【经典】生物量传感器与检测技术 医用传感器教学课件.ppt

第七章 生物量传感器 与检测技术 内容简介 生物传感器 生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）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，通过各种化学和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。 生物传感器的构成 一是生物敏感膜(分子识别元件),是具有分子识别能力的生物活性物质，是生物传感器的关键部分，直接决定传感器的功能和质量; 二是物理或化学转换器(换能器)，将各种生物的、化学的和物理的信号转换为电信号。主要有电化学电极(如电位、电流的测量)、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等，当待测物与分子识别元件特异性结合后，所产生的复合物(或光、热等)通过信号转换器变为可以输出的电信号、光信号等，从而达到分析检测的目的。 生物传感器分类 根据生物传感器的信号转换器可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、热生物传感器、光生物传感器、声波生物传感器等 根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感材料可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、基因传感器、细胞传感器。 7.1 生物材料的固定化技术 许多生物分子，如脂质分子和一些蛋白质分子，在洁净的水表面展开后能形成水不溶性液态单分子膜，小心压缩表面积使液态膜逐渐过渡到成为一个分子厚度的拟固态膜。 这种膜以技术的发明者Langmuir和Blodgett命名，称为L—B膜。 一是酶膜可以制得很薄(数nm厚)，厚度和层数可以精确控制； 二是可以获得高密度酶分子膜。由此可能协调响应速度和响应活性这对矛盾。 7.2 经典生物传感器原理与应用 其原理是当工作电极相对于参考电极维持在一恒定的极化电压时测量输出电流。 当工作电极表面上电活性物质还原或氧化时，产生一个电流。 该电流在一定的条件下可由下式给出： 原理：根据红血球中所含的血型物质(凝集素)与血清中血型抗体的结合反应。 A、B、O型系统的血型物质为糖脂质，将这些血型物质从红血球中抽提出来调制成抗原膜，抗原膜的膜电位在凝集反应时发生显著变化，从而可容易地判别血型。 (1)竞争的抗原抗体反应 在含有测定对象的抗原样品溶液中，添加一定量的标识抗原。标识抗原与非标识抗原竞争做地在传感器的抗体膜表面上结合，形成抗原抗体结合体。 (2)清除游离的抗原 清洗传感器的抗体膜，清除没有形成抗原抗体结合体的游离抗原。 当在红血球或脂质体(双层磷脂结构)等表面存在抗原时，就可能在这些表面形成抗原抗体复合物。 由于抗原抗体结合后蛋白构象的改变，暴露了补体的结合点，补体与之相结合，导致红血球或脂质体膜的破裂，使内容物迅速外溢。 根据这个原理，如果在红血球或脂质体中将预先用离子电极所检出的标识离子封入，则进行补体反应时，抗原抗体复合物上就会释放出数量众多的标识离子。 7.2 新型生物传感器原理及应用 微生物传感器是一种生物选择性电化学探测器，是由经适当方法培养的细菌细胞(或经固定化的细胞)覆盖于相应的电化学传感器件表面而成。 它利用细胞中酶对待测物的水解、氨解或氧化等反应的选择性催化作用，以及电化学传感器元件对反应物的有选择探测，依据反应的化学计量关系，定量地测出底物存在量的信息。 用微生物取代酶作为生物活性物质。 呼吸活性型微生物传感器由好氧性微生物固定化膜和氧电极组合而成，测定时以微生物的呼吸活性为基础。 当微生物传感器插入溶解氧保持饱和状态的试液中时，试液中的有机化合物受到微生物的同化作用，微生物的呼吸加强，在电极上扩散的氧减少，电流值急剧下降。 当有机物由试液向微生物膜的扩散活动趋向恒定时，微生物的耗氧 量也达到恒定。此时向电极扩散的氧量趋向恒定，得到一个恒定的电流值。 可以看出，在此恒定电流值与试液中的有机化合物浓度之间存在着相关关系。 代谢活性型微生物传感器测定时以微生物的代谢活性为基础，其结构如图所示。 当微生物摄取有机化合物，生成的各种代谢产物中含有电极活性物质时，用安培计(电流法)可测的氢、甲酸和各种还原型辅酶等代谢物，而用电位计(电压法)则可测得二氧化碳、有机酸(氢离子)等代谢物。由此可以得到有机化合物浓度的信息。 把硝酸菌从废水处理设施的硝化槽中分离出来，放在指定的培养液中培养。然后把硝酸菌移到多孔性乙酸纤维膜上固定，接着再把纤维膜覆盖在隔膜氨电极的聚四氮乙烯膜表面上，就制成了氨生物传感器。 原理：肠膜明串珠菌只要缺少微量的苯丙氨酸就不能生长，其代谢产物主要为乳酸。 将乳酸氧化酶(LOD)