信息材料-生物传感器

1、同济大学同济大学羽羽生物传感器是一种特殊的化学传感器，它以生物活性单元（如酶、抗体、核酸、细胞等）作为敏感基元，能对被测物进行高选择性地识别，通过各种理化换能器捕捉目标物与敏感基元之间的作用，然后将作用的程度用离散或连续的信号表达出来，从而得出被测物的种类和含量。特点：选择性高响应速度快操作简易仪器价格低廉可进行连续监测和在体分析分子识别指在特定的条件下通过分子间作用力的协同作用达到互相结合的过程，两种分子的作用部位是否有“凸和凹”的结构，能否相互“照应”，成为实现这一过程的关键。生物传感器感受器（敏感膜）换能器生物传感器必须有一个感受器（敏感膜），它能像膜受体一样有选择性地“捕捉”自己感兴趣

2、的目标物质。生物传感器敏感膜上的功能性物质或生化活性物质可以是半导体材料、显色剂、高分子材料、氧化剂或还原剂、可以是酶、辅助酶、抗原或抗体，也可以是细菌或生物组织，甚至是某种病毒。图图1 1 敏感膜对生物分子的选择性作用敏感膜对生物分子的选择性作用生物传感器除了感受器之外，还要有一个类似于味觉细胞突触的部分，它负责将生化反应变成一种可解读的信号，这部分称为换能器。生物传感器的感受器捕捉到被测物后，感受器的敏感物质与被测物相互作用，所产生的生物化学变化不能，直接被解读，换能器的作用就是将这些变化转化为电流、电压、电导率、吸光度、荧光、频率、声强、和热量等能够记录和进一步处理的信息，及将感受器的刺

3、激信号转换成输出信号。被测物被测物质质生物敏生物敏感膜感膜热、光、热、光、声信号声信号信号放信号放大大输出输出换能器换能器电流型酶传感器（电化学酶传感器）是由生物酶膜与各种电极，如离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极的电化学电极组合而成，或将酶膜直接固定在基体电极上制成的生物传感器。目前常用的传感器有：电流型葡萄糖传感器，其敏感器件是葡萄糖氧化酶膜修饰电极。当葡萄糖溶液与电极表面的酶膜接触后会发生酶催化反应，根据反应中消耗的氧、生成的葡萄糖酸及H2O2的量，可用氧电极、pH电极及H2O2电极，来测定葡萄糖的含量。还有，肌酸和肌酸酐电化学传感器、胆固醇电化学传感器、乳酸电化学传感器、尿酸电化学传

4、感器、嘌呤电化学传感器。电化学免疫传感器是一种以免疫物质如抗原或抗体为敏感元件的电化学生物传感器，它集成了电化学分析方法与免疫学技术，将各种抗原抗体等免疫成分固定在电极表面后，通过抗原-抗体之间的特异性组合以及分析物与标记物之间的免疫反应，把抗原抗体的结合反应通过电化学传感元件，转化成可以检测的电化学信号，进而进行特异性的定量或半定量分析。电流型免疫传感器，测定的是恒定电压下通过电化学池的电流，待测物通过氧化还原反应在传感电极上产生的电流，与电极表面的待测物浓度成正比。1979年，首次报道了电流型免疫传感器用于检测人绒毛膜促性腺激素（HCG），在该体系中， HCG单克隆抗体被固定在氧电极膜上，

5、过氧化氢酶标记的HCG和样品中的HCG竞争，并与之结合，前者与固定抗体结合后，可催化还原氧化还原反应，产生电活性物质，从而引起电流值的变化。电化学DNA传感器的基本结构包括一个能固定DNA探针的电极和一个换能器。DNA探针是此类传感器的生物敏感元件，它是单链DNA（ssDNA）的片段或整链，长度可以从十几到上千个核苷酸不等，一般是使用已被公认可识别出靶序列所需的最短序列，其碱基序列与待测DNA片段的碱基序列互补。其基本原理如图所示：图图2 2 电化学电化学DNADNA传感器的响应原理传感器的响应原理光纤生物传感器一般由光源（或无光源）、光纤、探头、检测器，以及数据处理装置组成。光纤生物传感器的

6、信号不受电磁干扰，一般不需要参比，其直径可以小于1nm，可直接放入血管、活体组织和细胞等空间，并不影响生物体的电生物化学性质。主要类型有光纤型酶传感器、光纤免疫传感器、光纤DNA传感器。其中，光纤酶传感器的传感原理如图所示。图图3 3 光纤酶传感器的传感原理光纤酶传感器的传感原理电化学发光是利用电解技术在电极表面产生某些电活性物质，通过氧化还原反应而导致化学发光。包括电化学发光免疫传感器、电化学发光DNA传感器。分子印迹技术是制备对特定目标分子具有特异性预定选择性的高分子化合物分子印迹聚合物（MIP）的技术。MIP再结合被测物前后，电导、电容等会发生变化。图图4 MIP4 MIP的制备过程的制

7、备过程纳米颗粒表现出显著的不同与块状材料的特性，其有非常大的比表面积、较高的表面自由能、以及具有吸附浓缩效应，因此可以牢固固在大量酶蛋白，并在一定程度上钝化酶的结构，使其不易发生进一步的变化失活。其具有定向作用，纳米颗粒的吸附场能引起颗粒的整齐排列，这样吸附在纳米颗粒上的酶和蛋白质就具有定向作用。其基体多使用金属粒子，金属纳米粒子具有良好的导电性和宏观隧道效应，使酶的氧化还原中心与电极间通过纳米材料进行直接电子转移，提高了电极与固化酶间的电子传递速度，有效地加速了酶的再生过程，提高了传感器的电流响应灵敏度。基因芯片技术是生物芯片的一种，是生命科学领域中掀起的一项高新技术，它集成了微电子制造技术、激光扫描技术、分子生物学、物