現(xiàn)代傳感第9章

1、第9章 生物傳感技術,9.1 概述 9.1.1 生物傳感技術的原理 9.1.3 生物傳感器的分類 9.2 生物傳感技術的分子識別原理與技術 9.3 生物傳感器儀器技術及其應用,以生物活性物質為敏感材料做成的傳感器叫生物傳感器。它以生物分子去識別被測目標，然后將生物分子所發(fā)生的物理或化學變化轉化為相應的電信號，予以放大輸出，從而得到檢測結果。生物體內存在彼此間有特殊親和力的物質對，如酶與底物、抗原與抗體、

2、激素與受體等，若將這些物質對的一方用固定化技術固定在載體膜上作為分子識別元件（敏感元件），則能有選擇性地檢測另一方。結構：包括一種或數(shù)種相關生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動化儀表技術進行生物信號的再加工，構成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。,9.1.3 生物傳感器的分類根據(jù)生物傳感器中分子識別元件（敏感元件）的不同，生物傳感器可

3、分為酶傳感器（固定化酶）、微生物傳感器（固定化微生物）、免疫傳感器（固定化抗體）、基因傳感器（固定化單鏈核酸）、細胞傳感器（固定化細胞器）和組織傳感器（固定化生物體組織）等。按照傳感器器件檢測的原理分類，可分為：熱敏生物傳感器、場效應管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學生物傳感器、聲波道生物傳感器、酶電極生物傳感器、介體生物傳感器等。,第9章 生物傳感技術,9.1 概述 9.2 生物傳感技術的分子識別原理與技術 9.

4、2.1 酶反應 9.2.2 微生物反應 9.2.3 免疫反應 9.2.4 膜技術 9.3 生物傳感器儀器技術及其應用,9.2.1 酶反應酶促反應具有一般催化劑的性質，加速化學反應的進行，而其本身在反應前后沒有質和量的改變，不影響反應的方向，不改變反應的平衡常數(shù)。酶促反應具有極高的催化效率。一般而論，酶促反應速度比非催化反應高10-20倍。酶促反應具有高度的專一性。一種酶只作用于一類化合

5、物或一定的化學鍵，以促進一定的化學變化，并生成一定的產(chǎn)物，這種現(xiàn)象稱為酶的特異性或專一性（絕對特異性、相對特異性和立體異構特異性）。受酶催化的化合物稱為該酶的底物或作用物。,9.2.1 酶反應酶濃度對反應速度的影響底物濃度對反應速度的影響pH對反應速度的影響溫度對反應速度的影響抑制劑對反應速度的影響激活劑對酶促反應速度的影響,第9章 生物傳感技術,9.1 概述 9.2 生物傳感技術的分子識別原理與技術

6、 9.2.1 酶反應 9.2.2 微生物反應 9.2.3 免疫反應 9.2.4 膜技術 9.3 生物傳感器儀器技術及其應用,利用微生物進行生物化學反應的過程稱為微生物反應過程，即將微生物作為生物催化劑進行的反應為微生物反應。酶在微生物反應中起最基本的催化作用，然而微生物反應是由微生物細胞完成的，每一個微生物細胞都是一個相當復雜而完整的系統(tǒng)，不計其數(shù)的酶在系統(tǒng)中高度協(xié)調地實現(xiàn)自身的功能，最終完

7、成微生物反應。,（1）兩者都是生物化學反應，反應所需要的環(huán)境相似；（2）微生物細胞中包含各種各樣的酶，可以催化所有酶可以催化的反應；（3）兩者催化的速度近似。,1.微生物反應和酶反應的共同特點,（1）酶反應需要溫和的環(huán)境，微生物細胞的膜系統(tǒng)為酶的反應提供了天然的“理想環(huán)境”，細胞可以在較長的時間保持一定的催化活性；（2）同一個微生物細胞自身包含數(shù)以千計種的酶，顯然比單一的酶更適合多底物反應；（3）酶反應需要的輔助因子和能量可以由

8、微生物細胞提供；（4）酶的提純成本高，有些酶至今未能完全的提純，相比之下，微生物細胞來源方便，價格低廉。,2.微生物反應的特殊性,（1）由于反應過程中往往存在著微生物的生長和死亡，故分析反應的標準不易建立。（2）微生物細胞本身是一個龐大的酶系統(tǒng)，包括自身代謝在內的許多反應并存，難以去除不必要的反應。（3）微生物細胞受環(huán)境變化的影響易引起自身生理狀態(tài)的復雜化，從而導致不期望的反應。,3.微生物傳感器的不足之處,（1）按照生物代謝流向

9、：同化作用（細胞將底物攝入并通過一系列生化反應轉變成自身的組成物質，并儲存能量的過程）和異化作用（將體內的大分子轉化為小分子并釋放出能量的過程 ）。 （2）按照微生物對營養(yǎng)的要求：自養(yǎng)性（以CO2作為主要碳源，無機氮化物作為氮源，通過細菌的光合作用或化能合成作用，將無機物制造成有機物，并且儲存能量）和異養(yǎng)性（異養(yǎng)微生物只能用有機碳化物作碳源，在有機物氧化或發(fā)酵過程中借呼吸或發(fā)酵作用而獲得能量）。（3）按照微生物反應對氧的需求與否：好

10、氧反應（在有空氣的環(huán)境中才易生長繁殖 ）和厭氧反應（在無分子氧的環(huán)境中生長繁殖 ）。,4.微生物反應的分類方式,第9章 生物傳感技術,9.1 概述 9.2 生物傳感技術的分子識別原理與技術 9.2.1 酶反應 9.2.2 微生物反應 9.2.3 免疫反應 9.2.4 膜技術 9.3 生物傳感器儀器技術及其應用,免疫指機體對病原生物感染的抵抗能力。自然免疫是非特異型的，即能

11、抵抗多種病原微生物的損害。獲得性免疫一般是特異性的，在微生物等抗原物質刺激后才形成（免疫球蛋白等），并能與該抗原產(chǎn)生特異性反應。上述各種免疫過程中，抗原與抗體的反應是最基本的反應?？乖悄軌虼碳游矬w產(chǎn)生免疫反應的物質?？贵w是由抗原刺激機體產(chǎn)生的特性免疫功能的球蛋白?？贵w與其相應抗原之間的鍵連甚至比酶與其基質之間的連接更加有力，特別是對對應的抗原的連接更是如此。,第9章 生物傳感技術,9.1 概述 9.2 生物傳感技術的

12、分子識別原理與技術 9.2.1 酶反應 9.2.2 微生物反應 9.2.3 免疫反應 9.2.4 膜技術 9.3 生物傳感器儀器技術及其應用,膜是指能以特定形式限制和傳遞各種物質的分隔兩相的界面。 膜分離技術是利用膜的特殊性能和各種分離裝置單元使溶液和懸浮液中的某些組分較其它組分更快地透過，從而達到分離、濃縮的目的。 非分離膜技術主要是指一些具有特殊性能的功能膜的應用及其它一

13、些膜過程（能量轉換膜、反應膜、膜蒸餾等）。,第9章 生物傳感技術,9.1 概述 9.2 生物傳感技術的分子識別原理與技術9.3 生物傳感器儀器技術及其應用 9.3.1 酶傳感器 9.3.2 微生物傳感器 9.3.3 免疫傳感器 9.3.4 基因傳感器 9.3.5 微懸臂梁生物傳感器,酶傳感器是生物傳感器領域中研究最多的一

14、種類型。酶傳感器是將酶作為生物敏感基元，通過各種物理、化學信號轉換器捕捉目標物與敏感基元之間的反應所產(chǎn)生的與目標物濃度成比例關系的可測信號，實現(xiàn)對目標物定量測定的分析儀器。,9.3.1 酶傳感器,酶傳感器的基本結構單元是由物質識別元件(固定化酶膜)和信號轉換器(基體電極)組成。當酶膜上發(fā)生酶促反應時，產(chǎn)生的電活性物質由基體電極對其響應?；w電極的作用是使化學信號轉變?yōu)殡娦盘?，從而加以檢測。,1. 酶傳感器的基本結構,當酶電極浸入被

15、測溶液，待測底物進入酶層的內部并參與反應，大部分酶反應都會產(chǎn)生或消耗一種可被電極測定的物質，當反應達到穩(wěn)態(tài)時，電活性物質的濃度可以通過電位或電流模式進行測定。酶傳感器：電位型（是指酶電極與參比電極間輸出的電位信號）和電流型（以酶促反應所引起的物質量的變化轉變成電流信號輸出，輸出電流大小直接與底物濃度有關）。,2. 酶傳感器的工作原理,3. 酶的固定方法,（1）酶固定化后活性應盡可能少受影響，保證傳感器的高靈敏度和高選擇性；（2）固定

16、化方法對被測對象的傳質阻力小，保證傳感器的快速響應；（3）酶固定化牢固，不易洗脫，保證傳感器有較長的使用壽命。,3. 酶的固定方法,吸附法：將酶通過靜電引力、范德華力、氫鍵等作用力固定在電極表面，過程簡單，但穩(wěn)定性差；包埋法：在溫和的條件下形成聚合物的同時，將酶包埋在高聚物的微小格子中，或用物理方法將其包埋在凝膠中的方法；共價鍵合法：是酶蛋白分子上的官能團和固相支持物表面上的反應基團之間形成化學共價鍵連接，從而使酶固定的方法；,第

17、9章 生物傳感技術,9.1 概述 9.2 生物傳感技術的分子識別原理與技術9.3 生物傳感器儀器技術及其應用 9.3.1 酶傳感器 9.3.2 微生物傳感器 9.3.3 免疫傳感器 9.3.4 基因傳感器 9.3.5 微懸臂梁生物傳感器,（1）體積小：微生物體積小，往往需要借助顯微鏡才能看清。微生物的“小”不僅表現(xiàn)在其個

18、體大小上，而且也表現(xiàn)在它們多為單細胞生物，多細胞的微生物也不存在著高等生物中所見的那種功能分化的組織。（2）繁殖快：微生物的代謝活性很高，細菌這樣的細胞生物細胞面積與體積之比遠大于高等生物，其繁殖速度也是遠遠高于一般生物。（3）分布廣：微生物隨處可見，在地球上無特定的分布，亦是其特征之一。,1．微生物的特征,根據(jù)微生物與底物作用原理的不同：（1）測定呼吸活性型微生物傳感器：微生物與底物作用，在同化樣品中有機物的同時，微生物細胞的呼

19、吸活性有所提高，依據(jù)反應中氧的消耗或二氧化碳的生成來檢測被微生物同化的有機物的濃度；（2）測定代謝物質型微生物傳感器：微生物與底物作用后生成各種電極敏感代謝產(chǎn)物，利用對某種代謝產(chǎn)物敏感的電極即可檢測原底物的濃度。,2．微生物傳感器的類型,電流型是指工作中，微生物敏感膜與待測物質發(fā)生反應后，通過檢測某種物質的含量變化，最終輸出為電流信號的傳感器。最常用的是氧電極。大多數(shù)的微生物傳感器是利用微生物體內的酶進行反應，而這些酶中有不少特別是各

20、種氧化酶在催化底物反應時要用溶解氧作為輔助試劑，從而可以用氧電極測定反應中消耗的氧量。 電位型是指工作時，通過信號轉換器件轉換后輸出信號為電位的微生物傳感器。,3．電化學微生物傳感器,基于高頻壓電晶體頻率對溶液介質性質變化具有靈敏的響應特性制成的。微生物在生長過程中與外界溶液進行物質能量的交換，改變培養(yǎng)液的化學成分，使得培養(yǎng)液的阻抗發(fā)生變化，導致培養(yǎng)液的電導率和介電常數(shù)改變。當培養(yǎng)的微生物的數(shù)量超過某一閾值時晶體振蕩頻率產(chǎn)生突躍。

21、從接種微生物開始到壓電傳感器檢測出突變，即到培養(yǎng)液性質參數(shù)出現(xiàn)突變被檢測出所需要的時間稱為頻率測出時間（FDT）。在微生物增代時間固定時，F(xiàn)DT與待測微生物數(shù)量之間有線性關系，所以可以通過測定FDT來測定微生物含量。,4．壓電高頻阻抗型微生物傳感器,微生物在呼吸代謝過程中可產(chǎn)生電子，直接在陽極上放電，產(chǎn)生電信號。但是微生物在電極上放電的能力很弱，往往需要加入電子傳遞的媒介物——介體，起到增大電流的作用。,5．燃料電池型微生物傳感器,第

22、9章 生物傳感技術,9.1 概述 9.2 生物傳感技術的分子識別原理與技術9.3 生物傳感器儀器技術及其應用 9.3.1 酶傳感器 9.3.2 微生物傳感器 9.3.3 免疫傳感器 9.3.4 基因傳感器 9.3.5 微懸臂梁生物傳感器,免疫傳感器是將免疫測定技術與傳感技術相結合的一類新型生物傳感器。免疫傳感器依賴于抗

23、原和抗體之間特異性和親和性，利用抗體檢測抗原或利用抗原檢出抗體。,1. 免疫傳感器的定義,生物敏感元件：固定抗原或抗體的分子層 。換能器：將識別分子膜上進行的生化反應轉變成光、電信號 。信號數(shù)據(jù)處理器：將電信號放大、處理、顯示或記錄下來。,2. 免疫傳感器的結構,（1）光學免疫傳感器對一個生物系統(tǒng)的反應物或產(chǎn)物吸收或發(fā)出的電磁射線進行測定。光學換能器可用來響應紫外線或可視射線， 也可響應生物或化學發(fā)光產(chǎn)物，還能適用于含光纖的裝置

24、。,4. 免疫傳感器的分類,（2）壓電晶體免疫傳感器將抗原或抗體固定于傳感器電極表面形成敏感膜，利用抗原與抗體特異性結合后產(chǎn)生的微小質量變化，通過免疫傳感器進行快速、靈敏的檢測。主要由石英晶體、頻率檢測電路和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。,4. 免疫傳感器的分類,該傳感器包括一個鍍有薄金屬鍍層的棱鏡，其中金屬層成為棱鏡和絕緣體之間的界面。,4.免疫傳感器的分類：③表面等離子體共振型,反射光的強度在某一個特殊的入射角度Φsp 突然下降，就在這個角

25、度，入射光的能量與由金屬-絕緣體交接面激勵產(chǎn)生的表面等離子共振相匹配。將一層薄膜(如生物膜) 沉淀在金屬層上，絕緣物質的折射系數(shù)會發(fā)生改變。,折射系數(shù)依賴于絕緣物質和沉淀膜的厚度和密度的大小。測試陷波角的值，沉淀膜的厚度和密度就可以推導出來。,（4）電化學免疫傳感器：電位測量式 先通過聚氯乙烯膜把抗體固定在金屬電極上，然后用相應的抗原與之特異性結合，抗體膜中的離子遷移率隨之發(fā)生變化，從而使電極上的膜電位也相應發(fā)生改變。膜電位的變化值

26、與待測物濃度之間存在對數(shù)關系，因此根據(jù)電位變化值進行換算，即可求出待測物濃度。,4. 免疫傳感器的分類,（4）電化學免疫傳感器電流測量式：它們測量的是恒定電壓下通過電化學室的電流，待測物通過氧化還原反應在傳感電極上產(chǎn)生的電流與電極表面的待測物濃度成正比。 電導率測量式：可大量用于化學系統(tǒng)中，因為許多化學反應都產(chǎn)生或消耗多種離子體，從而改變溶液的總電導率；通常是將一種抗原（抗體）固定在某種貴重金屬電極上(如金、銀、銅、鎳、鉻)，在電場

27、作用下測量待測物溶液中導電率的變化。,4. 免疫傳感器的分類,第9章 生物傳感技術,9.1 概述 9.2 生物傳感技術的分子識別原理與技術9.3 生物傳感器儀器技術及其應用 9.3.1 酶傳感器 9.3.2 微生物傳感器 9.3.3 免疫傳感器 9.3.4 基因傳感器 9.3.5 微懸臂梁生物傳感器,所謂基因傳感器，其原

28、理就是通過固定在傳感器或稱換能器探頭表面上的己知核甘酸序列的單鏈DNA分子(也稱為ssDNA探針)，和另一條互補的ssDNA分子，也稱為目標DNA雜交，形成的雙鏈DNA(dsDNA)會表現(xiàn)出一定的物理信號，最后由換能器反應出來。,1. 基因傳感器的原理,電化學式基因傳感器是以電極為換能器，也就是將ssDNA控針固定在金電極、碳糊電極或玻璃電極等表面上，然后浸入含有目標ssDNA分子的溶液中，此時電極上的ssDNA控針與溶液中的互補序列的

29、目標DNA單鏈分子雜交。,2.電化學基因傳感器,換能器在壓電介質中激發(fā)聲波，以聲波作為檢測的手段。傳感器的表面首先固定單鏈的DNA(DNA探針)，然后加入含有互補DNA鏈的待測溶液，進行DNA雜交反應。雜交后形成雙鏈DNA結構，使傳感器表面的質量增加，從而影響聲波的頻率。對壓電傳感器，其表面的質量增加Δｍ和聲波的頻率降低Δ? 存在定量關系。,3. 壓電基因傳感器,SPR作為換能器，其對基因敏感的原理仍然如電化學式或QCM式基因傳感器一樣

30、，只是檢測的信號為光學信號。SPR基因傳感器通常將已知的單鏈DNA分子固定在幾十納米厚的金屬(金、銀等)膜表面，加入與其互補的目標DNA，兩者結合(雜交)將使金屬膜與溶液界面的折射率上升，從而導致諧振角改變，如果固定入射角度，就能根據(jù)諧振角的改變程度對互補的目標生物分子進行定量檢測。,7. SPR( Surface Plasma Resonance)基因傳感器,第9章 生物傳感技術,9.1 概述 9.2 生物傳感技術的分子識別原

31、理與技術9.3 生物傳感器儀器技術及其應用 9.3.1 酶傳感器 9.3.2 微生物傳感器 9.3.3 免疫傳感器 9.3.4 基因傳感器 9.3.5 微懸臂梁生物傳感器,微臂梁生物傳感器是以微懸臂梁作為換能元件，在微懸臂梁的一面涂有生物敏感層，當被測物質吸附到生物敏感層后，微懸臂梁的表面應力或共振頻率發(fā)生變化。通過檢測微懸

32、臂梁的彎曲變形或共振頻移就可以測吸附到敏感層上的生物分子。 微懸臂梁是一種采用體硅加工技術和表面加工技術制備而成的微結構，常用于微機電系統(tǒng)（MEMS）中，其尺寸非常微小，長度和寬度一般在微米范圍，而厚度在亞微米范圍。微懸臂梁具有多種結構形式，可工作在靜態(tài)和動態(tài)模式下，有多種激勵和檢測方法，在微小力檢測、生物、化學、環(huán)境檢測等諸多方面具有非常廣泛的應用。,9.3.5 微懸臂梁生物傳感器,1.微懸臂梁的結構形式,矩形：加工方便，使用廣泛

33、；T形：增加反射面積；U形：增加形變，一般用于加速度計；三角形：一般用于AFM，頂端有一個三角錐；音叉形：角速度檢測；橋式：壓力測量。,2.微懸臂梁的工作模式,彎曲模式—靜態(tài)模式：彎曲模式是指微懸臂梁在外界環(huán)境改變或力的作用下，其表面質量或表面應力發(fā)生變化，引起微懸臂梁的彎曲，通過檢測微懸臂梁彎曲量的大小，就可以得出引起其彎曲的物理量或化學量。共振模式－動態(tài)模式：微懸臂梁的共振模式是通過檢測微懸臂梁共振頻率的變化得到引起其共振頻率變化

34、的物理量或化學量。例如，當在微懸臂梁上涂上敏感層，吸附到微懸臂梁上的分子質量變化后，微懸臂梁的共振頻率就會發(fā)生變化，這在生化傳感器中經(jīng)常使用。在共振模式下，微懸臂梁具有很寬的動態(tài)范圍，同時它還具有很高的分辨率。,光熱激勵是用光纖耦合激光束，垂直指向微懸臂梁的表面。在微懸臂梁的表面，激光束的能量被部分吸收。這樣就可以建立一個時間/溫度的函數(shù)關系，如果調制激光束的密度，就會驅動微懸臂梁周期性地彎曲。聲波激勵是用一個小型揚聲器產(chǎn)生聲波，聲波

35、通過空氣傳播到微懸臂梁后就會在微懸臂梁上造成壓力差，迫使微懸臂梁振動。但是在液體環(huán)境中，液體的流動會造成聲波共振，這就對微懸臂梁的檢測產(chǎn)生一定影響。,3.微懸臂梁的激勵與檢測方法,磁致激勵是利用螺線管產(chǎn)生外部磁場，外部磁場直接激勵微懸臂梁振動。壓電激勵是目前最常使用的激勵微懸臂梁振動的方法，將壓電疊堆固定在微懸臂梁固定端，當在壓電疊堆上下電極之間施加交流電壓時，壓電疊堆由于逆壓電效應，會產(chǎn)生相應的機械變形，從而帶動微懸臂梁振動。,3.

36、微懸臂梁的激勵與檢測方法,光反射法：用一個低功率激光二極管發(fā)出一束激光，經(jīng)聚焦后照射到到梁的自由端，光反射后由光電探測器收集。當微懸臂梁產(chǎn)生彎曲時，接收到的激光會在探測器的表面移動，光點的位移正比于梁的彎曲，這個位移可由光電二極管檢測。激光干涉法：使原光纖光束和從微懸臂梁背面發(fā)射的光發(fā)生干涉，通過精確控制從微懸臂梁背面發(fā)射的光，就可以改變干涉條紋，干涉條紋的改變情況反映了微懸臂梁的彎曲情況。,3.微懸臂梁的激勵與檢測方法,3.微懸臂梁

37、的激勵與檢測方法,電容法是將微懸臂梁作為電容的一極，微懸臂梁的彎曲會產(chǎn)生電容兩極間距離的變化，從而引起電容值的變化。電容法比較適用于檢測微懸臂梁的靜態(tài)彎曲，用這種方法可以檢測到1×10-18F的電容值，對應于納米級的位移偏移。壓阻法是利用材料的壓阻效應，測量應力和電阻值的變化關系，它適用于微弱信號的檢測和放大。壓敏電阻一般集成在微懸臂梁結構中，它們的電阻能很容易地使用惠斯頓電橋，通過測量電壓信號來表征電阻的值。壓電法就是將

38、壓電薄膜鍍在微懸臂梁上或微懸臂梁直接由壓電材料制成。當微懸臂梁彎曲時，表面應力變化，產(chǎn)生壓電電流。,微懸臂梁生物傳感器是以微懸臂梁作為換能元件，在微懸臂梁的一面涂有生物敏感層，當被測物質吸附到生物敏感層后，微懸臂梁的表面應力或共振頻率發(fā)生變化。通過檢測微懸臂梁的彎曲變形或共振頻移就可以測吸附到敏感層上的生物分子。,5.微懸臂梁生物傳感器,單個微懸臂梁只能對某一特定分析物的響應較明顯，而在實際測量中，需要測量一個環(huán)境中多種分析物的質量，