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1、3.3.4 用于分子识别的生物传感器生物体细胞间的联系是通过神经末梢的蛋白质进行的。它嵌入细胞膜表面，用于信息分子的选择性辨识。相对而言，嗅觉和味觉中的分子辨识则主要通过分子的无选择性接收以及随后在神经网络中进行的模式识别所决定。生物传感器是模仿生物催化、生物吸附和味觉、嗅觉这些生物机理设计的。 第三章(3)1智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器1. 生物系统的分子识别机理胰导素类的荷尔蒙分子是通过遍布全身的特殊细胞分泌的，这种分子的作用是从正在分泌的细胞到特殊的目标细胞之间传递相应信息。通过这些信息分子的交换，在生物系统实现了细胞间的通讯。另一种细胞间的联系产生于神经突触(
2、synapse)，即神经元之间的结点。神经末梢分泌神经传递分子。因为相邻神经元之间通过3nm的气隙连接，分泌的神经传递物质扩散至相邻的神经元从而实现信息的传送。第三章(3)2智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器上述过程清楚地表明了实现生物间信息传递的基本要求是分泌、传输以及分子信息的接收机制。在这些机制中，接收机制是最重要的。在接收机理中，每一个特殊的分子信息被选择性地识别。能在目标细胞中分辨相应分子信息的是接收体蛋白质。在接收体分子合成方面，生物学的飞速发展已经给我们提供了一个清楚的脉络。有几种通过它们的结构进行的分类和阐述。第一类是与离子通道相关的接收器，对应的配体分子被
3、分辨出来，紧接着通过离子门的不同开或关方式的感应，在接收端的特殊点偶合。神经传递型的接收器也可归于这一类。第二类由与G蛋白相关的接收器构成，第三类则包括磷活化酶相关的接收器。第三章(3)3智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器虽然还有一些其它的接收器分类，应当记住的是，分子信息在接收蛋白质的特殊点被识别后，接收器蛋白质感应构造的变化导致了输入信息的放大感应，由临近蛋白质分子汇编完成。这些分子辨识机理给我们提供了一个用于实现分子辨识的生物传感器的设计原则。第三章(3)4智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器用于嗅觉和味觉传感的分子辨识机制与生物系统的机制有相当大的
4、差别。有些味道和气味是通过鼻子和舌头上的接收细胞被识别的。这些分子的辨识机理应当对应于荷尔蒙和其他神经传递的机理。然而，许多接受细胞对各种各样的分子都有反应，这些接收细胞将信息传送到连接的神经网络，然后，输入信息通过神经元网络以及最终在大脑中某一特殊区域的映射得以处理。大脑可通过模式识别辨别出每一种气味和味道，这可能是因为神经元网络具有一个充分的学习过程。目前关于人工鼻和人工舌的研究方向已集中在与神经网络相连的分子辨识机制的模拟方面。第三章(3)5智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器2. 用于分子辨识识的生物传传感器设计设计 原理图3.3.6表明了设计用于分子识别的生物传感器
5、的两种方式。一种是实施一个面向特定目标的接收器蛋白质的选择，另一种则是非特定接收器和神经网络的集成。面向特定目标型生物传感器早在1970年以后就受到充分的关注。这种类型生物传感器的最重要部分是用于分子辨识的装有生物材料的接收器。有两组生物材料可用于接收器：以酶为代表的生物催化物质和包括抗体与连接蛋白质在内的生物吸附物质。第三章(3)6智能传感与信息系统第三章(3)7智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器生物催化物质能够识别相应的本原分子以及随后的即时分裂所产生的复合转换形式。因此生物传感器的信号传输部件应该以这样一种方式设计：或者将一个复合型转换状态、或者将一个产物变换为输出信
6、号。变换的信号可以引入电流表、电压表，光、热或者压电声学的装置。这种类型的传感器通常由固定在信号转换装置表面的生物催化物质构成。特定分子的识别完全通过接收器实现。生物吸附型传感器的设计方法与生物催化传感器类似。由于强烈的吸附性，生物吸附物质形成了一种非常稳定的与特定目标对应的复合体。这样，在分子辨识中，关键的问题是怎样防止非特定的相互影响和污染结果的产生。第三章(3)8智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器关于非特定目标接收器的生物传感器，可对一定范围内的分子产生响应。许多络合物质及生物体可以作为非特定型接收器工作。这些物质根据每一类设定目标分子的反映特性，以略微不同的方式对其
7、作出响应。通常需使用几种非特定型接收器去分辨某一种特定的气味或味道。每种非特定接收器与一个信号交换装置成对配置。整个传感系统由多段组合了具有不同特性的非特定接收器组成，对特定的分子来说，这些分段的输出信号可能是不相同的。传感部分的输出信号被传输到神经元网络，经学习之后，借助于接收器的非特定识别和神经元网络的模式识别，整个传 感系统就可以区分识别特定的分子了。 第三章(3)9智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器. 用于分子辨识的生物催化传感器生物催化型生物传感器由两部分组成，分别完成分子辨识和信号变换的功能。酶是这类传感器最通用的分子辨识部件，通过在多点的特定交互作用以及随之而
8、来的特殊催化反应，酶的催化作用被精心设计以辨识对应的基原物质。在生物催化传感器中，特定的分子是通过催化物质识别的。特定分子在催化物质的活性面形成了复合变换形态，这又随之导致了复合物的分解。第三章(3)10智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器分子辨识之后是和用电化学、光、热或者声学装置实施的信号转换。因为生物催化作用常伴随着这些领域中的参量变化，所以生物催化型的生物传感器可分为：电化学、光学、热学和声学传感四类，主要取决于它们的信号转换原理。 用酶之类的生物催化物质进行分子辨识，辨识对象限定于酶反应物和其它一些物质。目前已应用的例证大概有：葡萄糖、果糖、蔗糖；谷氨酸、亮氨酸、丙
9、氨酸；胆固醇、神经脂类；尿素和三磷酸腺苷 (ATP Adenosine triphosphate)等。 第三章(3)11智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器 用于葡萄糖识别的生物催化传感器葡萄糖是通过葡萄糖氧化酶识别的。氧化酶催化了葡萄糖的氧化作用，产生了糖化酯类和过氧化氢。葡萄糖氧化酶能严格地从其它分子中分辨出-D-葡萄糖。对于葡萄糖的选择性测定，有几种信号传输机理：从过氧化氢或氧分子转换为电流信号；从葡萄糖氧化酶的电子传输获取电流信号以及通过场效应管获取电压信号第三章(3)12智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器关于第一种情况，过氧化氢或氧分子可分别在压
10、控电极表面通过电化学中的氧化或还原作用定量地测定。电极表面通常为选择性的高分子复合膜覆盖以避免干扰。由复合膜键合的葡萄糖氧化酶固定在电极表面的复合膜上，试验溶液贯穿传感器的含酶的膜之后，只有-D-葡萄糖被选择性地转换成含酶膜内的糖化酯类，这样导致了相邻复合膜中过氧化氢的增加和氧分子的减少，进而这种变化迅速地反映在输出电极上。所以，通过最终的电流测定，生化传感器就能实现对葡萄糖的测量。第三章(3)13智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器安培表型的葡萄糖传感器早在70年代中期就已投入商业化应用。主要用来进行血糖诊断和食品分析。尽管葡萄糖氧化酶对葡萄糖几乎有完美的选择性，但当它暴露
11、于整个血液中时，选择测定有时会受到血液成份的干扰。为保护生物传感器免受整个血液的污染已采取了一些改进措施。但无论如何，在使用葡萄糖传感器对在线活体进行血糖的连续监测时，仍存在的严重问题是对传感器表面体液成分的适应性。第三章(3)14智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器关于第二种情况，在生物催化反应中，葡萄糖氧化酶通过葡萄糖的氧化作用减少，葡萄糖氧化酶的减少形式通过转移电子到溶解氧的方式再产生氧化物，导致过氧化氢的产生。电极可以代替氧作为电子接收器工作。如果葡萄糖氧化物的减少形式能表现为电子向电极方向的转移，那么通过测量氧化作用的生成电流，就可以实现葡萄糖的测定。第三章(3)1
12、5智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器由于葡萄糖氧化酶的空间排列位阻障碍，直接把电子从葡萄糖氧化酶转移到电极是不容易的。为此，有人提出了所谓的“分子界面”方法以促进生化酶和电极表面间的电子移动。分子界面是电子中介、传导聚合体和传导有机盐。分子界面的葡萄糖氧化酶使葡萄糖在氧化减少的时候电子的移动变得顺和。电子移动型的葡萄糖传感器在构成和特性上有一些强于过氧化氢和氧电极型传感器的优点，包括传感器结构的简化和它在平面技术方面的处理能力。出于这些优点，这类简易型的葡萄糖传感器已经批量生产并投入商业化应用。第三章(3)16智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器一个简易型
13、葡萄糖传感器可采用网板印刷技术，在一个塑料盘上铺衬碳糊，然后将另一层含酶聚合体网板铺衬在碳糊电极上。所需的电子中介物可混合在碳糊中。配合这些网板处理，还应考虑欧姆关联网络和封装的形式。现在，只有信用卡大小的葡萄糖分析仪已经广泛地用于个人血糖监测。使用这种传感器芯片，仅仅一滴血就足以实现血糖检测了。第三章(3)17智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器第三种情况，由场效应管获取电位信号。对PH值敏感的场效应管可在葡萄糖传感器中作为信号转换装置使用。这是因为生物催化反应造成质子密度的增加，对PH值敏感的场效应管的门开关表面上形成一个葡萄糖氧化酶层。这样通过传感器输出信号的变化，就可
14、以识别葡萄糖了。测试溶液的缓冲作用会引起传感器的延迟响应，这是应当注意避免的。 第三章(3)18智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器 用于乙醇识别的生物催化传感器乙醇可由一些特殊来源的酒精脱氢酶有选择性地加以识别。这些酒精脱氢酶与共生因子烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD nicotinamide adenine dinucleotide）相关，而后者不能牢固地固定在酶的活跃位置，为此把酒精脱氢酶和NAD装入传感装置内是很困难的。目前尚未有这类可行的乙醇生化传感器。第三章(3)19智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器然而，人们在和用电化学过程构造一个生物催化乙醇传
15、感器方面却取得了显著的进展。这一方法是将镀铂电极浸入含有酒精脱氢酶的溶液中，脱氢酶与麦尔多拉蓝（meldolas blue）合成然后转化为含吡咯（pyrrole）的溶液。吡咯的电化学聚合开始于电极的恒定电位，而当吡咯膜厚度到达要求数值时聚合反应停止。然后吡咯酶键合膜由透气性聚合膜覆盖。第三章(3)20智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器乙醇或以气态或以液态渗透薄膜，并且由酒精脱氢酶键合膜来识别。在酶的活跃点经过酒精脱氢酶，电子从乙醇转移到NAD。其结果是NAD的减小。在减小的NAD表现形式与电极之间，麦尔多拉蓝与吡咯形成了一个电子传输网络。乙醇是在固定电位下通过电流测量选择性
16、确定的。这种传感器在气相和液相状态下都能工作。这种生物传感原理已用来构筑用于丙氨酸、白氨酸和其他类似的物质检测，因为这些特定分子是与NAD辅酶相关的。 第三章(3)21智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器 用于三磷酸腺苷（ATP）识别的生物催化传感器ATP是由ATP酶和荧火虫的莹光酶选择性辨识的。ATP酶催化ATP的分解，生成二磷酸腺苷（ADP），当荧光和ATP出现时，荧光酶产生冷光，因为具有与ATP极为密切的相关性，荧火虫的荧光酶是非常合适的高敏感性ATP测量介质。用于ATP识别的ATP酶基生物传感器已通过固定型ATP酶与热电阻偶合的方式得以实现。因为热是通过生物催化反应定量产生的，ATP酶对ATP的识别是经由热电阻转化的。此外，荧火虫的莹光酶是通过光纤或光导与光计数器或光电二极管偶合的。 第三章(3)22智能传感与信息系统3.3.4 用于分子识别的生物传感器4用于分子辨识的生物吸附传感器 用于同类免疫测试的光学免疫传感器免疫传感器的选择性可能是基于抗体的选择性
