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1、3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器要点要点1. 1. 生物系统的分子识别机理生物系统的分子识别机理 -细胞通讯与神经突触细胞通讯与神经突触 胰胰导导素素类类的的荷荷尔尔蒙蒙分分子子通通过过遍遍布布全全身身的的特特殊殊细细胞胞分分泌泌，这这种种分分子子从从正正在在分分泌泌的的细细胞胞到到特特殊殊的的目目标标细细胞胞之之间间传传递递相相应应信信息息。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。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。 另另一一种种细细胞胞间间的的联联系系产产生生于于神神经经突突触触( (synapse)synapse)，即即神神经经
2、元元之之间间的的结结点点。神神经经末末梢梢分分泌泌神神经经传传递递分分子子。因因为为相相邻邻神神经经元元之之间间通通过过3 3nmnm的的气气隙隙连连接接，分分泌泌的的神神经经传传递递物物质质扩扩散散至至相相邻邻的的神神经元从而实现信息的传送。经元从而实现信息的传送。1现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器要点要点2: 2: 生物间信息传递的基本要求生物间信息传递的基本要求 - - 分泌、传输及接收分泌、传输及接收 在在接接收收机机理理中中，每每一一个个特特殊殊的的分分子子信信息息被被选选择择性性地地识识别别。能在目标细胞中分辨相应分子信息的
3、是接收体蛋白质。能在目标细胞中分辨相应分子信息的是接收体蛋白质。l第一类第一类: :与离子通道相关的接收器与离子通道相关的接收器l第二类第二类: :与与G G蛋白相关的接收器构成蛋白相关的接收器构成l第三类第三类: :包括磷活化酶相关的接收器。包括磷活化酶相关的接收器。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器要点要点3: 3: 用于分子辨用于分子辨识的生物的生物传感器感器设计原理原理方式方式1: 1: 实施面向特定目标的接收器蛋白质的选择实施面向特定目标的接收器蛋白质的选择 早早在在19701970年年以以后后就就受受到到充充分分的的关关注注。
4、这这种种类类型型生生物物传传感感器器的的最最重重要要部部分分是是用用于于分分子子辨辨识识的的装装有有生生物物材材料料的的接接收收器器。有有两两组组生生物物材材料料可可用用于于接接收收器器：以以酶酶为为代代表表的的生生物物催催化化物物质质和和包包括括抗抗体体与与连连接接蛋蛋白白质质在在内内的的生物吸附物质。生物吸附物质。现代传感技术与系统34要点课件现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器方式方式2: 2: 非特定接收器和神经网络的集成非特定接收器和神经网络的集成 可可对对一一定定范范围围内内的的分分子子产产生生响响应应。许许多多络络合合物物质质
5、及及生生物物体体可可以以作作为为非非特特定定型型接接收收器器工工作作。这这些些物物质质根根据据每每一一类类设设定定目目标标分分子子的的反反映映特特性性，以以略略微微不不同同的的方方式式对对其其作作出出响响应应。通通常常需需使使用用几几种种非非特特定定型型接接收收器器去去分分辨辨某某一一种种特特定的气味或味道。定的气味或味道。 每每种种非非特特定定接接收收器器与与一一个个信信号号交交换换装装置置成成对对配配置置。整整个个传传感感系系统统由由多多段段组组合合了了具具有有不不同同特特性性的的非非特特定定接接收收器器组组成成，对对特特定定的的分分子子来来说说，这这些些分分段段的输出信号可能是不相同的。
6、的输出信号可能是不相同的。 传传感感部部分分的的输输出出信信号号被被传传输输到到神神经经元元网网络络，经经学学习习之之后后，借借助助于于接接收收器器的的非非特特定定识识别别和和神神经经元元网网络络的的模模式式识识别别，整整个个传传感感系系统统就就可可以以区区分分识识别别特特定的分子了。定的分子了。 现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器要点要点4: 4: 生物催化传感器的常见结构生物催化传感器的常见结构l分子辨识部分分子辨识部分 酶酶是是这这类类传传感感器器最最通通用用的的分分子子辨辨识识部部件件，通通过过在在多多点点的的特特定定交交互互作作
7、用用以以及及随随之之而而来来的的特特殊殊催催化化反反应应，酶酶的的催催化化作作用用被被精精心心设设计计以以辨辨识识对对应应的的基基原原物物质质。辨辨识识对对象象限限定定于于酶酶反反应应物物和和其其它它一一些些物物质质。目目前前已已应应用用的的例例证证大大概概有有：葡葡萄萄糖糖、果果糖糖、蔗蔗糖糖；谷谷氨氨酸酸、亮亮氨氨酸酸、丙丙氨氨酸酸；胆胆固固醇醇、神神经经脂脂类类；尿尿素素和和三三磷磷酸酸腺苷腺苷 (ATP Adenosine triphosphate)等。等。 现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器l信号变换部分信号变换部分 分分子子辨
8、辨识识之之后后是是和和用用电电化化学学、光光、热热或或者者声声学学装装置置实实施施的的信信号号转转换换。因因为为生生物物催催化化作作用用常常伴伴随随着着这这些些领领域域中中的的参参量量变变化化，所所以以生生物物催催化化型型的的生生物物传传感感器器可可分分为为：电电化化学学、光光学学、热热学学和和声学传感四类，主要取决于它们的信号转换原理。声学传感四类，主要取决于它们的信号转换原理。 现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器要点要点5: 5: 生物催化传感器应用例证生物催化传感器应用例证 用于葡萄糖识别的生物催化传感器用于葡萄糖识别的生物催化传感
9、器 葡葡萄萄糖糖是是通通过过葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶识识别别的的。氧氧化化酶酶催催化化了了葡葡萄萄糖糖的的氧氧化化作作用用，产产生生了了糖糖化化酯酯类类和和过过氧氧化化氢氢。葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶能能严严格格地地从其它分子中分辨出从其它分子中分辨出-D-D-葡萄糖。葡萄糖。 对对于于葡葡萄萄糖糖的的选选择择性性测测定定，有有几几种种信信号号传传输输机机理理：从从过过氧氧化化氢氢或或氧氧分分子子转转换换为为电电流流信信号号；从从葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶的的电电子子传传输输获获取取电电流信号以及通过场效应管获取电压信号流信号以及通过场效应管获取电压信号现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用
10、于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 用于乙醇识别的生物催化传感器用于乙醇识别的生物催化传感器 将将镀镀铂铂电电极极浸浸入入含含有有酒酒精精脱脱氢氢酶酶的的溶溶液液中中，脱脱氢氢酶酶与与麦麦尔尔多多 拉拉 蓝蓝 （ meldolas meldolas blueblue） 合合 成成 然然 后后 转转 化化 为为 含含 吡吡 咯咯（pyrrolepyrrole）的的溶溶液液。乙乙醇醇或或以以气气态态或或以以液液态态渗渗透透薄薄膜膜，并并且且由由酒酒精精脱脱氢氢酶酶键键合合膜膜来来识识别别。在在酶酶的的活活跃跃点点经经过过酒酒精精脱脱氢氢酶酶，电电子子从从乙乙醇醇转转移移到到烟烟酰酰胺胺
11、腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸（NAD NAD nicotinamide nicotinamide adenine adenine dinucleotidedinucleotide）, ,其其结结果果是是NADNAD的的减减小小。在在减减小小的的NADNAD表表现现形形式式与与电电极极之之间间，麦麦尔尔多多拉拉蓝蓝与与吡吡咯咯形形成成了了一一个个电电子子传传输输网网络。络。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 用于三磷酸腺苷（用于三磷酸腺苷（ATPATP）识别的生物催化传感器识别的生物催化传感器 ATPATP是是由由ATPATP酶酶和和荧荧火
12、火虫虫的的莹莹光光酶酶选选择择性性辨辨识识的的。ATPATP酶酶催催化化ATPATP的的分分解解，生生成成二二磷磷酸酸腺腺苷苷（ADPADP），当当荧荧光光和和ATPATP出出现现时时，荧荧光光酶酶产产生生冷冷光光，因因为为具具有有与与ATPATP极极为为密密切切的的相相关关性性，荧荧火火虫虫的荧光酶是非常合适的高敏感性的荧光酶是非常合适的高敏感性ATPATP测量介质。测量介质。 用用于于ATPATP识识别别的的ATPATP酶酶基基生生物物传传感感器器已已通通过过固固定定型型ATPATP酶酶与与热热电电阻阻偶偶合合的的方方式式得得以以实实现现。因因为为热热是是通通过过生生物物催催化化反反应应定
13、定量量产生的，产生的，ATPATP酶对酶对ATPATP的识别是经由热电阻转化的。的识别是经由热电阻转化的。 此此外外，荧荧火火虫虫的的莹莹光光酶酶是是通通过过光光纤纤或或光光导导与与光光计计数数器器或或光电二极管偶合的。光电二极管偶合的。 现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器(4)(4) 用于同类免疫测试的光学免疫传感器用于同类免疫测试的光学免疫传感器 免免疫疫传传感感器器的的选选择择性性可可能能是是基基于于抗抗体体的的选选择择性性分分子子辨辨识识。源源于于抗抗体体对对相相应应抗抗原原的的极极高高的的吸吸附附性性，免免疫疫测测试试技技术术通
14、通常常可可提提供供高高度度的的选选择择性性。然然而而，如如果果没没有有明明显显合合适适的的标标记记，取取得得高高灵灵敏敏度度从从技技术术上上来来说说是是很很困困难难的的。象象酶酶这这样样的的标标记记可可在在化化学学放放大大的的基基础础上上，大大大大提提高高选选择择性性。这这样样，为为获获得得最最终终的的高高灵灵敏敏度度，各各种种标标记记已已经经与与免免疫疫传传感感器器结结合合起起来来。用用于于标标记记的的可可能能候候选选材材料料包包括括芘芘( (pyrene)pyrene)、氨氨基基苯苯二二酰酰一一肼肼（luminolluminol）和和荧荧光光素素( (luciferin) luciferi
15、n) 等等荧荧光光物物质质。其其中中氨氨基基苯苯二二酰酰一一肼肼对对于于构构筑筑一一个个同同类类免免疫疫测测试试系系统统表表现现出出完完美美的的特特性性。它它的的电电激激发发化化学学荧荧光光特特性性在在呈呈中中性性PHPH值值的的特特殊殊领领域域应应用用已已获获深入的研究。深入的研究。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器(5)(5)用用于于抗抗癌癌与与抗抗病病毒毒基基因因识识别别的的DNADNA相相干干作作用用特特征征辨辨识识的电化学荧光传感的电化学荧光传感 三三羟羟钌钌菲菲咯咯啉啉（phenanthrolinephenanthroline
16、）基基于于电电化化学学反反应应产产生生电电化化学学荧荧光光。若若存存在在草草酸酸盐盐，荧荧光光会会显显著著地地增增强强。最最近近的的研研究究表表明明，可可将将菲菲咯咯啉啉配配体体置置于于DNADNA双双螺螺旋旋体体基基对对之之间间。由由于于受受到到DNADNA分分子子空空间间排排列列的的阻阻碍碍，钌络合物位于钌络合物位于DNADNA的主轨道内不发射荧光。的主轨道内不发射荧光。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器(6)(6)环糊精（环糊精（CDCD）式中性载荷离子传感器式中性载荷离子传感器 环环糊糊精精是是一一种种微微生生物物，能能够够分分解
17、解出出淀淀粉粉，与与6 6个个以以上上的的葡葡萄萄糖糖结结合合成成一一个个环环状状体体。CDCD表表面面上上是是亲亲水水性性的的，而而内内部部却却是是疏疏水水性性的的。CDCD能能够够包包含含在在化化学学物物质质内内部部，这这个个功功能能可可以以引引导导人人们们开开发发出出一一种种医医药药系系统统（DDSDDS），使使药药物物进进入入生生物物体体的的指指定定部部位位后后保保持持一一段段时时间间，我我们们期期待待着着这这种种系系统统的的早早日日诞诞生生。另另外外，使使用用直直径特别小的细管即纳米管（径特别小的细管即纳米管（1010-9-9m m）也可以实现这种功能。）也可以实现这种功能。现代传感
18、技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器CDCD式分子识别器：式分子识别器： 现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 环糊精（环糊精（CDCD）：）：现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器纳米管的形成：纳米管的形成：现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 CDCD式式分分子子识识别别传传感感器器通通过过制制作作一一种种单单分分子子膜膜来来控控制制电电流流。这这种种单单分分子子膜膜与与朗朗缪缪尔尔（L
19、BLB）膜膜及及自自身身AUAU电电极极上上的的膜膜等等二二元元细细小小充充填填物物十十分分接接近近。当当有有东东西西进进入入CDCD的的内内孔孔时时，流流入入电电极极的的电电流流就就会会减减少少。另另外外，大大脑脑内内含含有有大大量量的的谷谷氨氨酸酸蛋蛋白白质质，如如果果将将其其嵌嵌入入磷磷脂脂质质双双层层膜膜中中，就就能能够够开开发发出出检检测测灵灵敏敏度度为为3030nMnM的的高高灵敏度谷氨酸传感器。灵敏度谷氨酸传感器。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器(7) (7) 酶传感器酶传感器 酶酶是是蛋蛋白白质质，可可以以与与特特定定的
20、的化化学学物物质质以以特特别别的的方方式式结结合合在在一一起起。采采用用酶酶有有选选择择地地测测定定各各种种化化学学物物质质的的传传感感器器称称为为酶酶传传感感器器。例例如如测定葡萄糖可以利用下面化学反应式：测定葡萄糖可以利用下面化学反应式： 葡萄糖葡萄糖 + 0 + 02 2 葡萄糖酸内酯葡萄糖酸内酯 + + H H2 2O O2 2 这个反应式中，起催化作用的酶是葡萄糖氧化酶（这个反应式中，起催化作用的酶是葡萄糖氧化酶（GODGOD）。）。如果如果在反应中减少氧的量，则可以通过测定电极上生成的过氧化氢的量在反应中减少氧的量，则可以通过测定电极上生成的过氧化氢的量来测定葡萄糖的浓度。因为在膜
21、上产生的来测定葡萄糖的浓度。因为在膜上产生的H H2 2O O2 2与铂等电极将发生与铂等电极将发生 H H2 2O O2 2 2 2H H+ + + O+ O2 2 + + 2 2e e- -反应，所以通过测定电流可以得到反应，所以通过测定电流可以得到H H2 2O O2 2的量。的量。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 测定尿素和青霉素时，采用尿素酶和青霉素酶。酶只对特测定尿素和青霉素时，采用尿素酶和青霉素酶。酶只对特定的化学物质起催化作用，所以即使含有其他化学物质，也不定的化学物质起催化作用，所以即使含有其他化学物质，也不会影响测定
22、目标的精度。会影响测定目标的精度。 使酶固定在膜上的方法有两种：一种是共价键结合（高分使酶固定在膜上的方法有两种：一种是共价键结合（高分子物和玻璃与酶以共价键的形式结合）的化学方法；另外一种子物和玻璃与酶以共价键的形式结合）的化学方法；另外一种是物理方法。其中物理方法又分包括法（用骨胶原等高分子物是物理方法。其中物理方法又分包括法（用骨胶原等高分子物将酶包在其中）和吸附法（利用纤维素膜吸附酶）。将酶包在其中）和吸附法（利用纤维素膜吸附酶）。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 葡萄糖传感器是世界上最早进入实用化的生物传感器，糖葡萄糖传感器是
23、世界上最早进入实用化的生物传感器，糖尿病患者可以利用它来测定血糖的值。一次性使用的葡萄糖传尿病患者可以利用它来测定血糖的值。一次性使用的葡萄糖传感器在市场上可以买到感器在市场上可以买到。这种传感器是一种从这种传感器是一种从GODGOD经二茂铁介经二茂铁介质移动到电极的电子移动型传感器。利用它测定葡萄糖时不受质移动到电极的电子移动型传感器。利用它测定葡萄糖时不受测定液中的含氧量影响。测定液中的含氧量影响。 在生物传感器集成化盛行的时代，利用在生物传感器集成化盛行的时代，利用ISFETISFET（IonIonSensitive Field Effect Transistor,Sensitive F
24、ield Effect Transistor,离子敏感场效应晶体管）离子敏感场效应晶体管）的酶传感器也正在开发中。这是一种借助的酶传感器也正在开发中。这是一种借助ISFETISFET测定固化酶薄测定固化酶薄膜上产生的离子的量的传感器。膜上产生的离子的量的传感器。 现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器装在芯片上的生物传感器：装在芯片上的生物传感器：现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器酶传感器的性能：酶传感器的性能：现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识
25、别的生物传感器(8)(8)微生物传感器微生物传感器 微微生生物物传传感感器器是是一一种种利利用用微微生生物物的的呼呼吸吸机机能能及及代代谢谢机机能能有有选选择择地地测测定定化化学学物物质质的的传传感感器器，一一般般用用于于发发酵酵等等工工业业过过程程控控制制和环境监测。和环境监测。 微微生生物物传传感感器器分分呼呼吸吸活活性性测测定定型型和和电电极极活活性性测测定定型型。前前者者利利用用电电子子化化学学装装置置测测定定固固定定化化微微生生物物的的呼呼吸吸活活性性的的变变化化，而而后后者者则则属属于于测测定定微微生生物物与与电电极极进进行行化化学学反反应应的的生生成成物物（H H2 2，COCO
26、2 2，NHNH3 3等）。与酶传感器相比，这种传感器更便宜更稳定。等）。与酶传感器相比，这种传感器更便宜更稳定。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 喜喜氧氧性性微微生生物物依依赖赖吸吸入入的的氧氧气气产产生生能能量量。如如果果在在氧氧化化电电极极上上能能测测出出实实际际的的耗耗氧氧量量，则则可可以以得得到到呼呼吸吸的的活活动动性性。氧氧气气透透过过聚聚四四氟氟乙乙烯烯膜膜时时，能能够够通通过过铂铂电电极极还还原原出出来来。如如果果被被测测液液体体中中存存在在影影响响呼呼吸吸活活动动性性的的物物质质，则则可可利利用用氧氧气气浓浓度度计计来
27、来评评价价化化学学物物质质的的浓浓度。度。 利利用用一一种种假假单单细细胞胞的的微微生生物物能能够够开开发发出出葡葡萄萄糖糖传传感感器器。这这种种菌菌被被固固定定在在骨骨胶胶膜膜中中，如如果果将将其其放放在在检检测测液液中中，则则会会因因为为葡葡萄萄糖糖的的摄摄入入而而使使呼呼吸吸的的活活动动性性增增强强，同同时时也也使使扩扩散散到到电电极极上上的的氧氧气气量量减减少少。电电极极上上测测定定这这种种呼呼吸吸的的活活动动性性的的变变化化时时，如如果果以以电电流流值值与与葡葡萄萄糖糖浓浓度度的的关关系系表表示示的的话话，将将是是一一条条直直线线，所所以以很很容容易易评评价价葡葡萄糖的浓度。萄糖的浓
28、度。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 生生物物化化学学的的耗耗氧氧量量（BODBOD）能能够够反反映映水水中中混混入入的的有有机机物物的的含含量量，所所以以可可以以使使用用它它检检测测水水质质污污染染程程度度。水水中中的的污污染染物物也也能能够够分分解解出出喜喜氧氧性性的的微微生生物物，因因为为它它要要消消耗耗氧氧，所所以以只只要要测测定定氧氧的的含含量量，便便可可以以得得知知污污染染的的程程度度。这这种种方方法法在在日日本本工工业业标标准准（JIS JIS K K 01010101）中中虽虽然然已已有有规规定定，但但是是操操作作起起来
29、来特特别别繁繁杂杂，而而且且测测定定一一次次需需要要5 5天天，所所以以期期盼盼着着能能有有一一种种既既简简单单又又迅迅速速的的传传感感器器早早日日问问世世。现现在在能能够够生生产产的的传传感感器器由由吸吸附附并并固固化化在在纤纤维维素素上上的的毛毛孢孢子子菌菌和和氧氧化化电电极极构构成成，它它产产生生的的电电流流与与废废水水的的BODBOD值值成成比比例例，响响应应时时间间为为5 5 1010minmin，与与以以前前的的方方法法相相比比较较，大大大大地地缩缩短短了了时时间间。为为了了提提高高啤啤酒酒厂厂的的废废水水处处理理效效率率，现现在在已已经经采采用用能能够够与与醋醋酸酸和和乙乙基基甲
30、甲酮酮发发生生反反应应的的微生物传感器微生物传感器。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 从从污污泥泥中中分分离离硝硝化化菌菌的的氨氨传传感感器器已已进进入入了了实实用用化化阶阶段段。硝硝化化菌菌吸吸氧氧，所所以以利利用用氨氨的的氧氧化化反反应应，根根据据氧氧传传感感器器测测定定的的氧氧的的含含量量，可可以以评评价价氨氨的的浓浓度度。以以前前，由由于于受受到到氨氨的的挥挥发发和和各各种种离离子子的的影影响响，在在氨氨水水和和氨氨气气电电极极上上获获取取氨氨的的选选择择性性很很差差。而而采采用用微微生生物物原原理理制制作作的的氨氨传传感感器器
31、就就有有很很高高的的选选择择性性，十十分分适用于发酵工厂。适用于发酵工厂。 现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器微生物传感器原理：微生物传感器原理：现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器(9)(9)反应器式鲜度传感器：反应器式鲜度传感器：现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 现现在在来来讨讨论论鱼鱼的的新新鲜鲜度度测测定定问问题题。鱼鱼死死后后，高高能能量量的的化化合合物物腺腺苷苷三三磷磷酸酸（ATPATP）将将按按顺顺序序依依次次分分
32、解解为为腺腺苷苷二二磷磷酸酸（ADPADP）、腺腺苷苷酸酸脱脱氨氨酶酶（AMPAMP）、胸胸苷苷一一磷磷酸酸（IMPIMP）、次次黄黄苷苷（HRHR）、次次黄黄嘌嘌呤呤（HH）。19591959年年，人人们们发发现现鱼鱼中中的的HRHR和和HH等等的的含含量量与与鱼鱼的的鲜鲜度度有有关关。从从此此，人人们们开开始始了了进进一一步步的的研研究究，提提出出了了值值指指标概念。标概念。 式式中中， 表表示示浓浓度度。K K值值在在O O2020的的范范围围内内时时，表表示示鱼鱼新新鲜鲜，可可以以作作为为生生鱼鱼片片食食用用；K K值值在在20204040时时就就得得加加热热处处理理后后食食用用。所以
33、所以K K值越小表示鱼越新鲜。值越小表示鱼越新鲜。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 另另外外，如如果果从从ATPATP到到IMPIMP的的分分解解过过程程进进行行得得较较快快的的话话，前前面面几几项就可以忽略不计了，则上式还可以改写成项就可以忽略不计了，则上式还可以改写成 这这里里，新新鲜鲜度度传传感感系系统统由由黄黄嘌嘌呤呤氧氧化化酶酶与与核核苷苷磷磷氧氧化化酶酶的的混混合合膜膜和和氧氧化化电电极极构构成成，该该测测定定能能够够达达到到2020。使使用用这这种种传传感感器器已已经经对对比比目目鱼鱼、鲷鲷鱼鱼、竹竹荚荚鱼鱼、狼狼鲈鲈鱼鱼
34、等等的的K K值值作作过过测测定定。另另外外，如如果果将将IMPIMP、H HR R、HH的的量量辐辐射射到到3 3轴轴上上（雷雷达达图图形形），则则根根据据条条纹纹形状还可以从视觉的角度评价鲜度。形状还可以从视觉的角度评价鲜度。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 现现在在，欧欧美美诸诸国国都都使使用用组组胺胺酶酶的的量量评评价价新新鲜鲜度度。组组胺胺酶酶是是一一种种能能够够引引起起食食物物中中毒毒的的毒毒素素，鱼鱼放放得得久久了了就就有有可可能能生生成成这这种种东东西西，在在测测定定的的同同时时使使用用K K值值测测定定和和组组胺胺酶酶
35、的的测测定定，就就能能更更可可靠靠地地确确保保饮饮食食的的安全性。安全性。 使使用用嗅嗅觉觉传传感感器器（气气体体传传感感器器）也也可可以以评评价价新新鲜鲜度度。氨氨系系列列中中三三甲甲胺胺（TMATMA）的的气气味味与与鱼鱼类类不不新新鲜鲜（腐腐臭臭味味）时时的的味味道道相相同同。所所以以我我们们可可以以尝尝试试地地使使用用TAMTAM氧氧化化物物半半导导体体作作为为测测定定传传感感器器。例例如如使使用用钌钌氧氧化化钛钛测测定定时时，其其电电阻阻将将随随着着鱼鱼的的劣劣化化程程度度而而减减小小。所所以以利利用用电电阻的减小也可以评价新鲜度的降低程度。阻的减小也可以评价新鲜度的降低程度。 还还
36、有有关关于于利利用用多多膜膜电电位位计计型型味味觉觉传传感感器器对对食食品品的的味味道道和和品品质质进进行行评评价价的的报报道道。看看来来，为为了了使使我我们们今今后后的的饮饮食食生生活活变变得得更更加加安安全全，必须在工厂、餐厅、鱼店、家庭等处装设传感器进行监控。必须在工厂、餐厅、鱼店、家庭等处装设传感器进行监控。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器新鲜度传感器：新鲜度传感器： 现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 (10) (10) 亲和性传感器亲和性传感器 这这种种传传感感器器将将
37、与与某某种种特特定定的的化化学学物物质质（抗抗原原）具具有有结结合合力力的的抗抗体体固固化化在在传传感感接接受受部部，用用于于测测定定化化学学物物质质的的浓浓度度。实实际际使使用用中中有有两两种种信信号号输输出出：一一种种是是利利用用晶晶体体振振荡荡产产生生的的周周期期变变化化；另另一一种种是是利利用用表表面面等等离离子子共共振振形形成成的的反反射射光光（SPRSPR）的的变变化化。前前者者属属于于质质量量变变化化，后后者者则则反反映映折折射射率率的的变变化化，不不管管哪哪一一种种都都可以实现高灵敏度的测定。可以实现高灵敏度的测定。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生
38、物传感器分子识别的生物传感器 患患过过庥庥疹疹和和流流行行性性腮腮腺腺炎炎的的患患者者，二二次次患患病病时时的的症症状状就就会会减减轻轻。这这种种现现象象被被称称作作免免疫疫，也也就就是是针针对对病病源源滋滋生生的的抗抗原原体体产产生生抵抵抗抗即即抗抗体体作作用用。抗抗体体只只能能与与特特定定的的抗抗原原相相结结合合，而而对对于于其其他他的的抗抗原原无无效效。抗抗原原虽虽然然是是一一般般的的病病毒毒，但但是是不不能能自自身身繁繁殖殖，必必须须借借助助其他的生物细胞来繁殖自己的后代。结其他的生物细胞来繁殖自己的后代。结 果，由于身体受外来细胞的侵入，破坏果，由于身体受外来细胞的侵入，破坏 了自身
39、的正常工作，从而导致生病。了自身的正常工作，从而导致生病。T T4 4 型噬菌体的型噬菌体的6 6只脚与细胞表面能够很结实只脚与细胞表面能够很结实 地粘贴在一起，通过空心杆进入细胞，地粘贴在一起，通过空心杆进入细胞， 从而将遗传因子送入体内。从而将遗传因子送入体内。 T4T4型噬菌体型噬菌体现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 抗抗体体对对于于4 4根根多多肽肽链链，将将以以Y Y字字型型结结合合在在一一起起。Y Y字字的的两两个个头头部部属属于于与与抗抗原原结结合合的的领领域域，抗抗体体的的遗遗传传因因子子有有几几个个分分段段。对对于于无
40、无数数种种抗抗原原，都都必必须须有有双双倍倍于于它它的的遗遗传传因因子子分分段段与与其其对对应应。人人的的遗遗传传因子分段大约有因子分段大约有500500个，个， 其组合数量是极其庞大其组合数量是极其庞大 的。要使各种抗体与其的。要使各种抗体与其 对应的抗原进行结合需对应的抗原进行结合需 要一个极其庞大的机构。要一个极其庞大的机构。 抗原与抗体的结合抗原与抗体的结合 现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 晶体振动式亲和性传感器：晶体振动式亲和性传感器： 现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感
41、器 (11)(11)超超导导量量子子干干涉涉器器件件（SQUID:Superconducting SQUID:Superconducting Quantum Quantum Interference DeviceInterference Device） 这这是是一一种种超超导导状状态态下下产产生生量量子子化化效效应应（磁磁通通的的量量子子化化）的的装装置置，利利用用它它可可以以在在极极其其微微弱弱的的磁磁场场下下得得到到高高灵灵敏敏度度的的测测定定。特特别别是是在在医医疗疗方方面面，通通过过测测定定大大脑脑发发生生的的磁磁场场强强度度（大大约约是是地地球球磁磁场场强强度度的的十十亿亿分分之之一
42、一），诊诊断断和和分分析析大大脑脑机机能能，这这方方面面已已经经取取得得了了很很大大成成果果。近近年年来来随随着着高高温温超超导导体体的的发发现现，依依赖赖液液态态氮氮的的温温度度变变化化调调整整动动作作值值的的传传感感器器的的制制作作已已经经成成为为可可能能，再再加加上冷冻机的性能的提高，上冷冻机的性能的提高，SQUIDSQUID的应用范围更加广阔。的应用范围更加广阔。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 最最近近，有有一一种种利利用用抗抗原原抗抗体体反反应应原原理理检检测测特特定定的的微微量量分分子子的的传传感感器器很很引引人人注注目目
43、。它它的的原原理理是是将将纳纳米米级级磁磁性性微微粒粒结结合合到到抗抗体体（称称作作MAKAMAKA）中，使之与抗原进行反应，测定采样的磁化状态。中，使之与抗原进行反应，测定采样的磁化状态。 首首先先将将抗抗体体放放在在玻玻璃璃板板上上（检检查查试试剂剂），然然后后加加入入检检测测对对象象的的抗抗原原体体，使使它它与与固固定定抗抗体体进进行行反反应应。其其次次加加入入与与抗抗体体结结合合在在一一起起的的磁磁性性微微粒粒（MAKAMAKA），使使之之与与抗抗原原相相结结合合。最最后后，用用水水冲冲洗洗，留留下下固固化化了了的的MAKAMAKA。测测定定MAKAMAKA的的剩剩磁磁和和磁磁性性衰衰
44、减减的的测测定定灵灵敏敏度度要要比比以以往往的的光光学学MAKAMAKA的的方方法法高高1010倍倍左左右右。所所谓谓光光学学方方法法是是将将具具有有发发光光酶酶的的MAKAMAKA加加进进抗抗体体中中，根根据据它它与与抗抗原原体体结结合合形形成成MAKAMAKA时时发发出出的的光光进进行行测测定定。另另外外还还有有质质量量测测定定法法，它它是是利利用用吸吸附附抗抗体体的的晶晶体体振振子子在在与与抗抗原原结结合合的过程中对抗原量的变化进行测定。的过程中对抗原量的变化进行测定。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 现现在在，能能够够检检测测到
45、到的的磁磁性性微微粒粒的的个个数数是是2102106 6，如如果果能能够够减减少少系系统统噪噪音音，还还有有可可能能减减少少一一个个数数量量级级。不不管管怎怎么么说说，这这种种方方式式的的灵灵敏度已经比以往的方法敏度已经比以往的方法 高两个数量级了。高两个数量级了。 高精度的蛋白质的高精度的蛋白质的 质量分析装置也已经开质量分析装置也已经开 发出来了。我们期待着发出来了。我们期待着 用于生物学领域的高性用于生物学领域的高性 能测定装置的研发成功。能测定装置的研发成功。 现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 (12)(12)无无疼痛型血糖测试
46、传感器疼痛型血糖测试传感器 利利用用牙牙龈龈中中分分泌泌出出的的体体液液测测定定血血糖糖的的非非侵侵入入式式便便携携式式装装置置目目前前还还在在试试制制阶阶段段。牙牙龈龈液液的的分分泌泌量量为为几几微微升升，属属于于微微量量级级别别，但但是是它它所所含含的的葡葡萄萄糖糖浓度与血糖的相关量的比值却可以达到浓度与血糖的相关量的比值却可以达到0.90.9以上。以上。 这这里里，可可以以考考虑虑将将装装有有葡葡萄萄糖糖试试纸纸的的毛毛细细管管作作为为牙牙龈龈分分泌泌液液的的采采样样器器。在在进进行行牙牙龈龈液液分分析析时时，要要求求葡葡萄萄糖糖试试纸纸能能够够检检测测出出浓浓度度为为1 1mg/Lmg
47、/L（因因为为血血糖糖值值一一般般在在1000100030003000mg/Lmg/L）的的血血糖糖值值。这这种种采采样样器器要要插插入入腔腔，所所以以应应采采用用自自由由便便携携式式。有有关关试试纸纸是是一一种种含含有有葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶（GODGOD）、过过氧氧化化酶酶（PODPOD）以以及及染染色色体体基基因因的的酶酶试试纸纸，而而且且为为了了减减少少对对还还原原物物的的影影响响，通通常常不不选用疏水性高分子。将反应的时间延至选用疏水性高分子。将反应的时间延至9090秒可以提高增感效果。秒可以提高增感效果。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识
48、别的生物传感器 采采样样液液在在试试纸纸上上与与葡葡萄萄糖糖发发生生反反应应时时将将产产生生色色变变，这这种种现现象象可可以以通通过过波波长长为为650mm650mm的的红红色色半半导导体体激激光光测测定定。利利用用透透镜镜将将垂垂直直方方向向的的反反射射光光聚聚焦焦，通通过过发发光光二二极极管管检检测测反反射射光光的的量量，从从而而求求出出反反射射率率。结结果果，得得到到试试纸纸的的变变色色浓浓度度与与葡葡萄萄糖糖浓浓度度的的比比值为值为0.90.9以上。以上。 通通过过几几个个医医疗疗机机关关的的试试验验结结果果发发现现，这这种种血血糖糖测测定定器器有有望望得得到到认认可可，因因为为采采样
49、样时时没没有有疼疼痛痛的的感感觉觉，与与血血糖糖值值相相关关的的数数也也达达到到了了0.940.94。从从商商品品的的意意识识出出发发对对此此做做问问卷卷调调查查，如如果果这这种种血血糖糖测测定定器器定定价价为为1500015000日日元元，则则求求购购量量就就会会成成倍倍增增加加。所所以以，发展前景十分看好发展前景十分看好。 现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器牙龈液（牙龈液（GCFGCF）采样器的结构：采样器的结构：现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 (13)(13)分子元件分子元
50、件 纳纳米米（1010-9-9）比比微微米米（1010-6-6）还还要要小小。半半导导体体器器件件的的尺尺寸寸做做到到纳纳米米程程度度时时，电电子子就就可可以以像像离离子子那那样样，呈呈现现波波的的特特性性，也也就就是是说说能能够够清清楚楚地地表表现现量量子子力力学学效效应应。把把涉涉及及纳纳米米领领域域的的新新的的学学术术体体系系称称作作纳纳米米电电子子学学，包包含含全全部部纳纳米米电电子子学学的的技技术术称称作作纳纳米米技技术术。下下面面介介绍绍一一下下生生物物分分子的高机能元件即分子元件。子的高机能元件即分子元件。 分分子子元元件件可可以以分分为为三三大大类类：一一是是开开关关元元件件（
51、分分子子开开关关）以以及及存存储储器器元元件件（分分子子存存储储器器）；二二是是能能量量变变换换器器件件，以以生生物物为为例例，在在ThylakoidThylakoid（一一种种袋袋状状扁扁平平型型叶叶绿绿体体植植物物）膜膜上上进进行行光光合合作作用用的的过过程程就就能看到这种现象；三是可动的元件即执行器。能看到这种现象；三是可动的元件即执行器。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 19741974年年，ABIRAMUABIRAMU提提出出了了分分子子整整流流元元件件的的结结构构设设计计，把把电电子子施施主主区区（D D）、绝绝缘缘区区（I
52、 I）、电电子子受受主主区区（A A）设设计计在在1 1个个分分子子内内。D D部部采采用用TETORATIAFU-RUBARENTETORATIAFU-RUBAREN（TTFTTF）结结构构，A A部部采采用用TETORASIANOKI-NOJIMETANTETORASIANOKI-NOJIMETAN（TCNQTCNQ）结结构构。当当对对分分子子施施加加电电压压时，电子流将从时，电子流将从D D到到A A单向流动，使之具有整流机能。单向流动，使之具有整流机能。 19781978年年，KARTAKARTA提提出出了了具具有有三三端端的的孤孤立立子子传传导导分分子子元元件件的的论论文文。这这里里
53、所所说说的的孤孤立立子子，是是指指它它具具有有独独立立的的波波的的特特性性，按按照照这这种种说说法法，高高分分子子在在一一点点处处具具有有一一个个电电子子的的场场合合也也可可以以称称其其为为孤立子。孤立子。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 MAKAREAMAKAREA等等提提出出了了有有关关分分子子开开关关回回路路（生生物物芯芯片片）的的设设想想，它它是是利利用用以以生生物物体体内内的的氧氧化化还还原原反反应应为为动动力力的的血血卟卟啉啉等等环环状状高高分分子子的的一维排列，通过控制分子的重叠次数，实现电子移动的开闭动作。一维排列，通过
54、控制分子的重叠次数，实现电子移动的开闭动作。 最最近近，具具有有传传送送两两个个电电子子功功能能组组的的人人工工蛋蛋白白质质替替代代遗遗传传因因子子的的实实验验已已获获得得成成功功。细细菌菌产产生生于于具具有有耐耐热热性性的的天天然然蛋蛋白白质质（细细胞胞色色素素C552C552）中中。使使用用一一种种叫叫做做磷磷酸酸核核黄黄素素的的维维生生素素，作作为为与与外外部部电电子子交交换换信信息息的的电电极极（接接）。结结果果，可可以以在在纯纯天天然然蛋蛋白白质质中中的的血血红红素素电电子子传传送送机机能能组组之之间间控控制制电电子子移移动动的的方方向向。利利用用这这种种具具有有遗遗传传因因子子的的组组合合变变换换技技术术，有有望望开开发发出出适适用用于于高高效效率率转转换换元元件件和和传传感感器器等等的的纳纳米电子元件。米电子元件。现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器分子整流器：分子整流器：现代传感技术与系统34要点课件3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器具有二极管特性的人工蛋白质：具有二极管特性的人工蛋白质：现代传感技术与系统34要点课件
