傳感器技術(shù)應(yīng)用在生化分析中應(yīng)用進展微生物傳感器

1、傳感器技術(shù)應(yīng)用在生化分析中應(yīng)用進展微生物傳感器二、生物傳感器在生化分析中的應(yīng)用二、生物傳感器在生化分析中的應(yīng)用1. 微生物傳感器微生物傳感器2. 酶傳感器酶傳感器3. 免疫傳感器免疫傳感器4. 基因傳感器基因傳感器一、生物傳感器的介紹一、生物傳感器的介紹三、生物傳感器的發(fā)展趨勢三、生物傳感器的發(fā)展趨勢目目錄錄一、生物傳感器的介紹一、生物傳感器的介紹 傳感器(transducer或sensor)：將各種非電量(包括物理量、化學(xué)量、生物量等)按定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量(一般為電量)的裝置。 傳感器技術(shù)：利用各種功能材料實現(xiàn)信息檢測的一門應(yīng)用技術(shù)，是檢測(傳感)原理、材料科學(xué)、工藝加

2、工等三個要素的最佳結(jié)合。1. 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)傳感器的組成部份傳感器的組成部份敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測量電量圖圖1.傳感器的組成示意圖傳感器的組成示意圖被檢測量 物理量傳感器化學(xué)量傳感器生物量傳感器 物理原理 壓阻式、壓電式、電感式、電容式、應(yīng)變式、霍爾式 能量的傳遞方式 有源傳感器無源傳感器 工作機理 結(jié)構(gòu)型物性型 分類原則傳感器的分類傳感器的分類2. 生物傳感器生物傳感器2.1 生物傳感器的基本概念生物傳感器的基本概念 生物傳感器生物傳感器：指由一種生物敏感部件(如酶、抗體、全細胞、細胞器或其聯(lián)合體)和轉(zhuǎn)化器緊密結(jié)合,對特定種類化學(xué)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)具有選擇性和可逆響應(yīng)的分析裝置。

3、 它是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進的檢測與監(jiān)控方法,也是對物質(zhì)在分子水平上進行快速和微量分析的方法。2.2 生物傳感器工作原理生物傳感器工作原理圖圖2.生物傳感器原理圖生物傳感器原理圖2.3 信號轉(zhuǎn)換信號轉(zhuǎn)換 信號轉(zhuǎn)換器是將分子識別元件進行識別時所產(chǎn)生的化學(xué)的或物理的變化轉(zhuǎn)換成可用信號的裝置。 用得最多的且比較成熟的是電化學(xué)電極。電化學(xué)電極電化學(xué)電極電位型電位型電極電極電流型電流型電極電極氧化還原電極離子選擇電極氧電極2.4 生物傳感器分類生物傳感器分類輸出信號的產(chǎn)生方式生物親和型代謝型催化型 信號轉(zhuǎn)換器電化學(xué)、半導(dǎo)體測熱型、測光型、測聲型生物分子識別元件上的敏感材料酶傳感器、微生物傳感器、

4、免疫傳感器、組織傳感器、基因傳感器、細胞及細胞器傳感器。分類原則分類原則2.5 生物傳感器的特點生物傳感器的特點 靈敏度高靈敏度高選擇性好選擇性好測定迅速測定迅速可微型化可微型化現(xiàn)場檢測現(xiàn)場檢測2.6 生物傳感器在生化分析中的應(yīng)用生物傳感器在生化分析中的應(yīng)用 基礎(chǔ)研究基礎(chǔ)研究：可實時監(jiān)測生物大分子之間的相互作用，動態(tài)觀察抗原、抗體之間結(jié)合與解離的平衡關(guān)系。 臨床應(yīng)用臨床應(yīng)用：用酶、免疫傳感器等生物傳感器來檢測體液中的各種化學(xué)成分，為醫(yī)生的診斷提出依據(jù)。 生物醫(yī)藥生物醫(yī)藥：利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)藥物時，將生物傳感器用于生化反應(yīng)的監(jiān)視，可以迅速地獲取各種數(shù)據(jù)，有效地加強生物工程產(chǎn)品的質(zhì)量管理。 二、

5、生物傳感器在生化分析中的應(yīng)用二、生物傳感器在生化分析中的應(yīng)用微生物傳感器微生物傳感器 陳裕富陳裕富1酶傳感器酶傳感器 劉劉 丹丹2免疫傳感器免疫傳感器 祖洪波祖洪波3基因傳感器基因傳感器 董秋鵬董秋鵬41. 微生物傳感器微生物傳感器(Microorganism Sensor)1.1 原理原理 微生物傳感器是以活的微生物作為敏感材料，利用其體內(nèi)的各種酶系及代謝系統(tǒng)來測定和識別相應(yīng)底物。 組成組成：固定化微生物、換能器和信號輸出裝置。分類：分類：呼吸活性測定型；電極活性測定型。圖圖3. 微生物傳感器原理示意圖微生物傳感器原理示意圖 例如，熒光假單胞菌，能同化葡萄糖；蕓苔絲孢酵母可同化乙醇，因此可分

6、別用來制備葡萄糖和乙醇傳感器，這兩種細菌在同化底物時，均消耗溶液中的氧，因此可用氧電極來測定。 基于不同類型的信號轉(zhuǎn)換器，常見的微生物傳感器：電化學(xué)型、光學(xué)型、熱敏電阻型、壓電高頻阻抗型和燃料電池型。表表1.典型微生物傳感器一覽表典型微生物傳感器一覽表 測定對象測定對象微生物名稱微生物名稱測定電極測定電極檢出范圍檢出范圍葡萄糖熒光假單胞菌氧電極320 mg/ L甲酸丁酸梭菌燃料電極141320mg/ L乙醇蕓苔絲酵母菌氧電極10100mg/ L乙醇木醋桿菌氧電極 18 mg/ L硝酸鹽棕色固氮菌氨氣敏電極0.010.8mmol/L亞硝酸鹽硝化桿菌氧電極0. 010. 6mmol/ L甲烷鞭毛甲

7、基單胞菌氧電極0.0136.6mmol/L谷氨酸大腸桿菌二氧化碳電極6080 mg/L谷酰胺黃色八疊球菌氨氣敏電極0.110 mmol/LL-組氨酸假單胞桿氨氣敏電極0.13 mmol/ L1.2 制備方法制備方法 （1）吸附法吸附法：利用載體與微生物細胞間簡單的物理吸附進行固定。（2）共價鍵法共價鍵法：通過交聯(lián)劑把活細胞以共價鍵結(jié)合到載體上。 （3）包埋法包埋法：將微生物活細胞包埋于適當(dāng)?shù)牧Ⅲw網(wǎng)狀材料中，最常用。1.3 測定系統(tǒng)測定系統(tǒng) 1.3.1 批式測定系統(tǒng)批式測定系統(tǒng)1.3.2 流動測定系統(tǒng)流動測定系統(tǒng)1.4 應(yīng)用實例應(yīng)用實例 1.4.1 氨傳感器氨傳感器 圖圖5. 微生物傳感器的應(yīng)用

8、氨傳感器微生物傳感器的應(yīng)用氨傳感器1.4.2 BOD微生物傳感器微生物傳感器 優(yōu)點：優(yōu)點：成本低、操作簡便、設(shè)備簡單，市場前景十分巨大和誘人。 缺點：缺點：選擇性不夠好，這是由于在微生物細胞中含有多種酶引起的。 發(fā)展趨勢：發(fā)展趨勢：微型化、集成化、智能化。 1.5 展望展望4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)4.1 基本原理基因傳感器基因傳感器也稱為DNA生物傳感器，是一種能將目的DNA的存在轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測的電、光、聲等信號的傳感裝置。組成：組成：DNA生物傳感器和其它的生物傳感器一樣，包含兩部分，即分子識別元件(DNA) 和換能器。種類：根據(jù)換能器種類不同，可以分成不同類型的

9、DNA 生物傳感器，如電化學(xué)DNA傳感器、光學(xué)DNA傳感器和壓電DNA傳感器等。4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)圖4-1 DNA傳感器的分類4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)4.2 電化學(xué)DNA傳感器 電化學(xué)DNA 生物傳感器是將單鏈DNA 探針固定在電極上，電極作為信號傳導(dǎo)器將表面發(fā)生的雜交反應(yīng)導(dǎo)出。圖4-2 電化學(xué)DNA傳感器的原理示意圖4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)4.2.1 DNA探針固定方法 DNA 探針在電極表面的固定首先要考慮實現(xiàn)其與電極的穩(wěn)定連接和雜交活性的保持，因此電化學(xué)DNA 傳感器的性質(zhì)，包括靈敏度和使用壽

10、命等，很大程度上與探針DNA 的固定方法密切相關(guān)。 理想的探針固定方法是通過末端修飾基團實現(xiàn)DNA 在電極表面的共價自組裝。因為末端連接可以使DNA 骨架在空間構(gòu)型上有很大的自由度。有利于堿基暴露和雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成。4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)4.2.1 DNA探針固定方法圖4-3 通過生物素親和素的DNA探針固定方法圖4-4 通過金硫鍵鍵合 的DNA探針固定方法4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)4.2.1 電化學(xué)DNA傳感器的應(yīng)用 由于DNA 自身的結(jié)構(gòu)和組成如堿基的氧化和堿基對電子的傳遞能力等，因此很多對DNA進行電化學(xué)檢測。 直接檢測DNA可

11、以與某些電極表面進行直接電子轉(zhuǎn)移，堿基和核糖在一定電勢窗口下具有電化學(xué)活性 間接檢測 通過一些氧化還原媒介來實現(xiàn)電子傳遞，借助于這些與DNA 選擇性結(jié)合的有電化學(xué)活性的指示劑來進行雜交檢測。4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)4.2.1 電化學(xué)DNA傳感器的應(yīng)用圖4-5 通過釕配合物氧化鳥嘌呤檢測DNA雜交4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)4.2.2 小結(jié) 電化學(xué)DNA 傳感器具有選擇性好、靈敏度高、測試費用低及適于聯(lián)機化的優(yōu)點； 電分析化學(xué)不破壞測試體系，不受顏色影響，操作簡便；電化學(xué)傳感大都使用固體電極表面固定探針，對發(fā)展基于表面控制雜交反應(yīng)的基因診斷

12、學(xué)研究有著獨特的優(yōu)勢。 因此，電化學(xué)DNA 傳感器是一種非常有發(fā)展前途的生物傳感器，也必將會在分子診斷、食品檢驗、環(huán)境監(jiān)測以及安全反恐等領(lǐng)域具有極為廣泛的應(yīng)用。4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)4.3 壓電DNA傳感器 壓電DNA傳感器是把聲學(xué)、電子學(xué)和分子生物學(xué)結(jié)合在一起的新型基因傳感器，是生物DNA傳感器研究中的一個熱點。 壓電效應(yīng)：石英諧振器表面質(zhì)量的變化與諧振頻率的變化成負相關(guān)關(guān)系。 f=-kf02m/A式中：k是和器件有關(guān)的常數(shù)； f0是反應(yīng)前傳感器的頻率； A是反應(yīng)域的面積； 負號表示質(zhì)量的增加會引起頻率的降低。4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosenso

13、r)4.3 壓電DNA傳感器工作原理：先在石英晶體鍍上一薄層金膜然后把ssDNA吸附到石英諧振器表面，通過DNA 分子雜交，對另一條含有互補堿基序列的DNA 進行識別，結(jié)合成dsDNA，利用頻率的變化測定雜交量(堿基配對量)，便能構(gòu)建成壓電式DNA 傳感器。圖4-6 壓電DNA傳感器的工作原理4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)4.3.1 核酸探針的固化方法硅烷法：在電極表面氧化后，使電極表面形成富含-OH 的活性基團，再與硅烷化試劑作用得到含有氨基或羧基的活性表面，從而進行ssDNA固定化連接；自組裝膜法：在金電極上，利用-SH 基團可在金表面易形成自組裝單分子膜的特性，將

14、ssDNA 固定在基體傳感器上；親合素-生物素法：由于生物素和親和素具有獨特的相互作用，同時核酸很容易生物素化，因此，可通過親合素- 生物素的作用對ssDNA進行固化連接。4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)4.3.2 生化反應(yīng)方式 浸泡-干燥法：這種方式的反應(yīng)是在液相中進行的， 而測量是在氣相中進行的。首先在傳感器表面固定 DNA探針，記錄下頻率值，然后把傳感器放到溶液 中雜交，再將傳感器取出干燥并記錄頻率的變化值。 缺點：方法繁瑣，有很多清洗和干燥步驟； 優(yōu)點：測量不受液體中多種因素的影響； 4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)4.3.2 生化反應(yīng)方式

15、在線測量法：采用流動注射系統(tǒng)，所有的步驟都在液 體中進行。傳感器固定在流動腔中，液體流動控制采用 流動注射分析系統(tǒng)，加樣、反應(yīng)、清洗的全部過程都能 自動完成。圖4-7 利用流動注射分析系統(tǒng)在線測量4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)4.3.3 小結(jié) 到目前為止，壓電DNA傳感器在生化分析中各個方面，包括細菌，病毒的DNA片段的檢測，藥物研究，雜交反應(yīng)動力學(xué)等等。與放射標(biāo)記和熒光標(biāo)記等方法相比壓電基因傳感器提供了一種直接的獲取反應(yīng)信息的方法；壓電基因傳感器可以方便的和流動注射分析系統(tǒng)結(jié)合起來，構(gòu)成自動化的分析系統(tǒng)； 同時壓電基因傳感技術(shù)還存在許多需要改進的地方，比如最佳固定方法

16、的選擇，不同條件下頻率和質(zhì)量吸附的具體關(guān)系，對環(huán)境干擾的抑制等。4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)4.4 光學(xué)DNA傳感器 光學(xué)DNA生物傳感器主要有光纖式、光波導(dǎo)式、表面等 離子體共振式等類型。 光纖DNA傳感器的傳光部分是石英光纖，它的作用機理 是利用石英表面特性通過連接物DNA探針連在光纖端面上，然后與目的基因進行雜交，雜交后的DNA 經(jīng)雜交指示劑產(chǎn)生的光效應(yīng)的變化而被檢測。圖4-8 消失波的工作原理4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)4.4.1 DNA探針在光纖表面的固定DNA探針在光纖表面的固定方法主要有兩種： 原位合成：首先對光纖表面進行硅烷化

17、處理，然后用 功能分子進行偶聯(lián)，最后利用固相磷酸胺合成法在光纖 表面逐步合成出ssDNA。 共價交聯(lián)：是將合成好的探針通過在光纖表面進行化 學(xué)修飾，以便裝上適合于固定化的功能團，再通過具有 雙官能團的物質(zhì)把DNA共價鍵合在光纖表面。圖4-9 DNA探針在光纖表面的固定4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)4.4.2 光學(xué)傳感器的應(yīng)用圖4-10 利用光纖式DNA傳感器進行DNA檢測4 基因傳感器基因傳感器(DNA Biosensor)4.4.3 小結(jié) 光纖DNA 生物傳感器的優(yōu)點: 可進行液相雜交檢測； 可在線和實時檢測； 可對活體內(nèi)核酸動態(tài)進行檢測； 特異性強等。 因此近幾年得

18、到了迅速發(fā)展，同時尋找新的DNA標(biāo)記物，優(yōu)化光纖表面結(jié)構(gòu)，采用新的傳感檢測技術(shù)，產(chǎn)品微型化、商品化，檢測自動化等將是今后研究開發(fā)工作的重點。三、生物傳感器的發(fā)展趨勢三、生物傳感器的發(fā)展趨勢微型化微型化功能多樣化功能多樣化智能化與集成化智能化與集成化低成本、高敏感度、高穩(wěn)定性和長壽命低成本、高敏感度、高穩(wěn)定性和長壽命謝謝！謝謝！ContentsClick to add Title1Click to add Title2Click to add Title3Click to add Title4Hot TipvHow do I incorporate my logo to a slide that

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