光学生物传感器

1、关于光学生物传感器第1页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四生物传感器定义生物传感器对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、DNA、蛋白质等生物活性物质）与适当的理化换能器及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。第2页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四生物传感器原理与结构 生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换能器）构成，以分子识别部分去识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础。生物体

2、中能够选择性地分辩特定物质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原的结合，酶与基质的结合。第3页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四转换器生物光学传感器 生物光学传感器利用被测物质与探测试剂反应后引发的光学信号变化（荧光、颜色、折射率变化等）作为探测基础，一般由传感层、光信号转换和放大处理三个功能模块组成。传感层待测物第4页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四光学DNA生物传感器类型 由于光学的方法具有非破坏性和高灵敏度的优点，因此生物光学传感器在生物活性物质探测方面有着广泛的应用。目前研究的用于

3、DNA检测的光学生物传感器有光纤式、表面等离子谐振式、光波导式等类型。第5页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四大多数DNA传感器，不论是光学的还是电类的，都是建立在DNA杂交的基础上，即DNA碱基配对和系列互补原理，它是由固定有已知的核甘酸序列的单链DNA(亦称之为ssDNA探针)的电极(探头)和换能器两部分组成。第6页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四1.1 光纤DNA生物传感器的工作原理光纤 DNA 生物传感器是将单链DNA 探针固定在mm级的光导纤维的末端上, 然后将若干条固定有单链 DNA探针的光导纤维合成一束, 形成一个微阵列的传感器装置.第7

4、页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四1.1 光纤DNA生物传感器的工作原理 图1 光纤DNA生物传感器装置图第8页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四1.2 光纤DNA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灵敏度高；特异性强光纤传输功率损耗小，传输信息容量大第9页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四1.3 光纤DNA生物传感器的应用 用于模式寡核苷酸的检测用于 DNA损伤的检测用于基因检测用于药物检测用于酶的检测第10页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四2.SPR(Surface

5、 plasmon resonance biosensors) 生物传感器的工作原理 SPR是一种物理光学现象,是电磁波所激发的在金属和电介质交界面上形成的影响电磁波传播的谐振波。表面等离子体(SP)是沿着金属和电介质间界面传播的电磁波形成的。第11页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四2.1 SPR生物传感器的工作原理图第12页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四表面等离子体共振测量（SPR）技术是近几年发展起来的生物光学检测技术，它利用了衰减全内反射的原理。当光从棱镜等光密介质以大于布儒斯特角入射到金属薄膜等光疏介质时会有一部分光以倏逝波的形式继续在金属薄

6、膜中传播，其强度呈指数式衰减。膜的光会激发金属薄膜中的自由电子产生振动，当这部分光的波矢量与自由电子产生的表面等离子体的波矢量相同时，就会产生表面等离子体共振，反射光能量急剧下降的现象。将DNA、蛋白质、抗体（抗原）的生物活性分子固定在金属膜上形成生物敏感膜层，当生物敏感膜层与待测物接触后，其折射率会发生变化，表面等离子体共振生物传感器通过准确的测定膜层折射率的变化对待测物实现无标记检测。第13页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四2.2 SPR生物传感器的优点测量准确度高无需对待测分子进行标记处理响应快 , 体积小 , 机械强度大 , 抗电磁干扰能力强可实现数据的远程采集和

7、连续的在线监控可实时检测，也易于微型化和集成化 第14页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四2.3 SPR生物传感器的应用药物筛选蛋白质检测和蛋白-蛋白相互作用等蛋白质组学研究 食物检测和环境监控遗传分析（DNA检测分析）第15页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四3.1 光波导DNA生物传感器的工作原理 图3 光波导DNA生物传感器装置图第16页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四3.2 光波导DNA生物传感器研究状况 光波导DNA生物传感器光波导DNA生物传感器是在光波导载波片表面制成ssDNA探针阵列，将光波导载波片与另一片载波片叠加

8、在一起，中间形成175“m厚、254一宽的通道。在此通道中含有生物素标记的DNA和抗生物素一硒结合物的溶液与ssDNA探针杂交，抗生物素与生物紊结合，使硒粒子聚焦在光波导载波片表面ssDNA探针的杂交部位上。以灯光经狭缝照射光波导边缘，光线在波导内以全反射方式传播，在溶液中距波导载波片表面100300nm形成的隐失波场中产生散射。利用CCD相机可记录下散射光信号的图样，经计算机分析处理，可获得DNA杂交的图谱。采用该原理设计的DNA生物传感器由于对技术要求很高，现仍然处于实验室的研究阶段，而且相对于光纤来说，它的实用价值较差。第17页，共19页，2022年，5月20日，9点35分，星期四光学DNA生物传感器 综合比较上述三种光学生物传感器 我们会发现 生物传感器的设计涉及