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

傳感器技術(shù)在生化分析中應(yīng)用進(jìn)展-微生物傳感器第一頁，共60頁。二、生物傳感器在生化分析中的應(yīng)用1.微生物傳感器2.酶傳感器3.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)目錄第二頁，共60頁。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)第三頁，共60頁。傳感器的組成部份敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量圖1.傳感器的組成示意圖第四頁，共60頁。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、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第五頁，共60頁。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。第六頁，共60頁。2.2生物傳感器工作原理圖2.生物傳感器原理圖第七頁，共60頁。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第八頁，共60頁。2.4生物傳感器分類輸出信號(hào)的產(chǎn)生方式生物親和型代謝型催化型信號(hào)轉(zhuǎn)換器電化學(xué)、半導(dǎo)體測(cè)熱型、測(cè)光型、測(cè)聲型生物分子識(shí)別元件上的敏感材料酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、基因傳感器、細(xì)胞及細(xì)胞器傳感器。分類原則第九頁，共60頁。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)場檢測(cè)第十頁，共60頁。2.6生物傳感器在生化分析中的應(yīng)用

基礎(chǔ)研究：可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物大分子之間的相互作用，動(dòng)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：用酶、免疫傳感器等生物傳感器來檢測(cè)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：利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)藥物時(shí)，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(qiáng)生物工程產(chǎn)品的質(zhì)量管理。第十一頁，共60頁。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酶傳感器劉丹2免疫傳感器祖洪波3基因傳感器董秋鵬4第十二頁，共60頁。1.微生物傳感器(MicroorganismSensor)1.1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(cè)定和識(shí)別相應(yīng)底物。

組成：固定化微生物、換能器和信號(hào)輸出裝置。分類：呼吸活性測(cè)定型；電極活性測(cè)定型。圖3.微生物傳感器原理示意圖第十三頁，共60頁。

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。第十四頁，共60頁。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光假單胞菌氧電極3~20mg/L甲酸丁酸梭菌燃料電極14~1320mg/L乙醇蕓苔絲酵母菌氧電極10~100mg/L乙醇木醋桿菌氧電極<18mg/L硝酸鹽棕色固氮菌氨氣敏電極0.01~0.8mmol/L亞硝酸鹽硝化桿菌氧電極0.01~0.6mmol/L甲烷鞭毛甲基單胞菌氧電極0.01~36.6mmol/L谷氨酸大腸桿菌二氧化碳電極60~80mg/L谷酰胺黃色八疊球菌氨氣敏電極0.1~10mmol/LL-組氨酸假單胞桿氨氣敏電極0.1~3mmol/L第十五頁，共60頁。1.2制備方法

（1）吸附法：利用載體與微生物細(xì)胞間簡單的物理吸附進(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）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。第十六頁，共60頁。1.3測(cè)定系統(tǒng)

1.3.1批式測(cè)定系統(tǒng)第十七頁，共60頁。1.3.2流動(dòng)測(cè)定系統(tǒng)第十八頁，共60頁。1.4應(yīng)用實(shí)例

1.4.1氨傳感器

圖5.微生物傳感器的應(yīng)用－氨傳感器第十九頁，共60頁。1.4.2BOD微生物傳感器

第二十頁，共60頁。

優(yōu)點(diǎn)：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(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展望第二十一頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)4.1基本原理基因傳感器也稱為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(cè)的電、光、聲等信號(hào)的傳感裝置。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(shí)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。第二十二頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)圖4-1DNA傳感器的分類第二十三頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)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傳感器的原理示意圖第二十四頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)4.2.1DNA探針固定方法DNA探針在電極表面的固定首先要考慮實(shí)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(tuán)實(shí)現(xiàn)DNA在電極表面的共價(jià)自組裝。因?yàn)槟┒诉B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。第二十五頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)4.2.1DNA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探針固定方法第二十六頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)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)。第二十七頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)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雜交第二十八頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)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(cè)試費(fèi)用低及適于聯(lián)機(jī)化的優(yōu)點(diǎn)；電分析化學(xué)不破壞測(cè)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(duì)發(fā)展基于表面控制雜交反應(yīng)的基因診斷學(xué)研究有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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(huì)在分子診斷、食品檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及安全反恐等領(lǐng)域具有極為廣泛的應(yīng)用。第二十九頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)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=-kf02△m/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。第三十頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)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(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傳感器的工作原理第三十一頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)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。第三十二頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)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；

第三十三頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)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)，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)量第三十四頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)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。第三十五頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)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(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消失波的工作原理第三十六頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)4.4.1DNA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，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4-9DNA探針在光纖表面的固定第三十七頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)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)第三十八頁，共60頁。4基因傳感器(DNABiosensor)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)。第三十九頁，共60頁。三、生物傳感器的發(fā)展趨勢(shì)1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)定性和長壽命第四十頁，共60頁。謝謝！第四十一頁，共60頁。ContentsClicktoaddTitle1ClicktoaddTitle2ClicktoaddTitle3ClicktoaddTitle4第四十二頁，共60頁。第四十三頁，共60頁。HotTipHowdoIincorporatemylogotoaslidethatwillapplytoalltheotherslides?Onthe[View]menu,pointto[Master],andthenclick[SlideMaster]or[NotesMaster].Changeimagestotheoneyoulike,thenitwillapplytoalltheotherslides.

第四十四頁，共60頁。DiagramThemeGallery

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isaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.第四十五頁，共60頁。

CycleDiagramTextTextTextTextTextCyclenameAddYourText第四十六頁，共60頁。DiagramTextTextTextAddYourTitleTextText1Text2Text3Text4Text5AddYourTitleTextText1Text2Text3Text4Text5TextText第四十七頁，共60頁。DiagramConceptAddYourTextTextTextTextTextTextText第四十八頁，共60頁。DiagramAddYourTextAddYourTextAddYourTextAddYourTextAddYourTextAddYourTextAddYourTextAddYourText第四十九頁，共60頁。DiagramAddYourTextAddYourTextAddYourTextAddYourTitle第五十頁，共60頁。DiagramAddYourTextAddYourTextAddYourTextTextTextText第五十一頁，共60頁。DiagramAddYourTitleTextTextTextText第五十二頁，共60頁。Diagra