傳感器技術(shù)在生化分析中的應(yīng)用進(jìn)展-微生物傳感器課件

1、傳感器技術(shù)在生化分析中的應(yīng)用進(jìn)展專業(yè)：分析化學(xué)組員：陳裕富、董秋鵬、祖洪波、劉丹二、生物傳感器在生化分析中的應(yīng)用1. 微生物傳感器2. 酶?jìng)鞲衅?. 免疫傳感器4. 基因傳感器一、生物傳感器的介紹三、生物傳感器的發(fā)展趨勢(shì)目錄一、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(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)的一門應(yīng)用技術(shù)，是檢測(cè)(傳感)原理、材料科學(xué)、工藝加工等三個(gè)要素的最佳結(jié)合。1. 傳感器技術(shù)被檢測(cè)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、

2、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(jī)理 結(jié)構(gòu)型物性型 分類原則傳感器的分類2. 生物傳感器2.1 生物傳感器的基本概念 生物傳感器：指由一種生物敏感部件(如酶、抗體、全細(xì)胞、細(xì)胞器或其聯(lián)合體)和轉(zhuǎn)化器緊密結(jié)合,對(duì)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。 它是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測(cè)與監(jiān)控方法,也是對(duì)物質(zhì)在分子水平上進(jìn)行快速和微量分析的方法。2.2 生物傳感器工作原理圖2.生物傳感器原理圖2.3 信號(hào)轉(zhuǎn)換 信號(hào)轉(zhuǎn)換器是將分子識(shí)別元件進(jìn)行識(shí)別時(shí)所產(chǎn)生的化學(xué)的或物理的變化轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的裝置。 用得最多的且比較成熟的是

3、電化學(xué)電極。電化學(xué)電極電位型電極電流型電極氧化還原電極離子選擇電極氧電極2.5 生物傳感器的特點(diǎn)生物傳感器 靈敏度高選擇性好測(cè)定迅速可微型化現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)二、生物傳感器在生化分析中的應(yīng)用微生物傳感器 陳裕富1酶?jìng)鞲衅?劉 丹2免疫傳感器 祖洪波3基因傳感器 董秋鵬4 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，因此可分別用來制備葡萄糖和乙醇傳感器，這兩種細(xì)菌在同化底物時(shí)，均消耗溶液中的氧，因此可用氧電極來測(cè)定。 基于不同類型的信號(hào)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1.典型微生物傳感器一覽表 測(cè)定對(duì)象微生物名稱測(cè)定電極檢出范圍葡萄糖熒

4、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 （1）吸附法：利用載體與微生物細(xì)胞間簡(jiǎn)單的物理吸附進(jìn)行固定。（2）共價(jià)鍵法：通過交聯(lián)劑把活細(xì)胞以共價(jià)鍵結(jié)合到載體上。 （3

5、）包埋法：將微生物活細(xì)胞包埋于適當(dāng)?shù)牧Ⅲw網(wǎng)狀材料中，最常用。1.3 測(cè)定系統(tǒng) 1.3.1 批式測(cè)定系統(tǒng)1.3.2 流動(dòng)測(cè)定系統(tǒng)1.4.2 BOD微生物傳感器 優(yōu)點(diǎn)：成本低、操作簡(jiǎn)便、設(shè)備簡(jiǎn)單，市場(chǎng)前景十分巨大和誘人。 缺點(diǎn)：選擇性不夠好，這是由于在微生物細(xì)胞中含有多種酶引起的。 發(fā)展趨勢(shì)：微型化、集成化、智能化。 1.5 展望4 基因傳感器(DNA Biosensor)圖4-1 DNA傳感器的分類4 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(hào)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

6、器的原理示意圖4 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(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(duì)電子的傳遞能力等，因此很多對(duì)DNA進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)。 直接檢測(cè)DNA可以與某些電極表面進(jìn)行直接電子轉(zhuǎn)移，堿基和核糖在一定電勢(shì)窗口下具有電化學(xué)活性 間接檢測(cè) 通過一些氧化還原媒介來實(shí)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(jìn)行雜交檢測(cè)。4 基因傳感器(DNA Bios

7、ensor)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(cè)DNA雜交4 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(gè)熱點(diǎn)。 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(fù)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(fù)號(hào)表示質(zhì)量的增加會(huì)引起頻率的降低。4 基因傳感器(DNA Biosensor)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

8、石英諧振器表面，通過DNA 分子雜交，對(duì)另一條含有互補(bǔ)堿基序列的DNA 進(jìn)行識(shí)別，結(jié)合成dsDNA，利用頻率的變化測(cè)定雜交量(堿基配對(duì)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(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(tuán)，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(jìn)行ssDNA固定化連接；自組裝膜法：在金電極上，利用-SH 基團(tuán)可在金表面易形成自組裝單分子膜的特性，將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(dú)特的相互作用，同時(shí)核酸

9、很容易生物素化，因此，可通過親合素- 生物素的作用對(duì)ssDNA進(jìn)行固化連接。4 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(jìn)行的， 而測(cè)量是在氣相中進(jìn)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(diǎn)：方法繁瑣，有很多清洗和干燥步驟； 優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量不受液體中多種因素的影響； 4 基因傳感器(DNA Biosensor)4.3.2 生化反應(yīng)方式 在線測(cè)量法：采用流動(dòng)注射系統(tǒng)，所有的步驟都在液 體中進(jìn)行。傳感器固定在流動(dòng)腔中，液體流動(dòng)控制采用 流動(dòng)注射分析系統(tǒng)，

10、加樣、反應(yīng)、清洗的全部過程都能 自動(dòng)完成。圖4-7 利用流動(dòng)注射分析系統(tǒng)在線測(cè)量4 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(gè)方面，包括細(xì)菌，病毒的DNA片段的檢測(cè)，藥物研究，雜交反應(yīng)動(dòng)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(dòng)注射分析系統(tǒng)結(jié)合起來，構(gòu)成自動(dòng)化的分析系統(tǒng)； 同時(shí)壓電基因傳感技術(shù)還存在許多需要改進(jìn)的地方，比如最佳固定方法的選擇，不同條件下頻率和質(zhì)量吸附的具體關(guān)系，對(duì)環(huán)境干擾的抑制等。4 基因傳感器(DNA Biosensor)4.4 光學(xué)DNA

11、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(jī)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(jìn)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(cè)。圖4-8 消失波的工作原理4 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(duì)光纖表面進(jìn)行硅烷化處理，然后用 功能分子進(jìn)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(jià)交聯(lián)：是將合成好的探針通過在光纖表面進(jìn)行化 學(xué)修飾

12、，以便裝上適合于固定化的功能團(tuán)，再通過具有 雙官能團(tuán)的物質(zhì)把DNA共價(jià)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(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(jìn)行DNA檢測(cè)4 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(diǎn): 可進(jìn)行液相雜交檢測(cè)； 可在線和實(shí)時(shí)檢測(cè)； 可對(duì)活體內(nèi)核酸動(dòng)態(tài)進(jìn)行檢測(cè)； 特異性強(qiáng)等。 因此近幾年得到了迅速發(fā)展，同時(shí)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(cè)技術(shù)，產(chǎn)品微型化、商品化，檢測(cè)自動(dòng)化等將是今后研究開發(fā)工作的重點(diǎn)。三、生物傳感器的發(fā)展趨勢(shì)1

13、微型化2功能多樣化3智能化與集成化4低成本、高敏感度、高穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命謝謝！ContentsClick to add Title1Click to add Title2Click to add Title3Click to add Title4Hot TipHow do I incorporate my logo to a slide that will apply to all the other slides? On the View menu, point to Master, and then click Slide Master or Notes Master. Change ima

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