生物传感器.ppt

生物传感器(Biosensor),生物传感器的模型,是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。应用领域：环境监测、食品分析、生物医学,一、概述,1.定义敏感材料由生物体成分（或本身）组成的传感器利用生物活性物质具有的分子识别功能，专一、灵敏。,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、表面等离子共振。,酶(Enzyme),抗体(Antibody),DNA,2.分类根据输出信号产生的方式 生物亲和型、代谢型、催化型根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基因传感器等根据信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器等其他分类 被测对象、大小、功能,3.生物传感器的特点,高选择性。生物传感器是由选择性好的主体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其它试剂。,体积小、可以实现连续在位监测。,响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。,传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。,二、酶电极和酶传感器,概述 酶及酶促反应酶：由生物体产生的具有催化能力的蛋白质特性：高效106-13，条件温和，高度专一，（酶原激活）酶的活力单位：提高反应速度的能力（初速度）标准酶单位、比活力,酶（Enzyme）,酶的专一性：锁和钥匙的关系。这种关系在生物大分子的相互作用中具有普遍性，,对底物选择性地结合，避免其它物质干扰。,3.酶促反应的动力学影响因素,底物浓度对反应速度的影响,Km:酶性质Vm:酶催化效能,3.酶促反应的动力学影响因素,酶浓度的影响pH温度抑制剂和激活剂,4.酶的固定化技术,早期的酶电极固定化技术的重要性三代生物传感器（1）非活性基质膜和化学电极（2）生物成分结合转换器表面（3）生物成分直接固定于电子元件,各种固定化方法介绍,（1）共价键结合：牢固，易失活，单层（2）交联固定：固定量大，部分失活（3）包埋：多样，失活小，影响因素多（4）吸附：简单，失活小，牢固性差（5）夹心：简单（6）LB膜等新技术,LB膜成膜过程,Langmuir-Blodgett 膜,为了获得高灵敏度和稳定性的生物传感器，应能有效控制酶在电极表面的存在形式，维持高的有序程度。,LB膜可用于将酶和其它物质修饰到电极表面。,LB膜技术是很好的模拟生物膜的技术。,5.酶电极及酶传感器实例,生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜可用的测量量：O2的减少量，葡萄糖酸或H2O2的产生量信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极,（1）葡萄糖氧化酶电极,一种葡萄糖传感器-Glucowatch,Glucose pulled through the skin by charged molecules The ions migrate to the anode(+)and cathode(-)Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxideThe reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor,生物分子识别元件：乙醇氧化酶膜信号转换元件：氧电极,（2）乙醇传感器,生物分子识别元件：乙醇脱氢酶膜信号转换元件：Ox 电子传递介质（二茂铁、四硫富瓦烯）15秒，10-610-4 mol/L,生物分子识别元件：丙酮酸氧化酶信号转换元件：氧电极，H2O2电极及pH、CO2电极,（3）GPT(转氨酶）传感器,（2）酶电极,基于界面酶催化化学反应的敏化电极；酶特性：酶是具有特殊生物活性的催化剂，对反应的选择性强，催化效率高，可使反应在常温、常压下进行；,可被现有离子选择性电极检测的常见的酶催化产物：CO2，NH3，NH4+，CN-，F-，S2-，I-，NO2-,（4）氨基酸测定：,氨基酸氧化酶,R-CHNH2 COO-+O2+H2 O R-COCOO-+NH4+H2 O2 氨基酸通过以上反应后检测，或进一步氧化放出CO2，用气敏电极检测。,三、组织电极,以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的生物传感器特点：酶处于天然、理想状态，稳定、功效高寿命一般较长有些没有了解的反应途径或无条件拟合的体系，可直接用组织代替组织可直接成膜，便于固定，成本低组织酶源广商品化难以实现,实例1:猪肾组织L-谷氨酰胺电极,1979，Rechnitz,6.010-5 6.710-3mol/L6min28天,2,1.尼龙网 2.组织切片 3.透析膜,实例2:花椰菜膜L-抗坏血酸组织电极,电极制作：组织糊+牛血清白蛋白+戊二醛+尼龙网+氧电极工作条件：底液、pH、温度响应曲线：影响因素：组织、固定化、工作条件,问题,在酶传感器制备时，常用的酶固定化方法有哪些？各有何优缺点？组织电极与酶电极相比有何优缺点？式举例说明酶电极的制作原理和结构。,四、微生物传感器1.特点,适合发酵体系微生物的菌株价格低其细胞内酶的活性因细胞增殖而再生,寿命长适合完成需要辅助因子的复杂连续反应干扰较酶传感器严重,2.微生物传感器的分类,按工作原理：（1）用微生物体内酶的生物活性 类似酶传感器（2）利用微生物对有机物的同化作用（a）呼吸机能型微生物传感器（b）代谢机能型微生物传感器,3.微生物学基本知识,分类、组成及性质营养：自养型与异养型生长与控制：生长曲线保存：要求、方法,4.实例1：葡萄糖微生物电极Pseudomonas fluorescence,菌种 有氧 30C,20小时培养 6000 n/min 离心、0.1 g 湿细胞+1.8 g 胶原纤维，混匀，滴于四氟乙烯膜上，室温晾干,浸于戊二醛中1分钟，4C干燥，装在氧电极外套上测定原理及过程：响应参数和条件：35C,pH 7,10-410-5mol/L,30 D,实例2：BOD微生物传感器,BOD概念传感器原理：细菌在同化有机物时，消耗氧，其程度与同化作用的强弱，即有机物的浓度成正比。,五、免疫传感器,引言:免疫 自然免疫 获得性免疫 免疫分析 抗原 抗体免疫传分析特点：利用抗原、抗体所具有的高灵敏度、高选择性的结合做为分子识别手段进行分析。免疫传感器分类：非标记免疫传感器和标记免疫传感器两类,1 非标记免疫传感器,原理：抗体与抗原（蛋白质）的结合有高度选择性，当两者结合时，蛋白质分子发生各种性质变化，如携带的大量电荷会产生电位变化，继而引起事先固定了抗原或抗体的各种转换元件电化学及物理参数的改变。,例：p425优点：仪器要求简单、操作容易、不需要额外试剂缺点：灵敏度较低、样品需要量大、非特异性吸附造成假阳性,2 标记免疫传感器,标记：以酶、荧光物质、电活性化合物、放射性同位素等为标记物。（1）竞争法：用一定量的标记过的抗原加入到被测的非标记抗原中，此时非标记抗原与标记抗原与传感器表面抗体发生竞争反应，再通过抗原-抗体结合体中“标记”性信号的检测，实现非标记抗原的测量。（2）夹心法：抗原与传感器表面抗体结合后，再加标记抗体与抗原结合，,标记免疫传感器,优点：灵敏度高、选择性好，可做为常规方法使用缺点：需要标记物，操作较复杂,六、其他生物传感器,场效应晶体管型生物传感器例：酶场效应晶体管型生物传感器测热及测光型生物传感器 例：酶传感器 酶反应的热效应+热敏电阻（10-4K)化学发光：放能化学反应产生的光辐射 光的利用生物现象、化学现象、物理现象的组合,七、生物芯片,引言 传感器阵列和生物微阵列传感器 基因传感器和基因芯片,基因芯片,基因芯片又称寡核苷酸探针微阵列。将系列DNA片段固定在载体上（硅片、尼龙膜）。可同时进行数百次常规测试。大量探针分子固定于支持物上后，利用DNA双链的互补碱基之间的氢键作用，与标记的样品分子进行杂交，然后用精密扫描仪或摄像纪录，通过计算机软件分析处理，得到有价值的生物信息。在基因芯片制备过程中，使用了半导体领域的微加工技术（如右图中的光刻技术）。基因芯片可同时对大量核酸分子进行检测分析，已应用于生物医学、生物分子学、人类基因组研究和医学临床诊断领域。,生物芯片,生物芯片是生物传感器的阵列和集成化。,生物芯片是指包被在硅片、尼龙膜等固相支持物上的高密度的组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类以及其它生物组分的微点阵。芯片与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号即可实现对生物样品的分析。,生物芯片的类型,常见的生物芯片主要有:基因芯片;蛋白质芯片;组织芯片。,世界著名生物芯片公司:Affymetrix(Santa Clara,California),其他:BraxGenomicsLimited(Cambridge,UK)，Hyseq(Sunnyvale,California)，IncytePharmaceuticals(PaloAlto,Cali-fornia)等等。,蛋白质芯片,蛋白质芯片主要是蛋白质如抗原或抗体在载体上的有序排列，依据蛋白质 分子、蛋白质与核酸相互作用的原理进行杂交、检测和分析。,如：,组织芯片,组织芯片与基因芯片、蛋白质芯片及细胞芯片等一样，属于一种特殊、新型的生物芯片，是一种新型的高通量、多样本的研究工具。,它将数十个甚至上千个不同个体的组织标本集成在一张固相载体上，为医学分子生物学提供了一种高通量、大样本以及快速的分子水平的分析工具。,芯片上的实验室,将生命科学研究中的许多不连续的分析过程如样品制备、生物化学反应和目标基因分离检测等烦琐的实验操作，通过采用象集成电路制作中的半导体光刻加工那样的缩微技术，移植到芯片上进行，使其连续化、微型化.,生物传感器的发展方向,集成化与功能化提高灵敏度智能化,4 生物传感器的应用,在食品分析中的应用在环境监测中的应用在生物医学上的应用在军事上的应用,4.1在食品分析的应用,食品成分分析食品添加剂的分析农药和抗生素残留量分析微生物和生物毒素的检验食品鲜度的检测,水质分析：一个典型应用是测定生化需氧量（BOD），传统方法测BOD需5天，且操作复杂。1977年Karube等首次报道了BOD微生物传感器，只需15分钟即能测出结果,连续使用寿命达17天；废气或环境大气的监测：可用于测定空气中SO2、NOX、CO2、NH3、CH4等的含量；农药和抗生素残留量的分析：用乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶为敏感材料制作的离子敏场效应晶体管酶传感器可用于蔬菜等样品中有机磷农药DDVP和伏杀磷等的测定,4.2 在环境监测中的应用,基础研究：生物传感器可实时监测生物大分子之间的相互作用。借助于这一技术动态观察抗原、抗体之间结合与解离的平衡关系，可较为准确地测定抗体的亲和力及识别抗原表位，帮助人们了解单克隆抗体特性，有目的地筛选各种具有最佳应用潜力的单克隆抗体。临床应用：用酶、免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提出依据。生物医药：利用生物工程技术生产药物时，将生物传感器用于生化反应的监视，可以迅速地获取各种数据，有效地加强生物工程产品的质量管理。,4.3 在生物医学上的应用,现代战争往往是在核武器、化学武器、生物武器威胁下进行的战争。侦检、鉴定和检测是进行有效化学战和生物战防护的前提。由于具有高度特异性、灵敏性和能快速地探测化学战剂和生物战剂（包括病毒、细菌和毒素等）的特性，生物传感器将是最重要的一类化学战剂和生物战剂侦检器材。如烟碱乙酰胆碱受体生物传感器和某种麻醉剂受体生物传感器能在10s内侦检出10-9浓度级的生化战剂，包括委内瑞拉马脑炎病毒、黄热病毒、炭疽杆菌、流感病毒等。,4.4 在军事上的应用,1、测定水质的BOD分析仪、在市场上有以日本和德国为代表产品供应。2、采用丝网印刷和微电子技术的手掌型血糖分析器，已形成规模化生产，年销售量约为十亿美元；3、固定化酶传感分析仪，国外以美国的YSI公司和德国BST公司为代表，都有系列分析仪产品，它们主要用于环境监测和食品分析，国内到目前为主只有山东省科学院生物研究所的系列化产品在市场得到应用。4、SPR生物传感器，在日、美、德、瑞典等国得到了开发和初步应用。目前，极大多数同类其它研究还都处在探索性阶段。,国内外得到应用的生物传感器主要包括：,快速葡萄糖(glucose)分析仪,生物传感器应用举例,德国研发的环境废水BOD分析仪,生物传感在线分析系统，为发酵自动控制提供了新的基础平台,发酵罐,主机,计算机,一种血糖乳酸自动分析仪,