第11章生物传感器

第11章生物传感器1.定义指由生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、细胞、生物组织等）作为敏感基元构成分子识别系统，对被测物进行高选择性的识别，通过各种化学或物理换能器捕捉目标物与敏感基元之间的作用，并将作用程度用离散或连续信号表达出来，从而得出被测物的种类和含量的装置。

一、生物传感器概述上海中医药大学生化教研室制作2.基本组成敏感元件酶、抗体、核酸、细胞等。转换器电化学电极光学检测元件场效应晶体管压电石英晶体酶(Enzyme)抗体(Antibody)DNA+上海中医药大学生化教研室制作3.工作原理

待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生的信息如化学物质、光、热、质量等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电/光信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度。上海中医药大学生化教研室制作

固定化酶固定化微生物固定化免疫物质

固定化细胞器生物组织切片微生物传感器分子识别元件酶传感器免疫传感器细胞器传感器组织传感器4.分类上海中医药大学生化教研室制作敏感元件=基体材料+成膜材料+敏感功能材料二、生物敏感膜和敏感元件的制备技术★基体材料：敏感元件的载体1.构成及材料★成膜材料：用于固定敏感功能材料的物质，具有良好的成膜性、一定的刚性和柔韧性、一定的物理或化学作用★敏感功能材料：是传感器的核心组成，能直接感受被测对象的非电量信息部分上海中医药大学生化教研室制作吸附法包埋法共价键合法交联法夹心法微胶囊法2、生物敏感材料的固定化技术上海中医药大学生化教研室制作1.吸附法★作用力：氢键，范德华力，离子键，疏水作用力，电子亲和力，共同作用★优点：方法简单，操作条件温和，对生物分子活性影响小，生物分子不易发生变性★缺点：表面结合力弱，稳定性差，易脱附，重现性差，灵敏度低上海中医药大学生化教研室制作常用固相载体：活性炭、氧化铝、黏土、纤维素、高岭土、硅胶、多孔玻璃、胶原蛋白、离子交换体分类：物理吸附；化学吸附概念：用非水溶性固相载体，通过物理吸附，化学或离子键键和作用，使生物分子固定化的方法物理和化学吸附法上海中医药大学生化教研室制作物理吸附定义：物理吸附也称范德华吸附，它是由吸附质和吸附剂分子间作用力所引起，此力也称作范德华力。

物理吸附示意图活性炭多孔性上海中医药大学生化教研室制作物理吸附上海中医药大学生化教研室制作定义：吸附质分子与固体表面原子(或分子)发生电子的转移、交换或共有，形成吸附化学键的吸附。

化学吸附上海中医药大学生化教研室制作

(langmuir-Blodgettfilm)LB膜法概念：将兼具亲水头和疏水尾的两亲性分子分散在水面上，经逐渐压缩其水面上的占有面积，使其排列成单分子层，再将其转移沉积到固体基底上所得到的一种膜。可以是单层或多层。上海中医药大学生化教研室制作十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）Br-Na+十二烷基磺酸钠（SDS）两亲性分子上海中医药大学生化教研室制作常用基底玻璃类：石英玻璃、硅片、CaF2片、云母片、

ITO导电玻璃、盖玻片

金属类：不锈钢片、半导体基片和铂、金等金属片

固体基底上海中医药大学生化教研室制作垂直拉提法水平附着法亚相降低法三种制备方法上海中医药大学生化教研室制作疏水基片亲水基片三种基本类型上海中医药大学生化教研室制作优点膜厚度可精确控制，精确到纳米级脂质双层膜同生物膜结构类似，是理想的仿生膜，具有较好的生物相容性可把功能分子固定在LB膜的预定位置上，进行分子识别设计，从而制备具有特殊功能的生物传感器膜内分子排列有序且致密应用：制备化学、生物或仿生传感器，用于分子识别上海中医药大学生化教研室制作缺点机械稳定性差。LB膜是一种亚稳态结构，对热、化学环境、时间以及外部压力的稳定性较弱膜的性质强烈依赖于转移过程LB膜对成膜分子的结构要求特殊（必须是双亲性分子）、成膜设备昂贵。上海中医药大学生化教研室制作自组装(selfassembling,SA)膜法概念：基于分子的自组装作用在固体表面上自然地形成高度有序的单分子层方法。表面活性材料溶液基片浸泡（几秒到几小时）紧密排列的有序自组装膜烷基链表面活性基团基片与空气接触的自组装膜基团基团间的特殊相互作用（氢键、偶极）分子间相互作用在基片表面的化学吸附上海中医药大学生化教研室制作优点简单易行稳定性好利于仿生研究缺点对基底电极要求很高所用试剂需自行设计合成上海中医药大学生化教研室制作2.共价键合法★

概念：将生物分子与固相载体表面的活性基团反应生成化学共价键而固定的方法★

实质：载体的活性基团与生物分子上的反应基团之间的共价键和反应★常用共价反应：重氮反应、芳香烃化反应、偶联反应、缩合反应、叠氮反应等上海中医药大学生化教研室制作上海中医药大学生化教研室制作优点结合牢靠，稳定性好重现性好使用寿命长缺点反应步骤多，操作复杂可能降低生物分子的活性上海中医药大学生化教研室制作3.包埋法★

概念：将生物组分包埋于高分子三维空间网状结构中，形成稳定的生物组分敏感膜★

包埋方式：凝胶包埋法、胶囊包埋法★

常用包埋剂：Nafion、壳聚糖、丝素蛋白、聚丙烯酰胺、淀粉、聚乙烯醇、纤维素膜、尼龙膜等Nafion上海中医药大学生化教研室制作3.包埋法优点实验条件温和对生物组分活性影响小稳定性好缺点：分子量大的底物扩散困难上海中医药大学生化教研室制作4.交联法★

概念：利用双功能或多功能试剂将生物分子固定在固相载体表面并彼此交联形成三维网状结构。★

最常用的交联试剂：戊二醛上海中医药大学生化教研室制作优点操作简单结合牢固稳定性好缺点：会降低生物分子的活性4.交联法上海中医药大学生化教研室制作5.微胶囊法★

概念：是一种采用高分子聚合物或其他成膜材料将物质的微粒或微滴包覆所形成的微小容器，粒径一般在微米至毫米级范围，被包覆的物质称为囊心，壁壳称囊壁，构成囊壁的成膜材料称为囊材。囊心（生物物质）囊壁（具有半透膜性）囊材通常由天然或合成的高分子聚合物构成上海中医药大学生化教研室制作缺点：生物分子的扩散受到一定的限制5.微胶囊法优点：条件温和，可以有效保持生物分子的活性上海中医药大学生化教研室制作6.夹心法★

概念：将生物活性材料直接封闭在双层滤膜中间，然后固定在基体材料表面。上海中医药大学生化教研室制作缺点：生物材料的用量较大6.夹心法优点：操作简单，固定量大，响应速度快，重现性好，不需要任何化学处理上海中医药大学生化教研室制作环戊烷多氢菲电流型生物传感器雌激素是一类有广泛生物活性的类固醇化合物雌激素三、生物传感器的应用上海中医药大学生化教研室制作雌三醇雌激素雌二醇雌酮（E3）（E2）（E1）上海中医药大学生化教研室制作雌三醇雌激素生理作用的强弱雌二醇雌酮<<（E3）（E1）（E2）卵巢主要合成雌二醇(E2)及雌酮(E1)两种雌激素，血循环中的雌三醇是E2和E1的降解产物，E2是妇女体内活性最强的雌激素，E3活性最弱。上海中医药大学生化教研室制作男：40～115ng/L(40～115pg/mL)女：周期1-10天：61～394ng/L(61～394pg/mL)周期11-20天：122～437ng/L(122～437pg/mL)周期21-30天：156～350ng/L(156～350pg/mL)青春期前、绝经期：≤40ng/L(≤40pg/mL)血清中雌激素总含量的正常值上海中医药大学生化教研室制作♫促进和维持女性生殖器官和第二性征♫内分泌系统♫心血管系统♫肌体的代谢♫骨骼的生长和成熟♫皮肤雌激素的生理作用：上海中医药大学生化教研室制作雌激素药物上海中医药大学生化教研室制作滥用雌激素对人体生殖发育、神经、免疫系统产生危害，甚至致癌上海中医药大学生化教研室制作泰国人妖上海中医药大学生化教研室制作希特勒打不赢希特勒，就让他做女人上海中医药大学生化教研室制作蛋黄卵磷脂重组人雌激素受体－α铂盘电极上海中医药大学生化教研室制作上海中医药大学生化教研室制作上海中医药大学生化教研室制作上海中医药大学生化教研室制作上海中医药大学生化教研室制作♫乙醇生物传感器酒后驾驶饮酒驾车：指驾驶员血液中的酒精含量大于或者等于20mg/100mL小于80mg/100mL的驾驶行为。350mL(约相称于1小瓶)啤酒或半两白酒(20mL)后上海中医药大学生化教研室制作♫乙醇生物传感器酒后驾驶醉酒驾车：指驾驶员血液中的酒精含量大于或者等于80mg/100mL的驾驶行为。1400mL(约相称于3瓶500mL)啤酒或一两半白酒(80mL)

上海中医药大学生化教研室制作♫乙醇生物传感器一般可分为兴奋、催眠、麻醉、窒息四阶段。

乙醇中毒乙醇含量在13.02～17.36mmol/L时身体有异常变化；乙醇含量<21.7mmol/L为亚临床中毒水平；乙醇含量在26.04～32.55mmol/L时木僵；乙醇含量>35.56mmol/L时沉醉；乙醇含量在44.45～88.9mmol/L时严重中毒；乙醇含量>88.9mmol/L时死亡。上海中医药大学生化教研室制作♫乙醇生物传感器微生物传感器C2H5OH+O2Acetobacterxylinium(醋杆菌属木糖)Trichosporonbrassicae(天花粉孢子)CH3COOH+H2O线性范围：5~72mmol/L上海中医药大学生化教研室制作♫乙醇生物传感器酶传感器C2H5OH+NAD+CH3CHO+NADH醇脱氢酶NAD++[Fe(CN)6]3-+H++e-NADH+[Fe(CN)6]4-上海中医药大学生化教研室制作♫阿司匹林生物传感器是应用最早，最广和最普通解热镇痛药抗风湿药。具有解热、镇痛、抗炎、抗风湿和抗血小板聚集等多方面的药理作用上海中医药大学生化教研室制作♫阿司匹林生物传感器血液中阿司匹林的含量高于3mmol/L就会有毒性。乙酰水杨酸是药三分毒上海中医药大学生化教研室制作♫阿司匹林生物传感器乙酰水杨酸H水杨酸肝性酯酶上海中医药大学生化教研室制作♫阿司匹林生物传感器H水杨酸水杨酸羟化酶HOH邻苯二酚上海中医药大学生化教研室制作♫阿司匹林生物传感器上海中医药大学生化教研室制作♫阿司匹林生物传感器上海中医药大学生化教研室制作组织传感器生物组织生物组织植物组织动物组织生物组织含有丰富的酶类，这些酶在适宜的自然环境中，可以得到相当稳定的酶活性上海中医药大学生化教研室制作植物组织香蕉果肉中含有丰富的草酸氧化酶草酸检测组织传感器上海中医药大学生化教研室制作H2C2O4+O2

草酸氧化酶2CO2+H2O2

氧电极过氧化氢电极植物组织酶法检测草酸的机理：组织传感器上海中医药大学生化教研室制作植物组织氧电极构造组织传感器上海中医药大学生化教研室制作植物组织阳极：4Ag+4Cl-→4AgCl+4e-

阴极：O2+2H2O+4e-→4OH-

电极反应极谱型电极，需外加0.6V~0.8V的极化电压组织传感器上海中医药大学生化教研室制作植物组织I/nAc/µM组织传感器上海中医药大学生化教研室制作植物组织根茎组织传感器上海中医药大学生化教研室制作植物组织叶花瓣组织传感器上海中医药大学生化教研室制作动物组织兔肝组织中含有丰富的鸟嘌呤酶（鸟嘌呤脱氨酶）鸟嘌呤检测组织传感器上海中医药大学生化教研室制作动物组织鸟嘌呤结构式组成核酸（DNA和RNA）的主要碱基之一简写：G组