生物传感器检测原理、类型ppt课件.ppt

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1、生物传感器,主要内容1、生物传感器定义、结构 2、生物传感器的原理 3、生物传感器的分类 4、生物传感器的优点,2.1 生物传感器定义、结构,生物传感器定义 生物传感器(biosensor)是用生物活性材料(酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)与物理换能器有机结合的器械或装置，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。,生物传感器的结构(组成)根据定义，包括两部分：1、生物活性材料(也叫生物敏感膜、分子识别元件)。2、物理换能器(也叫传感器),2.1 生物传感器定义、结构,2.1 生物传感器定义、结构,表2-1 生物传感器的生物敏感膜（分

2、子识别元件）,生物敏感膜(biosensitive membrane)又称为分子识别元件(molecular recognition element)是生物传感器的关键元件(表2-1)，直接决定传感器的功能与质量。依生物敏感膜所选用材料不同，其组成可以是酶、DNA、免疫物质、全细胞、组织、细胞器或它们的组合，近年还引入了高分子聚合物模拟酶，使分子识别元件的概念进一步延伸。,2.1 生物传感器定义、结构,换能器(transducer)又称为传感器(sensor),其作用是将各种生物的、化学的和物理的信息转变成电信号。生物反应过程产生的信息是多元化的，微电子和传感技术的现代成果为检测这些信息提供了

3、丰富的手段，使得研究者在设计生物传感器时对换能器的选择有足够的回旋余地。设计的成功与否主要取决于设计方案的科学性和经济性，可供制作生物传感器的基本换能器如下表(2-2),表2-2 生物学反应信息和换能器的选择,2.2 生物传感器的原理,待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。图示生物传感器原理：,电信号,待检测物,生物敏感膜,物理变化,此界面发生生物学反应(分子识别过程),此界面发生能量转换(转换成电信号),此处发生信号转换(模拟信号转换成数字信号),换 能

4、器,计 算 机,2.3 生物传感器的分类,按分子识别元件分类和按换能器类型分类。,2.4 生物传感器的优点,(1)可重复使用 采用固定化生物活性物质作催化剂，价格昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。(2)专一性强(选择性高、特异性强)如：酶只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。(3)分析速度快 可以在几分钟得到结果。(4)准确度高 一般相对误差可以达到1(5)操作系统比较简单，容易实现自动分析(6)成本低 在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。,20世纪九十年代至今我国生物传感器研究队伍逐渐扩大，其标志之一是近10年来在中国国内期刊上

5、发表的以生物传感器为关键词的论文总数达到650篇，其中2003年的论文数量比1994年增加了约一倍。近十年的该领域专家的研究背景也从生物学扩大到化学和电子学。表明了生物传感器领域学科相互交叉的趋势。,近十年来在中国期刊发表的生物传感器论文,生物传感检测的生物学理论分子识别及生物反应基础,主要内容酶及酶反应微生物反应免疫反应核酸及核酸反应生物学反应中的物理量变化,概述,生物传感器的分子识别元件又叫敏感元件，主要指来源于生物体的生物活性物质，包括酶、抗原、抗体和各种功能蛋白质、核酸、微生物细胞、细胞器、动植物组织等。当它们用做生物传感器的敏感元件时，都无一例外地具有对靶分子(待检测对象)特异的识别

6、功能。分子识别常常是生物体进行各种简单反应或复杂反应的前奏。生物反应包括了生理生化、遗传变异和新陈代谢等一切形式的生命活动，生物传感器研究者的任务就是将生物反应与传感器技术有机结合起来。这里介绍4类生物反应：酶反应、微生物反应、免疫反应和核酸反应，以及生物反应中伴随着发生的物理量变化。,3.1 酶及酶反应,1 酶反应基本概念 1）酶的定义 人们对酶的认识在19世纪产生了飞跃，18541864年，Pasteur证明发酵作用是由微生物引起的，推翻了“自生论”。当时曾提出“活体酵素”和“非活体酵素”的名词。1877年，Kuhne提出使用“enzyme”这个词，将酶与微生物两者区别开。Liebig等认

7、为发酵不一定要和酵母细胞相联系，而是由酵母细胞中所分泌的某些化学物质(酶)所引起的。这一假设于1897年被Buchner兄弟证实，他们用酵母细胞滤液成功地进行了糖至乙醇和二氧化碳的转化，一般认为，这项实验是酶学研究的开始。此后近1个世纪中，酶学研究获得一系列重要突破。此后，酶的蛋白质属性和催化功能被普遍认识。,3.1 酶及酶反应,2）酶的蛋白质性质 酶是蛋白质，这一结论最早由sumner提出，他在1926年首次从刀豆中提取了脲酶结晶，并证明这个结晶具有蛋白质的一切性质。以后人们又陆续获得了多种结晶酶，在已经鉴定的2000余种酶中，多数已被结晶或纯化，检索SIGMA目录，作为商品出售的酶已经达4

8、00多种。证明酶是蛋白质有4点依据：蛋白质是氨基酸组成的，而酶的水解产物都是氨基酸，即酶是由氨基酸组成的。酶具有蛋白质所具有的颜色反应，如双缩脲反应、茚三酮反应、乙醛酸反应等。一切能使蛋白质变性的因素，如热、酸、碱、紫外线等，同样可以使酶变性失活。酶同样具有蛋白质所具有的大分子性质，如不能透过半透膜，可以电泳，并有一定等电点。,3.1 酶及酶反应,3）酶的催化性质 酶是生物催化剂。新陈代谢是由无数复杂的化学反应组成的，这些反应大都在酶催化的条件下进行。与一般催化剂相比较，酶催化具有如下特点。高度专一性(specification)，或称特异性。一般地讲，一种酶只催化一种反应，作用于特定的底物或

9、化学键。因而有“一种酶，一种(类)底物”之说。催化效率高。酶分子的转化数(turnover number)为每个酶分子每分钟大约转化103个底物分子(不同的酶转化数不一样)。检测底物浓度下限一般为10-910-6mol/L。以分子比为基础，其催化效率是其他催化剂的1071013倍。,酶催化一般在温和条件下进行 由于酶是蛋白质，极端的环境条件(如高温、酸碱)容易使酶失活。有些酶(如脱氢酶)需要辅酶或辅基 若从酶蛋白分子中除去辅助成分，则酶不表现催化活性。酶在体内的活力常常受多种方式调控 包括基因水平调控、反馈调节、激素控制、酶原激活等。酶促反应产生的信息变化有多种形式，如热、光、电、离子化学等。

10、,3.1 酶及酶反应,4）酶的分类与命名 按照酶的催化反应类型，将酶分为六大类。(1)氧化还原酶类(oxidoreductases)催化氧化还原反应，其代表方程式为：式中，A.2H为氢的给体；B为氢的受体。这类酶包括氧化酶、过氧化物酶、脱氢酶等。(2)转移酶类(transferases)催化某一化学基团从某一分子到另一分子，其代表方程为：式中，B为被转移的基团，如磷酸基、氨基、酰胺基等。这类酶包括转氨酶、转甲基酶等。,3.1 酶及酶反应,(3)水解酶类(hydrolases)催化各种水解反应，在底物特定的键上引入水的羟基和氢，一般反应式为：包括肽酶(即蛋白酶，水解肽键)、酯酶(水解酯键)、糖苷

11、酶(水解糖苷键)等。(4)裂合酶类(lyases)催化C-C、C-O、C-N或C=S键裂解或缩合，其代表反应式为：如脱羧酶、碳酸酐酶等。,(5)异构酶类(isomerases)催化异构化反应，使底物分子内发生重排，一般反应式为：这类酶包括消旋酶(如L-氨基酸转变成D-氨基酸)、变位酶(如葡萄糖-6-磷酸转变为葡萄糖-l-磷酸)等。(6)合成酶类(1igases)或称连接酶类，它催化两个分子的连接并与腺苷三磷酸(ATP)的裂解偶联，同时产生腺苷单磷酸(AMP)和焦磷酸(PPi)：如氨基酸激活酶类。,3.1 酶及酶反应,每一大类酶又可根据作用底物的性质分为若干亚类和次亚类。酶的名称由两部分组成，开

12、头部分是底物，后面部分表示催化反应类型，再用-ase结尾。如催化丙酮酸羟基化生成草酰乙酸反应的酶称为丙酮酸羧化酶(pyrurate carboxylase)。也常常使用简化或习惯名称，如淀粉葡萄糖苷酶称为糖化酶。酶学编号(EC number)由4个数字构成，如脂肪酶(甘油酯水解酶)的系列编号为“EC 3.1.1.3.”，表示第三大酶类(水解酶)、第一亚类(水解发生在酯键)、第一亚亚类(羟基酯水解)、甘油酯水解酶。,3.1 酶及酶反应,5）酶量表示法 在用酶作分析工具时，酶量的表示有几种方法，根据国际酶学委员会规定，分别定义如下。酶活力单位用国际单位(International Unit，IU)

13、表示。一个酶活力单位指在特定条件下(如25，pH及底物等其他条件采用最佳条件)，在1min能转化1mol底物分子的酶量，单位为IU。酶比活力(specific activity)指1mg酶所具有的酶活力。一般用IU/mg表示。酶含量指每克或每毫升酶制剂含有的活力单位数，即IU/g或IU/ml。,3.1 酶及酶反应,3.2 酶的作用机理 1）降低反应活化能 一个封闭的反应体系中，反应开始时，反应底物分子的平均能量水平较低，为初态(initial state，A)，只有少数分子具有比初态更高一些的能量，高出的这一部分能量称为活化能G1-(energy of activation)使这些分子进入活化

14、态(或过渡态transition state，A*)，才能进行反应，这些活泼的分子称为活化分子。反应物中活化分子愈多，反应速度就愈快。活化能的定义是：在一定温度下，1mol底物全部进入活化态所需要的自由能F(free energy)，单位是J/mol。酶能够大幅度降低反应所需要的活化能，使活化能降到G2，这样，大量的反应物分子就比较容易地越过小的“能峰”，进入活化态(图2-1)，从而使反应在常温下极快地进行。与一般催化剂相比，酶催化使活化能降低幅度更大。,3.1 酶及酶反应,2)结构专一性 酶催化的专一性是由酶蛋白分子(特别是分子中的活性部位)结构特性决定的，根据酶对底物专一性程度的不同，大致

15、可分为三种类型。第一种类型的酶专一性较低，能作用于结构类似的一系列底物。第二种类型的酶仅对一种物质有催化作用，它们对底物的化学键及其两端均有绝对要求。第三种类型的酶具有立体专一性，这类酶不仅要求底物有一定的化学结构，而且要求有一定的立体结构。,3.1 酶及酶反应,3）酶的辅助因子 许多酶需要辅助因子(co-factor)才能行使催化功能。辅助因子包括金属离子和有机化合物，它们构成酶的辅酶(co-enzyme)或辅基(prosthetic group)，与酶蛋白共同组成全酶(holoenzyme)。脱去辅基的酶蛋白不含有催化活性，称为脱辅基酶蛋白(apoenzyrme)，有时又称为酶原(proe

16、nzyme,zymogen)。辅酶与辅基没有严格的区别，一般地，与酶蛋白松弛结合的辅助因子称为辅酶，与酶蛋白牢固结合的辅助因子称为辅基。辅助因子通常存在酶的活性中心部位，对酶的催化起重要作用。,3.1 酶及酶反应,4)酶的活性中心 酶的特殊催化能力只局限在它的大分子的一定区域，这个区域就是酶的活性中心，它往往位于分子表面的凹穴中。对不需要辅酶的酶来说，活性中心(active center)就是酶分子中在三维结构上比较靠近的几个氨基酸残基组成。对需要辅酶的酶分子来说，辅酶分子，或辅酶分子上的某一部分结构往往就是活性中心的组成部位。活性中心的各基团与酶分子的其他残基有序地排列，使得这个部位的空间结

17、构恰好适合与底物分子直接紧密接触，并具有适宜的非极性微环境，以利于基团间发生静电作用。活性中心有两个功能部位(或域)；结合域(binding domain)和催化域(catalytic domain)。这种特定的结构才能与一定的底物结合，并催化其发生化学变化。活性中心空间结构的任何细微的改变，都可能影响酶活性。,3.1 酶及酶反应,5)酶催化的化学形式 酶催化的化学形式主要包括共价催化和酸碱催化。共价催化中，酶与底物形成反应活性很高的共价中间物，这个中间物很易变成过渡态(transition state)，故反应的活化能大大降低，底物可以越过较低的能阈而形成产物。酸碱催化广义地指质子供体及质子

18、受体的催化。酶反应中的酸碱催化十分重要，发生在细胞内的许多反应都是受酸碱催化的，如将水加到羰基上、酯类的水解、各种分子重排以及许多取代反应等。酶蛋白中可以起酸碱催化作用的功能团有氨基、羧基、巯基、酚羟基及咪唑基等，其中组氨酸的咪唑基既是一个很强的亲核基团，又是一个有效的广义酸碱功能基。因此，咪唑基是酶的酸碱催化中最活泼的一个催化功能基。,3.2 微生物反应,1 微生物反应特点 微生物反应过程是利用微生物进行生物化学反应过程，即微生物反应就是将微生物作为生物催化剂进行的反应。酶在微生物反应中起最基本的催化作用。微生物反应与酶促反应的共同点：同属生化反应，都在温和条件下进行；凡是酶能催化的反应，微

19、生物也可以催化；催化速度接近，反应动力学模式近似。,微生物反应的特殊性：微生物细胞的膜系统为酶反应提供了天然的适宜环境，细胞可以在相当长的时间内保持一定的催化活性；在多底物反应时，微生物显然比单纯酶更适宜作催化剂；细胞本身能提供酶促反应所需的各种辅助因子和能量；更重要的是，微生物细胞比酶的来源更方便、更廉价。,利用微生物作传感器分子识别元件的不利因素：微生物反应通常伴随细胞的生长或凋亡，不容易建立分析标准；细胞是多酶系统，许多代谢途径并存，难以排除不必要的反应；环境条件变化会引起微生物生理状态的复杂化，不适当的操作会导致代谢转换现象，出现不期望有的反应。,2 分析微生物学 分析微生物学(ana

20、lytical microbiology)是利用微生物完成定量分析任务的学科。在有些情况下，微生物测定法比化学方法更专一和灵敏，效率亦更高。有几种测定的形式，如细胞的增殖，酸、碱类等代谢产物的生成，呼吸强度，细胞内部亚系统的反应(如盐类从细胞中渗漏出来)以及物理性态的变化等，其中以细胞增殖和呼吸法最为常用。,细胞增殖法的原理是，某些微生物必须依赖一些氨基酸、维生素、嘌呤和嘧啶等物质生长，当培养液中缺少某一种必需营养时，就限制菌体生长。因此，菌体增殖与必需营养物质的浓度成正相关。另一方面，抗生素能抑制菌体生长，根据菌体增殖速度可以测定抗生素类的浓度。菌体增殖采用平板生长计数法和菌悬液浑浊度法，测

21、定周期为1天至数天，灵敏度g/ml级。,呼吸法是根据菌体在同化底物或被抑制生长时的CO2释放或O2的消耗进行测定，通常采用瓦勃测压法，反应时间为数十分钟至数小时。如制霉菌素能降低酵母菌的CO2排出量，大肠杆菌能对谷氨酸脱羧并释放足够可检的CO2等。在被分析底物能促进微生物代谢的情况下，关键是要获得对底物的专一性反应。实验菌株常常是一些经过变异的菌株，它们或成为对某些营养的依赖性称为营养缺陷型，或能在体内高浓度地积累某种酶，由此实现测定的专一性。,3.3 免疫学反应,免疫指机体对病原生物感染的抵抗能力。可区别为自然免疫和获得性免疫。自然免疫是非特异性的，即能抵抗多种病原微生物的损害，如完整的皮肤

22、、黏膜、吞噬细胞、补体、溶菌酶、干扰素等。获得性免疫一般是特异性的，在微生物等抗原物质刺激后才形成(免疫球蛋白等)，并能与该抗原起特异性反应。上述各种免疫过程中，抗原与抗体的反应是最基本的反应。,3.3 免疫学反应,1 抗原 1）抗原的定义 抗原(antigen)是能够刺激动物机体产生免疫反应的物质，但从广义的生物学观点看，凡是具有引起免疫反应性能的物质，都可以称为抗原。抗原有两种性能：刺激机体产生免疫应答反应；与相应免疫反应产物发生特异性结合反应。前一种性能称为免疫原性(immunogenicity)，后一种性能称为反应原性(reactionogenicity)。具有免疫原性的抗原是完全抗原

23、(complete antigen,Ag)，只有反应原性，不刺激免疫应答反应的称为半抗原(hapten)。,3.3免疫学反应,2）抗原的种类 按抗原物质的来源，抗原可分为如下三类。(1)天然抗原 天然抗原来源于微生物和动物、植物，包括细菌、病毒、血细胞、花粉、可溶性抗原毒素、类毒素、血清蛋白、蛋白质、糖蛋白、脂蛋白等。(2)人工抗原 人工抗原是经化学或其他方法变性的天然抗原，如碘化蛋白、偶氮蛋白和半抗原结合蛋白(DNP蛋白)。(3)合成抗原 合成抗原为化学合成的多肽分子。,3.3免疫学反应,3）抗原的理化性状(1)物理性状 完全抗原的分子质量较大，通常在104D以上。分子质量越大，其表面积相应

24、越大，接触免疫系统细胞的机会增多，因而免疫原性也就增强。相对分子质量低于500010000就无免疫原性，如半抗原雌酮-3-葡萄糖苷酸的相对分子质量只有468。抗原均具有一定的分子构型，或为直线或为立体构型。一般认为环状构型比直线排列的分子免疫原性强，聚合态分子比单体分子的强。(2)化学组成 自然界中绝大多数抗原都是蛋白质，既可为纯蛋白质，也可为结合蛋白质，后者包括脂蛋白、核蛋白、糖蛋白等。此外还有血清蛋白、病毒结构蛋白、微生物蛋白及其多糖、脂多糖(细菌内毒素)、植物蛋白和酶类。近年来证明核酸也有抗原性。,3.3免疫学反应,4）抗原决定簇 抗原决定簇(antigen determinant)是抗

25、原分子表面的特殊化学基团，抗原的特异性取决于抗原决定簇的性质、数目和空间排列。不同种系的动物血清白蛋白因其末端氨基酸排列的不同，而表现出各自的种属特异性(表2-2)。一种抗原常具有一个以上的抗原决定簇，如牛血清蛋白有14个，甲状腺球蛋白有40个。,3.3免疫学反应,2 抗体 抗体(antibody)是由抗原刺激机体产生的具有特异性免疫功能的球蛋白，又称免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig)。人类免疫球蛋白有五类，即IgG、IgM、IgA、IgD和IgE。免疫球蛋白都是由一个至几个单体组成。每一个单体有两条相同的分子质量较大的重链(heavy chain,H链)和两条相同分子质量的较小

26、的轻链(light chain，L链)组成，链与链之间通过二硫链(-S-S-)及非共价链相连接(图2-6)。,CH1,CH2,CH3,VH,VL,CL,3.3免疫学反应,每条重链的分子质量为55000D，由420460个氨基酸组成。各种Ig重链的氨基酸组成不同，因而抗原性亦各异，可分为、及，分别构成IgA、IgG、IgM、IgD和IgE。一条重链可分为四个功能区，每一功能区约含110个氨基酸，N端的功能区是重链的可变区(VH)，其余为重链的恒定区(CH)，分别称为CH1、CH2和CH3。轻链分子质量为22000D，由213216个氨基酸组成。每条轻链分为两个功能区，N端为轻链可变区(VL)，约

27、含109个氨基酸余下部分为恒定区(CL)。轻链有两种类型，每一种Ig只能含一种类型的轻链，即或为H型，或为型。在VL区和VH区都发现了更易变化的区域，称其为高变区。高变区是抗体结合抗原的高度特异性所在，而变化区其他部分主要功能是为高变区提供合适的三维空间结构，以使抗原分子有一合适的浅槽。,CH1,CH2,CH3,VH,VL,CL,3.3免疫学反应,3 抗原-抗体反应 抗原-抗体结合时将发生凝聚、沉淀、溶解反应和促进吞噬抗原颗粒的作用。抗体与抗原的特异性结合点位于Fab L链及H链的高变区，又称抗体活性中心，其构型取决于抗原决定簇的空间位置，两者可形成互补性构型。在溶液中，抗原和抗体两个分子的表

28、面电荷与介质中离子形成双层离子云，内层和外层之间的电荷密度差形成静电位和分子间引力。由于这种引力仅在近距离上发生作用，抗原与抗体分子结合时对位应十分准确。,这种准确对位是由于两个条件所致，一是结合部位的形状要互补于抗原的形状；二是抗体活性中心带有与抗原决定簇相反的电荷。然而，抗体的特异性是相对的，表现在两个方面：其一，部分抗体不完全与抗原决定簇相对应。如鸡白蛋白的抗体可与其他鸟类白蛋白发生反应，这种现象称为交叉反应(cross reaction)，交叉反应与同源性抗原反应有显著差异；其二，即便是针对某一种半抗原的抗体，其化学结构也可能不一致。,抗原与抗体结合尽管是稳固的，但也可能是可逆的。调节

29、溶液的pH或离子强度，可以促进可逆反应。某些酶能促使逆反应，抗原-抗体复合物解离时，都保持自己本来的特性。例如，用生理盐水把毒素-抗毒素的中性混合物稀释至原浓度的l时，所得到的液体仍有毒性，说明复合物发生解离，该复合物能在体内解离而导致中毒。,3.3免疫学反应,4 免疫学分析 1）沉淀法 可溶性抗体与其相应的抗原在液相中相互接触，可形成不溶性抗原-抗体复合物而发生沉淀，包括扩散实验和电泳试验，此为经典的免疫学实验，灵敏度水平为pg/ml级。2）放射免疫测定法(radiation immunoassay,RIA)利用放射性同位素示踪技术和免疫化学技术结合起来的方法，具有灵敏度高、特异性强、准确度

30、佳、重复性好等特点，可检出10-1210-9g痕量物质。经典的RIA用已知浓度的标记(14C，32P，35S，3H等)抗原和样品抗原竞争限量的抗体，曾经广泛应用，缺点是要使用同位素，对操作者和环境有一定的危害性。,3）免疫荧光测定法 将抗体(或抗原)标记上荧光素与相应的抗原(或抗体)结合后，在荧光显微镜下呈现特异性荧光，称为免疫荧光法(immuno fluorescent assay)。最常用的荧光染料为异硫氰酸荧光素(FITC)。FITC有两种异构体，都能与蛋白良好地结合，其最大吸收光谱为490495nm，最大发射光谱为520530nm，呈现明亮的黄绿色荧光。免疫荧光法不仅具有高度的特异性和

31、敏感性，而且能对组织或细胞样品中的微量抗原或微量抗体进行定位，具有形态学特征。,3.3免疫学反应,4）酶联免疫测定法(enzyme linked immunoassay,ELISA)用酶促反应的放大作用来显示初级免疫学反应。为此，需要制备酶标抗体或酶标抗原，通称酶结合物(enzyme conjugate)。该结合物保留原先的免疫学活性和酶学活性。实验时，首先是抗原-抗体之间的特异性结合，然后加入酶的相应底物，在酶的催化下发生水解、氧化或其他反应，生成有色产物。酶结合物发挥酶的催化作用，其活性与产物呈现的色度成正比，并反映被测抗原或被测抗体的量。当采用竞争结合(如酶标抗原与样品中抗原同时竞争有限

32、的抗体)时，色度与样品抗原浓度成反比。ELISA方法中需用固相载体作为免疫吸附剂，以便将结合酶标记物的与游离的酶标记物分离，故又称酶标固相免疫测定法。ELISA虽然灵敏度不如放射性免疫法和免疫荧光，但特异性、重视性和准确性很好，同时具有试验成本低、试剂稳定性好和操作安全等特点，故是目前应用最广的免疫学检测方法。,3.4核酸与核酸反应,1 核酸组成与结构 核酸是所有生命体的遗传信息分子，包括脱氧核糖核酸(DNA,deoxyribonucleic acid)和核糖核酸(RNA,ribonucleic acid)。两类核酸都是由单核苷酸(nucleotide)组成的多聚物。核酸分子中的核苷序列组成密

33、码，其功能是贮存和传输遗传信息，指导各种类型蛋白质的合成。单核苷酸的组成包括以下三个部分。嘧啶(pyrimidine)和嘌呤(purine)，均含有氮碱基，通常简称为碱基(base)。嘧啶含有一个环，共有三种，尿嘧啶(U)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)；嘌呤含有两个环，共有两种，腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)。五碳糖(脱氧核糖和核糖)。13个磷酸基团。,其中，氮碱基与核糖或脱氧核糖的l位碳相连。两个五碳糖只是在第2个碳上有区别羟基或脱氧。该结构称为核苷(nucleoside)。核苷上五碳糖的5位碳与磷酸相连，形成单磷酸核苷酸、二磷酸核苷酸或三磷酸核苷酸。两种核酸分子的组成见图2-7。核苷之间通过磷

34、酸彼此连接成聚合物，为骨架链。其中，DNA链含有脱氧核糖和A、T、C、G 4种碱基，RNA含有核糖和A、U、C、G 4种碱基。T与U的惟一区别是T的环中含有甲基，而U没有。完整的核酸分子中通常含有一些被化学修饰过的碱基。,3.4核酸与核酸反应,3.4核酸与核酸反应,2 核酸分子杂交 分子杂交(molecular hybridization)是利用分子之间互补性(complementarity)对靶分子(target molecule)进行鉴别的方法。互补性具有序列特异性或形态特异性，它使两个分子彼此间结合。结合的形式包括DNA-DNA、DNA-RNA、RNA-RNA和蛋白质-蛋白质(抗体)。其

35、中DNA-DNA是应用最多的一种核酸杂交形式。,3.5 生物学反应中的物理量变化,生物反应常常伴随一系列的物理量变化，如热焓、光、颜色、阻抗、质量等，利用这些物理量变化能够设计一些精巧的传感装置。1 生物反应的热力学变化 根据热力学第二定律，一个能自发进行的反应，总伴随有自由能(free energy)的降低。自由能方程式为：G=H-TS 式中，G、H和S分别为自由能、热焓(enthalpy)和熵(entropy)的改变。自由能的变化为热焓变化与温度为T时熵能TS的差值。一般来说，熵变很小，G与H近似，器统为放热反应；当熵变很大，超过H时，系统就必须从外界吸收热量使反应成为吸热反应。任何生物学

36、反应过程都伴随着热力学变化，如分子结构转换(相转换，phase transition)、分子间相互作用、生物催化反应等无一不发生内部或外部的热变化。,3.5 生物学反应中的物理量变化,2 生物发光 生物发光(biolunminescence)是由于某些生物体内一些特殊物质(如荧光素)的氧化而产生的现象。会发光的生物有萤火虫、藻类、真菌、水母、虾和深海中的某些动物，如鱿鱼(squid)以及一些细菌。生物发光由荧光素酶(luciferzm)所催化。最敏感的生物发光首推萤火虫的ATP依赖性发光反应。,3.5 生物学反应中的物理量变化,3 颜色反应和光吸收 生物反应中的颜色变化包括生物体内产生色素和生

37、物体或酶与底物作用后产生颜色物质两个方面。自然界最常见的色素是叶绿素，此外还有类胡萝卜素和其他杂色素。各种色素是由不同的生物合成途径产生的，每一种途径都包含若干生物化学反应，每一种反应都是由特殊的酶催化的。底物的颜色反应范围十分广泛，如辣根过氧化物酶(horseradish peroxidase，HRP)能够氧化多种多元酚或芳香族胺，形成有颜色的产物，如邻甲氧基苯酚被氧化生成橙色的沉淀、联苯二胺则被氧化成黄褐色的产物等。在微生物培养中，美蓝能作为氢的受体，被微生物还原成无色形式。三苯基四唑作为氧受体时，氧化型是无色，还原型为红色等。,3.5 生物学反应中的物理量变化,颜色是因为分子中存在发色基

38、团，这些基团对一定波长的光有吸收作用。主要的发色基团与吸收峰见表2-4。,一些重要的生物分子尽管不显示颜色，却有其特征吸收峰，如蛋白质的吸收峰为280nm，核酸的吸收峰为260nm。多数生物分子在可见光区的消光系数微不足道，但一旦与某些别的试剂定量地反应而生成有色产物，便能在可见光区获得特征吸收峰(表2-5)。,生物发光、颜色反应和光吸收变化是设计光生物传感器的基础。,3.5 生物学反应中的物理量变化,4 抗阻变化 微生物反应可使培养基中的电惰性物质(如碳水化合物、类脂和蛋白质等)代谢为电活性产物(如乳酸盐、乙酸盐、碳酸盐和氨等代谢物)。当微生物生长和代谢旺盛时，培养基中生成的电活性分子和离子增多，使培养液的电导性增大，阻抗降低；反之阻抗升高，据此可以设计阻抗生物传感器。5 质量变化 生物敏感膜上的生物分子与待测物质结合，造成换能器表面质量负载的增加，测量这一微小质量的变化。据此可以设计质量生物传感器。如压电石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance,QCM）。,