《现代传感技术与系统》课件第三章（34）要点

3.3.4 用于分子识别的生物传感器 要点1. 生物系统的分子识别机理 -细胞通讯与神经突触 胰导素类的荷尔蒙分子通过遍布全身的特殊细胞分泌，这 种分子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(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)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 要点2: 生物间信息传递的基本要求 - 分泌、传输及接收 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。 l第一类:与离子通道相关的接收器 l第二类:与G蛋白相关的接收器构成 l第三类:包括磷活化酶相关的接收器。 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 要点3: 用于分子辨识识的生物传传感器设计设计 原理 方式1: 实施面向特定目标的接收器蛋白质的选择 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)3智能传感与信息系统 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 方式2: 非特定接收器和神经网络的集成 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)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 要点4: 生物催化传感器的常见结构 l分子辨识部分 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。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)6智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 l信号变换部分 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。 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 要点5: 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 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)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 用于乙醇识别的生物催化传感器 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。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 转移到烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD nicotinamide adenine dinucleotide）,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。 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)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 (4) 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分子辨识。源于抗体对 相应抗原的极高的吸附性，免疫测试技术通常可提供高度的选择性。然而 ，如果没有明显合适的标记，取得高灵敏度从技术上来说是很困难的。象 酶这样的标记可在化学放大的基础上，大大提高选择性。这样，为获得最 终的高灵敏度，各种标记已经与免疫传感器结合起来。用于标记的可能候 选材料包括芘(pyrene)、氨基苯二酰一肼（luminol）和荧光素 (luciferin) 等荧光物质。其中氨基苯二酰一肼对于构筑一个同类免疫测 试系统表现出完美的特性。它的电激发化学荧光特性在呈中性PH值的特殊 领域应用已获深入的研究。 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 (5)用于抗癌与抗病毒基因识别的DNA相干作用特征辨识 的电化学荧光传感 三羟钌菲咯啉（phenanthroline）基于电化学反 应产生电化学荧光。若存在草酸盐，荧光会显著地增 强。最近的研究表明，可将菲咯啉配体置于DNA双螺 旋体基对之间。由于受到DNA分子空间排列的阻碍， 钌络合物位于DNA的主轨道内不发射荧光。 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 (6)环糊精（CD）式中性载荷离子传感器 环糊精是一种微生物，能够分解出淀粉，与6个以上的葡萄 糖结合成一个环状体。CD表面上是亲水性的，而内部却是疏水 性的。CD能够包含在化学物质内部，这个功能可以引导人们开 发出一种医药系统（DDS），使药物进入生物体的指定部位后保 持一段时间，我们期待着这种系统的早日诞生。另外，使用直 径特别小的细管即纳米管（10-9m）也可以实现这种功能。 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 CD式分子识别器： 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 环糊精（CD）： 第三章(3)15智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 纳米管的形成： 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 CD式分子识别传感器通过制作一种单分子膜来控制电流。 这种单分子膜与朗缪尔（LB）膜及自身AU电极上的膜等二元细 小充填物十分接近。当有东西进入CD的内孔时，流入电极的电 流就会减少。另外，大脑内含有大量的谷氨酸蛋白质，如果将 其嵌入磷脂质双层膜中，就能够开发出检测灵敏度为30nM的高 灵敏度谷氨酸传感器。 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 (7) 酶传感器 酶是蛋白质，可以与特定的化学物质以特别的方式结合在一起 。采用酶有选择地测定各种化学物质的传感器称为酶传感器。例 如测定葡萄糖可以利用下面化学反应式： 葡萄糖 + 02 葡萄糖酸内酯 + H2O2 这个反应式中，起催化作用的酶是葡萄糖氧化酶（GOD）。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 来测定葡萄糖的浓度。因为在膜上产生的H2O2与铂等电极将发生 H2O2 2H+ + O2 + 2e- 反应，所以通过测定电流可以得到H2O2的量。 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 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 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 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 将酶包在其中）和吸附法（利用纤维素膜吸附酶）。 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 葡萄糖传感器是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 感器在市场上可以买到。这种传感器是一种从GOD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 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ISFET（Ion Sensitive Field Effect Transistor,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ISFET测定固化酶薄 膜上产生的离子的量的传感器。 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 装在芯片上的生物传感器： 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 酶传感器的性能： 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 (8)微生物传感器 微生物传感器是一种利用微生物的呼吸机能及代谢机能有 选择地测定化学物质的传感器，一般用于发酵等工业过程控制 和环境监测。 微生物传感器分呼吸活性测定型和电极活性测定型。前者 利用电子化学装置测定固定化微生物的呼吸活性的变化，而后 者则属于测定微生物与电极进行化学反应的生成物（H2，CO2， NH3等）。与酶传感器相比，这种传感器更便宜更稳定。 第三章(3)23智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 喜氧性微生物依赖吸入的氧气产生能量。如果在氧化电极上 能测出实际的耗氧量，则可以得到呼吸的活动性。氧气透过聚四 氟乙烯膜时，能够通过铂电极还原出来。如果被测液体中存在影 响呼吸活动性的物质，则可利用氧气浓度计来评价化学物质的浓 度。 利用一种假单细胞的微生物能够开发出葡萄糖传感器。这种 菌被固定在骨胶膜中，如果将其放在检测液中，则会因为葡萄糖 的摄入而使呼吸的活动性增强，同时也使扩散到电极上的氧气量 减少。电极上测定这种呼吸的活动性的变化时，如果以电流值与 葡萄糖浓度的关系表示的话，将是一条直线，所以很容易评价葡 萄糖的浓度。 第三章(3)24智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 生物化学的耗氧量（BOD）能够反映水中混入的有机物的含量 ，所以可以使用它检测水质污染程度。水中的污染物也能够分解 出喜氧性的微生物，因为它要消耗氧，所以只要测定氧的含量， 便可以得知污染的程度。这种方法在日本工业标准（JIS K 0101 ）中虽然已有规定，但是操作起来特别繁杂，而且测定一次需要5 天，所以期盼着能有一种既简单又迅速的传感器早日问世。现在 能够生产的传感器由吸附并固化在纤维素上的毛孢子菌和氧化电 极构成，它产生的电流与废水的BOD值成比例，响应时间为5 10min，与以前的方法相比较，大大地缩短了时间。为了提高啤酒 厂的废水处理效率，现在已经采用能够与醋酸和乙基甲酮发生反 应的微生物传感器。 第三章(3)25智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 从污泥中分离硝化菌的氨传感器已进入了实用化阶段。 硝化菌吸氧，所以利用氨的氧化反应，根据氧传感器测定的 氧的含量，可以评价氨的浓度。以前，由于受到氨的挥发和 各种离子的影响，在氨水和氨气电极上获取氨的选择性很差 。而采用微生物原理制作的氨传感器就有很高的选择性，十 分适用于发酵工厂。 第三章(3)26智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 微生物传感器原理： 第三章(3)27智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 (9)反应器式鲜度传感器： 第三章(3)28智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 现在来讨论鱼的新鲜度测定问题。鱼死后，高能量的化合物 腺苷三磷酸（ATP）将按顺序依次分解为腺苷二磷酸（ADP）、腺 苷酸脱氨酶（AMP）、胸苷一磷酸（IMP）、次黄苷（HR）、次 黄嘌呤（H）。1959年，人们发现鱼中的HR和H等的含量与 鱼的鲜度有关。从此，人们开始了进一步的研究，提出了值指 标概念。 式中， 表示浓度。K值在O20的范围内时，表示鱼新鲜， 可以作为生鱼片食用；K值在2040时就得加热处理后食用。 所以K值越小表示鱼越新鲜。 第三章(3)29智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 另外，如果从ATP到IMP的分解过程进行得较快的话，前面几 项就可以忽略不计了，则上式还可以改写成 这里，新鲜度传感系统由黄嘌呤氧化酶与核苷磷氧化酶的混 合膜和氧化电极构成，该测定能够达到20。使用这种传感器已 经对比目鱼、鲷鱼、竹荚鱼、狼鲈鱼等的K值作过测定。另外，如 果将IMP、HR、H的量辐射到3轴上（雷达图形），则根据条纹 形状还可以从视觉的角度评价鲜度。 第三章(3)30智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 现在，欧美诸国都使用组胺酶的量评价新鲜度。组胺酶是一种 能够引起食物中毒的毒素，鱼放得久了就有可能生成这种东西，在 测定的同时使用K值测定和组胺酶的测定，就能更可靠地确保饮食的 安全性。 使用嗅觉传感器（气体传感器）也可以评价新鲜度。氨系列中 三甲胺（TMA）的气味与鱼类不新鲜（腐臭味）时的味道相同。所以 我们可以尝试地使用TAM氧化物半导体作为测定传感器。例如使用钌 氧化钛测定时，其电阻将随着鱼的劣化程度而减小。所以利用电 阻的减小也可以评价新鲜度的降低程度。 还有关于利用多膜电位计型味觉传感器对食品的味道和品质进 行评价的报道。看来，为了使我们今后的饮食生活变得更加安全， 必须在工厂、餐厅、鱼店、家庭等处装设传感器进行监控。 第三章(3)31智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 新鲜度传感器： 第三章(3)32智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 (10) 亲和性传感器 这种传感器将与某种特定的化学物质（抗原）具有结合力 的抗体固化在传感接受部，用于测定化学物质的浓度。实际使 用中有两种信号输出：一种是利用晶体振荡产生的周期变化； 另一种是利用表面等离子共振形成的反射光（SPR）的变化。 前者属于质量变化，后者则反映折射率的变化，不管哪一种都 可以实现高灵敏度的测定。 第三章(3)33智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 患过庥疹和流行性腮腺炎的患者，二次患病时的症状就会减 轻。这种现象被称作免疫，也就是针对病源滋生的抗原体产生抵 抗即抗体作用。抗体只能与特定的抗原相结合，而对于其他的抗 原无效。抗原虽然是一般的病毒，但是不能自身繁殖，必须借助 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 了自身的正常工作，从而导致生病。T4 型噬菌体的6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， 从而将遗传因子送入体内。 T4型噬菌体 第三章(3)34智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 抗体对于4根多肽链，将以Y字型结合在一起。Y字的两个头部 属于与抗原结合的领域，抗体的遗传因子有几个分段。对于无数 种抗原，都必须有双倍于它的遗传因子分段与其对应。人的遗传 因子分段大约有500个， 其组合数量是极其庞大 的。要使各种抗体与其 对应的抗原进行结合需 要一个极其庞大的机构。 抗原与抗体的结合 第三章(3)35智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 晶体振动式亲和性传感器： 第三章(3)36智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 (11)超导量子干涉器件（SQUID:Superconducting Quantum Interference Device） 这是一种超导状态下产生量子化效应（磁通的量子化）的 装置，利用它可以在极其微弱的磁场下得到高灵敏度的测定。 特别是在医疗方面，通过测定大脑发生的磁场强度（大约是地 球磁场强度的十亿分之一），诊断和分析大脑机能，这方面已 经取得了很大成果。近年来随着高温超导体的发现，依赖液态 氮的温度变化调整动作值的传感器的制作已经成为可能，再加 上冷冻机的性能的提高，SQUID的应用范围更加广阔。 第三章(3)37智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 最近，有一种利用抗原抗体反应原理检测特定的微量分子的传 感器很引人注目。它的原理是将纳米级磁性微粒结合到抗体（称作 MAKA）中，使之与抗原进行反应，测定采样的磁化状态。 首先将抗体放在玻璃板上（检查试剂），然后加入检测对象的 抗原体，使它与固定抗体进行反应。其次加入与抗体结合在一起的 磁性微粒（MAKA），使之与抗原相结合。最后，用水冲洗，留下固 化了的MAKA。测定MAKA的剩磁和磁性衰减的测定灵敏度要比以往的 光学MAKA的方法高10倍左右。所谓光学方法是将具有发光酶的MAKA 加进抗体中，根据它与抗原体结合形成MAKA时发出的光进行测定。 另外还有质量测定法，它是利用吸附抗体的晶体振子在与抗原结合 的过程中对抗原量的变化进行测定。 第三章(3)38智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 现在，能够检测到的磁性微粒的个数是2106，如果能够减少 系统噪音，还有可能减少一个数量级。不管怎么说，这种方式的灵 敏度已经比以往的方法 高两个数量级了。 高精度的蛋白质的 质量分析装置也已经开 发出来了。我们期待着 用于生物学领域的高性 能测定装置的研发成功。 第三章(3)39智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 (12)无疼痛型血糖测试传感器 利用牙龈中分泌出的体液测定血糖的非侵入式便携式装置目前还在试 制阶段。牙龈液的分泌量为几微升，属于微量级别，但是它所含的葡萄糖 浓度与血糖的相关量的比值却可以达到0.9以上。 这里，可以考虑将装有葡萄糖试纸的毛细管作为牙龈分泌液的采样器。 在进行牙龈液分析时，要求葡萄糖试纸能够检测出浓度为1mg/L（因为血糖 值一般在10003000mg/L）的血糖值。这种采样器要插入腔，所以应采 用自由便携式。有关试纸是一种含有葡萄糖氧化酶（GOD）、过氧化酶（ POD）以及染色体基因的酶试纸，而且为了减少对还原物的影响，通常不选 用疏水性高分子。将反应的时间延至90秒可以提高增感效果。 第三章(3)40智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 采样液在试纸上与葡萄糖发生反应时将产生色变，这种现 象可以通过波长为650mm的红色半导体激光测定。利用透镜将 垂直方向的反射光聚焦，通过发光二极管检测反射光的量，从 而求出反射率。结果，得到试纸的变色浓度与葡萄糖浓度的比 值为0.9以上。 通过几个医疗机关的试验结果发现，这种血糖测定器有 望得到认可，因为采样时没有疼痛的感觉，与血糖值相关的数 也达到了0.94。从商品的意识出发对此做问卷调查，如果这种 血糖测定器定价为15000日元，则求购量就会成倍增加。所以 ，发展前景十分看好。 第三章(3)41智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 牙龈液（GCF）采样器的结构： 第三章(3)42智能传感与信息系统 3.3.4 用于分子识别的生物传感器 (13)分子元件 纳米（10-9）比微米（10-6）还要小。半导体器件的尺寸做到纳米 程度时，电子就可以像离