1、第六章生物傳感器、生物傳感器(biosensor ) :生物傳感器通常是指一種生物傳感器與傳感器緊密結合，對特定種類的化學物質(zhì)或生物活性物質(zhì)具有選擇性和可逆響應的分析裝置。 用于微量物質(zhì)的檢測。 識別了基本組成和動作原理的生物分子作用于生物傳感膜，產(chǎn)生物理變化和化學變化。 生物傳感器的重要部分是生物傳感器。 特定識別功能的生物活性物質(zhì)的高度特異/高度敏感例：酶、抗原、抗體、各種受體。 酶、抗體、換能器將信號轉(zhuǎn)換成電信號。以及電極(將化學變化轉(zhuǎn)換為電信號)、光電轉(zhuǎn)換器(將光信號轉(zhuǎn)換為電信號)、熱電轉(zhuǎn)換器、離子靈敏度場效應管(將離子濃度變化轉(zhuǎn)換為電信號)等。 生物傳感器固定化技術是生物傳感器制作的

2、核心，固定化技術：將酶等活性物質(zhì)固定化在各種載體上，作為生物敏感膜應用的結合技術目前固定化的生物活性物質(zhì)：酶、輔酶、抗原、抗體、微生物菌體、激素、抑制劑、細胞器等固定化技術主要是有吸附法、共價鍵法的分子識別元件根據(jù)換能器，采用電極型、測熱型、發(fā)光型、半導體型、測音型。 按工作原理：電化學生物傳感器、熱效應生物傳感器、光電效應生物傳感器。 生物傳感器的工作原理是將化學變化轉(zhuǎn)換為電信號(間接型)，將熱變化轉(zhuǎn)換為電信號(間接型)，將光效應轉(zhuǎn)換為電信號(間接型)，直接產(chǎn)生電信號的方式(直接型)，1電化學生物傳感器，酶催化特定的生物物質(zhì)的反應， 特定反應生成物的量增減換能器將生成物量的增減分為電信號電化

3、學電極的電化學生物傳感器所采用的電流型電極作為信號轉(zhuǎn)換器的傾向增高，這樣的電極與電位型電極相比，(1) 如電極的輸出與被檢體的濃度直接存在直線關系的電位型電極那樣，與被檢體濃度的對數(shù)沒有線性關系的(2)與電極輸出值的讀取誤差對應的被檢體濃度的相對誤差比電位型電極小的(3)電極的靈敏度高，生物分子識別元件：可利用葡萄糖氧化酶膜的測定量： O2的減少量， 葡萄糖酸或H2O2的產(chǎn)生量信號轉(zhuǎn)換元件：氧電極膽固醇傳感器、乳酸傳感器、肌酸酐和肌酸酐傳感器等，葡萄糖傳感器、2熱效應生物傳感器、固定化的酶膜與被測定生物物質(zhì)發(fā)生作用，產(chǎn)生熱效應的熱敏元件對熱進行電阻t :系統(tǒng)溫度變化n :產(chǎn)物摩爾數(shù)Cs :系統(tǒng)

4、熱容量h :酶催化反應焓變化(能量)，3光電效應生物傳感器，固定化生物量和被測量生物量作用，光學現(xiàn)象產(chǎn)生光信號作為光學DNA生物傳感器，血紅蛋白檢測系統(tǒng)，DNA 由于基于光學生物傳感器，Hb含量的測定對于了解生物體內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的功能水平和營養(yǎng)狀況等信息非常重要。 全血樣品滴入固定有裂解劑和氧化試劑的感應膜時，血紅蛋白細胞被裂解劑裂解，釋放出的Hb和氧化試劑生成穩(wěn)定的褐色生成物，Hb濃度越高，感應膜的顏色越濃。根據(jù)光纖分光器的檢測，反應后的感應膜在波長570 nm產(chǎn)生特異的吸收，得到的光反射率與Hb濃度有良好的線性關系。 4、直接產(chǎn)生電信號的方式、上述三原理的生物傳感器都是使分子識別元件中的生物感

5、應物質(zhì)與被測定物進行化學反應，通過信號轉(zhuǎn)換器將反應后產(chǎn)生的化學或物理變化轉(zhuǎn)換為電信號進行測定而直接產(chǎn)生電信號的方式，是直接(或電子生物芯片是指被硅片、尼龍薄膜等固相支撐體包復的高密度組織、細胞、蛋白質(zhì)、核酸、糖類和其他生物成分的微陣列。 芯片可以與標記樣品進行雜交，通過檢測雜交信號實現(xiàn)生物樣品的分析。 生物芯片的類型，常見的生物芯片組裝蛋白質(zhì)芯片主要有：個基因芯片。 世界萩名生物芯片公司：Affymetrix (Santa Clara，California )，其他： braxgenomicslimited (Cambridge，UK )，hyseq(sseq )，基因芯片，基因芯片是寡核將系

6、列DNA片段固定在載體(硅片、尼龍薄膜)上。 可以同時進行數(shù)百次的普通測試。 大量探針分子固定在支撐物上后，利用DNA雙鏈互補堿基之間的氫鍵作用，與標記的樣品分子進行雜交，用精密掃描儀或相機記錄，用計算機軟件分析處理，得到有價值的生物信息。 在基因芯片的制造中，使用半導體領域的微細加工技術(例如右圖的光刻技術)。 基因芯片可同時檢測分析大量核酸分子，并應用于生物醫(yī)學、生物分子學、人類基因組研究和醫(yī)學臨床診斷領域。 如基因表達和分析、疾病診斷、藥物研究和發(fā)展等。 蛋白質(zhì)芯片、蛋白質(zhì)芯片主要是蛋白質(zhì)，如抗原和抗體在載體上的規(guī)則排列，根據(jù)蛋白質(zhì)分子、蛋白質(zhì)和核酸的相互作用原理進行雜交、檢測和分析。

7、組織芯片、組織芯片和基因芯片、蛋白質(zhì)芯片以及細胞芯片等一樣，都是特殊、新型的生物芯片，是新型的高吞吐量、多樣本的研究工具。 將數(shù)十至數(shù)千個不同個體的組織標本整合為一個固相載體，為醫(yī)學分子生物學提供了高通量、大樣本和快速分子水平分析工具。 1醫(yī)學(1)臨床醫(yī)學臨床醫(yī)學中，酶電極是研制最早、應用最多的傳感器，目前已成功檢測出血糖、乳酸、維生素c、尿酸、尿素、谷氨酸等物質(zhì)。 可以利用具有不同生物特性的微生物代替酶制造微生物傳感器，臨床應用的微生物傳感器有葡萄糖、乙醉、膽固醇等傳感器。 DNA傳感器是目前生物傳感器中報告最多的一種，用于臨床疾病診斷是DNA傳感器的最大優(yōu)勢，醫(yī)生可以幫助從DNA、RNA

8、、蛋白質(zhì)及其相互作用的水平了解疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，有助于對疾病的及時診斷和治療。 (2)在軍事醫(yī)學和軍事醫(yī)學中，及時快速檢測生物毒素是防御生化武器的有效措施。 生物傳感器已經(jīng)應用于監(jiān)測多種細菌、病毒及其毒素，如鼠疫埃爾森菌、肉毒菌類毒素等。 另外法醫(yī)學中，生物傳感器可以作為DNA鑒定和親子認證等。 在應用領域、2食品工業(yè)、食品成分分析食品工業(yè)中，葡萄糖含量是測定水果成熟度和貯藏壽命的重要指標。 研制的酶電極型生物傳感器可用于分析白酒、蘋果汁、果醬、蜂蜜中的葡萄糖。 其他糖類是糖、啤酒、麥芽汁中的麥芽糖，也有成熟的測定傳感器。食品添加劑的分析亞硫酸鹽通常作為食品工業(yè)的漂白劑和防腐劑，以亞硫酸鹽

9、氧化酶為敏感材料制備的電流型二氧化硫酶電極可用于食品中亞硫酸鹽含量的測定；(3)農(nóng)藥殘留量的分析近年來，食品中農(nóng)藥殘留問題越來越受到重視，各國政府也越來越強化對食品中農(nóng)藥殘留的檢測。 Yamazaki等人發(fā)明了使用人工酶測定有機磷殺蟲劑的電流式生物傳感器，可以用于蔬果表面的有機磷農(nóng)藥的檢測。 (4)微生物和毒素檢測食品中病原微生物的存在對消費者的健康造成很大危害，食品中毒素不僅種類繁多，毒性大，多具有致癌、致畸、致突變作用，因此加強食品中病原微生物和毒素的檢測至關重要。 快速敏捷的免疫生物傳感器可用于測定牛奶中二氫除蟲菌的殘留物，基于細胞質(zhì)基因組的反應，通過光學系統(tǒng)傳遞信號。 到達的檢測極限為

10、16.2 ng/ml。 一天可以檢查20個牛奶樣品。 環(huán)境監(jiān)測(1)水環(huán)境監(jiān)測生物的需氧量(BOD )是表示廣泛采用的有機物污染程度的綜合指標。 國外普遍采用的BOD生物傳感器是將微生物膜固定在溶解氧的探頭上，樣品溶液通過傳感器檢查系統(tǒng)時，透過多孔膜的有機物被固定化的微生物吸收，消耗氧，減少膜周圍的溶解氧，使氧電極電流隨時間急劇減少。 (2)大氣環(huán)境監(jiān)測二氧化硫(S02 )是酸雨霧形成的主要原因，傳統(tǒng)的檢測方法復雜。 Martyr等人將亞細胞系脂質(zhì)(含亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體)固定在醋酸纖維膜上，將氧電極作為安培型生物傳感器，檢測出在S02形成的酸雨霧樣品溶液，lOmin得到了穩(wěn)定的測定結果。 (1)原材料和代謝產(chǎn)物的測定微生物傳感器可以用于發(fā)酵工業(yè)原材料和代謝產(chǎn)物的測定。 測定裝置基本上由適當?shù)奈⑸镫姌O和氧電極組成，原理是利用微生物的同化作用消耗氧，通過測定氧電極電流的變化量來測定氧的減少量，測定基質(zhì)濃度。 (2)微生物細胞數(shù)的測定在陽極表面菌體被直接氧化產(chǎn)生電流。 這個電化學系統(tǒng)能夠應用于