《生物传感器专题1-研究生》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物传感器专题1-研究生（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、生物传感器,电分析化学专题（一）,传感器分类,物理传感器(用来测量距离、质量、温度、压力等) 化学传感器(用化学或物理响应来测定化学物质) 生物传感器(应用某种生物敏感基元来检测化学物质),生物传感器,生物传感器(Biosensor)是指用固定化的生物体成分或生物体本身作为敏感元件的传感器，是一种将生物化学反应能转换成电信号的分析测试装置。 生物传感器的发展史 第一阶段20世纪60-70年代 以Clark传统酶电极为代表 第二阶段20世纪70代末-80年代初 以介酶电极为代表 第三阶段20世纪90年代后 以表面等离子体和生物芯片为代表,生物传感器分类,分子识别元件及生物反应基础,酶及酶反应 微
2、生物反应 免疫反应 核酸与核酸反应 催化抗体 催化性核酸,生物学反应的物理量变化,热力学 生物发光 颜色反应和光吸收 阻抗变化 等等,生物敏感元件的固定化,夹心法 吸附法 包埋法 共价键合法 交联法 微胶囊法,夹心膜法,吸附法,包埋法,交联法,共价键合法,微胶囊法,夹心法,优点：操作简单，不需要任何化学处理，固定生物量大，响应速度较快，重现性好，尤其适合与微生物和组织膜制作。 商品BOD传感器微生物膜制作一般步骤： 1.微生物培养物离心、洗涤，重悬浮在蒸馏水或缓冲溶液中； 2.测定菌悬液的光密度，确定菌体浓度 3.取一定量的菌悬液滴于微孔滤膜上； 4.将水抽滤干，使菌体形成一薄层均匀附在膜表面
3、； 5.在菌体层上覆盖一层透气膜或微孔膜，边缘密封，以防微生物细胞泄露。,吸附法,通过物理吸附或离子结合作用使生物敏感元件固定 吸附牢固程度与溶液的pH、离子强度、温度、溶剂性质和种类、酶浓度等有关。 主要应用于制备酶和免疫膜 优点：不需要化学试剂，对蛋白质分子活性影响较小 缺点：蛋白质分子容易脱落，常与其他固定方法结合使用，如吸附交联法,包埋法,将酶或细胞包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中的方法 优点：一般不需化学修饰，对生物分子活性影响小，膜的孔径和几何形状可任意控制，被包埋物不易渗漏，底物分子可以在膜内任意扩散。 缺点：分子量大的底物在凝胶网格内扩散较困难，不适合于大分子底物
4、的测定,共价键合法,通过共价键使生物活性分子与不溶性载体结合而固定的方法称为共价键合法 载体主要有：纤维素及其衍生物、葡萄糖、琼脂粉、多孔玻璃、石墨等 优点：结合牢固、蛋白质分子不易脱落，载体不易被生物降解，使用寿命长。 缺点：操作步骤多，酶活性可能因发生化学修饰而降低，制备具有高活性的固定化酶比较困难。 常用于酶膜和免疫分子膜的制作。,共价键合法（示例）,酶传感器,酶传感器 酶传感器是发展最早，也是目前最成熟的一类生物传感器。它是在固定化酶的催化作用下，生物分子发生化学变化后，通过换能器记录变化从而间接测定出待测物浓度。 目前国际上已研制成功的酶传感器有20余种，其中最成熟的是葡萄糖传感器。
5、使用时将酶电极浸入到样品溶液中，溶液中的葡萄糖即扩散到酶膜上，在固定于酶膜上的葡萄糖氧化酶作用下生成葡萄糖酸，同时消耗氧气，通过氧电极测定溶液中氧浓度的变化，推测出样品中葡萄糖的浓度。,酶电极传感器,葡萄糖氧化酶()电极 工作原理:在的催化下,葡萄糖(6126)被氧氧化生成葡萄糖酸(6127)和过氧化氢（H2O2） .可通过氧电极(测氧的消耗)、过氧化氢电极(测22的产生)和电极(测酸度变化)来间接测定葡萄糖的含量 . 第一代酶电极传感器是间接测定法,故干扰因素较多。 第二代酶电极传感器是采用氧化还原电子媒介体在酶的氧化还原活性中心与电极之间传递电子。不受测定体系的限制,测量浓度线性范围较宽,
6、干扰少。 第三代酶电极传感器,即酶的氧化还原活性中心直接和电极表面交换电子的酶电极传感器。,电极,O2,H2O2,底物,产物,电极,Medox,Medred,底物,产物,底物,产物,电极,第一代酶电极 (氧受体经典酶电极),第二代酶电极 (介体酶电极),第三代酶电极 (直接酶电极),酶电极电子的传递,一种新型的葡萄糖生物传感器构建,SEM of AuPt alloy NPs on CNTs/CS modified GCE after electrodeposition at 0.2 V for 400 s. XRD pattern of AuPtNPs/CNTs/CS composite. a
7、.u., arbitrary units.,XH Kang, et al. Analytical Biochemistry 369 (2007) 7179,CVs of various modified electrodes in 20 mM Fe(CN)64 with 0.1M KCl at 20 mV s-1.,Nyquist plots of EIS in 1.0 mM Fe(CN)63/4 with 0.1 M KCl at 0.18 V for bare GCE (a), CS/GCE (b), CNTs/CS/GCE (c), PtNPs/CNTs/CS/GCE (d), AuNP
8、s/CNTs/CS/GCE (e), AuPtNPs/CS/GCE (f), and AuPtNPs/CNTs/CS/GCE (g). The inset shows a magnification of Au PtNPs/CS/GCE (f) and AuPtNPs/CNTs/CS/GCE (g).,酶传感器(Enzyme Sensor),优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛 的应用。 缺点：1.酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差异的梭曼与沙林。 2.酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。,微生物电极传感器,将微生物(常用的主要是细菌和酵母菌)作为敏感材料固定在电极表面构成
9、的电化学生物传感器称为微生物电极传感器。 其工作原理大致可分为三种类型: 其一,利用微生物体内含有的酶(单一酶或复合酶)系来识别分子,这种类型与酶电极类似; 其二,利用微生物对有机物的同化作用,通过检测其呼吸活性(摄氧量)的提高,即通过氧电极测量体系中氧的减少间接测定有机物的浓度; 其三,通过测定电极敏感的代谢产物间接测定一些能被厌氧微生物所同化的有机物。,应用及优缺点,微生物电极传感器在发酵工业、食品检验、医疗卫生等领域都有应用。 例如:在食品发酵过程中测定葡萄糖的佛鲁奥森假单胞菌电极;测定甲烷的鞭毛甲基单胞菌电极; 等等。 微生物电极传感器由于价廉、使用寿命长而具有很好的应用前景,然而它的
10、选择性和长期稳定性等还有待进一步提高。,微生物传感器BOD传感器（示例）,发展背景：传统标准稀释法所需时间长、操作繁琐、准确度差。BOD传感器不仅能满足实际监测的要求，并且有快速、灵敏的特点。 BOD传感器的工作原理：以微生物的单一菌种或混合种群作为BOD微生物电极，由于水体中BOD物质的加人或降解代谢的发生，导致水中的微生物内外源呼吸方式的变化或转化，藕联着电流强弱信号的改变，一定条件下传感器输出的电流值与BOD的浓度呈线性关系。 制作BOD生物传感器的微生物主要有酵母、假单胞菌、芽抱杆菌、发光菌和嗜热菌等。,微生物传感器(Microorganism Sensor),电化学免疫传感器,电化学
11、免疫传感器就是利用这种识别和结合功能将抗体或抗原和电极组合而成的检测装置。 根据结构可分为直接型和间接型两类。 直接型的特点是在抗体与其相应抗原识别结合的同时将其免疫反应的信息直接转变成电信号。 结合型是将抗体或抗原直接固定在电极表面上,传感器与相应的抗体或抗原发生结合的同时产生电势改变; 分离型是用抗体或抗原制作抗体膜或抗原膜,当其与相应的配基反应时,膜电势发生变化,测定膜电势的电极与膜是分开的。 间接型的特点是将抗原和抗体结合的信息转变成另一种中间信息,然后再把这个中间信息转变成电信号。 结合型是将抗体或抗原固定在电极上; 分离型是抗体或抗原和电极是完全分开的。 间接型电化学免疫传感器通常
12、是采用酶或其他电活性化合物进行标记,将被测抗体或抗原的浓度信息加以化学放大,从而达到极高的灵敏度。,From: Jin-Woo Choi, Ying Ding, etc. A Microchip Electrochemical Immunosensor Fabricated Using Micromachining Techniques. 19th International Conference - IEEE/EMBS, USA,Figure 1. Schematic view of the designed electrochemical immunosensor,Figure 2. Su
13、mmarized fabrication steps,Figure 3. Cyclic voltammogram of PAP in the fabricated electrochemical cell,From: Jin-Woo Choi, Ying Ding, etc. A Microchip Electrochemical Immunosensor Fabricated Using Micromachining Techniques. 19th International Conference - IEEE/EMBS, USA,应用,电化学免疫传感器 诊断早期妊娠的免疫传感器 诊断原发
14、性肝癌的甲胎蛋白(或)免疫传感器 测定人血清蛋白()免疫传感器 Ig免疫传感器 胰岛素免疫传感器等等。,组织电极与细胞器电极传感器,直接采用动植物组织薄片作为敏感元件的电化学传感器称组织电极传感器。 其原理是利用动植物组织中的酶, 优点：酶活性及其稳定性均比离析酶高,材料易于获取,制备简单,使用寿命长等。 缺点：但在选择性、灵敏度、响应时间等方面还存在不足。,动物组织电极主要有:肾组织电极、肝组织电极、肠组织电极、肌肉组织电极、胸腺组织电极等。测定对象主要有:谷氨酰胺、葡萄糖胺 6 磷酸盐、 氨基酸、22、地高辛、胰岛素、腺苷、等。 植物组织电极敏感元件的选材范围很广,包括不同植物的根、茎、叶
15、、花、果等。植物组织电极制备比动物组织电极更简单,成本更低并易于保存。,细胞器电极传感器是利用动植物细胞器作为敏感元件的传感器。细胞器是指存在于细胞内的被膜包围起来的微小“器官”,如线粒体、微粒体、溶酶体、过氧化氢体、叶绿体、氢化酶颗粒、磁粒体等等。 其原理是利用细胞器内所含的酶(往往是多酶体系)。,2、组织传感器(Tissue Sensor),电化学传感器,电化学DNA传感器是利用单链DNA (ssDNA) 或基因探针作为敏感元件固定在固体电极表面,加上识别杂交信息的电活性指示剂(称为杂交指示剂)共同构成的检测特定基因的装置。 其工作原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的ssDNA与溶液中
16、的同源序列的特异识别作用(分子杂交)形成双链DNA(dsDNA)(电极表面性质改变),同时借助一能识别ssDNA和dsDNA的杂交指示剂的电流响应信号的改变来达到检测基因的目的。,DNA 探针固定方法,静电吸附（作用力弱，松散的螺旋结构） 共价自组装（通过末端修饰基团实现DNA 在电极表面的共价自组装. 理想） 探针的组装密度对杂交效率也有很大影响,并非越多越好 玻璃或石英电极（首先把表面硅烷化,然后通过交联试剂把末端修饰的DNA 连接到有机硅层上） 金电极（主要通过金硫键实现固定;组装密度在1.5 1012mol/cm2 左右,可获得约60 %的杂交效率),杂交检测技术,电化学检测DNA 可以分为直接检测和间接检测。 直接检测的依据在于DNA 与某些电极表面的直接电子转移是可能的,而且DNA 的一些组分包括碱基和核糖在一定电势窗口下也是有电化学活性的。 间接检测则是通过一些氧化还原媒介来实现电子传递,借助于这些与DNA 选择性结合的有
