生物芯片的研究與應(yīng)用

1、生物芯片的研究與應(yīng)用第一章 緒論1、傳感器：能感受一種信息并轉(zhuǎn)換成可測量信號的裝置。 生物傳感器（Biosensor）：對生物物質(zhì)敏感并將其轉(zhuǎn)換為可測信號（電信號等）進行檢測的儀器。 由生物分子識別膜（識別生物分子）、換能器（信號轉(zhuǎn)換）和信號處理器組成。2、生物傳感器的分類 按分子識別元件分類：微生物傳感器、組織傳感器、細胞傳感器、酶傳感器、免疫傳感器、DNA傳感器。 按信號轉(zhuǎn)換器分類：電化學(xué)生物傳感器、光學(xué)生物傳感器、壓電生物傳感器、熱生物傳感器、磁生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器。3、生物傳感器的特點：選擇性、靈敏度、穩(wěn)定性。4、BOD分析儀：微生物膜降解有機物，消耗氧，使擴散到氧電極表面的氧

2、減少，引起電流變化。第二章 生物反應(yīng)基礎(chǔ)1、 DNA雜交：使單鏈DNA或 RNA分子與具有互補堿基的另一DNA或RNA 片斷結(jié)合成雙鏈的技術(shù)。即核酸分子間的雜交。2、 抗原與抗體抗體的結(jié)構(gòu)：Y型分子、重鏈（heavy chain, H)、輕鏈 (light chain, L)、鏈間二硫鍵、可變區(qū)和恒定區(qū)。結(jié)合方式：抗原表位（抗原決定簇）與抗體結(jié)合位點（高變區(qū)）互補結(jié)合作用力：靜電作用力、氫鍵、疏水鍵、范德華力單克隆抗體：由單一克隆B細胞雜交瘤產(chǎn)生的，只識別抗原分子某一特定抗原決定簇的特異性抗體。3、 DNA組成與RNA的區(qū)別DNA：脫氧核糖、胸腺嘧啶；RNA：核糖、尿嘧啶RNA易降解，RNA傳

3、感器的研究報道較少。第三章 生物敏感元件的制備技術(shù)1、 DNA固定方法吸附法：（主要由帶負電的DNA與帶正電荷的固體基材表面通過靜電作用將DNA吸附在支持物上。）有直接吸附法、電化學(xué)吸附法。自組裝膜法：是一種比較理想的固定DNA探針的方法。一般以金電極為基體電極，在DNA探針分子一端修飾上巰基（-SH），利用-SH和金表面的共價結(jié)合作用將探針固定在電極上。特點：DNA高度有序，結(jié)合牢固，穩(wěn)定性好，雜交效率高。共價鍵合法：固定牢固，有利于雜交，但操作繁瑣，固定量較少。生物素-親和素固定法：生物素-親和素固定DNA時，通常先將親和素通過共價偶聯(lián)或靜電作用連接于電極表面，利用生物素與親和素之間極強的

4、專一親和作用，將生物素修飾的DNA探針固定在電極上。2、 抗體固定方法：物理吸附、共價結(jié)合法、生物親和作用（避免抗體直接共價結(jié)合，破壞活性位點）、包埋法、交聯(lián)法（戊二醛）。3、 玻片表面共價固定氨基DNA原理第四章 電化學(xué)生物傳感器1、 電化學(xué)傳感器：基于待測物的電化學(xué)性質(zhì)并將待測物化學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量進行傳感檢測的一種傳感器。按轉(zhuǎn)化成的電學(xué)量分類： 電位傳感器、電流（安培或伏安）傳感器、 阻抗（電阻型和電容型）傳感器原電池：化學(xué)能 電能 ；電解池：電能化學(xué)能 電極反應(yīng)：通過電極而進行的間接氧化還原反應(yīng) 電位型傳感器：將溶解于電解質(zhì)溶液中的離子作用于離子電極而產(chǎn)生的電動勢作為傳感器的輸出而實現(xiàn)離

5、子的檢測，通過平衡電位來確定物質(zhì)濃度。其中研究最多的是離子傳感器。電流型傳感器：在一定的電極電壓下，通過電極表面氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流與待測物濃度成線性關(guān)系。界面雙電層的形成。阻抗型傳感器：給電化學(xué)系統(tǒng)施加一個小振幅的交流信號（電位或電流）擾動電解池，測量電極的交流阻抗（交流電勢與電流信號的比值），進而計算電極的電化學(xué)參數(shù)。常用的電化學(xué)分析方法：循環(huán)伏安法（CV）、差分脈沖伏安法（DPV、方波伏安法（SWV）、線性掃描伏安法（LSV）2、 三電極系統(tǒng) 工作電極（WE）：電極上發(fā)生所研究的反應(yīng)，常用的有玻碳、Pt、Au、Pb電極；輔助電極（對電極，CE）：與工作電極組成電流回路，使工作電極上電流

6、暢通，以保障研究的反應(yīng)在電極上發(fā)生。參比電極（RE）：電位恒定，不受溶液組成變化的影響，與工作電極組成電壓回路，可作為基準(zhǔn)來測量工作電極的電位。常用的有氫電極（0V），飽和甘汞電極（SCE，0.2412V），Ag|AgCl電極（0.199V）。當(dāng)通過電化學(xué)池的電流很小時，可由工作電極和參比電極組成二電極測量系統(tǒng)；當(dāng)通過的電流很大時，參比電極將不能負荷，其電勢不再穩(wěn)定，需采用輔助電極構(gòu)成三電極測量系統(tǒng)。3、 常用的電化學(xué)指示劑: (l)酶等具有催化氧化還原作用的電化學(xué)指示劑，堿性磷酸酶(ALP)、辣根過氧化物酶(HRP)和葡萄糖氧化酶(GOD）；(2)電化學(xué)活性物質(zhì)(如二茂鐵，硫堇等)電化學(xué)指示

7、劑；(3)金屬納米顆粒（納米金等）作為標(biāo)記物的電化學(xué)指示劑。4、 設(shè)計一種信號放大的電化學(xué)DNA傳感器第五章 光學(xué)生物傳感器1、 光學(xué)生物傳感器：生物分子特異性反應(yīng)后，能產(chǎn)生可輸出的特征光學(xué)信號（熒光、顏色變化等），從而分析待測物并輸出可檢測的信號。光學(xué)生物檢測方法種類：熒光生物傳感器、化學(xué)發(fā)光與電化學(xué)發(fā)光、 表面等離子共振（SPR）光纖傳感器、比色法及其它2、 熒光生物傳感器熒光物質(zhì)：有機熒光染料、有機熒光染料、稀土金屬。熒光是一種光致發(fā)光的冷發(fā)光現(xiàn)象。當(dāng)某種常溫物質(zhì)經(jīng)過某種波長的入射光（通常為紫外光）照射，吸收光能后進入激發(fā)態(tài)，并立即回到基態(tài)，發(fā)出比入射光波長長的光。一旦停止入射光，發(fā)光現(xiàn)

8、象也隨之立即消失。熒光分子受激發(fā)后釋放能量的主要方式：發(fā)光、發(fā)熱、轉(zhuǎn)移。常規(guī)熒光檢測方法：直接雜交法、“三明治”雜交-夾心法。3、 熒光共振能量轉(zhuǎn)移法（FRET）當(dāng)一個熒光分子（供體）的發(fā)射光譜與另一個熒光分子（受體）的激發(fā)光譜相重疊，且距離足夠近時（10nm以內(nèi)），發(fā)生分子間的能量轉(zhuǎn)移，熒光從供體分子向受體分子轉(zhuǎn)移。發(fā)生熒光能量共振轉(zhuǎn)移的基本條件：供體的發(fā)射光譜與受體的激發(fā)光譜相重疊、距離足夠近。4、 熒光檢測標(biāo)記物種類量子點-熒光染料的FRET：以400 nm的光激發(fā)量子點（供體）, 能量轉(zhuǎn)移至四甲基羅丹明（TMR，受體 )，其熒光強度顯著增強，可對生物素與鏈霉親和素的結(jié)合進行檢測。分子信

9、標(biāo)檢測法：（1）環(huán)狀區(qū)（長度1530個堿基的序列，與靶序列特異性結(jié)合）、（2）信標(biāo)莖桿區(qū)（長度為58個堿基的互補序列，使得形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)）、（3）熒光基團和猝滅基團（通過共價鍵連接在莖桿區(qū)的末端）熒光基團：如四甲基羅丹明，熒光素等熒光猝滅基團：如4-（二甲基對胺基偶氮苯）苯甲酸，DABCYL雜交前：熒光猝滅；雜交后：出現(xiàn)熒光信號上轉(zhuǎn)換材料的FRET：是一種紅外光激發(fā)下能發(fā)出可見光的發(fā)光材料，即將紅外光轉(zhuǎn)換為可見光的材料。其特點是吸收的光子能量低于發(fā)射的光子能量， 這種現(xiàn)象違背Stokes定律，又叫反Stokes發(fā)光材料。共軛聚電解質(zhì)的FRET：有聚苯撐乙烯( PPVs)、聚苯撐乙炔( PPEs)

10、、聚芴( PFs)、聚噻吩( PSs)；共軛主鏈具有良好的光學(xué)特性，具有水溶性基團，保證其水溶 性。熒光共軛聚合物的信號放大原理（分子導(dǎo)線）5、 時間分辨熒光法標(biāo)記物為稀土金屬鑭系元素優(yōu)點：特異性熒光與非特異性熒光分離、零背景、高特異性6、 化學(xué)發(fā)光生物傳感器化學(xué)發(fā)光劑或發(fā)光物：在化學(xué)發(fā)光反應(yīng)中參與能量轉(zhuǎn)移并最終以發(fā)射光子的形式釋放能量的化合物。（1）直接化學(xué)發(fā)光劑： 直接化學(xué)發(fā)光劑在發(fā)光免疫分析過程中不需酶的催化作用，直接參與發(fā)光反應(yīng)，它們在化學(xué)結(jié)構(gòu)上有產(chǎn)生發(fā)光的特有基團，可直接標(biāo)記抗原或抗體。有吖啶酯、三聯(lián)吡啶釕RU(bpy)32+（2）酶促反應(yīng)發(fā)光劑：利用標(biāo)記酶的催化作用，使發(fā)光劑（底物

11、）發(fā)光，這一類需要酶催化后發(fā)光的發(fā)光劑。 魯米諾：與氫氧化物反應(yīng)時生成了一個雙負離子，它可被過氧化氫分解出的氧氣氧化，產(chǎn)物為一個有機過氧化物。該過氧化物很不穩(wěn)定，立即分解出氮氣，生成激發(fā)態(tài)的3-氨基鄰苯二甲酸。激發(fā)態(tài)至基態(tài)轉(zhuǎn)化中，釋放的能量以光子的形式存在，波長位于可見光的藍光部分。（3）AMPPD7、直接化學(xué)發(fā)光免疫分析 8、化學(xué)發(fā)光酶免疫分析（1）辣根過氧化酶標(biāo)記的化學(xué)發(fā)光免疫分析辣根過氧化酶標(biāo)記化學(xué)發(fā)光免疫分析示意圖（2）堿性磷酸酶標(biāo)記的化學(xué)發(fā)光免疫分析堿性磷酸酶標(biāo)記化學(xué)發(fā)光免疫分析示意圖9、電化學(xué)發(fā)光免疫分析 電致化學(xué)發(fā)光（ECL）是通過在電極上施加一定波形的電壓或電流信號進行電解反應(yīng)

12、的產(chǎn)物之間與體系中共存組分反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光的現(xiàn)象。 ECL與CL的差異在于ECL是電啟動發(fā)光反應(yīng)，而CL是通過化合物混合啟動發(fā)光反應(yīng)。因此ECL反應(yīng)易精確控制，具有靈活性。 三聯(lián)吡啶釕的電化學(xué)發(fā)光原理： 化學(xué)發(fā)光劑Ru(bpy)32+和電子供體TPA在陽電極表面同時各失去一個電子發(fā)生氧化反應(yīng)，二價的Ru(bpy)3 2+被氧化成三價，TPA被氧化成陽離子自由基TPA+，并迅速自發(fā)地脫去一個質(zhì)子(H+)，形成自由基TPA 。由于Ru(bpy)33+是強氧化劑，自由基TPA是強還原劑，兩個高反應(yīng)基團在電極表面迅速反應(yīng)，Ru(bpy)33+被還原形成激發(fā)態(tài)的二價Ru(bpy)32+，TPA自身被氧化

13、成二丙胺和丙醛。接著激發(fā)態(tài)的Ru(bpy)32+衰減成基態(tài)的Ru(bpy)32+，同時發(fā)射一個波長620nm的光子。發(fā)卡DNA探針處于折疊狀態(tài)，標(biāo)記有Ru化合物的尾部貼近于電極表面，產(chǎn)生很強的ECL信號；DNA雜交后Ru化合物遠離電極表面，ECL信號降低。10、表面等離子共振生物傳感器當(dāng)光由光密介質(zhì)（折射率大）射向光疏介質(zhì)（折射率?。r，折射角將大于入射角當(dāng)入射角增大到某一數(shù)值時，折射角將達到90°，這時在光疏介質(zhì)中將不出現(xiàn)折射光線，這就是全反射。 表面等離子體:指在金屬表面存在的自由振動的電子與光子相互作用產(chǎn)生的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ā＝饘倌け砻娼橘|(zhì)中存在等離子波，當(dāng)消逝波與等離

14、子波相遇時可發(fā)生共振。能量從光子轉(zhuǎn)移到表面等離子，入射光的大部分能量被表面等離子波吸收，使得反射光的能量急劇減少。SPR對物質(zhì)結(jié)合檢測的基本原理:用儀器檢測反射光，可從光強響應(yīng)曲線看到一個最小的尖峰，此時對應(yīng)的入射光波長為共振波長，對應(yīng)的入射角為SPR角。SPR角隨金表面折射率變化而變化，而折射率的變化又與金表面結(jié)合的分子質(zhì)量成正比.納米金顆粒信號增強的SPR檢測:11、光纖生物傳感器 光導(dǎo)纖維簡稱為光纖，主要材料為石英玻璃。中心圓柱體為纖芯，圍繞纖芯的外層為包層。纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成。 由透明材料做成的纖芯，周圍采用比纖芯的折射率稍低的材料做成包層，將射入纖芯的光信號，經(jīng)包

15、層界面全反射，使光信號在纖芯中傳播前進。 光纖傳感器的類型：功能型、傳光型 光纖傳感器的特點： 光纖傳感器的分類：（1）光纖-SPR生物傳感器（當(dāng)倏逝場的區(qū)域內(nèi)生物分子發(fā)生識別反應(yīng)時，金屬薄膜表面的折射率會隨之變化從而改變表面波的共振角度。共振角度變化的幅值取于分析物在該區(qū)域的結(jié)合數(shù)量。） （2）光纖倏逝波生物傳感器（當(dāng)光以一定角度入射時，在纖芯與包層的分界面上就會產(chǎn)生全反射，部分光會垂直于分界面透射至包層中，但透射波的幅值隨著透射深度的增加而呈指數(shù)衰減，所以只能存在一段很小的距離，一般在波長量級，這種波就稱之為倏逝波。作為生物傳感器使用時，要將傳感段的光纖包層去除，當(dāng)分析物與識別分子發(fā)生生化

16、反應(yīng)時，會被吸附于纖芯表面，從而影響倏逝波的透射深度，這時傳輸光能量就會發(fā)生變化，通過檢測傳輸光的特性就能得到被測生物分子的特征。） （3）光纖光柵生物傳感器（被測生物分子被吸附于生物膜上使生物膜層的厚度增加， 從而改變了傳感器表面有效折射率，使透射譜中吸收峰的諧振波長發(fā)生變化，所以通過檢測光纖諧振波長的漂移可以得到被測生物分子的濃度。） （4）光子晶體光纖傳感器12、表面增強拉曼光譜（SERS）生物傳感器 拉曼散射屬于弱散射，拉曼光譜信號強度弱，相當(dāng)于入射光的10-610-8 。吸附在粗糙金屬表面的化合物可產(chǎn)生極大的拉曼增強效應(yīng)，拉曼信號增強103107倍。 基于AuNP-DNA系統(tǒng)的腺苷S

17、ERS檢測： 納米金聚集導(dǎo)致結(jié)晶紫的SERS信號增強： 基于納米金修飾石墨烯的多重DNA檢測： 滾環(huán)擴增SERS檢測DNA： 13、比色法及其它 金標(biāo)銀染DNA檢測（灰度值）： 納米金比色法：納米金分散液（紅色），團聚后的納米金分散液（藍色。適配體修飾納米金用于凝血酶的金試紙條檢測：基于適配體-納米金的溶菌酶比色檢測：14、酶聯(lián)免疫吸附實驗（ELISA） 借助酶標(biāo)記抗體（或抗原）在體外與抗原（或抗體）結(jié)合，通過相應(yīng)底物被酶催化后出現(xiàn)顯色反應(yīng)，反應(yīng)顏色深淺與抗原（或抗體）量的多少有關(guān)。顯色反應(yīng)可通過ELISA檢測儀測定吸光度（OD值），進行定量測定。類型：雙抗夾心法、競爭法、間接法等用于檢測抗原

18、：用于檢測抗體：競爭法，測定抗原：15、幾種免疫分析方法的對比基于納米金熒光淬滅的DNA檢測： AMPPD的酶促反應(yīng)發(fā)光原理：時間分辨熒光法：背景熒光：固相材料或溶劑散射光、非特異性熒光第六章 壓電生物傳感器1、 壓電效應(yīng)：當(dāng)某些電介質(zhì)沿一定方向受外力的作用變形時，在其表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。它屬于將機械能轉(zhuǎn)化為電能的一種效應(yīng)，產(chǎn)生的電荷大小與外力大小成正比。石英晶體示意圖：Z軸（光軸）方向沒有壓電效應(yīng)X軸（電軸）面壓電效應(yīng)最強Y軸（機械軸）方向機械變形最大石英晶體的壓電效應(yīng)：電偶極矩P=qL, q為電荷量, L為正負電荷之間的距離。方向由負電荷

19、指向正電荷 。正負電荷重心重合，晶體不帶電。當(dāng)石英晶體受到沿X方向的壓力Fx作用時，將產(chǎn)生壓縮變形，正負離子的相對位置隨之變動，正負電荷中心不再重合。電偶極矩在X方向的分量大于0，在X軸正方向的晶體表面出現(xiàn)正電荷， Y軸和Z軸晶面不出現(xiàn)電荷。當(dāng)石英晶體受到沿Y方向的壓力Fy作用時，電偶極矩在X方向的分量小于0，在X軸正方向的晶體表面出現(xiàn)負電荷，Y軸和Z軸晶面上不出現(xiàn)電荷。2、 Sauerbrey 方程 式中，f0為晶體的固有諧振頻率，又叫基頻率, ( Hz)； m 為晶體表面涂層質(zhì)量(g)； f 為晶體諧振頻率的變化量；A為涂層面積（cm2）。石英晶體振蕩頻率的變化與晶體表面薄膜性沉積物的質(zhì)量

20、變化成比例。3、 QCM生物傳感器第七章 光致電化學(xué)生物傳感器1、 定義：利用材料的光電特性，光照下產(chǎn)生光生電流或光生電壓，檢測生物分子。半導(dǎo)體材料光電流產(chǎn)生示意圖：（a） 陽極光電流 （b）陰極光電流 半導(dǎo)體材料受到能量大于其禁帶寬度的光照射時，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶產(chǎn)生光生電子，價帶產(chǎn)生光生空穴。在外電場的作用下，半導(dǎo)體有兩種導(dǎo)電方式：當(dāng)導(dǎo)帶上的電子轉(zhuǎn)移到電極上，同時溶液中的電子供體又轉(zhuǎn)移電子到價帶的空穴上，則產(chǎn)生陽極光電流(a)。當(dāng)導(dǎo)帶上的電子轉(zhuǎn)移到溶液中的電子受體上，同時電極上的電子轉(zhuǎn)移到價帶的空穴上，則產(chǎn)生陰極光電流(b)。 生物大分子結(jié)合后，使得供體AA的電子在溶液和量子點之

21、間的傳遞受到阻礙，從而導(dǎo)致電極光電流強度降低。通過變化的光電流來檢測溶液中抗原的濃度，檢測限為 8.0 pg/mL。 單一光電轉(zhuǎn)換材料激發(fā)后電子和空穴易復(fù)合，光電轉(zhuǎn)換效率較低。兩種或多種光電轉(zhuǎn)換材料復(fù)合后，電子轉(zhuǎn)移速度加快，復(fù)合幾率下降，可顯著提高光電轉(zhuǎn)換效率。 ZnO/ITO光致電化學(xué)檢測半胱氨酸： 含羧基的卟啉（TCPP）敏化ZnO，增強了ZnO的光電轉(zhuǎn)化效率。作為電子供體的半胱氨酸捕獲激發(fā)態(tài)TCPP的空穴，空穴又將電子注入到ZnO的導(dǎo)帶中，繼而電子又轉(zhuǎn)移到ITO電極上，導(dǎo)致光電流的增加。 基于CdS/TiO2的前列腺特異性抗原（PSA）檢測： 堿性磷酸酶（ALP）可催化電解液中的抗壞血酸

22、2-磷酸水解產(chǎn)生抗壞血酸，抗壞血酸作為電子供體可以增強電極的光電流信號，從而實現(xiàn)對PSA的定量檢測。 N-甲基-N-（2-羧乙基）-4,4-聯(lián)二吡啶鹽（V2+）： 探針標(biāo)記V2+存在下，CdSe 量子點產(chǎn)生的光電流除了向電極轉(zhuǎn)移外，還會向 V2+轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致光電流降低。加入目標(biāo)待測物凝血酶，V2+修飾的凝血酶適體進入到溶液中。此時，光激發(fā)下，電子只傳導(dǎo)到電極上，導(dǎo)致光電流增大。第八章 生物芯片1、 生物芯片概念：指通過微加工技術(shù)在固相載體上構(gòu)建高密度的DNA、抗原、抗體、細胞或組織的微點陣，以實現(xiàn)對生命物質(zhì)的準(zhǔn)確、快速與大信息量檢測。其本質(zhì)是進行生物信號的平行分析。分類按檢測對象：分為DNA芯片、蛋白質(zhì)芯片、細胞芯片、組織芯片；按反應(yīng)體系分：為固相芯片、液相芯片。生物芯片的特點：生物芯片工作原理包括4個基本要點：（芯片的構(gòu)建、樣品的制備 、 生物分子的反應(yīng) 、 結(jié)果檢測分析） 2、 固相生物芯片基因芯片：將大量DNA探針有序固定在固體基材表面，通過檢測探針與標(biāo)記樣品分子雜交信號，實現(xiàn)基因信息的大規(guī)模測定，從而確定樣品中的核酸序列和性質(zhì)，并對基因表達的量及其特性進行分析。固體基材：玻片