yy.vip易游-第十章 生物传感器ppt

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　　本章课程安排 10.1 生物传感器的基本概念 10.2 生物传感器的特点 10.3 生物反应基本知识 10.4 生物传感器的工作原理及类型 生物传感器的基本概念 用固定化生物成分或生物体作为敏感元件的传感器称为生物传感器（biosensor）。生物传感器并不专指用于生物技术领域的传感器，它的应用领域还包括环境监测、医疗卫生和食品检验等。 生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，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。 生物传感器的特点 生物传感器可巧妙地利用生物特有的生化反应，有针对性地对有机物进行简便而迅速的测定。它与通常的化学分析法相比，具有以下特点： ① 对被测物有极好的选择性，噪声低； ② 操作简单，需用样品少，能直接完成测定； ③ 经固化处理后，能长期保持其生理活性，传感器可反复使用； ④ 能在短时间内完成测定； ⑤ 不要求样品具备光学透明度； ⑥ 信息是以电信号方式直接输出的，容易实现检测自动化。 生物反应基本知识 10.3.1 酶反应 1．酶的定义 酶是生物体产生的具有催化能力的蛋白质，它与生命活动息息相关。 2．酶的蛋白质性质 “酶是蛋白质”这一论断最早由Sumenr 提出，他在1926年首次从刀豆中提取了脲酶结晶，并证明了这个结晶具有蛋白质的一切性质。 证明酶是蛋白质有四点依据： ① 蛋白质是由氨基酸组成的，而酶的水解产物都是氨基酸，即酶是由氨基酸组成的； ② 酶具有蛋白质所具有的颜色反应，如双缩脲反 应、茚三酮反应等； ③ 一切可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； ④ 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，并有一定等电位点。 3．酶的催化性质 酶是生物催化剂。新陈代谢是由无数的复杂化学反应组成的，这些反应大都在酶的催化下进行。与一般催化剂相比较，酶催化具有如下特点： ① 高度专一性。一种酶只能作用于某一种或某一类物质（被酶作用的物质称为底物），因而有“一种酶，一种（类）底物”之说。 ② 催化效率高。每分钟每个酶分子转换 103～106个底物分子，以分子比为基础，其催化效率是其他催化剂的107～1013倍。 ③ 因为酶是蛋白质，其催化一般在温和条件下进行，极端的环境条件（如高温、酸碱）会使酶失活。 ④ 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，酶便不具有催化活性。 ⑤ 酶在体内的活力常常受多种方式调控。这包括基因水平调控、反馈调节、激素控制、酶原激活等。 4．酶作用机理 （1）降低反应活化能 在一个反应开始时，反应底物分子的平均能量水平较低为初态，只有少数分子具有比初态高一些的能量，高出初态的能量称为活化能，使分子进入活化状态，才能开始反应。这些活泼的分子称为活化分子。酶能够大幅度降低反应所需的活化能，这样，大量的反应物分子就能比较容易地进入活化态 ，从而使反应在常温下极快地进行 。 （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）结构所决定的，根据酶对底物专一性程度的不同，大致可分为三种类型。 第一种类型的酶专一性较低，能作用结构类似的一系列底物，又分为族专一性和键专一性两种。 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）酶的活性中心 实验证明，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。 （4）“邻近”、“定向”效应 “邻近”效应指两个反应分子的反应基团要互相靠近才能反应。仅仅“邻近”还不够，两个将要反应的基团的分子轨道还要交叉，而交叉的方向性极强，称为“定向”。这样就使得两个分子间的反应变为 分子内的反应，提高了反应速率。 （5）“诱导契合”与“底物变形” 当酶分子与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，其构象发生有利于底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补契合，这种现象被称为诱导契合，它说明了酶作用的专一性。 （6）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。 在共价催化中，酶与底物形成反应活性很高的共价中间物，这个中间物很容易变成转变态，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。 10.3.2 微生物反应 1．微生物反应的特点 微生物反应过程是利用生长微生物进行生物化学反应的过程。也就是说，微生物反应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有几个共同点： ① 同属生化反应，都在温和条件下进行； ② 凡是酶能催化的反应，微生物也可以催化； ③ 催化速度接近，反应动力学模式近似。 微生物反应在下述方面又有其特殊性： ① 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； ② 在多底物反应时，微生物显然比单纯酶更适宜作为催化剂； ③ 细胞本身能提供酶促反应所需的各种辅酶和辅基 ④ 更重要的是微生物细胞比酶的来源更方便，更廉价。 利用微生物作为生物敏感膜时也有如下不利因素： ① 微生物反应通常伴随自身生长，不容易建立分析标准； ② 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； ③ 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．微生物反应类型 （1）同化与异化 在微生物反应过程中，细胞同环境不断地进行物质和能量的交换，其方向和速度受各种因素的调节，以适应体内外环境的变化。细胞将底物摄入并通过一系列生化反应转变成自身的组成物质，并储存能量，称为同化作用或组成代谢（assimilation）；反之，细胞将自身的组成物质分解以释放能量或排出体外，称为异化作用或分解代谢（disassimilation）。 （2）自养与异养 根据微生物对营养的要求，微生物反应又可分为自养型与异养型。自养微生物以CO2作为主要碳源，无机氮化物作为氮源，通过细菌的光合作用或化能合成作用获得能量。 异养微生物以有机物作为碳源，无机物或有机物作为氮源，通过氧化有机物获得能量。 （3）好气性与厌气性 根据微生物反应对氧的需求与否，可以分为好氧反应和厌氧反应。 微生物反应生长过程中需要氧气的称为好氧反应；微生物反应生长过程中不要氧气，而需要CO2（碳酸气）的称为厌氧反应。有的地方也称二者为好气性和厌气性。 （4）细胞能量的产生与转移 微生物反应所产生的能量大部分转移为高能化合物。所谓高能化合物，是指含转移势高的基团的化合物，其中以ATP（三磷酸腺甙）最为重要，它不仅潜能高，而且是生物体能量转移的关键物质，直接参与各种代谢反应的能量转移。 10.3.3 免疫学反应 1．抗原 （1）抗原的定义 抗原是能够刺激动物体产生免疫反应的物质，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。 （2）抗原的种类 ① 天然抗原 ② 人工抗原 ③ 合成抗原 （3）抗原的理化性状 ① 物理性状。完全抗原的分子量较大，通常在1万以上。分子量越大，其表面积相应扩大，接触 免疫系统细胞的机会增多，因而免疫原性也就增强。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性强，聚合态分子比单体分子强。 ② 化学组成。自然界中绝大多数抗原都是蛋白质，既可是纯蛋白，也可是结合蛋白，后者包括脂蛋白、白、糖蛋白等。此外还有血清蛋白、微生物蛋白、植物蛋白和酶类。近年来证明核酸也有抗原性。 2．抗体 抗体是由抗原刺激机体产生的特异性免疫功能的球蛋白，又称免疫球蛋白。 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。抗原与抗体的特异性结合点位于Eabl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。 4．生物学反应中的物理量变化 在生物学反应中，常常伴随一系列物理量变 化，如焓变化、生物发光、颜色反应和抗阻变化等，利用这些物理变化与物理现象能够设计一些更为精美的传感器。 10.3.4 生物传感器膜技术和固定化技术 1．生物敏感膜 （1）基于生物催化反应的生物敏感膜 它基于敏感膜中的特定酶在接触生物物质或有机物质后，催化其反应，从面生成某些化学产物，其中一种产物可由传感元件所感知。 （2）基于生物吸附的生物敏感膜 此类敏感膜基于生物体内存在相互亲和性的物质（例如抗体-抗原、结合蛋白质-生物素、激素-激素受体、DNA-RNA、植物凝血素-糖链等）。把它们的一方固定在膜上作为分子识别元件，当被测溶液中存在它们的配体时，发生特异性反应，形成稳定的复合体，测定反应前后膜电位的变化，即可得知配体浓度。 （3）基于无然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜 此类敏感膜直接利用具有生物活性的天然生 物膜或人工生物膜。人体嗅觉器官是通过生物膜（嗅觉膜）实现对外界信息传感的。 在人工膜方面以脂质双分子膜（BLM）的制作及应用较成功。在BLM膜上掺入一些有生物亲和性的物质，可实现传感功能。 2．固定化技术 酶、抗体、微生物等具有识别功能的物质通常是水溶性的，如果把它们与适当的载体结合起来变得不溶于水，制成传感器用的识别功能膜，这种技术称为固定化技术。 （1）化学方法 将识别功能物质受体与载体之间，或受体相互间至少形成一个共价键以进行固定，使受体的活性高度稳定的固定方法称为化学方法（如图10-1(a)所示）。使用具有很多共价键原子团的试剂（如戊二醛等）在感、受体之间形成“架桥”膜，加上蛋白质和醋酸纤维素等作为增强材料，这种方法称为架桥固定法（如图10-1(b)所示）。 （2）物理方法 将受体与载体之间或受体之间，利用物理吸附 进行固定的方法称为物理方法，如在离子交换树脂膜、聚氯乙烯膜等表面上物理吸附感受体就是物理方法。此法虽然能够在不损害敏感物质性质的情况下进行固定，但由于固定程度减弱，所以多采用赛璐玢膜等进行保护（如图10-1(c)所示）。 将感受体包裹于聚丙烯酰胺等高分子三位网络结构中进行固定的方法称为包裹法（如图10-1(d)所示） ，这种方法最初使用于酶传感器，到目前还在广泛使用。 图10-1 固定方法 （3）LB膜技术 智能超分子体系是新型的智能生物材料，它的性能是其组成、结构、形态与环境的函数，它 具有环境响应性。智能超分子体系本质上是超分子膜，即人工膜，它是对生物膜功能的模拟。 超分子LB膜是人工利用分子间相互作用而设计和建立的特殊的超分子体系，是有机高分子单分子膜的一种堆积技术。用来制备LB膜的技术称为LB膜技术。LB膜技术是一种把气-液界面上的单分子膜转移到固休表面的成膜技术。 LB膜的特点如下： ① 膜厚为分子级水平（纳米级），具有特殊的物理化学性质； ② 可以一层一层累积起来，形成多层分子层或各种超晶格结构； ③ 可人为选择各种不同高分子材料，累积不同的分子层，从而使之具有多种功能； ④ 可在常温常压下形成，需要的生成能量小，又不破坏高分子结构； ⑤ 所有的分子都能形成LB膜，并且在次序上可以任意安排； ⑥ 可有效地利用LB膜分子自身的组织能力，形成新的化合物。即LB膜具有均匀、超薄、分子层次排列有序、结构灵活可变等优点。 LB膜的主要性质： ① LB膜力学性能 ② LB膜能量转移体系 ③ LB膜电子转移体系 10.3.5 基本电极 生物传感器通常利用物理化学装置把识别信息以电信号的形式从识别功能膜上取出来，最常用的是电极测量法，常用电极有：O2电极、H2O2电极、PH电极、CO2电极、NH3电极和NH4+电极。 10.3.6 测量方式 图10-2 生物传感器测量方式 按测量方式可将电极测量法分为静态测量法和动态测量法，如图10-2所示。反应器式测量法如图10-2(c) 所示。 生物传感器的工作原理及类型 生物传感器是在基础传感器上再耦合一个生物敏感膜而形成的，其工作原理如图10-3所示。 图10-3 生物传感器典型结构图 10.4.1 酶传感器及其应用 酶是生物体内具有催化作用的活性蛋白质，与其他蛋白质一样，具有特异的催化功能，因此，酶被称为生物催化剂。酶的理化性质即为蛋白质的理化性质。 酶的催化具有高度的专一性，即一种酶只能作用于一种或一类物质，产生一定的产物，即特异催化功能。正因为酶有如此的特性，才被用做对某种物质的敏感材料，而制造成传感器。 10.4.2 微生物传感器及其应用 酶作为生物传感器的敏感材料虽然已有很多应用，但因酶的价格昂贵且不够稳定，因此这些应用受到一定限制。微生物具有利用其本体酵素反应的复杂的化学反应系统，若将微生物固定于膜上并将它与电化学器件相组合，则可组成微生物传感器。 近来微生物固定化技术在不断发展，从而固定化微生物越来越多地被用做生物传感器的分子识别元件，产生了微生物电极。 10.4.3 免疫传感器及其应用 免疫传感器是根据抗体（一种免疫球蛋白）与抗原（一种进入机体后能刺激机体产生免疫反应的物质）反应来测定物质的，所以抗体对抗原具有很强的选择性。 免疫传感器是活性单元（抗体或抗原）与电子信号转换元件（换能器）的结合。一方面，免疫传感器以抗体-抗原亲和反应为识别基础，所以具有很高的选择性；另一方面，免疫活性单元是用一定的基体固定在检测仪器上的，基体和附在其上的共存物引入的非专一性反应就可能影响免疫反应的专一性。 10.4.4 半导体生物传感器及其应用 半导体生物传感器（Semiconductive biosensor）是由半导体器件和生物分子识别元件组成的。通常用的半导体器件是场效应晶体管（Field-Effect Transistor，FET），因此，半导体生物传感器又称生物场效应晶体管（BioFET）。 10.4.5 组织传感器 组织传感器也称组织电极。它由敏感膜和传感元件组成，以动植物组织薄片作为敏感膜，传感元件多采用气敏电极。它利用动植物组织中的 酶作为反应催化剂，故其结构及工作原理也类似酶电极。 组织电极的传感元件采用气敏电极是因为气敏电极有较好的选择性，可避免测定体系中金属离子及某些有机分子的干扰，百巨气敏电极膜是便于装卸的片状结构，有利于组织电极组装。图10-4 是以NH3电极为传感元件的动物组织电极结构示意图。 表10-1为组织（电极）传感器研制实例。 1—动物组织薄片 2—尼龙网 3—防护透析膜 4—透气膜 5—内电解质溶液 6—pH敏感玻璃膜 7—塑料电极体 图10-4 肾组织电极结构示意图 表10-1 组织电极研制实例 10.4.6 细胞传感器 1．细胞传感器概论 近几年，随着半导体微细加工技术的发展，分析技术的微型化为细胞微环境分析提供了强有力的手段，以活细胞作为敏感元件已成为生物传感器研究领域的一大热点。细胞传感器（cell-basd biosensor）是以活细胞作为探测单元的生物传感器。细胞传感器能定性定量测量分析未知物质的信息，即确定某类物质存在与否及浓度大小。利用细胞传感器可以连续检测和分析细胞在外界刺激下的生理性能。 2．细胞传感器的发展趋势 细胞拥有并表达着一系列潜在的分子识别元件，如受体离子通道酶等，这些分子都可以作为靶分析物，当它们对外界刺激敏感时，就按照固有的活细胞生理机制进行相应的生理功能活动。所以，以活细胞作为探测单元的生物传感器可以响应许多具有生物活性的被分析物。此外，细胞传感器具备功能性分析的优点，有助于更深入地探求细胞的生理活动，它已成为生命科学及环境科学领域必不可少的工具。 10.4.7 基因芯片 所谓基因芯片，就是按特定的排列方式固定有大量基因探针/基因片段并能与光电测量装置相结合的硅片、玻璃片、塑料片。图10-5所示即为一种基因芯片器件的构造。 1．微电子芯片 微电子芯片利用微电子工业常用的光刻技术，芯片被设计构建在硅/二氧化硅等基底材料上，经过热氢化，制成1 mm×1 mm的阵列，每个阵列含有多个微电极，每个电极上通过氧化硅沉积和蚀刻制备出样品池。 图10-5 基因芯片器件的构造 2．三维生物芯片 三维生物芯片实质上是一块显微镜载玻片， 其上有1万个微小聚乙烯酰胺凝胶条，每个凝胶条可用于对DNA、RNA和蛋白质的分析。先把已知化合物加在凝胶条上，再用3 cm长的微型玻璃毛细管将待测样品加到凝胶条上。每个毛细管能把小到0.2 nL的体积打到凝胶条上。 3．流过式芯片 流过式芯片是一种在芯片片基上制成的格栅状微通道，它设计及合成有特定的寡核苦酸探针，结合于微通道内芯片的特定区域，从待测样品中分离DNA或RNA并对其进行荧光标记，然后，该样品流过芯片，固定的寡核苦酸探针捕获与之相互补的核酸。 10.4 LOGO 第10章 生物传感器 10.1 10.2 10.3

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