第7章 生物传感器

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,7,章,生物传感器,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-3,酶传感器,生物医学传感器,上节内容回顾,7-2,Slide,2,被测物质,生,物,敏,感,膜,生物学反应信息,敏,感,元,件,电信号,二,次,仪,表,第,7,章 生物传感器,生物传感器的基本组成,被测物质,生,物,敏,感,膜,生物学反应信息,敏,感,元,件,电信号,二,次,仪,表,生物学反应：,酶促反应,免疫学反应,微生物反应,受体配体结合反应,生物学反应信息：,离子变化,质子变化,气体分压变化,传感器元件：,离子选择性电极,场效应晶体管,热敏元件,7-3,第,7,章 生物传感器,Slide,3,酶传感器,微生物和组织及细胞传感器,免疫传感器,传,感,器,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-1,生物敏感膜,生物传感器的最关键部分；,载有,生物活性物质,的,膜层,；,生物活性物质：,迅速识别被测物质并与之发生化学反应；,具有高特异性和敏感性。,膜材料：天然，人工,第,7,章 生物传感器,图,7.2.1,生物敏感膜示意图,Slide,4,表,7.2.1,生物传感器的生物敏感膜及其生物活性材料,生物敏感膜,生物活性材料,酶膜,各种酶类,全细胞膜,细菌，真菌，动植物细胞,组织膜,动植物组织切片,细胞器膜,线粒体，叶绿素,免疫功能膜,抗体，抗原，酶标抗原,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-1,生物敏感膜,按照生物活性材料的不同，生物敏感膜可包括,:,Slide,5,1.,基于,生物催化反应,的生物敏感膜,2.,基于,生物吸附,的生物敏感膜,3.,基于,天然生物膜和人工生物膜,的生物敏感膜,按照其分子识别原理，生物敏感膜可包括,:,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-1,生物敏感膜,Slide,6,基于敏感膜中的特定酶与底物反应；,在接触生物物质或有机物质后，发生催化反应；,生成的化学产物，其中一种产物可有传感器元件所感知。,1.,基于生物催化反应的生物敏感膜,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-1,生物敏感膜,图,7.2.2,基于生物催化反应的生物敏感膜示意图,Slide,7,基于生物亲和性物质（抗体,-,抗原，,DNA-RNA,等）；,一方固定在膜上作为分子识别元件；,特异性反应引起膜电位变化。,2.,基于生物吸附的生物敏感膜,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-1,生物敏感膜,图,7.2.3,基于生物吸附的生物敏感膜示意图,Slide,8,直接利用具有生物活性的天然生物膜或人工生物膜；,3.,基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-1,生物敏感膜,Slide,9,图,7.2.4,天然生物膜和人工脂质双分子膜,生物敏感膜需要满足哪些性能？,7-2,生物敏感膜与固定化技术,生物敏感膜必须满足一定的性能，才能够达到实用的目的。,稳定性；可重复使用；能直接进行底物分析；操作简单；使用方便。,生物敏感膜的制备技术,固定化技术,怎样才能够使得生物敏感膜满足以上特点？,Slide,10,生物敏感,膜制备的固定化技术,生物活性物质,载体,生物敏感膜,固定化技术,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-2,固定化技术,酶，辅酶，,抗原，抗体，微生物菌体，激素，抑制剂，各种细胞器。,丙烯酰胺系聚合物，甲基丙烯系聚合物，苯乙烯系聚合物，胶原，右旋糖酐，琼脂糖，纤维素，淀粉等天然高分子以及玻璃，矾土，不锈钢等无机物。,Slide,11,例：,酶的固定化,方法,固定化酶的制备方法、制备材料多种多样，不同的制备方法和材料，固定化后酶的特性不同。对于特定的目标酶，要根据酶自身的性质、应用目的、应用环境来选择固定化载体和方法。具体包括：,夹心法,吸附法,包埋法,共价连接法,交联法,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-2,固定化技术,图,7.2.4,酶的固定化方法,7-2-2,固定化技术,Slide,12,（,a,）夹心法,制备方法：,将生物活性材料封闭在双层滤膜之间,优点：,操作简单；,不需要任何化学处理；,固定生物量大；,响应速度快；,重现性好。,缺点：稳定性较差（酶膜）。,适用范围：微生物和组织膜。,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-2,固定化技术,图,7.2.5,夹心法示意图,Slide,13,（,b,）吸附法,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-2,固定化技术,制备方法：,通过非水溶性载体的物理吸附或离子结合，使蛋白分子固定。,优点：,不需要化学试剂；,对酶活性影响小。,缺点：分子易脱落。固常与其他方法结合使用，如吸附交联法。,适用范围：酶膜和免疫分子膜的制作。,图,7.2.6,吸附法示意图,Slide,14,（,c,）共价连接法,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-2,固定化技术,制备方法：,酶分子通过共价键与不溶性载体结合而固定。,优点：,结合牢固，蛋白质不易脱落；,载体不易被生物降解；,使用寿命长。,缺点：操作繁琐，酶活性受影响。,图,7.2.7,共价连接法示意图,Slide,15,（,c,）共价连接法,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-2,固定化技术,酶蛋白上可供载体结合的功能基团有以下几种：,（,1,）酶蛋白,N,末端的,-,氨基或赖氨酸残基的,-,氨基。,（,2,）酶蛋白,C,末端的,-,羧基、天门冬氨酸残基的,-,羧基以及谷氨酸残基的,-,羧基。,（,3,）半胱氨酸残基的巯基。,（,4,）丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基的羟基。,（,5,）组氨酸残基的咪唑基。,（,6,）色氨酸残基的吲哚基。,（,7,）苯丙氨酸和酪氨酸残基的苯环。,Slide,16,必须注意，参加共价结合的氨基酸残基应当是酶催化活性非必需基团，如若共价结合包括了酶活性中心有关的基团，会导致酶的活力损失。,（,d,）包埋法,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-2,固定化技术,制备方法：,将酶分子或细胞包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。,优点：,一般不产生化学修饰，对分子活性影响小；,膜的孔径和形状可以任意控制；,被包埋物不易渗漏；,底物分子可在膜中任意扩散。,缺点：分子量大的底物扩散困难。,图,7.2.8,包埋法示意图,Slide,17,（,e,）交联法,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-2,固定化技术,制备方法：,依靠双功能试剂在分子间形成交联而聚成网状结构。,优点：,操作简单；,结合牢固。,缺点：固定化时需严格控制,pH,，交联剂浓度，否则会使蛋白质中毒，酶分子会部分失活。,图,7.2.9,交联法示意图,Slide,18,吸附法,包埋法,共价结合法,交联法,物理吸附法,离子吸附法,制备,易,易,较难,难,较难,结合程度,弱,中等,强,强,强,活力回收率,高，但酶易流失,高,高,低,中等,再生,可能,可能,不可能,不可能,不可能,固定化成本,低,低,低,高,中等,底物专一性,不变,不变,不变,可变,可变,表,7.2.2,各种固定化方法的比较,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-2,固定化技术,Slide,19,具体的例子,让我们打开书,295,页，看书上表,7.3,Slide,20,LB,膜技术,特点：,低温低压下制成高密度、分子排列方向一致的单分子层或双分子层超薄膜。,典型的,LB,膜必须具有双亲性，即含有亲水基和疏水基的化合物。,制备方法如图所示：,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-2,固定化技术,Slide,21,图,7.2.10 LB,膜成膜方法,疏水表面的基片：向下插入水面,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-2,固定化技术,Slide,22,知识扩展：固定化细胞,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-2,固定化技术,Slide,23,固定化死细胞,只利用其酶活性；,固定化活细胞,经固定化后，细胞仍保存活性，能进行正常的生长、繁殖和新陈代谢，所以称为固定化活细胞或固定化增殖细胞。,固定化活细胞与固定化酶相比有何优越之处？,都以酶的应用为目的，其制备方法也基本相同。固定化活细胞的制备条件比固定化酶更要温和，其制备方法主要有物理吸附法和包埋法两种。,固定化活细胞保持了酶的原始状态，酶的稳定性更高，对污染的抵抗力更强；通常采用微生物细胞，生长力强，细胞多，反应快。,以上仅举了固定化酶、固定化细胞的例子；,实际上，根据感受器的不同，可以将生物传感器分成以下几种类型：,酶传感器,固定化酶；,微生物传感器,固定化细胞；,免疫传感器,固定化抗原,/,抗体；,Slide,24,7-2,生物敏感膜与固定化技术,7-2-2,固定化技术,下面我们从酶传感器开始，进一步为大家介绍上述生物传感器。,Slide,25,7-3,酶传感器,7-3,酶传感器,酶传感器的组成和工作原理：,固定化酶膜：,选择性地“识别”被检测的物质，并且催化被“识别”出的物质发生化学反应；,变换器：,把这一催化反应中底物或产物的变量转换成电信号，进而通过仪表显示出来。,图,7.3.1,酶传感器的工作原理,Slide,26,酶电极：,在基础电极的敏感面上装有固定化酶膜，当电极插入待测溶液时，酶膜中的酶发生催化反应产生电极活性物质（如氧，过氧化氢，氨等），引起基础电极电位变化，转化成电信号，由此测出该酶所催化的反应中反应物或反应产物的浓度。,根据酶电极的输出信号方式，可有电流型和电位型两类电极。,电流型：,由催化反应有关物质的电极反应得到的电流来确定反映物质浓度。,如氧电极，燃料电池型电极，过氧化氢电极等。,电位型：,通过测量敏感膜电位来确定与催化反应有关的各种离子浓度。,如氨电极，二氧化碳电极，氢电极等。,7-3,酶传感器,反应原理：,反应过程：,1,底物,S,由液相传质到传感器表面,2,底物,S,通过透析膜,3,底物,S,在液相与酶层中进行分配,4,底物,S,在酶层中传质与反应,5,反应产物粒子通过透析膜进入基础电极室,6,反应产物粒子在基础电极上发生电荷转移反应,7.3.1,电流型生物传感器基本原理,Slide,27,7-3,酶传感器,我们以葡萄糖传感器为例，来,介绍电流型生物传感器的基本原理。,Slide,28,课本上例子（相同原理）：,极谱式氧电极（,Clark,氧电极）原理：,7-3,酶传感器,实际应用举例：针状酶电极传感器,Slide,29,7-3,酶传感器,我们注意到，葡萄糖氧化酶电极、乳酸酶电极等多数酶电极，其反应式：,其中，都需要分子氧参与氧化还原反应。,那么如果在缺氧，或氧分压不断变化的环境下怎么办呢？,7-3,酶传感器,Slide,30,7.3.2,介体酶电极,以介体（,Mediator,）取代,O,2,/H,2,O,2,在酶反应和电极间进行电子传递。,这种传感器可以较好地解决前面所述的问题，而且能降低工作电位，缩短响应时间，提高酶电极的选择性和重现性。,以二茂铁单羧酸（,Fc,）电极为例，介绍工作原理：,Fc,作为,GOD,的氧化剂，在酶反应与电极过程间迅速传递电子。,参考文献：金利通等,.,羧酸二茂铁为介体的生物传感器的研究,.,华东师范大学学报,1995,2:60-64.,7-3,酶传感器,Slide,31,7.3.3,酶敏,FET,意义：传感器的微型化,结构：在,pH ISFET,基础上制备一层,GOD,膜。（,pH ISFET,见书,249,页）,原理：,1,）反应式：,2,）该反应使酶膜中的,pH,下降；,3,）白蛋白膜为对葡萄糖不敏感的参考膜。,优点：仅需微量试液，目前已开发出一种经皮,血糖测试系统。通过一个吸引槽从皮肤,吸出微量经皮浸出液，即可测量。,7-3,酶传感器,Slide,32,7.3.4,光寻址电位传感器,（,Light Addressable Pote