传感器技术在生化分析中的应用进展-微生物传感器

1、LOGO传感器技术在生化分析中的应用进展传感器技术在生化分析中的应用进展专业：分析化学专业：分析化学组员：陈裕富、董秋鹏、祖洪波、刘丹组员：陈裕富、董秋鹏、祖洪波、刘丹二、生物传感器在生化分析中的应用二、生物传感器在生化分析中的应用1. 微生物传感器微生物传感器2. 酶传感器酶传感器3. 免疫传感器免疫传感器4. 基因传感器基因传感器一、生物传感器的介绍一、生物传感器的介绍三、生物传感器的发展趋势三、生物传感器的发展趋势目目录录一、生物传感器的介绍一、生物传感器的介绍 传感器(transducer或sensor)：将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量等)按定规律转换成便于处理和传输的另一种

2、物理量(一般为电量)的装置。 传感器技术：利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术，是检测(传感)原理、材料科学、工艺加工等三个要素的最佳结合。1. 传感器技术传感器技术传感器的组成部份传感器的组成部份敏感元件转换元件转换电路被测量电量图图1.传感器的组成示意图传感器的组成示意图被检测量 物理量传感器化学量传感器生物量传感器 物理原理 压阻式、压电式、电感式、电容式、应变式、霍尔式 能量的传递方式 有源传感器无源传感器 工作机理 结构型物性型 分类原则传感器的分类传感器的分类2. 生物传感器生物传感器2.1 生物传感器的基本概念生物传感器的基本概念 生物传感器生物传感器：指由一种生物敏感部件

3、(如酶、抗体、全细胞、细胞器或其联合体)和转化器紧密结合,对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。 它是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控方法,也是对物质在分子水平上进行快速和微量分析的方法。2.2 生物传感器工作原理生物传感器工作原理图图2.生物传感器原理图生物传感器原理图2.3 信号转换信号转换 信号转换器是将分子识别元件进行识别时所产生的化学的或物理的变化转换成可用信号的装置。 用得最多的且比较成熟的是电化学电极。电化学电极电化学电极电位型电位型电极电极电流型电流型电极电极氧化还原电极离子选择电极氧电极2.4 生物传感器分类生物传感器分类输出信号的产生方式

4、生物亲和型代谢型催化型 信号转换器电化学、半导体测热型、测光型、测声型生物分子识别元件上的敏感材料酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、基因传感器、细胞及细胞器传感器。分类原则分类原则2.5 生物传感器的特点生物传感器的特点 灵敏度高灵敏度高选择性好选择性好测定迅速测定迅速可微型化可微型化现场检测现场检测2.6 生物传感器在生化分析中的应用生物传感器在生化分析中的应用 基础研究基础研究：可实时监测生物大分子之间的相互作用，动态观察抗原、抗体之间结合与解离的平衡关系。 临床应用临床应用：用酶、免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提出依据。 生物医药生物医药：利

5、用生物工程技术生产药物时，将生物传感器用于生化反应的监视，可以迅速地获取各种数据，有效地加强生物工程产品的质量管理。 二、生物传感器在生化分析中的应用二、生物传感器在生化分析中的应用微生物传感器微生物传感器 陈裕富陈裕富1酶传感器酶传感器 刘刘 丹丹2免疫传感器免疫传感器 祖洪波祖洪波3基因传感器基因传感器 董秋鹏董秋鹏41. 微生物传感器微生物传感器(Microorganism Sensor)1.1 原理原理 微生物传感器是以活的微生物作为敏感材料，利用其体内的各种酶系及代谢系统来测定和识别相应底物。 组成组成：固定化微生物、换能器和信号输出装置。分类：分类：呼吸活性测定型；电极活性测定型。

6、图图3. 微生物传感器原理示意图微生物传感器原理示意图 例如，荧光假单胞菌，能同化葡萄糖；芸苔丝孢酵母可同化乙醇，因此可分别用来制备葡萄糖和乙醇传感器，这两种细菌在同化底物时，均消耗溶液中的氧，因此可用氧电极来测定。 基于不同类型的信号转换器，常见的微生物传感器：电化学型、光学型、热敏电阻型、压电高频阻抗型和燃料电池型。表表1.典型微生物传感器一览表典型微生物传感器一览表 测定对象测定对象微生物名称微生物名称测定电极测定电极检出范围检出范围葡萄糖荧光假单胞菌氧电极320 mg/ L甲酸丁酸梭菌燃料电极141320mg/ L乙醇芸苔丝酵母菌氧电极10100mg/ L乙醇木醋杆菌氧电极 18 mg

7、/ L硝酸盐棕色固氮菌氨气敏电极0.010.8mmol/L亚硝酸盐硝化杆菌氧电极0. 010. 6mmol/ L甲烷鞭毛甲基单胞菌 氧电极0.0136.6mmol/L谷氨酸大肠杆菌二氧化碳电极6080 mg/L谷酰胺黄色八叠球菌氨气敏电极0.110 mmol/LL-组氨酸假单胞杆氨气敏电极0.13 mmol/ L1.2 制备方法制备方法 （1）吸附法吸附法：利用载体与微生物细胞间简单的物理吸附进行固定。（2）共价键法共价键法：通过交联剂把活细胞以共价键结合到载体上。 （3）包埋法包埋法：将微生物活细胞包埋于适当的立体网状材料中，最常用。1.3 测定系统测定系统 1.3.1 批式测定系统批式测定

8、系统1.3.2 流动测定系统流动测定系统1.4 应用实例应用实例 1.4.1 氨传感器氨传感器 图图5. 微生物传感器的应用氨传感器微生物传感器的应用氨传感器1.4.2 BOD微生物传感器微生物传感器 优点：优点：成本低、操作简便、设备简单，市场前景十分巨大和诱人。 缺点：缺点：选择性不够好，这是由于在微生物细胞中含有多种酶引起的。 发展趋势：发展趋势：微型化、集成化、智能化。 1.5 展望展望4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)4.1 基本原理基因传感器基因传感器也称为DNA生物传感器，是一种能将目的DNA的存在转变为可检测的电、光、声等信号的传感装置。组成：组成：DNA生

9、物传感器和其它的生物传感器一样，包含两部分，即分子识别元件(DNA) 和换能器。种类：根据换能器种类不同，可以分成不同类型的DNA 生物传感器，如电化学DNA传感器、光学DNA传感器和压电DNA传感器等。4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)图4-1 DNA传感器的分类4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)4.2 电化学DNA传感器 电化学DNA 生物传感器是将单链DNA 探针固定在电极上，电极作为信号传导器将表面发生的杂交反应导出。图4-2 电化学DNA传感器的原理示意图4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)4.2.1 DNA探针固定方法 DN

10、A 探针在电极表面的固定首先要考虑实现其与电极的稳定连接和杂交活性的保持，因此电化学DNA 传感器的性质，包括灵敏度和使用寿命等，很大程度上与探针DNA 的固定方法密切相关。 理想的探针固定方法是通过末端修饰基团实现DNA 在电极表面的共价自组装。因为末端连接可以使DNA 骨架在空间构型上有很大的自由度。有利于碱基暴露和双螺旋结构的形成。4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)4.2.1 DNA探针固定方法图4-3 通过生物素亲和素的DNA探针固定方法图4-4 通过金硫键键合 的DNA探针固定方法4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)4.2.1 电化学DNA传感器

11、的应用 由于DNA 自身的结构和组成如碱基的氧化和碱基对电子的传递能力等，因此很多对DNA进行电化学检测。 直接检测DNA可以与某些电极表面进行直接电子转移，碱基和核糖在一定电势窗口下具有电化学活性 间接检测 通过一些氧化还原媒介来实现电子传递，借助于这些与DNA 选择性结合的有电化学活性的指示剂来进行杂交检测。4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)4.2.1 电化学DNA传感器的应用图4-5 通过钌配合物氧化鸟嘌呤检测DNA杂交4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)4.2.2 小结 电化学DNA 传感器具有选择性好、灵敏度高、测试费用低及适于联机化的优点； 电

12、分析化学不破坏测试体系，不受颜色影响，操作简便；电化学传感大都使用固体电极表面固定探针，对发展基于表面控制杂交反应的基因诊断学研究有着独特的优势。 因此，电化学DNA 传感器是一种非常有发展前途的生物传感器，也必将会在分子诊断、食品检验、环境监测以及安全反恐等领域具有极为广泛的应用。4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)4.3 压电DNA传感器 压电DNA传感器是把声学、电子学和分子生物学结合在一起的新型基因传感器，是生物DNA传感器研究中的一个热点。 压电效应：石英谐振器表面质量的变化与谐振频率的变化成负相关关系。 f=-kf02m/A式中：k是和器件有关的常数； f0是反应

13、前传感器的频率； A是反应域的面积； 负号表示质量的增加会引起频率的降低。4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)4.3 压电DNA传感器工作原理：先在石英晶体镀上一薄层金膜然后把ssDNA吸附到石英谐振器表面，通过DNA 分子杂交，对另一条含有互补碱基序列的DNA 进行识别，结合成dsDNA，利用频率的变化测定杂交量(碱基配对量)，便能构建成压电式DNA 传感器。图4-6 压电DNA传感器的工作原理4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)4.3.1 核酸探针的固化方法硅烷法：在电极表面氧化后，使电极表面形成富含-OH 的活性基团，再与硅烷化试剂作用得到含有氨基或羧

14、基的活性表面，从而进行ssDNA固定化连接；自组装膜法：在金电极上，利用-SH 基团可在金表面易形成自组装单分子膜的特性，将ssDNA 固定在基体传感器上；亲合素-生物素法：由于生物素和亲和素具有独特的相互作用，同时核酸很容易生物素化，因此，可通过亲合素- 生物素的作用对ssDNA进行固化连接。4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)4.3.2 生化反应方式 浸泡-干燥法：这种方式的反应是在液相中进行的， 而测量是在气相中进行的。首先在传感器表面固定 DNA探针，记录下频率值，然后把传感器放到溶液 中杂交，再将传感器取出干燥并记录频率的变化值。 缺点：方法繁琐，有很多清洗和干燥步

15、骤； 优点：测量不受液体中多种因素的影响； 4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)4.3.2 生化反应方式 在线测量法：采用流动注射系统，所有的步骤都在液 体中进行。传感器固定在流动腔中，液体流动控制采用 流动注射分析系统，加样、反应、清洗的全部过程都能 自动完成。图4-7 利用流动注射分析系统在线测量4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)4.3.3 小结 到目前为止，压电DNA传感器在生化分析中各个方面，包括细菌，病毒的DNA片段的检测，药物研究，杂交反应动力学等等。与放射标记和荧光标记等方法相比压电基因传感器提供了一种直接的获取反应信息的方法；压电基因传感器

16、可以方便的和流动注射分析系统结合起来，构成自动化的分析系统； 同时压电基因传感技术还存在许多需要改进的地方，比如最佳固定方法的选择，不同条件下频率和质量吸附的具体关系，对环境干扰的抑制等。4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)4.4 光学DNA传感器 光学DNA生物传感器主要有光纤式、光波导式、表面等 离子体共振式等类型。 光纤DNA传感器的传光部分是石英光纤，它的作用机理 是利用石英表面特性通过连接物DNA探针连在光纤端面上，然后与目的基因进行杂交，杂交后的DNA 经杂交指示剂产生的光效应的变化而被检测。图4-8 消失波的工作原理4 基因传感器基因传感器(DNA Biosen

17、sor)4.4.1 DNA探针在光纤表面的固定DNA探针在光纤表面的固定方法主要有两种： 原位合成：首先对光纤表面进行硅烷化处理，然后用 功能分子进行偶联，最后利用固相磷酸胺合成法在光纤 表面逐步合成出ssDNA。 共价交联：是将合成好的探针通过在光纤表面进行化 学修饰，以便装上适合于固定化的功能团，再通过具有 双官能团的物质把DNA共价键合在光纤表面。图4-9 DNA探针在光纤表面的固定4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)4.4.2 光学传感器的应用图4-10 利用光纤式DNA传感器进行DNA检测4 基因传感器基因传感器(DNA Biosensor)4.4.3 小结 光纤D

18、NA 生物传感器的优点: 可进行液相杂交检测； 可在线和实时检测； 可对活体内核酸动态进行检测； 特异性强等。 因此近几年得到了迅速发展，同时寻找新的DNA标记物，优化光纤表面结构，采用新的传感检测技术，产品微型化、商品化，检测自动化等将是今后研究开发工作的重点。三、生物传感器的发展趋势三、生物传感器的发展趋势微型化微型化功能多样化功能多样化智能化与集成化智能化与集成化低成本、高敏感度、高稳定性和长寿命低成本、高敏感度、高稳定性和长寿命LOGO谢谢！谢谢！ContentsClick to add Title1Click to add Title2Click to add Title3Click

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