化与生物传感器复习重点

1、学习好资料 欢迎下载 化学与生物传感器复习重点 第一章 绪论 1,定义 传感器：是指一些能把光,声,力,温度,磁感应强度,化学作用和生物效应等非电学量转 化为电学量或转换为具有调控功能的元器件； 2,基本构成 传感器通常由敏捷元件（感受器）和转换元件（换能器）组合而成； 3,工作原理 待分析物 感 生 化学量或 换 可定量加工 膜 物 能 敏 物理量变化 器 的电信号 4,生物传感器主要特点 多样性,专一性强,无试剂分析,操作简洁,可重复性使用 5,生物传感器的常见性能指标 1.灵敏度（ sensitivity ） 2.选择性（ selectivity ） 3.检测极限（ detection

2、limit or limit of detection ） 4.检测范畴或线性区间（ linear range or dynamic range ） 5.响应时间（ response time, T95） 即从开头响应到信号达到最大强度的 95%所需时间 第 1 页,共 14 页学习好资料 欢迎下载 其次章 分子识别元件及生物反应基础 1,酶联免疫测定法 特点： 1）用酶促反应的放大作用来显示初级免疫学反应 . 2）灵敏度不高 ,但是特异性,重现性和精确性很好 应用最广 . 酶免疫分析主要有两种 :夹心法和竞争法 .,成本低 ,稳固性好和操作安全等, 夹心法要求抗原至少有两个结合点 , 不能用

3、于检测半抗原 ,多用于测定大分子物质 .产 生的信号强度与结合在固相上的抗原量成比例关系 . 酶促反应 固定抗体 待检抗原 酶标记抗体 E 底物 E E 检 测 竞争法产生的信号强度与结合在固相上的酶标抗体量成正比例关系 ,与样品中的抗原量 成反比关系 .主要用于测定小分子抗原 . 第 2 页,共 14 页学习好资料 欢迎下载 2,核酸分子探针 DNA的变性（ denaturation）： 双链 DNA 在加热或碱的存在下解离成两条单链 温度叫变性温度 Tm； DNA 的过程；热变性中 DNA 解链一半时的 DNA的复性或退火（ annealing）： 变性的 DNA 在缓慢降低温度复原原始的

4、双螺旋结构的过程； 核酸分子杂交： 两条单链 DNA 分子经退火形成双链 DNA 的现象叫核酸分子杂交；核酸分子杂交不仅可以 在两条互补的 DNA 链间进行,也可以在互补的 DNA 和 RNA 直接进行； 第三章 敏捷膜与敏捷元件 1,敏捷元件的构成及材料 敏捷元件由基体材料,成膜材料和敏捷功能材料三部分组成： 基体材料是敏捷元件的载体, 敏捷功能材料固定在基体材料的表面, 它对传感器的寿命 和使用方式产生较大的影响,并且能够发挥敏捷功能材料的作用； 成膜材料是用于固定敏捷功能材料的物质,它具有良好的成膜性,可以形成一个传感界 面；同时具有确定的刚性和柔韧性, 能够支持敏捷功能材料使其牢固地固

5、定在基体材料的表 面；它仍必需具有确定的物理或化学作用力,进而增加敏捷元件的稳固性； 敏捷功能材料是传感器的核心组成,它能够直接感受被测对象的非电量信息部分,然后 通过转换器转换成合适的电化学信号；它必需具有光,电,热电,压电,电化学等不同方式 的转换功能； 2,生物敏捷材料的固定化 固定化的主要目的是将酶等生物敏捷材料限制在确定的空间 ,但又不阻碍被分析物的自由扩 第 3 页,共 14 页学习好资料 欢迎下载 散.与游离相生物材料相比 1热稳固性提高 2可重复使用 3）生物材料用量少 ,固相生物材料具有一系列优点 :4不需要在反应后进行催化物质与反应物质的分别 5可以依据已知的半衰期 hal

6、f-life 确定传感器膜的寿命等 . 3,固定化基本方法 夹心法 sandwich 或隔离法 insulation 包埋法 entrapment吸附法 adsorption 共价结合法 covalent binding 交联法 cross linking 微胶囊法 micro-encapsulation 以下是具体说明： 1夹心法 :将生物活性材料封闭在双层滤膜之间 ,形象地称为夹心法 . 特点 : 操作简洁 不需要化学处理 固定生物量大 响应速度快 重现性好 适用于微生物和组织膜制作 2）吸附法： 经非水溶性载体物理吸附或离子结合作用使生物敏捷材料固定,称为吸附法 . 吸附的作用力 : 氢

7、键 范德华力 离子键 配位键 疏水作用力 度有关； 吸附的牢固程度与溶液的 pH,离子强度,温度,溶剂性质和种类以及吸附物的浓 优点： 吸附法方法简洁,操作条件温存,对生物分子活性影响较小； 缺点： 结合力较弱,稳固性差,易于发生脱附作用,进而导致重现性差和灵敏度低； 3）包埋法 将生物分子包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中即为包埋法； 将酶 分子包埋在凝胶的微小网状结构里制成固定化酶, 称为凝胶包埋法； 将酶分子包埋在由半透 膜构成的微型胶囊中, 酶分子被限制在膜内, 小分子的底物和产物能自由通过半透膜, 称为 胶囊包埋法； 优点： 不产生化学修饰 保持生物分子活性 膜的孔径和几

8、何形状可任意把握 被包埋物不易渗漏 分子可以在膜中扩散 缺点： 分子量大的分子在膜中扩散困难 第 4 页,共 14 页学习好资料 欢迎下载 4）共价结合法 使生物活性分子通过共价键与不溶性载体结合而固定的方法 酶与载体共价键合方式： 与载体直接反应连接 通过同源双功能试剂与载体连接 通过异源双功能试剂与载体连接后再与载体反应连接 酶与载体之间的共价结合方式,主要有重氮法,肽键法,烷化法等 共价结合的特点 5）交联法 此法借助双功能试剂使生物分子结合到惰性载体并彼此交联成三维网状结构 . 优点： 操作简洁, 结合牢固, 在酶源较困难经常常需要加入数倍于酶的惰性蛋白质作 为基质； pH,交联剂浓度

9、也比较重要 6）微胶囊法 微胶囊法主要接受脂质体 liposome 来包埋生物活性材料或指示分子； 脂质体是由 脂质双分子层组成的内部为水相的闭合囊泡 . 直径一般为 1-100 m； 学习好资料 欢迎下载 第四章 换能器 1,电化学基础 原电池： 经典模型：锌铜原电池 正极： Cu2+ aq十 2e Cus, 负极： Zns一 2eZn2+aq 总反应为： Zns+Cu2+aq Zn2+aq+Cus 概念：氧化值：指某元素的一个原子的荷电数 氧化仍原半反应 氧化仍原电对：如 Cu2+ / Cu 仍原电对 , Zn/ Zn2+ 氧化电对 盐桥：通常为加琼脂的饱和 KCl 溶液 表示法： M1

10、| M1n+c1 | M2K+c2 | M2 + 其中“ |”表示界面 , “ |” 表示盐桥 电解池： Pt 为电极, HCl 溶液为电解质, 溶液中的离子做定向移动 H+ 负极 Cl- 正极 电极上发生的化学反应 +极 2 Cl- - 2e Cl2 阳极,氧化反应 - 极 2 H+ + 2e H2 阴极,仍原反应 2,电极电势 无法测定单个电极的确定电极电位；电极电位是相对的； 规定：将标准氢电极作为负极与待测电极组成电池, 位,比标准氢电极的电极电位高的为正,反之为负； 例 1： Pt | H2101325 Pa , H+1 mol/L | Ag2+1 mol/L|Ag 电位差： +0.

11、799 V ； 银电极的标准电极电位： +0.799 V ； 电位差即该电极的相对电极电 第 6 页,共 14 页学习好资料 欢迎下载 注： 值越大, 电对中氧化型物质的氧化才能越强, 指仍原电对） 仍原剂的仍原才能越弱； （一般说的电对 值越小,电对中仍原型物质的仍原才能越强,氧化剂的氧化才能越弱； 例： Zn2+/Zn= 所以 氧化性 Cu2+ Zn2+ 仍原性 Zn Cu 3,能斯特方程（针对求非标准状态的电极电势 对于任意反应： aA+bB = dD+eE 电池的电动势为： E E RT D d E enF ln A a B b此方程即能斯特方程； 当 T=298 K 时,能斯特方程为

12、： nn D d E elg A aB bE E 又 -lg氧化剂 仍原剂 电极电势, 为标准电极电势（查表可得） 第五章 电化学传感器（不作重点内容） 电位型化学传感器 电流型化学传感器 第 7 页,共 14 页学习好资料 欢迎下载 第六章 电化同学物传感器 1, 电化同学物传感器 基本原理： 将生物特异性试剂固定在传感元件如电极的界面, 在发生相应的生化反应之后会产生一个与 被测物质浓度有关的信号,进一步利用电化学的方法对该信号进行测量； 特点： 高效,专一,简便,快速,灵敏度高,选择性好,响应快,操作简便,样品用量少,易于微 型化,价格低廉 例如： 电流型生物传感器 是通过转变外加勉励电

13、压测量响应电流, 利用电流与浓度的关系从 而求解待测物质浓度的一类电化学传感器； 2,电流型酶传感器 第一代：经典酶电极 酶传感器 其次代：媒介体酶电极 第三代：直接酶电极 固定化酶和电化学传感器的结合； 优点： 既有不溶性酶体系的优点,又具有电化学电极的高灵敏度； 酶的专一反应性,使其具有较高的选择性,能够直接在复杂试样中进行测定； 第 8 页,共 14 页学习好资料 欢迎下载 3,葡萄糖检测原理 依据反应中消耗的 O2,生成的葡萄糖酸和 H2O2 的量, 可以用氧电极, pH 电极和 H2O2 电极来测定葡萄糖的含量； 第七章 光化学与生物传感器 1,概念 定义： 光化学传感器是利用感受器

14、的敏捷膜与被测物质相互作用前后物理, 化学性质的转变而引起 的光谱传播特性的变化来检测物质的一类传感器； 两种形式： 一种是将分子探针安装在光器件上,需要对光器件进行化学修饰,使光器件成为敏捷器件； 另一种是直接利用光器件的波谱选择性对样品进行分子识别, 身； 感受器和换能器就是光器件本 光生物传感器只是分子探针接受的是生物材料, 利用生化作用进行分子识别, 其它的与光化 学传感器没有区分； 第 9 页,共 14 页学习好资料 欢迎下载 2,朗伯比耳定律 A lg（ I0/It= b c 式中 A ：吸光度；描述溶液对光的吸取程度； b：液层厚度 光程长度 ,通常以 cm 为单位； c：溶液的

15、摩尔浓度,单位 mol L； ：摩尔吸光系数,单位 Lmol cm 3,光纤化学传感器 光纤化学传感器 fiber optic chemical sensor, FOCS 一般由光源,光纤,探头,检测器及数据 处理装置组成； 依据光纤探头所固定的化学敏捷试剂与分析物作用时产生光学性质变化, 通过光纤传输光信 号,光电器件将光信号转化为电信号,测定待测物含量的装置； 优点： 抗电磁场干扰,稳固性好,尺寸小可作微型生物传感器,可用于体液测量, 能进行长 距离的光传导 缺点： 易受背景光干扰, 线性范畴窄, 固定化敏捷材料长期受辐射, 微型化使得敏捷材料用量 少导致信号减弱不变测量 分类： 光纤化学

16、传感器接受不同的检测方法, 感器等； 主要有光吸取型传感器, 化学发光型传感器, 荧光传 第八章 SPR 生物传感器 1,表面等离子共振 假如在两介质之间的界面上镀上一层很薄的金属膜（约为 50nm）,当一束单频偏振光 以大于临界角的角度入射时, 在其频率与金属表面振荡的等离子频率一样时, 金属表面的等 离子就吸取入射光的能量发生共振,即表面等离子共振； 现象： 入射光被自由电子吸取, 全反射条件被破坏, 显现衰减全反射现象； 从宏观上看, 反射光光强急剧下降,这就是表面等离子共振； 第 10 页,共 14 页学习好资料 欢迎下载 2,共振波长和共振角 发生表面等离子共振时,反射光能量急剧削减

17、,在反射 光强反应曲线上看到一个最小峰,这个峰称为吸取峰； 此时对应的入射光波长为共振波长 对应的入射角为共振角； 3, SPR 检测原理 SPR 对附着在金属薄膜表面的介质折射率特殊敏捷 ,当表面介质的属性转变或者附着量转变 时,共振角将不同；因此, SPR 谱（共振角的变化 vs 时间）能够反映与金属膜表面接触的 体系的变化； 4,特点 无需标记,不须预处理,灵敏度高,用量少,可进行动态检测,操作简洁便利 5, SPR 仪器构成 光源：发出平面偏振光 芯片：金属薄膜沉积在玻璃基底上 光波导耦合器件：棱镜型,光栅型和光纤型 6, SPR 传感器中分子固定方法 物理吸附法：疏水作用,静电作用,

18、范德华力等 自组装法： Au-SH , Protein AG 共价固定法：先在传感器表面修饰功能基团,受体通过偶联剂共价固定 生物素 -亲和素法 单克隆抗体法 金属螯合物法 第 11 页,共 14 页学习好资料 欢迎下载 第九章 分子印迹生物传感器 1,分子印迹技术 分子印迹技术 MIT 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； 2,实现分子印迹的 3 个过程 1）功能单体和印迹分子 模板, template在确定条件下通过共价或非共价作用结合形成某种 可逆的复合物 2）加入交联剂,在引发剂作用下发生聚合反应将这种复合物“冻结”起来 ,制得聚合物

19、 3）将印迹分子抽提出来 ,这样在聚合物的骨架上便留下了一个对印迹分子有“预定”选择性 的分子识别位 3,分子印迹的分类 共价型 :印迹分子和单体通过可逆的共价作用形成复合物, 是一种分子预组织方式； 使用范畴窄, 一般用于催化方面, 非共价型 :印迹分子和单体通过氢键,偶极,离子,金属螯合,电荷转移,疏水或范德华力 相互作用形成复合物 ,非共价型的分子烙印是一种分子自组装的过程； （最常用） 共价和非共价联用： 印迹分子和单体的结合是共价作用, 非共价结合； 4,分子印迹聚合物合成的基本原理 但印迹分子和聚合物的重新结合是 选择带有功能基的烯类单体与大量二烯类单体进行共聚合,要求所带的功能基

20、能与印 迹分子作用, 这样制得的高交联刚性聚合物在除去印迹分子后就得到具有确定空间构型的孔 穴和功能基在孔穴内精确排布的聚合物； 5,理想的分子印迹聚合物应具备的性质 适当地刚性,确定的柔性,确定的机械稳固性,热稳固性 第 12 页,共 14 页学习好资料 欢迎下载 第十章 纳米生物传感器 1,纳米材料 纳米材料是指尺寸介于原子与宏观物质之间的一类物质,一般在 特性： 1-100 nm 之间； 表面效应：宏观球形颗粒的比表面积（表面积 /体积）和粒径成反比,随着粒径变小, 比表面积显著增大,表面原子百分数显著增加；当颗粒粒径降到 1nm 时,表面原子所占百 分数达到 99% 以上,原子几乎全部集中到纳米颗粒的表面,造成表面原子配位数不足和高 的表面能,故具有很高的化学活性； 小尺寸效应： 当颗粒尺寸不断减小到确定限度时, 和化学性质的变化； 在确定条件下引起材料宏观物理性质 宏观量子隧道效应： 纳米材料的能带分裂为分裂的能级