第11章生物傳感器

第11章生物傳感器1.定義指由生物活性材料（酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、細(xì)胞、生物組織等）作為敏感基元構(gòu)成分子識別系統(tǒng)，對被測物進(jìn)行高選擇性的識別，通過各種化學(xué)或物理換能器捕捉目標(biāo)物與敏感基元之間的作用，并將作用程度用離散或連續(xù)信號表達(dá)出來，從而得出被測物的種類和含量的裝置。

一、生物傳感器概述上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作2.基本組成敏感元件酶、抗體、核酸、細(xì)胞等。轉(zhuǎn)換器電化學(xué)電極光學(xué)檢測元件場效應(yīng)晶體管壓電石英晶體酶(Enzyme)抗體(Antibody)DNA+上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作3.工作原理

待測物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入固定生物膜敏感層，經(jīng)分子識別而發(fā)生生物學(xué)作用，產(chǎn)生的信息如化學(xué)物質(zhì)、光、熱、質(zhì)量等被相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭啥亢吞幚淼碾?光信號，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，以電極測定其電流值或電壓值，從而換算出被測物質(zhì)的量或濃度。上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作

固定化酶固定化微生物固定化免疫物質(zhì)

固定化細(xì)胞器生物組織切片微生物傳感器分子識別元件酶傳感器免疫傳感器細(xì)胞器傳感器組織傳感器4.分類上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作敏感元件=基體材料+成膜材料+敏感功能材料二、生物敏感膜和敏感元件的制備技術(shù)★基體材料：敏感元件的載體1.構(gòu)成及材料★成膜材料：用于固定敏感功能材料的物質(zhì)，具有良好的成膜性、一定的剛性和柔韌性、一定的物理或化學(xué)作用★敏感功能材料：是傳感器的核心組成，能直接感受被測對象的非電量信息部分上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作吸附法包埋法共價(jià)鍵合法交聯(lián)法夾心法微膠囊法2、生物敏感材料的固定化技術(shù)上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作1.吸附法★作用力：氫鍵，范德華力，離子鍵，疏水作用力，電子親和力，共同作用★優(yōu)點(diǎn)：方法簡單，操作條件溫和，對生物分子活性影響小，生物分子不易發(fā)生變性★缺點(diǎn)：表面結(jié)合力弱，穩(wěn)定性差，易脫附，重現(xiàn)性差，靈敏度低上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作常用固相載體：活性炭、氧化鋁、黏土、纖維素、高嶺土、硅膠、多孔玻璃、膠原蛋白、離子交換體分類：物理吸附；化學(xué)吸附概念：用非水溶性固相載體，通過物理吸附，化學(xué)或離子鍵鍵和作用，使生物分子固定化的方法物理和化學(xué)吸附法上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作物理吸附定義：物理吸附也稱范德華吸附，它是由吸附質(zhì)和吸附劑分子間作用力所引起，此力也稱作范德華力。

物理吸附示意圖活性炭多孔性上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作物理吸附上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作定義：吸附質(zhì)分子與固體表面原子(或分子)發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移、交換或共有，形成吸附化學(xué)鍵的吸附。

化學(xué)吸附上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作

(langmuir-Blodgettfilm)LB膜法概念：將兼具親水頭和疏水尾的兩親性分子分散在水面上，經(jīng)逐漸壓縮其水面上的占有面積，使其排列成單分子層，再將其轉(zhuǎn)移沉積到固體基底上所得到的一種膜?？梢允菃螌踊蚨鄬?。上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）Br-Na+十二烷基磺酸鈉（SDS）兩親性分子上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作常用基底玻璃類：石英玻璃、硅片、CaF2片、云母片、

ITO導(dǎo)電玻璃、蓋玻片

金屬類：不銹鋼片、半導(dǎo)體基片和鉑、金等金屬片

固體基底上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作垂直拉提法水平附著法亞相降低法三種制備方法上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作疏水基片親水基片三種基本類型上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作優(yōu)點(diǎn)膜厚度可精確控制，精確到納米級脂質(zhì)雙層膜同生物膜結(jié)構(gòu)類似，是理想的仿生膜，具有較好的生物相容性可把功能分子固定在LB膜的預(yù)定位置上，進(jìn)行分子識別設(shè)計(jì)，從而制備具有特殊功能的生物傳感器膜內(nèi)分子排列有序且致密應(yīng)用：制備化學(xué)、生物或仿生傳感器，用于分子識別上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作缺點(diǎn)機(jī)械穩(wěn)定性差。LB膜是一種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，對熱、化學(xué)環(huán)境、時(shí)間以及外部壓力的穩(wěn)定性較弱膜的性質(zhì)強(qiáng)烈依賴于轉(zhuǎn)移過程LB膜對成膜分子的結(jié)構(gòu)要求特殊（必須是雙親性分子）、成膜設(shè)備昂貴。上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作自組裝(selfassembling,SA)膜法概念：基于分子的自組裝作用在固體表面上自然地形成高度有序的單分子層方法。表面活性材料溶液基片浸泡（幾秒到幾小時(shí)）緊密排列的有序自組裝膜烷基鏈表面活性基團(tuán)基片與空氣接觸的自組裝膜基團(tuán)基團(tuán)間的特殊相互作用（氫鍵、偶極）分子間相互作用在基片表面的化學(xué)吸附上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作優(yōu)點(diǎn)簡單易行穩(wěn)定性好利于仿生研究缺點(diǎn)對基底電極要求很高所用試劑需自行設(shè)計(jì)合成上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作2.共價(jià)鍵合法★

概念：將生物分子與固相載體表面的活性基團(tuán)反應(yīng)生成化學(xué)共價(jià)鍵而固定的方法★

實(shí)質(zhì)：載體的活性基團(tuán)與生物分子上的反應(yīng)基團(tuán)之間的共價(jià)鍵和反應(yīng)★常用共價(jià)反應(yīng)：重氮反應(yīng)、芳香烴化反應(yīng)、偶聯(lián)反應(yīng)、縮合反應(yīng)、疊氮反應(yīng)等上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作優(yōu)點(diǎn)結(jié)合牢靠，穩(wěn)定性好重現(xiàn)性好使用壽命長缺點(diǎn)反應(yīng)步驟多，操作復(fù)雜可能降低生物分子的活性上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作3.包埋法★

概念：將生物組分包埋于高分子三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，形成穩(wěn)定的生物組分敏感膜★

包埋方式：凝膠包埋法、膠囊包埋法★

常用包埋劑：Nafion、殼聚糖、絲素蛋白、聚丙烯酰胺、淀粉、聚乙烯醇、纖維素膜、尼龍膜等Nafion上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作3.包埋法優(yōu)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)條件溫和對生物組分活性影響小穩(wěn)定性好缺點(diǎn)：分子量大的底物擴(kuò)散困難上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作4.交聯(lián)法★

概念：利用雙功能或多功能試劑將生物分子固定在固相載體表面并彼此交聯(lián)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)?！?/p>

最常用的交聯(lián)試劑：戊二醛上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作優(yōu)點(diǎn)操作簡單結(jié)合牢固穩(wěn)定性好缺點(diǎn)：會(huì)降低生物分子的活性4.交聯(lián)法上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作5.微膠囊法★

概念：是一種采用高分子聚合物或其他成膜材料將物質(zhì)的微粒或微滴包覆所形成的微小容器，粒徑一般在微米至毫米級范圍，被包覆的物質(zhì)稱為囊心，壁殼稱囊壁，構(gòu)成囊壁的成膜材料稱為囊材。囊心（生物物質(zhì)）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構(gòu)成上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作缺點(diǎn)：生物分子的擴(kuò)散受到一定的限制5.微膠囊法優(yōu)點(diǎn)：條件溫和，可以有效保持生物分子的活性上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作6.夾心法★

概念：將生物活性材料直接封閉在雙層濾膜中間，然后固定在基體材料表面。上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作缺點(diǎn)：生物材料的用量較大6.夾心法優(yōu)點(diǎn)：操作簡單，固定量大，響應(yīng)速度快，重現(xiàn)性好，不需要任何化學(xué)處理上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作環(huán)戊烷多氫菲電流型生物傳感器雌激素是一類有廣泛生物活性的類固醇化合物雌激素三、生物傳感器的應(yīng)用上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作雌三醇雌激素雌二醇雌酮（E3）（E2）（E1）上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作雌三醇雌激素生理作用的強(qiáng)弱雌二醇雌酮<<（E3）（E1）（E2）卵巢主要合成雌二醇(E2)及雌酮(E1)兩種雌激素，血循環(huán)中的雌三醇是E2和E1的降解產(chǎn)物，E2是婦女體內(nèi)活性最強(qiáng)的雌激素，E3活性最弱。上海中醫(yī)藥大學(xué)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、絕經(jīng)期：≤40ng/L(≤40pg/mL)血清中雌激素總含量的正常值上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作?促進(jìn)和維持女性生殖器官和第二性征?內(nèi)分泌系統(tǒng)?心血管系統(tǒng)?肌體的代謝?骨骼的生長和成熟?皮膚雌激素的生理作用：上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作雌激素藥物上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作濫用雌激素對人體生殖發(fā)育、神經(jīng)、免疫系統(tǒng)產(chǎn)生危害，甚至致癌上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作泰國人妖上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作希特勒打不贏希特勒，就讓他做女人上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作蛋黃卵磷脂重組人雌激素受體－α鉑盤電極上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作?乙醇生物傳感器酒后駕駛飲酒駕車：指駕駛員血液中的酒精含量大于或者等于20mg/100mL小于80mg/100mL的駕駛行為。350mL(約相稱于1小瓶)啤酒或半兩白酒(20mL)后上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作?乙醇生物傳感器酒后駕駛醉酒駕車：指駕駛員血液中的酒精含量大于或者等于80mg/100mL的駕駛行為。1400mL(約相稱于3瓶500mL)啤酒或一兩半白酒(80mL)

上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作?乙醇生物傳感器一般可分為興奮、催眠、麻醉、窒息四階段。

乙醇中毒乙醇含量在13.02～17.36mmol/L時(shí)身體有異常變化；乙醇含量<21.7mmol/L為亞臨床中毒水平；乙醇含量在26.04～32.55mmol/L時(shí)木僵；乙醇含量>35.56mmol/L時(shí)沉醉；乙醇含量在44.45～88.9mmol/L時(shí)嚴(yán)重中毒；乙醇含量>88.9mmol/L時(shí)死亡。上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作?乙醇生物傳感器微生物傳感器C2H5OH+O2Acetobacterxylinium(醋桿菌屬木糖)Trichosporonbrassicae(天花粉孢子)CH3COOH+H2O線性范圍：5~72mmol/L上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作?乙醇生物傳感器酶傳感器C2H5OH+NAD+CH3CHO+NADH醇脫氫酶NAD++[Fe(CN)6]3-+H++e-NADH+[Fe(CN)6]4-上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作?阿司匹林生物傳感器是應(yīng)用最早，最廣和最普通解熱鎮(zhèn)痛藥抗風(fēng)濕藥。具有解熱、鎮(zhèn)痛、抗炎、抗風(fēng)濕和抗血小板聚集等多方面的藥理作用上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作?阿司匹林生物傳感器血液中阿司匹林的含量高于3mmol/L就會(huì)有毒性。乙酰水楊酸是藥三分毒上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作?阿司匹林生物傳感器乙酰水楊酸H水楊酸肝性酯酶上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作?阿司匹林生物傳感器H水楊酸水楊酸羥化酶HOH鄰苯二酚上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作?阿司匹林生物傳感器上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作?阿司匹林生物傳感器上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作組織傳感器生物組織生物組織植物組織動(dòng)物組織生物組織含有豐富的酶類，這些酶在適宜的自然環(huán)境中，可以得到相當(dāng)穩(wěn)定的酶活性上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作植物組織香蕉果肉中含有豐富的草酸氧化酶草酸檢測組織傳感器上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作H2C2O4+O2

草酸氧化酶2CO2+H2O2

氧電極過氧化氫電極植物組織酶法檢測草酸的機(jī)理：組織傳感器上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作植物組織氧電極構(gòu)造組織傳感器上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作植物組織陽極：4Ag+4Cl-→4AgCl+4e-

陰極：O2+2H2O+4e-→4OH-

電極反應(yīng)極譜型電極，需外加0.6V~0.8V的極化電壓組織傳感器上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作植物組織I/nAc/μM組織傳感器上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作植物組織根莖組織傳感器上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作植物組織葉花瓣組織傳感器上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作動(dòng)物組織兔肝組織中含有豐富的鳥嘌呤酶（鳥嘌呤脫氨酶）鳥嘌呤檢測組織傳感器上海中醫(yī)藥大學(xué)生化教研室制作動(dòng)物組織鳥嘌呤結(jié)構(gòu)式組成核酸（DNA和RNA）的主要堿基之一簡寫：G組