化學(xué)與生物傳感器課件

3.1概述3.2核心元件3.3電化學(xué)傳感器3.4光學(xué)傳感器3.5其他傳感器第三章化學(xué)與生物傳感器參考書(shū)：布萊恩R埃金斯著《化學(xué)與生物傳感器》化學(xué)工業(yè)出版社3.1概述第三章化學(xué)與生物傳感器參考書(shū)：布萊恩R埃1傳感器是一種選擇性地、連續(xù)地和可逆地感受某一物理量或化學(xué)量或生物量的裝置。傳感器是什么東西呀？3.1概述傳感器是一種選擇性地、連續(xù)地和可逆地感受某一物理量或化學(xué)量或2傳感器結(jié)構(gòu)示意圖樣品識(shí)別元件換能器測(cè)量裝置傳導(dǎo)器傳感器結(jié)構(gòu)示意圖樣品識(shí)別元件換能器測(cè)量裝置傳導(dǎo)器3圖示鼻子類似為傳感器

嗅覺(jué)膜－生物識(shí)別元件神經(jīng)細(xì)胞－轉(zhuǎn)換器神經(jīng)纖維－傳導(dǎo)器大腦－測(cè)量元件圖示鼻子類似為傳感器嗅覺(jué)膜－生物識(shí)別元件4識(shí)別元件對(duì)某種或某類分析物產(chǎn)生選擇性響應(yīng)。化學(xué)量換能器將某種可以觀察到的變化轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的信號(hào)。傳導(dǎo)器

施加一種可計(jì)量的作用后整個(gè)裝置以該部分元件來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)。電信號(hào)或光信號(hào)檢測(cè)器識(shí)別元件5傳感器分類物理傳感器用以測(cè)量物理量，如長(zhǎng)度、重量、溫度、壓力和電性能?；瘜W(xué)傳感器是通過(guò)某種化學(xué)反應(yīng)以選擇性方式對(duì)特定的待測(cè)分析物質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)從而對(duì)分析物進(jìn)行定性或定量測(cè)定。生物傳感器實(shí)際上是化學(xué)傳感器的子系統(tǒng)，但也常冠以其名單獨(dú)作為專題考慮。采用某種生物敏感元件與換能器相連。與普通的化學(xué)傳感器不同的關(guān)鍵在于其識(shí)別元件在性質(zhì)上是生物質(zhì)。傳感器分類物理傳感器6化學(xué)與生物傳感器分類電化學(xué)傳感器

電位測(cè)定、伏安測(cè)定、電導(dǎo)測(cè)定等。光學(xué)傳感器

吸收光譜、熒光光譜、化學(xué)發(fā)光等。壓電傳感器熱傳感器化學(xué)與生物傳感器分類電化學(xué)傳感器7核心元件－敏感元件傳感器識(shí)別分析物的核心部件核心元件－敏感元件傳感器識(shí)別分析物的核心部件83.2識(shí)別分析物的敏感模式離子的識(shí)別分子的識(shí)別生物的識(shí)別3.2識(shí)別分析物的敏感模式離子的識(shí)別9酶催化識(shí)別反應(yīng)抗體-抗原免疫反應(yīng)核酸雜交識(shí)別反應(yīng)適配體與目標(biāo)物識(shí)別反應(yīng)信息分子與受體識(shí)別反應(yīng)分子的識(shí)別－生物識(shí)別試劑酶催化識(shí)別反應(yīng)分子的識(shí)別－生物識(shí)別試劑10酶催化識(shí)別反應(yīng)葡萄糖+O2+H2O────→葡萄糖酸+H2O2葡萄糖氧化酶酶組織材料微生物線粒體酶催化識(shí)別反應(yīng)葡萄糖氧化酶酶11抗體-抗原免疫反應(yīng)Ag+Ab=Ag-Ab抗體-抗原免疫反應(yīng)Ag+Ab=Ag-Ab12核酸雜交反應(yīng)由于核酸成分之間有特定堿基配對(duì)進(jìn)而產(chǎn)生遺傳密碼，這種遺傳密碼決定了所有生命細(xì)胞的再現(xiàn)特性，從而能確定一類物質(zhì)中的個(gè)別物質(zhì)的遺傳特性.DNA探測(cè)試劑能用于檢查遺傳疾病、癌癥和病毒傳染病。DNA鑒定通常包括有加入體系標(biāo)記的DNA，此標(biāo)記可以是放射活性的、可光測(cè)的、酶或電活性等.核酸雜交反應(yīng)由于核酸成分之間有特定堿基配對(duì)進(jìn)而產(chǎn)生遺傳密碼，13Figure9-3ThefourbasesofDNAallcontainnitrogen.Theyareshownoncoloredshapesthatwillbeusedthroughoutthechaptertorepresentthesechemicals.

Figure9-3ThefourbasesofD14化學(xué)與生物傳感器課件15生物組分的固定化－吸附法許多物質(zhì)在其表面都能吸附酶，例如，氧化鋁、活性炭、黏土、纖維素、高嶺土、硅膠、玻璃和膠原蛋白。此技術(shù)不需要試劑，但需要提純步驟，并且對(duì)酶只有較小的破壞作用。一般有兩種形式：物理吸附V.S.化學(xué)吸附這是最簡(jiǎn)單的方法，包含最少的準(zhǔn)備過(guò)程，但是鍵聯(lián)比較弱。適于短期研究。生物組分的固定化－吸附法許多物質(zhì)在其表面都能吸附酶，例如，氧16最早期用于生物傳感器的一種方法，此技術(shù)將生物材料固定在惰性膜后面，這樣使生物材料與轉(zhuǎn)換器之間緊密接觸，采用此方法不會(huì)影響酶的可靠性，并能防止污染和生物降解。對(duì)于溫度、pH值、離子強(qiáng)度和化學(xué)組成的變化也是穩(wěn)定的。但是，此體系對(duì)某些材料，例如小分子包括各種氣體和電子是可以穿透的。生物組分的固定化－微囊包封法最早期用于生物傳感器的一種方法，此技術(shù)將生物材料固定在惰性膜17生物材料與一種單體溶液混合，然后進(jìn)行聚合生成凝膠將生物材料夾在里面。通常應(yīng)用的凝膠是聚丙稀酰胺。生物組分的固定化－截留法生物材料與一種單體溶液混合，然后進(jìn)行聚合生成凝膠將生物材料夾18生物材料與固體支撐物或與其他支撐材料，像凝膠發(fā)生化學(xué)鍵聯(lián)。雙官能試劑，如戊二醛，可以用于此技術(shù)。但對(duì)于生物材料來(lái)說(shuō)此技術(shù)對(duì)某些擴(kuò)散存在限制。對(duì)生物材料也有危害。另外，體系的機(jī)械強(qiáng)度不良。生物組分的固定化－交聯(lián)法生物材料與固體支撐物或與其他支撐材料，像凝膠發(fā)生化學(xué)鍵聯(lián)。雙19此方法中需要小心設(shè)計(jì)生物材料中官能團(tuán)和支撐基質(zhì)之間的鍵合作用。生物材料氨基酸中的親核官能團(tuán)對(duì)催化作用不是本質(zhì)的，而酶在這方面是適合的。生物組分的固定化－共價(jià)法例如，支撐物上的羧酸基團(tuán)與碳化二亞胺發(fā)生反應(yīng)，然后與生物材料上胺官能團(tuán)偶聯(lián)在支撐物和酶之間形成一種胺鍵。此方法中需要小心設(shè)計(jì)生物材料中官能團(tuán)和支撐基質(zhì)之間的鍵合作用203.4光纖傳感器3.4光纖傳感器21引言

光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用是20世紀(jì)70年代以來(lái)世界科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域最重要的發(fā)明之一，它與激光器、光導(dǎo)體、光探測(cè)器一起，構(gòu)成了光電子學(xué)的新領(lǐng)域。光導(dǎo)纖維化學(xué)傳感器和生物傳感器是80年代誕生的一種新的傳感技術(shù)，是分析化學(xué)近10多年來(lái)的一個(gè)重大發(fā)展。光導(dǎo)纖維生物傳感器又稱光極美國(guó)fiberopticalbiosensor歐洲大陸optode英國(guó)optrode引言光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用是20世紀(jì)70年代以來(lái)世界22光導(dǎo)纖維生物傳感器的結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維生物傳感器的結(jié)構(gòu)23光導(dǎo)纖維的波導(dǎo)作用及其構(gòu)形光導(dǎo)纖維的波導(dǎo)作用及其構(gòu)形24人們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光到達(dá)光導(dǎo)纖維纖芯和包層界面時(shí)，并不能立刻產(chǎn)生全反射，而是滲入光疏介質(zhì)一定深度（圖19.3）。也就是說(shuō)，光的電場(chǎng)強(qiáng)度在界面處并沒(méi)有立即減小為零，而是在外部介質(zhì)中以指數(shù)的形式減弱，且延伸到第二介質(zhì)中去，在第二介質(zhì)形成一個(gè)“尾巴”，這一現(xiàn)象叫消失波（evanescentwave）。人們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光到達(dá)光導(dǎo)纖維纖芯和包層25化學(xué)與生物傳感器課件26傳感層

傳感層由固定化分子識(shí)別物質(zhì)和載體組成優(yōu)良的傳感層：高的靈敏度和選擇性較快的響應(yīng)速度良好的穩(wěn)定性和可逆性較長(zhǎng)的壽命傳感層傳感層由固定化分子識(shí)別物質(zhì)和載體組成27光導(dǎo)纖維生物傳感器的分子識(shí)別反應(yīng)酶催化識(shí)別反應(yīng)特異性抗體-抗原免疫反應(yīng)核酸雜交反應(yīng)蛋白分子受體-配位體識(shí)別反應(yīng)外源集素-糖分子識(shí)別反應(yīng)用于固定分子識(shí)別物質(zhì)的載體都是光學(xué)透明物質(zhì)玻璃（包括硅藻凝膠、硅膠、石英和多孔玻璃微球等）、纖維素、瓊脂糖、高分子聚合物（包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、尼龍等）、離子交換膜、滲析膜、殼質(zhì)胺、牛血清蛋白等。厚度在5—200μm之間。近年來(lái)具有單分子層結(jié)構(gòu)的人工類脂膜受到很大重視，已用于制備高選擇性、快響應(yīng)的生物傳感器。光導(dǎo)纖維生物傳感器的分子識(shí)別反應(yīng)28分子識(shí)別物質(zhì)在載體上的固定化方法有包埋法、吸附固定法、電價(jià)固定法和共價(jià)偶聯(lián)法。

分子識(shí)別物質(zhì)在載體上的固定化方法有包埋法、吸附固定29對(duì)玻璃類的載體則需先進(jìn)行硅烷化處理，“修飾”上活性基團(tuán)：

對(duì)玻璃類的載體則需先進(jìn)行硅烷化處理，“修飾”上活性基團(tuán)：

30化學(xué)與生物傳感器課件31光纖傳感器的檢測(cè)模式紫外可見(jiàn)光吸收光譜熒光光譜化學(xué)發(fā)光光反射－全內(nèi)反射光譜光散射光纖傳感器的檢測(cè)模式紫外可見(jiàn)光吸收光譜32生物催化傳感器

生物催化傳感器33最簡(jiǎn)單的一種是用固定化酯酶或脂肪酶作成生物催化層進(jìn)行分子識(shí)別，再通過(guò)產(chǎn)物的光吸收對(duì)底物濃度進(jìn)行傳感，

如測(cè)量在404nm波長(zhǎng)下的吸收，即可確定對(duì)硝基苯磷酸的含量，線性范圍為0-——400μmol/L，生物體內(nèi)許多酶類和脂肪類物質(zhì)都可用這類傳感器進(jìn)行測(cè)定。

最簡(jiǎn)單的一種是用固定化酯酶或脂肪酶作成生物催化層進(jìn)行分子識(shí)別34

研究最多的當(dāng)屬檢測(cè)NADH的生物催化傳感器

乳酸+NAD+

丙酮酸+NADH

在生物催化層中生成的NADH也可利用耦合的FMN（黃素單核苷酸）生物發(fā)光反應(yīng)，通過(guò)光導(dǎo)纖維進(jìn)行傳感。谷氨酸鹽+NAD+酮式二酸+NH4++NADH

NADH+FMN+H+NAD++FMNH2

FMNH2+RCHO+O2

FMN+RCOOH+h研究最多的當(dāng)屬檢測(cè)NADH的生物催化傳感器35化學(xué)與生物傳感器課件36

某些生物催化反應(yīng)所產(chǎn)生的物質(zhì)不能直接給出光學(xué)信號(hào)，需要在生物催化層和光測(cè)量之間插入一個(gè)起換能作用的化學(xué)反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槟苓M(jìn)行光檢測(cè)的物質(zhì)，稱為復(fù)合光極。如許多酶催化反應(yīng)都能消耗或產(chǎn)生質(zhì)子、氧、二氧化碳或過(guò)氧化氫等.

青霉素G

青霉素酮酸鹽+H+

膽固醇+O2+H2O膽固烯酮+H2O2

L-蘇氨酸-丁酮酸+NH3L-谷氨酸L-氨基素+CO2某些生物催化反應(yīng)所產(chǎn)生的物質(zhì)不能直接給出光學(xué)信號(hào)，需37化學(xué)與生物傳感器課件38生物感受器（biologicalreceptor）

光導(dǎo)纖維免疫傳感器

生物感受器（biologi