3.051/BE.340 第16讲生物传感器 1.什么是生物传感器? 生物传感器的描述有多种。它们分别是 a)一种能测量生物学信号的装置 b)一种能“使用仿生学原理”进行感觉的装置。例如:人工鼻 )一种能探测到生物分子存在的装置 我们将采用国际理论与应用联合化学会( IUPAC)最新的定义 “通过利用一种能与换能元件在空间上直接接触的生物识别元件提供特殊的定量或半定量 的分析信息的完整的综合装置。” 2.生物传感器的用途 农业、食品和医药工业的质量保证。例如:E-杆菌,沙门氏菌 监控环境污染和细菌战工具。例如:细菌炭疽热孢子。 医学诊断。例如:葡萄糖。 生物化验。例如:DNA微序列
1 1 3.051/BE.340 第 16 讲 生物传感器 1． 什么是生物传感器？ 生物传感器的描述有多种。它们分别是： a) 一种能测量生物学信号的装置。 b) 一种能“使用仿生学原理”进行感觉的装置。例如：人工鼻 c) 一种能探测到生物分子存在的装置。 我们将采用国际理论与应用联合化学会（IUPAC） 最新的定义： “通过利用一种能与换能元件在空间上直接接触的生物识别元件 提供特殊的定量或半定量 的分析信息的完整的综合装置。” 2． 生物传感器的用途 z 农业、食品和医药工业的质量保证。例如：E-杆菌，沙门氏菌 z 监控环境污染和细菌战工具。例如：细菌炭疽热孢子。 z 医学诊断。例如：葡萄糖。 z 生物化验。例如：DNA 微序列
3.051/BE.340 3.生物传感器的分类 A)儘化型生物传感器:一种能测量稳态的浓度或含量的信号量的装置。该信号是由于生物 催化反应所产生或消除的,且换能器能检测响应的信号 监控量:i)产品形成的速度 i)反应物的消失 ⅲ)反应的抑制作用 生物催化用作:i)酶 ⅱ)微生物 ⅲ)细胞器官 iv)组织样品 B)亲和甡生物传感器:一种包含感受器和换能器的装置,该感受器分子可与被检测分子发 生不可逆的键合从而产生物理化学变化,且换能器能响应检测到该变化量。 感受器分子:i)抗体 ⅱ)核酸 ⅲ)荷尔蒙受体 生物传感器大多常常被用作检测生物源分子,该检测是基于特殊的相互反应
2 2 3.051/BE.340 3．生物传感器的分类 A）催化型生物传感器：一种能测量稳态的浓度或含量的信号量的装置。该信号是由于生物 催化反应所产生或消除的，且换能器能检测响应的信号。 监控量： ⅰ）产品形成的速度 ⅱ）反应物的消失 ⅲ）反应的抑制作用 生物催化用作： ⅰ）酶 ⅱ）微生物 ⅲ）细胞器官 ⅳ）组织样品 B）亲和性生物传感器：一种包含感受器和换能器的装置，该感受器分子可与被检测分子发 生不可逆的键合从而产生物理化学变化，且换能器能响应检测到该变化量。 感受器分子：ⅰ）抗体 ⅱ）核酸 ⅲ）荷尔蒙受体 生物传感器大多常常被用作检测生物源分子，该检测是基于特殊的相互反应
3.051/BE.340 半透膜 生物传感器的组成 C待测物 (化学目标) 信号 外部媒介(如:血液) 转换元件 电极 固定化 (电化学电极) 生物元件 待测物:化学/生物目标 半透膜(1):允许待测物优先选择性通过(限制结垢) 检测元件(敏感性生物分子):提供特殊识别/待测物的检测响应 半透膜(2):(某些设计)识别过程的副产品优先通过 电极:(基于电化学):电极之间的离子传导 转换器:把响应检测到的信息转换成可测量的信号
3 3 3.051/BE.340 4．生物传感器的组成 （2） （1） 待测物：化学/生物目标 半透膜（1）：允许待测物优先选择性通过（限制结垢） 检测元件（敏感性生物分子）：提供特殊识别/待测物的检测响应 半透膜（2）：（某些设计）识别过程的副产品优先通过 电极：（基于电化学）：电极之间的离子传导 转换器：把响应检测到的信息转换成可测量的信号 信号 转换元件 电极 （电化学电极） 固定化 生物元件 外部媒介（如：血液） 待测物 （化学目标） 半透膜
3.051/BE.340 敏感测战元件 1)催化型:目前用的最多的藤 例如:葡糖氧化酶,尿素酶(促进尿分解),酒精氧化酶等 商业品化实例:使用葡糖氧化酶的葡萄糖传感器(GOD) 葡萄糖+氧气+水葡萄糖酸+双氧水 GOD 3种有潜力的测试路径:1.pH变化(酸产物) 2.O2消耗量(荧光检测) 3.H2O2产物(电化学) 商业上现有的生物传感器可捡测:葡萄糖,乳酸盐,乙醇,蔗糖,半乳糖,尿酸,全淀粉, 胆碱,左旋-赖氨酸一都基于检测O2/H2O2的电流信号 2)亲和性键和:最常用的为抗体和核酸片断 商业化例子:DNA芯片
4 4 3.051/BE.340 A）敏感测试元件 1）催化型：目前用的最多的酶 例如：葡糖氧化酶，尿素酶（促进尿分解），酒精氧化酶等。 商业品化实例：使用葡糖氧化酶的葡萄糖传感器（GOD） 葡萄糖+氧气+水 → 葡萄糖酸+双氧水 GOD 3 种有潜力的测试路径： 1. pH 变化（酸产物） 2. O2 消耗量（荧光检测） 3. H2O2 产物（电化学） 商业上现有的生物传感器可检测：葡萄糖，乳酸盐，乙醇，蔗糖，半乳糖，尿酸，全淀粉， 胆碱，左旋-赖氨酸—都基于检测 O2/H2O2 的电流信号。 2）亲和性键和：最常用的为抗体和核酸片断 商业化例子：DNA 芯片
3.051/BE.340 B)换能器 1)电化学测量电极间通过的电流(常用的为电流)、电压变化,把化学信号转化成电信号。 减少的化学物质Cra:的氧化反应 C→>C+ne 电流装置:测量的电流是被限制大量传输 x(电极间距离) F=96,487库仓(法拉第常数) i=ilis=-nFA/ A=电极面积 式中J是流量 6=边界层宽度 J=-D D ∠H3ADC
5 5 3.051/BE.340 B）换能器 1）电化学：测量电极间通过的电流（常用的为电流）、电压变化，把化学信号转化成电信号。 减少的化学物质 Cred:的氧化反应： 电流装置： 测量的电流是被限制大量传输 δ x（电极间距离） F=96，487 库仑（法拉第常数） i= ilim=-nFAJ A=电极面积 式中 J 是流量 δ=边界层宽度
3.051/BE.340 例子:基于过氧化氧化物的葡萄糖传感器(大多为商品化装置) 凝胶合成葡糖氧化酶 电解液 Au工作电极 Au辅助电极 葡萄糖+氧+水—◆葡糖酸+过氧化氢 GOD 阳极:过氧化氢一氧+2H2e 通过工作电极的电流 (回想:氧化反应发生在阳极;此处O-09)
6 6 3.051/BE.340 例子：基于过氧化氧化物的葡萄糖传感器（大多为商品化装置） 凝胶合成葡糖氧化酶 Au 工作电极 Au 辅助电极 葡萄糖+氧+水 葡糖酸+过氧化氢 GOD 阳极：过氧化氢 氧+2H+ 2e- 通过工作电极的电流 （回想：氧化反应发生在阳极；此处 O-1 O0 ） 电解液
3.051/BE.340 2)光化学:将化学信号转换为光化学信号,测量光的强度和波长(A) a)比色法:测量吸收强度 举例 非直接:过氧化氢+染料前体—彩色染料 过氧化酶 直接:黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)与辅助因素(在GOD上的氧化还原)键和,在377纳米 和455纳米处由于葡萄糖的存在而使吸收消失 b)荧光性 例1:DNA微排列—通过抗生物素蛋白-生物素联合体,荧光团选择性与待测分子键 合;已由 Affymetrix( S Fodor)商品化
7 7 3.051/BE.340 2)光化学：将化学信号转换为光化学信号，测量光的强度和波长（λ） a) 比色法：测量吸收强度 举例 非直接：过氧化氢+染料前体 彩色染料 过氧化酶 直接：黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)与辅助因素(在 GOD 上的氧化还原)键和，在 377 纳米 和 455 纳米处由于葡萄糖的存在而使吸收消失。 b) 荧光性 例 1：DNA 微排列— 通过抗生物素蛋白-生物素联合体，荧光团选择性与待测分子键 合；已由 Affymetrix（S.Fodor）商品化
3.051/BE.340 例2:光纤传感器:荧光团固定在光纤顶端,根据待测目标来改变荧光的信号量。 初始光E=h 刺激荧光团 测量返回荧光:E=hv2 包裹荧光团和生物分子的交联网状顶端 (光用作光聚合基质) 代表性 一在顶端的氧抑制捕获了荧光团的荧光(例如,三(4,7一二苯一1,10邻二氮杂菲)Ru (Ⅱ)二氯=Ru(dp)32cl2) 一捕获的氧化酶(生物元件,例如:GOD)消耗氧气的反应,导致了荧光团的发射 葡萄糖+氧气+水 葡糖酸+过氧化氢 GOD 我们如何解释天然氧气的波动? 多通道光纤:1.加强选择性并且或者 2.多待测物检测 我们如何检测多种待测物? 参考:MD. Marazuela等。“光纤生物传感器概述”,Anal. Bioanal Chem.372,664(2002)
8 8 3.051/BE.340 例 2：光纤传感器：荧光团固定在光纤顶端，根据待测目标来改变荧光的信号量。 初始光 E=hv1 刺激荧光团 测量返回荧光：E=hv2 包裹荧光团和生物分子的交联网状顶端 (光用作光聚合基质) 代表性： —在顶端的氧抑制捕获了荧光团的荧光（例如，三（4，7—二苯—1，10 邻二氮杂菲）Ru （Ⅱ）二氯=Ru(dpp)3 2+cl2） —捕获的氧化酶（生物元件，例如：GOD）消耗氧气的反应，导致了荧光团的发射 葡萄糖+氧气+水 葡糖酸+过氧化氢 GOD 我们如何解释天然氧气的波动？ 多通道光纤：1. 加强选择性并且或者 2. 多待测物检测 我们如何检测多种待测物？ 参考：MD. Marazuela 等。“光纤生物传感器概述”，Anal. Bioanal. Chem. 372,664(2002)
3.051/BE.340 例3:半导体纳米粒子(量子点) 目前在发展中例如:量子点公司(P, Alivasatos) 典型的为基于亲和性键合 被粘附的抗体 优势: i)QD键隙(并且由此产生发射) 尺寸的变化→多种待测物容量 2纳米CdSe→绿色 5纳米CdSe→红色 ⅱ)窄,强发射谱图(较强的信号/噪音 度 ⅲi)能被用作基于表面或溶液的测量 参考: A P Alivisatos,科学271,2013(1998)
9 9 3.051/BE.340 例 3：半导体纳米粒子（量子点） 目前在发展中 例如：量子点公司（P. Alivasatos） 典型的为基于亲和性键合 被粘附的抗体 优势： i) QD 键隙 （并且由此产生发射） 尺寸的变化 ⇒ 多种待测物容量 2 纳米 CdSe ⇒ 绿色 5 纳米 CdSe ⇒ 红色 ⅱ）窄，强发射谱图（较强的信号/噪音） λ ⅲ）能被用作基于表面或溶液的测量 参考：A.P.Alivisatos, 科学 271，2013（1998） 强度
3.051/BE.340 C)反射 例1:“纳米棒”一反射多层叠加金属棒表面,提供光学信号; Surromed公司正在开发。 (M. Natan) 基于亲水性键合 Pd 通过由一系列金属盐变成 模板孔的电化学还原反应 Al2O3膜 004-15pm Au 制备而成 (溶在NaOH溶液中) Ag Au Ag电极 (溶解在硝酸溶液中) Pt 20500m 反射微孔给出对于每一种棒独特的信号 反射强度 长度
10 10 3.051/BE.340 C) 反射 例 1：“纳米棒”—反射多层叠加金属棒表面，提供光学信号；Surromed 公司正在开发。 （M.Natan） 基于亲水性键合 Al2O3 膜 （溶在 NaOH 溶液中） Ag 电极 （溶解在硝酸溶液中） 反射微孔给出对于每一种棒独特的信号 长度 通过由一系列金属盐变成 模板孔的电化学还原反应 制备而成 反 射 强 度