光學(xué)DNA生物傳感器省公開課一等獎全國示范課微課金獎?wù)n件

生物光學(xué)傳感：DNA和基因檢測1/19生物傳感器定義

生物傳感器對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測儀器。是由固定化生物敏感材料作識別元件（包含酶、抗體、抗原、DNA、蛋白質(zhì)等生物活性物質(zhì)）與適當(dāng)理化換能器及信號放大裝置組成分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器含有接收器與轉(zhuǎn)換器功效。2/19生物傳感器原理與結(jié)構(gòu)

生物傳感器由分子識別部分（敏感元件）和轉(zhuǎn)換部分（換能器）組成，以分子識別部分去識別被測目標(biāo)，是能夠引發(fā)某種物理改變或化學(xué)改變主要功效元件。分子識別部分是生物傳感器選擇性測定基礎(chǔ)。生物體中能夠選擇性地分辯特定物質(zhì)物質(zhì)有酶、抗體、組織、細(xì)胞等。這些分子識別功效物質(zhì)經(jīng)過識別過程可與被測目標(biāo)結(jié)合成復(fù)合物，如抗體和抗原結(jié)合，酶與基質(zhì)結(jié)合。3/19轉(zhuǎn)換器生物光學(xué)傳感器生物光學(xué)傳感器利用被測物質(zhì)與探測試劑反應(yīng)后引發(fā)光學(xué)信號改變（熒光、顏色、折射率改變等）作為探測基礎(chǔ)，普通由傳感層、光信號轉(zhuǎn)換和放大處理三個功效模塊組成。

傳感層待測物4/19光學(xué)DNA生物傳感器類型

因?yàn)楣鈱W(xué)方法含有非破壞性和高靈敏度優(yōu)點(diǎn)，所以生物光學(xué)傳感器在生物活性物質(zhì)探測方面有著廣泛應(yīng)用。當(dāng)前研究用于DNA檢測光學(xué)生物傳感器有光纖式、表面等離子諧振式、光波導(dǎo)式等類型。5/19大多數(shù)DNA傳感器，不論是光學(xué)還是電類，都是建立在DNA雜交基礎(chǔ)上，即DNA堿基配對和系列互補(bǔ)原理，它是由固定有已知核甘酸序列單鏈DNA(亦稱之為ssDNA探針)電極(探頭)和換能器兩部分組成。6/191.1光纖DNA生物傳感器工作原理光纖DNA生物傳感器是將單鏈DNA探針固定在mm級光導(dǎo)纖維末端上,然后將若干條固定有單鏈DNA探針光導(dǎo)纖維合成一束,形成一個微陣列傳感器裝置.7/191.1光纖DNA生物傳感器工作原理

圖1光纖DNA生物傳感器裝置圖8/191.2光纖DNA生物傳感器優(yōu)點(diǎn)

可進(jìn)行液相雜交檢測可在線和實(shí)時檢測可對活體內(nèi)核酸動態(tài)進(jìn)行檢測靈敏度高；特異性強(qiáng)光纖傳輸功率損耗小，傳輸信息容量大9/191.3光纖DNA生物傳感器應(yīng)用

用于模式寡核苷酸檢測用于DNA損傷檢測用于基因檢測用于藥品檢測用于酶檢測10/192.SPR(Surfaceplasmonresonancebiosensors)生物傳感器工作原理SPR是一個物理光學(xué)現(xiàn)象,是電磁波所激發(fā)在金屬和電介質(zhì)交界面上形成影響電磁波傳輸諧振波。表面等離子體(SP)是沿著金屬和電介質(zhì)間界面?zhèn)鬏旊姶挪ㄐ纬伞?1/192.1SPR生物傳感器工作原理圖12/19表面等離子體共振測量（SPR）技術(shù)是近幾年發(fā)展起來生物光學(xué)檢測技術(shù)，它利用了衰減全內(nèi)反射原理。當(dāng)光從棱鏡等光密介質(zhì)以大于布儒斯特角入射到金屬薄膜等光疏介質(zhì)時會有一部分光以倏逝波形式繼續(xù)在金屬薄膜中傳輸，其強(qiáng)度呈指數(shù)式衰減。膜光會激發(fā)金屬薄膜中自由電子產(chǎn)生振動，當(dāng)這部分光波矢量與自由電子產(chǎn)生表面等離子體波矢量相同時，就會產(chǎn)生表面等離子體共振，反射光能量急劇下降現(xiàn)象。將DNA、蛋白質(zhì)、抗體（抗原）生物活性分子固定在金屬膜上形成生物敏感膜層，當(dāng)生物敏感膜層與待測物接觸后，其折射率會發(fā)生改變，表面等離子體共振生物傳感器經(jīng)過準(zhǔn)確測定膜層折射率改變對待測物實(shí)現(xiàn)無標(biāo)識檢測。13/192.2SPR生物傳感器優(yōu)點(diǎn)測量準(zhǔn)確度高無需對待測分子進(jìn)行標(biāo)識處理響應(yīng)快,體積小,機(jī)械強(qiáng)度大,抗電磁干擾能力強(qiáng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集和連續(xù)在線監(jiān)控可實(shí)時檢測，也易于微型化和集成化

14/192.3SPR生物傳感器應(yīng)用藥品篩選蛋白質(zhì)檢測和蛋白-蛋白相互作用等蛋白質(zhì)組學(xué)研究食物檢測和環(huán)境監(jiān)控遺傳分析（DNA檢測分析）15/193.1光波導(dǎo)DNA生物傳感器工作原理

圖3光波導(dǎo)DNA生物傳感器裝置圖16/193.2光波導(dǎo)DNA生物傳感器研究情況

光波導(dǎo)DNA生物傳感器光波導(dǎo)DNA生物傳感器是在光波導(dǎo)載波片表面制成ssDNA探針陣列，將光波導(dǎo)載波片與另一片載波片疊加在一起，中間形成175“m厚、2．54一寬通道。在此通道中含有生物素標(biāo)識DNA和抗生物素一～硒結(jié)合物溶液與ssDNA探針雜交，抗生物素與生物紊結(jié)合，使硒粒子聚焦在光波導(dǎo)載波片表面ssDNA探針雜交部位上。以燈光經(jīng)狹縫照射光波導(dǎo)邊緣，光線在波導(dǎo)內(nèi)以全反射方式傳輸，在溶液中距波導(dǎo)載波片表面100—300nm形成隱失波場中產(chǎn)生散射。利用CCD相機(jī)可統(tǒng)計(jì)下散射光信號圖樣，經(jīng)計(jì)算機(jī)分析處理，可取得DNA雜交圖譜。采取該原理設(shè)計(jì)DNA生物傳感器因?yàn)閷夹g(shù)要求很高，現(xiàn)依然處于試驗(yàn)室研究階段，而且相對于光纖來說，它實(shí)用價值較差。17/19光學(xué)DNA生物傳感器

綜合比較上述三種光學(xué)生物傳感器我們會發(fā)覺生物傳感器設(shè)計(jì)包括到兩