ch08生物標(biāo)志物的傳感檢測新技術(shù)

生物標(biāo)志物的傳感檢測新技術(shù)教育部生物醫(yī)學(xué)工程類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會“十三五”規(guī)劃教材生物醫(yī)學(xué)傳感與檢測原理第八章01免疫傳感器作為免疫系統(tǒng)的一部分，抗體是由淋巴細胞的白細胞合成的糖蛋白，也稱為免疫球蛋白。免疫球蛋白分為IgA、IgD、IgE、IgG和IgM。其中，血液中含量最豐富的是IgG。IgG的基本結(jié)構(gòu)是一個“Y”字形的四肽鏈結(jié)構(gòu)，包括兩條相同的低分子量的輕鏈和兩條相同的高分子量的重鏈?？乖c抗體及其固定間接競爭法間接競爭法是將抗原與蛋白質(zhì)的結(jié)合物固定在載體表面，待測溶液中的抗原與固定的抗原競爭性地結(jié)合游離的過量抗體，經(jīng)過清洗后，加入標(biāo)記二抗與結(jié)合在載體表面的抗體結(jié)合，建立結(jié)合的標(biāo)記二抗信號與待測物抗原的濃度之間的關(guān)系來實現(xiàn)對待測物的檢測。直接競爭法直接競爭法的檢測原理主要有兩種。一種是將抗原固定在載體表面，待測溶液中的抗原與固定的抗原競爭性地結(jié)合標(biāo)記的抗體，經(jīng)過清洗后，檢測結(jié)合的標(biāo)記抗體信號的變化來實現(xiàn)對待測物的檢測?？乖c抗體及其固定夾心法夾心法是將抗體固定在載體上，加入含抗原待測物與抗體反應(yīng)，經(jīng)過清洗后，形成的免疫復(fù)合物再與過量的標(biāo)記二抗反應(yīng)，二抗只與相應(yīng)的抗原發(fā)生特異性結(jié)合，形成“一抗抗原二抗”的夾心結(jié)構(gòu)，檢測標(biāo)記物產(chǎn)生的信號來實現(xiàn)對待測物的檢測。直接結(jié)合法直接結(jié)合法免疫分析法是將抗體或抗原固定在載體表面，待測的抗原或抗體被捕獲后引起響應(yīng)信號的變化，從而實現(xiàn)對待測物的檢測?？乖c抗體及其固定SPR免疫傳感器SPR傳感器在金屬-液體界面靠液體一側(cè)的典型探測深度約為200nm，這一特點使SPR成為一種表面敏感的檢測技術(shù)，是檢測表面固定的生物分子與液相中待測物分子相互作用的理想方法。光纖與光波導(dǎo)免疫傳感器盡管光纖生物傳感器可基于不同的檢測原理，它們基本還是采用激光作為光源。大多數(shù)利用激光作為光源的大型傳感檢測設(shè)備都可以利用光纖進行小型化，如熒光和光吸收檢測。光學(xué)免疫傳感器壓電晶體免疫傳感器壓電傳感器的基本原理是某些電解質(zhì)材料受力后可產(chǎn)生壓電效應(yīng)及基于壓電效應(yīng)的質(zhì)量頻率關(guān)系，壓電晶體免疫傳感器是利用壓電晶體對質(zhì)量變化的敏感性及抗原抗體結(jié)合的特異性而建立的一種新型生物傳感檢測系統(tǒng)，又稱為石英晶體微天平（QCM），可用于多種抗原或抗體的快速、定量檢測及反應(yīng)動力學(xué)研究。02生物芯片與生物分子檢測基因傳感器基因傳感器（又稱DNA傳感器），是利用DNA雙鏈的堿基互補配對原則發(fā)展起來的生物傳感技術(shù)，它以DNA分子作為敏感元件，通過固定在感受器表面上的已知核苷酸序列的單鏈DNA分子（也稱ssDNA探針），使其與另一條互補的ssDNA分子（也稱目標(biāo)DNA）雜交，形成雙鏈DNA（dsDNA）；換能器在雜交過程中將雜交產(chǎn)物所產(chǎn)生的變化轉(zhuǎn)換成電、光、聲等物理信號，在檢測、解析這些信號過程中得出相關(guān)基因信息。生物分子傳感技術(shù)分子印跡生物傳感器分子印跡生物傳感器是利用分子印跡技術(shù)制備而成的生物敏感膜傳感器。分子印跡（MIP）是利用對特定化合物的預(yù)訂選擇性制備合成的識別位點，此處的敏感膜是一種高分子聚合物。納米生物傳感器納米尺度（1~100nm）是原子、分子為代表的微觀世界和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，在該尺度下系統(tǒng)既非典型的微觀結(jié)構(gòu)亦非典型的宏觀結(jié)構(gòu)，因此物質(zhì)會表現(xiàn)出獨特的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，如小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等。生物分子傳感技術(shù)生物芯片傳感技術(shù)最初的生物芯片的主要目標(biāo)是進行特定DNA含量的定量檢測分析，目前已經(jīng)拓展到了蛋白、細胞、組織等領(lǐng)域，統(tǒng)稱為生物芯片。生物芯片將處理好的待測生物樣本與已標(biāo)記的目標(biāo)分子探針反應(yīng)。生物分子反應(yīng)通過特定的儀器對雜交信號的強度進行快速、并行、高效的掃描、檢測、收集，然后經(jīng)計算機分析，建立生物學(xué)模型，實現(xiàn)樣品的檢測分析。信號的檢測與分析生物芯片采用光導(dǎo)原位合成或微量點樣等方法，將大量生物大分子，如核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細胞等生物樣品，有序地固化于支持物的表面，組成密集二維分子陣列。芯片的制備生物芯片基因芯片基因芯片（即DNA芯片）是將成百上千個DNA探針，借助微加工技術(shù)和微裝配技術(shù)集成在一個數(shù)平方毫米或平方厘米的基底載片上形成寡聚核苷酸探針陣列。探針與靶基因核酸分子堿基互補配對，由不同熒光染料處理后的樣品分子與點陣DNA分子雜交反應(yīng)后形成不同顏色點陣，利用高通量成像采集分析數(shù)據(jù)，可一次獲得數(shù)十萬個基因的表達信息。生物芯片蛋白質(zhì)芯片幾乎所有的生物化學(xué)反應(yīng)均發(fā)生在復(fù)雜的蛋白質(zhì)分子之間或者有蛋白質(zhì)參與，因此，在傳統(tǒng)ELISA、放射免疫測定等蛋白檢測方法的基礎(chǔ)上，蛋白質(zhì)芯片成為生物芯片的新成員。03仿生傳感器生物的嗅覺系統(tǒng)能識別和分辨大量不同的氣味分子，在生物感知外界化學(xué)信號的過程中發(fā)揮了極其重要的作用。嗅覺感受器是位于嗅黏膜上皮的嗅神經(jīng)元，氣體分子進入鼻腔后到達嗅黏膜上皮，上面分布了很多含有嗅覺受體蛋白的嗅神經(jīng)元的纖毛。味覺主要分為酸、甜、苦、咸和鮮五種基本味覺。食物的各種味道是由這五種基本味覺組合而成的。嗅覺與味覺的生物學(xué)原理必須滿足以下幾點要求：①有一定的交互敏感能力，能同時對待測物中幾種不同組分有一定的響應(yīng)；②有一定的選擇性，對不同的組分具有不同的響應(yīng)能力；③各項參數(shù)以及響應(yīng)信號必須穩(wěn)定，具有重現(xiàn)性；④在不同的檢測環(huán)境下需要有較長使用壽命。仿生化學(xué)傳感器技術(shù)一種利用味覺感受細胞和味覺受體蛋白的仿生味覺傳感器。在受體分子水平上，利用苦味受體蛋白作為敏感元件，結(jié)合石英晶體微天平（QCM）作為二級換能器，采用自組裝膜的方法捕獲和固定苦味受體蛋白，開發(fā)了一種可以檢測特異性苦味物質(zhì)的仿生味覺傳感器，可成功記錄到苦味物質(zhì)引發(fā)的細胞響應(yīng)信號，并通過主成分分析的方法可以將不同的苦味物質(zhì)區(qū)分開。仿生化學(xué)傳感器技術(shù)仿生化學(xué)傳感器技術(shù)基于光尋址電位傳感器獨特的單細胞檢測性能，以嗅神經(jīng)元作為敏感元件，開發(fā)出可以用于特異性氣味分子檢測和嗅覺信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機理研究的仿生傳感器，如圖8-18所示。仿生傳感器感覺辨識模型仿生傳感器陣列系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮化學(xué)及生物兩方面的特性。傳感原理、參數(shù)及數(shù)據(jù)處理等化學(xué)特性的研究有助于獲得更合適的化學(xué)傳感器，而對生物學(xué)原型的研究有利于了解感覺器官的組織和功能，從而設(shè)計出更加智能化的傳感器陣列系統(tǒng)。最早的多個化學(xué)傳感器的集成是為了模仿人類嗅覺器官以實現(xiàn)多種氣體成分的分析。仿生傳感器感覺辨識模型人類嗅覺器官相當(dāng)靈敏，可識別多達數(shù)萬種物質(zhì)，靈敏度高達40個分子。嗅覺能力主要通過數(shù)以百萬計（幾百種不同類型）的受體來完成。每種受體的選擇性并不高，但是受體陣列檢測的信號通過周圍和中樞神經(jīng)系統(tǒng)處理后便可以獲得很好的識別效果。味覺系統(tǒng)與嗅覺系統(tǒng)的工作情況類似，只是受體數(shù)目更少一些。與只檢測某種特定化學(xué)物質(zhì)的傳統(tǒng)化學(xué)傳感器不同，人類感覺器官并不是區(qū)分每一種化學(xué)物質(zhì)，而是感知化學(xué)物質(zhì)在感受器上的整體表現(xiàn)。仿生傳感器感覺辨識模型生物傳感系統(tǒng)卓越的能力促使研究者考慮用相同的組織原理來設(shè)計仿生感覺系統(tǒng)。其中，傳感器陣列相當(dāng)于鼻子和舌頭中的感受器，感受不同的化學(xué)物質(zhì)。傳感器采集信號并把信息輸入計算機，計算機代替生物系統(tǒng)中的大腦功能，通過軟件進行分析處理，區(qū)分辨識不同的物質(zhì)，最后給出感官信息。電子鼻傳感檢測裝置電子鼻的思想源于人類嗅覺機制，包括“氣味”傳感器陣列、數(shù)據(jù)處理器、模式識別系統(tǒng)。傳感器陣列模擬人類嗅覺受體細胞，用作信號接收器。自從化學(xué)傳感器陣列被用于嗅覺分析后，科學(xué)家通過努力研制了基于不同傳感檢測原理的陣列系統(tǒng)。仿生味覺嗅覺系統(tǒng)仿生味覺嗅覺系統(tǒng)圖8-20是美國加州理工大學(xué)JPL實驗室設(shè)計開發(fā)的一種具有36個傳感器的電子鼻樣機。仿生味覺嗅覺系統(tǒng)一種可用于肺癌早期診斷的呼吸檢測電子鼻系統(tǒng)如圖8-21所示。仿生電子舌傳感檢測裝置電子舌系統(tǒng)可由任意可用于液體分析的化學(xué)傳感器組成，不受其物理操作原理的限制。最早的多傳感器電子舌系統(tǒng)由日本科學(xué)家Hayashi等人在20世紀(jì)90年代開發(fā)，它由8個電位器式傳感器構(gòu)成，主要傳感界面是PVC基質(zhì)上的液態(tài)脂膜，對不同味覺物質(zhì)有交叉敏感性。仿生味覺嗅覺系統(tǒng)04微流控芯片系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)傳感與檢測中的應(yīng)用微流控技術(shù)發(fā)展微全分析系統(tǒng)（MicroTotalAnalysisSystems，μTAS）是20世紀(jì)90年代提出并發(fā)展起來的一個全新的跨學(xué)科研究領(lǐng)域。它基于分析化學(xué)、微機電系統(tǒng)（Micro-electro-mechanicalSystem，MEMS）、計算機、電子學(xué)、材料科學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科，將化學(xué)分析系統(tǒng)從試樣處理、分析到檢測的全流程實現(xiàn)整體的微型化、集成化與便攜化，最大限度地把分析實驗室的功能轉(zhuǎn)移到便攜的分析設(shè)備中（如各類芯片），實現(xiàn)分析實驗室的“個人化”和“家用化”。微全分析系統(tǒng)也因此被通俗地稱為“芯片實驗室”（Lab-on-a-chip），它已成為目前分析儀器發(fā)展的重要方向與前沿。微流控技術(shù)概述微流控核心技術(shù)簡介微流控芯片是在芯片上實現(xiàn)完成的化學(xué)或生化實驗室功能，過程涉及進樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測等。因此，流體的驅(qū)動和控制，樣品的分離、預(yù)富集、稀釋和混合，以及后續(xù)的檢測與提取，都需要相應(yīng)的功能模塊來完成。在此過程中，也發(fā)展了一系列的控制與檢測技術(shù)。微流控技術(shù)概述由于微流控芯片內(nèi)部待處理或待檢測的物質(zhì)多為流體形態(tài)的液態(tài)或氣態(tài)物質(zhì)，固體樣本往往在流體化后引入微流控芯片內(nèi)部；因此，微流體的驅(qū)動和控制是微流控芯片的重要基礎(chǔ)。微流體的驅(qū)動可由電滲驅(qū)動、重力驅(qū)動、電流體動力驅(qū)動、磁流體動力驅(qū)動等非機械驅(qū)動方式以及氣動微泵、壓電微泵、往復(fù)式微泵、熱驅(qū)動微泵、離心力驅(qū)動、剪切力驅(qū)動等機械驅(qū)動方式實現(xiàn)。非機械驅(qū)動的特點是系統(tǒng)本身無活動機械部件，機械驅(qū)動則需要驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)部能運動的機械部件，利用機械部件運動來實現(xiàn)流體驅(qū)動。微流控技術(shù)概述微液滴控制技術(shù)液滴操作是間歇流微流控系統(tǒng)的主要流體操作方式，也是微流控研究中的新興領(lǐng)域。用于生物醫(yī)學(xué)傳感分析的微流控液滴裝置迄今為止，最成功的區(qū)室化（水-油液滴）BioMEMS產(chǎn)品是乳液聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（emulsionpolymerasechainreaction，ePCR）裝置。ePCR可以對復(fù)雜混合物中的模板進行完美放大。微液滴操控的微流控芯片系統(tǒng)器官芯片微流控系統(tǒng)器官芯片基本原理器官芯片（organ-on-chip）是21世紀(jì)發(fā)展起來的一種新興的前沿交叉學(xué)科技術(shù)。它是一種多