳态结构，对热、化学环境、时间以及外部压力的稳定性较弱,膜的性质强烈依赖于转移过程,LB膜对成膜分子的结构要求特殊（必须是双亲性分子）、成膜设备昂贵。,上海中医药大学生化教研室制作,自组装(selfassembling,SA)膜法,概念：基于分子的自组装作用在固体表面上自然地形成高度有序的单分子层方法。,上海中医药大学生化教研室制作,优点,简单易行,稳定性好,利于仿生研究,缺点,对基底电极要求很高,所用试剂需自行设计合成,上海中医药大学生化教研室制作,2.共价键合法,概念：将生物分子与固相载体表面的活性基团反应生成化学共价键而固定的方法,实质：载体的活性基团与生物分子上的反应基团之间的共价键和反应,常用共价反应：重氮反应、芳香烃化反应、偶联反应、缩合反应、叠氮反应等,上海中医药大学生化教研室制作,上海中医药大学生化教研室制作,优点,结合牢靠，稳定性好,重现性好,使用寿命长,缺点,反应步骤多，操作复杂,可能降低生物分子的活性,上海中医药大学生化教研室制作,3.包埋法,概念：将生物组分包埋于高分子三维空间网状结构中，形成稳定的生物组分敏感膜,包埋方式：凝胶包埋法、胶囊包埋法,常用包埋剂：Nafion、壳聚糖、丝素蛋白、聚丙烯酰胺、淀粉、聚乙烯醇、纤维素膜、尼龙膜等,Nafion,上海中医药大学生化教研室制作,上海中医药大学生化教研室制作,3.包埋法,优点,实验条件温和,对生物组分活性影响小,稳定性好,缺点：分子量大的底物扩散困难,4.交联法,概念：利用双功能或多功能试剂将生物分子固定在固相载体表面并彼此交联形成三维网状结构。,最常用的交联试剂：戊二醛,上海中医药大学生化教研室制作,优点,操作简单,结合牢固,稳定性好,4.交联法,上海中医药大学生化教研室制作,5.微胶囊法,概念：是一种采用高分子聚合物或其他成膜材料将物质的微粒或微滴包覆所形成的微小容器，粒径一般在微米至毫米级范围，被包覆的物质称为囊心，壁壳称囊壁，构成囊壁的成膜材料称为囊材。,囊心（生物物质）,囊壁（具有半透膜性）,囊材通常由天然或合成的高分子聚合物构成,上海中医药大学生化教研室制作,5.微胶囊法,上海中医药大学生化教研室制作,6.夹心法,概念：将生物活性材料直接封闭在双层滤膜中间，然后固定在基体材料表面。,上海中医药大学生化教研室制作,6.夹心法,上海中医药大学生化教研室制作,上海中医药大学生化教研室制作,环戊烷多氢菲,电流型生物传感器,雌激素是一类有广泛生物活性的类固醇化合物,雌激素,三、生物传感器的应用,上海中医药大学生化教研室制作,雌三醇,雌激素,雌二醇,雌酮,（E3）,（E2）,（E1）,上海中医药大学生化教研室制作,雌三醇,雌激素生理作用的强弱,雌二醇,雌酮,88.9mmol/L时死亡。,上海中医药大学生化教研室制作,乙醇生物传感器,微生物传感器,C2H5OH+O2,Acetobacterxylinium(醋杆菌属木糖)Trichosporonbrassicae(天花粉孢子),CH3COOH+H2O,线性范围：572mmol/L,上海中医药大学生化教研室制作,乙醇生物传感器,酶传感器,C2H5OH+NAD+,CH3CHO+NADH,醇脱氢酶,NAD+Fe(CN)63-+H+e-,NADH+Fe(CN)64-,上海中医药大学生化教研室制作,阿司匹林生物传感器,是应用最早，最广和最普通解热镇痛药抗风湿药。具有解热、镇痛、抗炎、抗风湿和抗血小板聚集等多方面的药理作用,上海中医药大学生化教研室制作,阿司匹林生物传感器,血液中阿司匹林的含量高于3mmol/L就会有毒性。,乙酰水杨酸,是药三分毒,上海中医药大学生化教研室制作,阿司匹林生物传感器,乙酰水杨酸,H,水杨酸,肝性酯酶,上海中医药大学生化教研室制作,阿司匹林生物传感器,H,水杨酸,水杨酸羟化酶,邻苯二酚,上海中医药大学生化教研室制作,阿司匹林生物传感器,上海中医药大学生化教研室制作,阿司匹林生物传感器,上海中医药大学生化教研室制作,上海中医药大学生化教研室制作,组织传感器,生物组织,生物组织,植物组织,动物组织,生物组织含有丰富的酶类，这些酶在适宜的自然环境中，可以得到相当稳定的酶活性,上海中医药大学生化教研室制作,植物组织,香蕉果肉中含有丰富的草酸氧化酶,草酸检测,组织传感器,上海中医药大学生化教研室制作,植物组织,酶法检测草酸的机理：,组织传感器,上海中医药大学生化教研室制作,植物组织,氧电极构造,组织传感器,上海中医药大学生化教研室制作,植物组织,阳极：4Ag+4Cl-4AgCl+4e-阴极：O2+2H2O+4e-4OH-,电极反应,极谱型电极，需外加0.6V0.8V的极化电压,组织传感器,上海中医药大学生化教研室制作,植物组织,I/nA,c/M,组织传感器,上海中医药大学生化教研室制作,植物组织,根,茎,组织传感器,上海中医药大学生化教研室制作,植物组织,叶,花瓣,组织传感器,上海中医药大学生化教研室制作,动物组织,兔肝组织中含有丰富的鸟嘌呤酶（鸟嘌呤脱氨酶）,鸟嘌呤检测,组织传感器,上海中医药大学生化教研室制作,动物组织,鸟嘌呤结构式,组成核酸（DNA和RNA）的主要碱基之一,简写：G,组织传感器,上海中医药大学生化教研室制作,动物组织,检测体液中鸟嘌呤含量，可表征DNA的损伤程度，指示某些疾病的发生；在临床上鸟嘌呤类化合物也常被用作为有效的化学治疗药物。,DNA的氧化性损伤一般发生在嘌呤碱基，其中鸟嘌呤因具有最低氧化电位而最容易被氧化,鸟嘌呤测定的生物医学意义：,组织传感器,上海中医药大学生化教研室制作,鸟嘌呤兔肝组织电极,动物组织,组织传感器,上海中医药大学生化教研室制作,+H2O,动物组织,NH3+,鸟嘌呤脱氨酶,鸟嘌呤,黄嘌呤,组织传感器,上海中医药大学生化教研室制作,NH3+H2O=NH4+OH-,动物组织,实质上是pH指示电极,组织传感器,上海中医药大学生化教研室制作,上海中医药大学生化教研室制作,动物组织,组织传感器,生物组织传感器与酶传感器比较：,使用寿命长、操作简便、成本低,选择性差、线