生物量传感器与检测技术医用传感器教学

1、生物传感器生物传感器 l生物传感器是用生物传感器是用生物活性材料生物活性材料（酶、蛋白质、（酶、蛋白质、 DNA、抗体、抗原、生物膜等）作为、抗体、抗原、生物膜等）作为敏感基敏感基 元元构成构成分子识别系统分子识别系统，对被测物进行，对被测物进行高选择性高选择性 的识别的识别，通过各种，通过各种化学和物理换能器化学和物理换能器捕捉目标捕捉目标 物与敏感基元之间的作用，并将作用程度用离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。类和含量的装置。 生物传感器的构成生物传感器的构成 l一是一是生物敏感膜生

2、物敏感膜(分子识别元件分子识别元件),是具有是具有分子识别能力分子识别能力的生的生 物活性物质，是生物传感器的物活性物质，是生物传感器的关键部分关键部分，直接决定传感器，直接决定传感器 的功能和质量的功能和质量; l二是二是物理或化学转换器物理或化学转换器(换能器换能器)，将各种生物的、化学的和，将各种生物的、化学的和 物理的信号转换为电信号。主要有物理的信号转换为电信号。主要有电电化学电极化学电极(如电位、电如电位、电 流的测量流的测量)、光光学检测元件、学检测元件、热热敏电阻、场效应晶体管、压敏电阻、场效应晶体管、压 电石英晶体及表面等离子共振器件等，当待测物与分子识电石英晶体及表面等离子

3、共振器件等，当待测物与分子识 别元件别元件特异性结合特异性结合后，所产生的复合物后，所产生的复合物(或光、热等或光、热等)通过信通过信 号转换器变为可以输出的号转换器变为可以输出的电信号、光信号电信号、光信号等，从而达到分等，从而达到分 析检测的目的。析检测的目的。 生物传感器分类生物传感器分类 根据生物传感器的根据生物传感器的信号转换器信号转换器可分为可分为电化学电化学生生 物传感器、物传感器、半导体半导体生物传感器、生物传感器、热热生物传感器、生物传感器、 光光生物传感器、生物传感器、声波声波生物传感器等生物传感器等 根据生物传感器中根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感生物分子识别元件

4、上的敏感 材料材料可分为可分为酶酶传感器传感器、微生物、微生物传感器传感器、免疫、免疫传传 感器感器、组织、组织传感器传感器、基因、基因传感器传感器、细胞、细胞传感器。传感器。 7.1 生物材料的固定化技术生物材料的固定化技术 固相生物材料具有一系列优点固相生物材料具有一系列优点 热稳性提高；热稳性提高； 可重复使用；可重复使用； 不需要在反应后进行催化物质与反应物质的分离；不需要在反应后进行催化物质与反应物质的分离； 可以根据已知的半衰期可以根据已知的半衰期(halflife)确定传感器膜的寿命；确定传感器膜的寿命； 能够避免外源微生物对生物功能物质的污染和降解能够避免外源微生物对生物功能物

5、质的污染和降解(decay)等。等。 如果说如果说“一些重要的生命功能都是以生物膜为舞台而展现一些重要的生命功能都是以生物膜为舞台而展现出来出来 的的”，那么也可以说，没有生物功能膜就不称其为生物传感器，那么也可以说，没有生物功能膜就不称其为生物传感器。 前者是指前者是指天然的生物膜天然的生物膜，后者指，后者指生物传感器分子识别器件生物传感器分子识别器件，包括各种，包括各种 固定化生物功能膜。固定化生物功能膜。 固定化的首要目的是将酶等生物活性物质固定化的首要目的是将酶等生物活性物质限制在一定的空间限制在一定的空间，但又不，但又不 妨碍底物的妨碍底物的自由扩散自由扩散 。 吸附法吸附法 所谓吸

6、附法就是依据带电荷的细胞和载体之间的所谓吸附法就是依据带电荷的细胞和载体之间的静电、表面张力和粘静电、表面张力和粘 附力附力的作用，使细胞的作用，使细胞固定固定在载体表面和内部形成生物膜。其可分为物在载体表面和内部形成生物膜。其可分为物 理吸附法和离子吸附法两种。理吸附法和离子吸附法两种。 物理吸附法物理吸附法是使用具有是使用具有高吸附能力高吸附能力的物质，如硅胶、活性炭、多孔玻的物质，如硅胶、活性炭、多孔玻 璃、碎石、硅藻土、多孔砖、陶瓷片、木屑等吸附剂，将微生物吸附璃、碎石、硅藻土、多孔砖、陶瓷片、木屑等吸附剂，将微生物吸附 在表面使其固定化；在表面使其固定化； 离子吸附法离子吸附法是利用

7、微生物在解离状态下是利用微生物在解离状态下离子键合作用离子键合作用而固定于带有而固定于带有相相 反电荷反电荷的离子交换剂上。的离子交换剂上。 共价法共价法 共价结合法是细胞表面上共价结合法是细胞表面上官能团官能团和固相支持物表面的和固相支持物表面的反应基团反应基团形成化形成化 学学共价键连接共价键连接，从而固定微生物。，从而固定微生物。 许多生物分子，如脂质分子和一些蛋白质分许多生物分子，如脂质分子和一些蛋白质分 子，在洁净的水表面展开后能形成水不溶性子，在洁净的水表面展开后能形成水不溶性 液态单分子膜，小心压缩表面积使液态膜逐液态单分子膜，小心压缩表面积使液态膜逐 渐过渡到成为一个分子厚度的

8、拟固态膜。渐过渡到成为一个分子厚度的拟固态膜。 这种膜以技术的发明者这种膜以技术的发明者Langmuir和和Blodgett 命名，称为命名，称为LB膜。膜。 六六L-B膜技术膜技术 一是一是酶膜可以制得很薄酶膜可以制得很薄(数数nm厚厚)，厚度和层数可以精确控制；，厚度和层数可以精确控制； 二是二是可以获得高密度酶分子膜。由此可能协调响应速度和响应活性可以获得高密度酶分子膜。由此可能协调响应速度和响应活性 这对矛盾。这对矛盾。 Tsuzuki等采用等采用L-B技术首次制成技术首次制成GOD电极，基本步骤如下：电极，基本步骤如下： (1) 使二性化合物在水相上形成单分子膜；使二性化合物在水相上

9、形成单分子膜； (2) 用三甲基氯盐配制的用三甲基氯盐配制的10的甲苯溶液处理的甲苯溶液处理SnO2电极，使其疏电极，使其疏 水化；水化； (3) 在在20mNm的表面压力下用垂直提升法使单分子膜沉积在的表面压力下用垂直提升法使单分子膜沉积在 SnO2电极表面；电极表面； (4) 2.5戊二醛处理单分子膜戊二醛处理单分子膜l小时，使外层引入甲酰基团；小时，使外层引入甲酰基团； (5) 表面甲酰基团与表面甲酰基团与GOD溶液反应溶液反应1小时，形成单分子小时，形成单分子GOD膜膜。 7.2 经典生物传感器原理与应用经典生物传感器原理与应用 一般原理：一般原理： 巧妙地利用了生物活性物质对巧妙地利

10、用了生物活性物质对 特定物质特定物质所具有地所具有地选择性亲和选择性亲和 力力，即分子识别能力这一特点，即分子识别能力这一特点， 来进行识别和测量，并利用来进行识别和测量，并利用电电 化学反应化学反应进行电信号转换，从进行电信号转换，从 而实现定量测量。而实现定量测量。 一酶传感器的原理一酶传感器的原理 一种将酶与电化学传感器相连结的用来测量一种将酶与电化学传感器相连结的用来测量底物浓度底物浓度的电极的电极 叫做叫做酶电极酶电极( (或称或称酶传感器酶传感器) )。 用酶膜和离子选择性电极相结合构成的酶电极用酶膜和离子选择性电极相结合构成的酶电极, 当底物与酶膜作用时，产生单价阳离子当底物与酶

11、膜作用时，产生单价阳离子H+、NH4+ 等，为离子选择性电极所测得等，为离子选择性电极所测得 。 可见电极电位与待测物离子浓度的对数成可见电极电位与待测物离子浓度的对数成线性关系，由此可定量地检测线性关系，由此可定量地检测 待测物的含量。迄今使用的电位计式酶电极主要以待测物的含量。迄今使用的电位计式酶电极主要以H+、NH4+电极为基电极为基 础础的。的。 酶传感器主要由酶传感器主要由固定化酶膜固定化酶膜和和变换器变换器组成：固定化酶膜可以选择性组成：固定化酶膜可以选择性 地地“识别识别”被检测的物质，并且催化被被检测的物质，并且催化被“识别识别”出的物质发生化学出的物质发生化学 反应；变换器则

12、把这一催化反应中反应；变换器则把这一催化反应中底物或产物的变量底物或产物的变量转换成转换成电信号电信号， 进而通过仪表显示出来。进而通过仪表显示出来。 其原理是当工作电极相对于参考电极维持在一恒定的极化电压其原理是当工作电极相对于参考电极维持在一恒定的极化电压 时测量输出电流。时测量输出电流。 当工作电极表面上电活性物质还原或氧化时，产生一个电流。当工作电极表面上电活性物质还原或氧化时，产生一个电流。 该电流在一定的条件下可由下式给出：该电流在一定的条件下可由下式给出： 在合适的极化电压下，电极能产生一个高而平稳的电流在合适的极化电压下，电极能产生一个高而平稳的电流-极限电极限电 流。流。 极

13、限电流极限电流与极化电压无关而与活性物质的与极化电压无关而与活性物质的浓度浓度成线性关系。成线性关系。 n-分子量分子量 F-电荷法拉第常数电荷法拉第常数 A-电极面积电极面积 f-电活性物质到电极的流通量电活性物质到电极的流通量 基本上由基本上由酶膜酶膜和克拉克型氧电极或过氧化氢和克拉克型氧电极或过氧化氢 电极组成。电极组成。 通过测定被消耗的通过测定被消耗的氧氧或或 生成的生成的过氧化氧过氧化氧来测定来测定 葡萄糖的含量葡萄糖的含量 酶传感器的研究重点均放在提高酶传感器的研究重点均放在提高识别分子部位识别分子部位的酶膜特性上。的酶膜特性上。 (1)聚丙烯酰胺凝胶膜聚丙烯酰胺凝胶膜 对葡萄糖

14、有很大的阻止扩散的能力，对葡萄糖有很大的阻止扩散的能力， 薄膜结构比较复杂，反应速度比较慢。薄膜结构比较复杂，反应速度比较慢。 (2)胶原膜胶原膜 用包埋法制作，阻止扩散的能力较小，反应速度用包埋法制作，阻止扩散的能力较小，反应速度 较快。较快。 (3)在不同类的多细孔膜中间在不同类的多细孔膜中间固定的酶固定的酶，酶被多孔膜覆盖，样，酶被多孔膜覆盖，样 品液中的高分子物质品液中的高分子物质不直接与酶接触不直接与酶接触，延长了酶的寿命。，延长了酶的寿命。 (4)在酶膜上被覆的多孔膜醋酸纤维素、在酶膜上被覆的多孔膜醋酸纤维素、1、8丁氨基丁氨基1氨基氨基 乙基辛烷、戊二醛等易使葡萄糖扩散，乙基辛烷

15、、戊二醛等易使葡萄糖扩散，加快了反应速度加快了反应速度。 在综合判断酶传感器的检测在综合判断酶传感器的检测灵敏度灵敏度、反应速度反应速度、稳定性稳定性及及使使 用的简易程度用的简易程度时，两者并无明显的差异。时，两者并无明显的差异。 免疫传感器由于抗体与其分别对应的抗原有免疫传感器由于抗体与其分别对应的抗原有选择性结合能力选择性结合能力，因此可确立利，因此可确立利 用抗原、抗体反应的免疫测定法。据此设计的生物传感器称为用抗原、抗体反应的免疫测定法。据此设计的生物传感器称为免疫传感器。免疫传感器。 一非标识免疫传感器一非标识免疫传感器 原理：原理：根据红血球中所含的血型物质根据红血球中所含的血型

16、物质(凝集素凝集素)与与 血清中血型抗体的结合反应。血清中血型抗体的结合反应。 A、B、O型系统的血型物质为糖脂质，将这些血型系统的血型物质为糖脂质，将这些血 型物质从红血球中抽提出来调制成型物质从红血球中抽提出来调制成抗原膜抗原膜，抗原，抗原 膜的膜的膜电位膜电位在凝集反应时在凝集反应时发生显著变化发生显著变化，从而可，从而可 容易地判别血型。容易地判别血型。 (1)竞争的抗原抗体反应竞争的抗原抗体反应 在含有测定对象的抗原样品溶液中，添加一在含有测定对象的抗原样品溶液中，添加一 定量的标识抗原。标识抗原与非标识抗原竞定量的标识抗原。标识抗原与非标识抗原竞 争做地在传感器的抗体膜表面上结合，

17、形成争做地在传感器的抗体膜表面上结合，形成 抗原抗体结合体。抗原抗体结合体。 (2)清除游离的抗原清除游离的抗原 清洗传感器的抗体膜，清除没有形成抗原抗清洗传感器的抗体膜，清除没有形成抗原抗 体结合体的游离抗原。体结合体的游离抗原。 二标志免疫传感器二标志免疫传感器 当在红血球或脂质体当在红血球或脂质体(双层磷脂结构双层磷脂结构)等表面存在抗原时，等表面存在抗原时， 就可能在这些表面形成抗原抗体复合物。就可能在这些表面形成抗原抗体复合物。 由于抗原抗体结合后蛋白构象的改变，暴露了由于抗原抗体结合后蛋白构象的改变，暴露了补体的补体的 结合点结合点，补体与之相结合，导致红血球或脂质体膜的，补体与之

18、相结合，导致红血球或脂质体膜的 破裂，使内容物迅速外溢。破裂，使内容物迅速外溢。 根据这个原理，如果在红血球或脂质体中将预先用离根据这个原理，如果在红血球或脂质体中将预先用离 子电极所检出的子电极所检出的标识离子封入标识离子封入，则进行补体反应时，则进行补体反应时， 抗原抗体复合物上就会释放出数量众多的抗原抗体复合物上就会释放出数量众多的标识离子标识离子。 微生物传感器是一种生物选择性电化学探测器，是由经适微生物传感器是一种生物选择性电化学探测器，是由经适 当方法培养的当方法培养的细菌细胞细菌细胞(或经或经固定化的细胞固定化的细胞)覆盖于相应的电覆盖于相应的电 化学传感器件表面而成。化学传感器

19、件表面而成。 它利用细胞中酶对待测物的它利用细胞中酶对待测物的水解水解、氨解氨解或或氧化氧化等反应的选等反应的选 择性催化作用，以及电化学传感器元件对反应物的有选择择性催化作用，以及电化学传感器元件对反应物的有选择 探测，依据反应的探测，依据反应的化学计量关系化学计量关系，定量地测出，定量地测出底物存在量底物存在量 的信息的信息。 用用微生物微生物取代酶作为生物活性物质。取代酶作为生物活性物质。 呼吸活性型微生物传感器由呼吸活性型微生物传感器由好氧性微生物固定化膜好氧性微生物固定化膜和和氧电极氧电极组合而成，组合而成， 测定时以微生物的测定时以微生物的呼吸活性呼吸活性为基础。为基础。 当微生物

20、传感器插入当微生物传感器插入溶解氧保持饱和状态溶解氧保持饱和状态的试液中时，试液中的有机的试液中时，试液中的有机 化合物受到微生物的同化作用，微生物的化合物受到微生物的同化作用，微生物的呼吸加强呼吸加强，在电极上扩散的，在电极上扩散的 氧减少氧减少，电流值急剧下降电流值急剧下降。 当有机物由试液向微生物膜的当有机物由试液向微生物膜的扩散活动趋向恒定扩散活动趋向恒定时，微生物的时，微生物的耗氧耗氧 量量也达到恒定。此时向也达到恒定。此时向 电极扩散的氧量趋向恒电极扩散的氧量趋向恒 定，得到一个定，得到一个恒定的电恒定的电 流值流值。 可以看出，在此恒定电可以看出，在此恒定电 流值与试液中的有机化

21、流值与试液中的有机化 合物浓度之间存在着合物浓度之间存在着相相 关关系关关系。 代谢活性型微生物传感器测定时以微生物的代谢活性型微生物传感器测定时以微生物的代谢活性代谢活性为基础，为基础， 其结构如图所示。其结构如图所示。 当微生物当微生物摄取有机化合物摄取有机化合物，生成的各种，生成的各种代谢产物代谢产物中含有电极中含有电极 活性物质时，用安培计活性物质时，用安培计(电流法电流法)可测的可测的氢氢、甲酸甲酸和和各种还原各种还原 型辅酶型辅酶等代谢物，而用电位计等代谢物，而用电位计(电压法电压法)则可测得则可测得二氧化碳二氧化碳、 有机酸有机酸(氢离子氢离子)等代谢物。由此可以得到有机化合物浓

22、度的等代谢物。由此可以得到有机化合物浓度的 信息。信息。 把把硝酸菌硝酸菌从废水处理设施的硝化槽中分离出来，放在指定的从废水处理设施的硝化槽中分离出来，放在指定的培养液中培养液中 培养培养。然后把硝酸菌移到。然后把硝酸菌移到多孔性乙酸纤维膜上多孔性乙酸纤维膜上固定，接着再把纤维膜固定，接着再把纤维膜 覆盖在隔膜氨电极的覆盖在隔膜氨电极的聚四氮乙烯膜表面聚四氮乙烯膜表面上，就制成了氨生物传感器。上，就制成了氨生物传感器。 原理：原理：肠膜明串珠菌只要缺少肠膜明串珠菌只要缺少微量微量的苯丙氨酸就不能生的苯丙氨酸就不能生 长，其代谢产物主要为长，其代谢产物主要为乳酸乳酸。 将乳酸氧化酶将乳酸氧化酶(

23、LOD) 通过通过共价键共价键固固 定制备乳酸氧化酶膜，将制得的酶定制备乳酸氧化酶膜，将制得的酶 膜固定在氧电极上构成膜固定在氧电极上构成乳酸生物传乳酸生物传 感器感器。 7.2 新型生物传感器原理及应用新型生物传感器原理及应用 一生物芯片的基本概念一生物芯片的基本概念 广义生物芯片广义生物芯片是指能对生物成分或生物分子进行快速并行处理是指能对生物成分或生物分子进行快速并行处理 和分析的厘米见方的固体薄形器件。和分析的厘米见方的固体薄形器件。 狭义的生物芯片狭义的生物芯片是微阵列芯片。在被分析样品中的生物分子与是微阵列芯片。在被分析样品中的生物分子与 生物芯片的探针分子发生生物芯片的探针分子发

24、生杂交或相互作用杂交或相互作用后，利用激光共聚焦后，利用激光共聚焦 显微扫描仪对杂交信号进行显微扫描仪对杂交信号进行检测和分析检测和分析。 生物芯片生物芯片 基因芯片基因芯片 蛋白质芯片蛋白质芯片 组织芯片组织芯片 细胞芯片细胞芯片 其它芯片其它芯片 根据芯片上的固定的探针不同根据芯片上的固定的探针不同 如果芯片上固定的是蛋白，则如果芯片上固定的是蛋白，则 称为蛋白芯片；称为蛋白芯片； 如果芯片上固定的分子是寡核如果芯片上固定的分子是寡核 苷酸探针或苷酸探针或DNA，就是，就是DNA芯芯 片。片。 某一含某一含N个核苷酸的个核苷酸的 寡聚核苷酸，通过寡聚核苷酸，通过 4N个化学步骤能合个化学步

25、骤能合 成出成出4N个可能结构。个可能结构。 例如：一段例如：一段8个碱基个碱基 的寡核苷酸有的寡核苷酸有65， 536种排列的可能，种排列的可能， 通过通过32个化学步骤，个化学步骤， 8个小时就能合成个小时就能合成65， 536个探针。个探针。 点样法点样法是将预先通过液相化学是将预先通过液相化学合成好合成好的探针、的探针、 或或PCR技术扩增技术扩增cDNA或基因组或基因组DNA经经纯化、定量纯化、定量 分析分析后，通过由后，通过由阵列复制器阵列复制器（ARD）或）或阵列点样阵列点样 机机（arrayer）及电脑控制的机器人，准确、快速）及电脑控制的机器人，准确、快速 地将不同探针样品定

26、量地将不同探针样品定量点样点样于带正电荷的尼龙膜于带正电荷的尼龙膜 或硅片等相应位置上，再由或硅片等相应位置上，再由紫外线交联固定紫外线交联固定后即后即 得到得到DNA微阵列或芯片。微阵列或芯片。 点样的方式分两种，其一为点样的方式分两种，其一为接触式点样接触式点样，即，即 点样针直接与固相支持物表面接触，将点样针直接与固相支持物表面接触，将 DNA样品留在固相支持物上；样品留在固相支持物上； 其二为其二为非接触式点样非接触式点样，即，即喷点喷点，它是以压电，它是以压电 原理将原理将DNA样品通过毛细管直接喷至固相样品通过毛细管直接喷至固相 支持物表面。支持物表面。 生物芯片可以进行基因表达检

27、测、寻找新基因、生物芯片可以进行基因表达检测、寻找新基因、DNA测序、突变体和测序、突变体和 多态性的检测等，为研究不同层次多态性的检测等，为研究不同层次多基因协同作用多基因协同作用提供手段。提供手段。 生物芯片能为生物芯片能为现代医学发展现代医学发展提供强有力的手段，可帮助医生及患者从提供强有力的手段，可帮助医生及患者从 “系统、血管、组织和细胞层次（通常称之为系统、血管、组织和细胞层次（通常称之为“第二阶段医学第二阶段医学”）”转转 变到变到“DNA、RNA、蛋白质及其相互作用层次（、蛋白质及其相互作用层次（第三阶段医学第三阶段医学）”上上 了解疾病的发生、发展过程，以便采取预防及治疗措施

28、。了解疾病的发生、发展过程，以便采取预防及治疗措施。 生物芯片对于生物芯片对于药物靶标药物靶标的发现、多靶位同步高通量药物筛选、药物作的发现、多靶位同步高通量药物筛选、药物作 用的分子机理用的分子机理 、药物活性及毒性评价方面都有其它方法无可比拟的优、药物活性及毒性评价方面都有其它方法无可比拟的优 越性。越性。 DNA芯片技术可用于芯片技术可用于水稻抗病基因水稻抗病基因的分离与鉴定。的分离与鉴定。 组织芯片是新兴的生物高科技技术。它是将数十个甚至数千个不同组织芯片是新兴的生物高科技技术。它是将数十个甚至数千个不同 个体的个体的组织标本组织标本集成在集成在一张固相载体上一张固相载体上所形成的组织

29、微阵列所形成的组织微阵列 （tissue microarray）。）。 基因芯片和蛋白芯片基因芯片和蛋白芯片是为检测同一样本中的是为检测同一样本中的不同实验指标不同实验指标而设计而设计 组织芯片组织芯片技术是针对在原位检测技术是针对在原位检测不同样本不同样本中同一实验指标设计的，中同一实验指标设计的， 是将几十到几百个小组织样本以规则的阵列方式包埋于同一蜡块后，是将几十到几百个小组织样本以规则的阵列方式包埋于同一蜡块后， 进行切片而制作成的，每张玻片上可同时排列几十到几百例小组织进行切片而制作成的，每张玻片上可同时排列几十到几百例小组织 样本，可同时进行同一实验指标的研究。样本，可同时进行同一

30、实验指标的研究。 组织芯片的优点：组织芯片的优点： l可提高实验效率可提高实验效率 l有助于减少实验误差有助于减少实验误差 l便于设置实验对照便于设置实验对照 l有利于原始存档蜡块的保存有利于原始存档蜡块的保存 右图给出的是美国右图给出的是美国Zymed实验室研制的人体正常组织芯片，包含实验室研制的人体正常组织芯片，包含30 种从不同器官获取的组织样本，每个组织样本直径约为种从不同器官获取的组织样本，每个组织样本直径约为1.5mm。 细胞传感器细胞传感器（cell-based sensor）是生物传感器研究中的一个）是生物传感器研究中的一个 热热 点，它利用活细胞作为探测单元，可以测量被分析物

31、的功能点，它利用活细胞作为探测单元，可以测量被分析物的功能 性信息。性信息。 特点：特点：细胞传感器敏感性高，选择性好，响应迅速，细胞传感器敏感性高，选择性好，响应迅速， 在生物医学、环境监测、药物开发中有广泛的应用。在生物医学、环境监测、药物开发中有广泛的应用。 按照能够从细胞获得的信息，我们对细胞传感器进行分类：按照能够从细胞获得的信息，我们对细胞传感器进行分类： （1）监测细胞）监测细胞内外环境内外环境的细胞传感器的细胞传感器 （2）监测细胞）监测细胞电生理状态电生理状态的细胞传感器的细胞传感器 （3）监测细胞）监测细胞力学性能力学性能的细胞传感器的细胞传感器 （4）监测细胞）监测细胞特

32、殊性能特殊性能的细胞传感器的细胞传感器 （5）利用）利用基因设计基因设计的细胞传感器的细胞传感器 （1）监测细胞内外环境的细胞传感器）监测细胞内外环境的细胞传感器 细胞内生理状态的改变，会引起细胞外代谢物（如离子、生物大分子细胞内生理状态的改变，会引起细胞外代谢物（如离子、生物大分子 等）的相应变化。等）的相应变化。 细胞微生理计（细胞微生理计（microphysiometer）：用建立在硅技术基础上的传感）：用建立在硅技术基础上的传感 器检测细胞酸化的微环境。细胞由于能量代谢产生器检测细胞酸化的微环境。细胞由于能量代谢产生酸性物质酸性物质，使，使外环境外环境 酸化酸化，利用，利用光寻址电位传

33、感器（光寻址电位传感器（LAPS）可以测量细胞外微环境的可以测量细胞外微环境的pH值值 变化，定量计算细细变化，定量计算细细H+排出速率，从而可以分析细胞的代谢率。排出速率，从而可以分析细胞的代谢率。 （2）监测细胞电生理状态的细胞传感器）监测细胞电生理状态的细胞传感器 可兴奋细胞，如神经细胞、肌肉细胞、内分泌细胞等，均能产生动作电位响可兴奋细胞，如神经细胞、肌肉细胞、内分泌细胞等，均能产生动作电位响 应外界刺激（如光、电、药物等）。应外界刺激（如光、电、药物等）。 直接测量细胞膜电位的基本方法是采用直接测量细胞膜电位的基本方法是采用膜片钳（膜片钳（Patch Clamp）技术）技术。 用微细

34、加工技术制作的用微细加工技术制作的平面微电极阵列（平面微电极阵列（MEA）或或场效应管阵列场效应管阵列应运而生，应运而生， 它能它能无损、同步地记录无损、同步地记录多个可兴奋细胞或组织的多个可兴奋细胞或组织的动作电位的传播动作电位的传播。这类传感。这类传感 器不仅可以研究神经元的电生理现象，也能研究细胞间的通讯。器不仅可以研究神经元的电生理现象，也能研究细胞间的通讯。 MDCK细胞在不同毒细胞在不同毒 素的刺激下，悬臂梁发素的刺激下，悬臂梁发 生不同程度的偏转。生不同程度的偏转。 实验结果初步表明，实验结果初步表明， 这种集成细胞的悬臂梁这种集成细胞的悬臂梁 可以实时监测活细胞的可以实时监测活

35、细胞的 力学性能。力学性能。 一些细胞对于荷尔蒙刺激会一些细胞对于荷尔蒙刺激会产生移动产生移动，某些种类细胞的病毒感，某些种类细胞的病毒感 染将会引起染将会引起细胞骨架的变化细胞骨架的变化。 （4）监测细胞特殊性能的细胞传感器）监测细胞特殊性能的细胞传感器 有一类独特的细胞传感器，可以用来测量某些细胞的特殊性质，有一类独特的细胞传感器，可以用来测量某些细胞的特殊性质， 进而研究这些生物体对外界刺激的响应。进而研究这些生物体对外界刺激的响应。 如基于如基于生物发光生物发光的细胞传感器：某些具有发光特性的细菌或用的细胞传感器：某些具有发光特性的细菌或用 荧光素酶基因设计的细菌，可能对某些荧光素酶基

36、因设计的细菌，可能对某些重金属产生敏感重金属产生敏感，基于这，基于这 种细菌的生物传感器，可以进行种细菌的生物传感器，可以进行环境的监测环境的监测。 如基于如基于细胞色素细胞色素的细胞传感的细胞传感 器，则是诱发色素细胞与酶器，则是诱发色素细胞与酶 相关的运动，改变细胞颜色，相关的运动，改变细胞颜色， 通过检测通过检测颜色变化颜色变化来测量来测量神神 经毒素经毒素。 在加入在加入ISO后，后，1-ARKO细胞的细胞的 膜外膜外动作电位几乎没有变化动作电位几乎没有变化，而，而 2-ARKO细胞和正常细胞细胞和正常细胞(WT) 都有都有很强的响应很强的响应，从而证实了，从而证实了ISO 的作用靶位

37、是的作用靶位是1-肾上腺素受体。肾上腺素受体。 去除细胞上去除细胞上某些可疑受体某些可疑受体，即把那些我们认为对某一响应起，即把那些我们认为对某一响应起 作用的受体击出，使细胞成为作用的受体击出，使细胞成为击出（击出（kick out, KO）细胞）细胞。 任何对任何对击出受体起作用击出受体起作用的生物试剂都能在正常细胞中产生响的生物试剂都能在正常细胞中产生响 应，在应，在KO细胞中则不能。细胞中则不能。 基因芯片这一时代的宠儿已被应用到生物科学众多的领域之中。基因芯片这一时代的宠儿已被应用到生物科学众多的领域之中。 l基因表达检测。基因表达检测。实验研究表明芯片技术易于实验研究表明芯片技术易

38、于监测非常大量的监测非常大量的mRNAs并并 能敏感地反映基因表达中的微小变化。利用基因芯片技术人们已比较成功地能敏感地反映基因表达中的微小变化。利用基因芯片技术人们已比较成功地 对多种生物包括拟南芥、酵母及人的基因组表达情况进行了研究。对多种生物包括拟南芥、酵母及人的基因组表达情况进行了研究。 l寻找新基因。寻找新基因。如如HME基因基因和和黑色素瘤生长刺激因子黑色素瘤生长刺激因子就是通过基因芯片就是通过基因芯片 技术发现的。技术发现的。 lDNA测序。测序。芯片技术中杂交测序技术及邻堆杂交技术即是一种新的高效芯片技术中杂交测序技术及邻堆杂交技术即是一种新的高效 快速测序方法。快速测序方法。

39、 l核酸突变的检测及基因组多态性的分析。核酸突变的检测及基因组多态性的分析。有关实验结果已经表明有关实验结果已经表明 DNA芯片技术可快速、准确地研究大量患者样品中特定基因所有可能的芯片技术可快速、准确地研究大量患者样品中特定基因所有可能的杂杂 合变异合变异。 基因芯片是生物芯片中最基础的，也是研究开发最早、最为成熟基因芯片是生物芯片中最基础的，也是研究开发最早、最为成熟 和目前应用最广泛的产品。和目前应用最广泛的产品。 DNA芯片使用了芯片使用了DNA双螺旋链中双螺旋链中A-T和和G-C这样典型的性质以及对互补这样典型的性质以及对互补 序列识别的性质。序列识别的性质。 换句话说，换句话说，

40、DNA芯片上的芯片上的单链被当作诱饵单链被当作诱饵， 而当加入而当加入DNA试样时候，试样时候， 只有其只有其互补链与之成键互补链与之成键。 DNA芯片能包含数千到数十万种芯片能包含数千到数十万种DNA诱饵，诱饵， 这样就可以筛选任意数量的这样就可以筛选任意数量的DNA样品，因为在一枚芯片上的样品，因为在一枚芯片上的DNA诱饵诱饵 的的序列都已知序列都已知。 为检测诱饵为检测诱饵-样品样品 DNA成键的成键的数量数量， 通常样品通常样品DNA被涂被涂 以以萤光染料萤光染料然后扫然后扫 描机读取芯片上的描机读取芯片上的 荧光强度荧光强度。强荧光。强荧光 度意味着样品中有度意味着样品中有 许多互补

41、许多互补DNA链与链与 诱饵诱饵DNA链成键。链成键。 蛋白质芯片蛋白质芯片以蛋白质代替以蛋白质代替DNA作为检测目的物，比基因芯作为检测目的物，比基因芯 片更进一步的接近生命活动的物质片更进一步的接近生命活动的物质层面，因而有着比基因芯层面，因而有着比基因芯 片更加直接的应用前景。片更加直接的应用前景。 l医生可以利用含有生物芯片的医疗设备医生可以利用含有生物芯片的医疗设备迅速而准确迅速而准确地对一般地对一般 疾病疾病进行诊断进行诊断并对某些化学治疗方法并对某些化学治疗方法进行评估进行评估； l它还可以帮助士兵在战场上探测到来自敌方的它还可以帮助士兵在战场上探测到来自敌方的生化攻击生化攻击；

42、 l对农作物的病虫害进行对农作物的病虫害进行探测并发出警告探测并发出警告； l同时它还能帮助科学家们对人们常用来治病的植物同时它还能帮助科学家们对人们常用来治病的植物进行分析进行分析， 看它们是否确实含有具治疗效果的化学成份，从而在此基础上看它们是否确实含有具治疗效果的化学成份，从而在此基础上 研制并生产出研制并生产出新的药品新的药品。 一块硅片上堆积几十个或几百个一块硅片上堆积几十个或几百个“实验室实验室”，每个，每个“实验室实验室”都能进行都能进行 复杂的化学分析，从而可减少很多化学和医学分析的费用，并提高效率。复杂的化学分析，从而可减少很多化学和医学分析的费用，并提高效率。 它可以使研究

43、人员借助一块芯片进行化学分析，同时进行大量的实验。它可以使研究人员借助一块芯片进行化学分析，同时进行大量的实验。 用量减少到常规实验室的百万分之一，但测量精度仍可达很高的水平。用量减少到常规实验室的百万分之一，但测量精度仍可达很高的水平。 由于超微实验室没有运动或机加工部件，与常规实验室设备相比，结构由于超微实验室没有运动或机加工部件，与常规实验室设备相比，结构 要简单得多，制造费用也非常低。要简单得多，制造费用也非常低。 7.1 生物材料的固定化技术生物材料的固定化技术 固相生物材料具有一系列优点固相生物材料具有一系列优点 热稳性提高；热稳性提高； 可重复使用；可重复使用； 不需要在反应后进

44、行催化物质与反应物质的分离；不需要在反应后进行催化物质与反应物质的分离； 可以根据已知的半衰期可以根据已知的半衰期(halflife)确定传感器膜的寿命；确定传感器膜的寿命； 能够避免外源微生物对生物功能物质的污染和降解能够避免外源微生物对生物功能物质的污染和降解(decay)等。等。 如果说如果说“一些重要的生命功能都是以生物膜为舞台而展现一些重要的生命功能都是以生物膜为舞台而展现出来出来 的的”，那么也可以说，没有生物功能膜就不称其为生物传感器，那么也可以说，没有生物功能膜就不称其为生物传感器。 前者是指前者是指天然的生物膜天然的生物膜，后者指，后者指生物传感器分子识别器件生物传感器分子识别器件，包括各种，包括各种 固定化生物功能膜。固定化生物功能膜。 固定化的首要目的是将酶等生物活性物质固定化的首要目的是将酶等生物活性物质限制在一定的空间限制在一定的空间，但又不，但又不 妨碍底物的妨碍底物的自由扩散自由扩散 。 代谢活性型微生物传感器测定时以微生物的代谢活性型微生物传感器测定时以微生物的代谢活性代谢活性为