免疫感器原理及应用.

LOGO主讲：王俊俊学号：615191303115级控制工程免疫感器原理及应用江南大学新型传感器技术与应用LOGO免疫传感器原理及应用生物传感器发展状况1免疫传感器的发展及分类2免疫传感器结构形式34免疫传感器的原理江南大学新型传感器技术与应用免疫传感器的应用5LOGO江南大学新型传感器技术与应用2、生物传感器的分类生物传感器的发展状况1、生物传感器概述3、生物传感器的原理LOGO1.生物传感器概述一、生物传感器的发展状况生物传感器是指用生物功能物质作识别器件所制成的传感器。是利用各种生物或生物物质做成的，用以检测与识别生物体内的化学成分传感器。生物或生物物质是指酶、微生物和抗体等,它们的高分子具有特殊的性能,能精确地识别特定的原子和分子。例如，酶是蛋白质形成的，并作为生物体的催化剂，在生物体内仅能对特定的反应进行催化，这就是酶的特殊性能。对免疫反应，抗体仅能识别抗原，并具有与它形成复合体的特殊性能。生物传感器就是利用这种特殊性能来检测特定的化学物质（主要是生物物质）的。LOGO一、生物传感器的发展状况生物传感器研究起源于20世纪的60年代,1967年Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧电极组装在一起,首先制成了第一种生物传感器,即葡萄糖酶电极。到80年代生物传感器研究领域已基本形成。其标志性事件是:1985年生物传感器!国际刊物在英国创刊;1987年生物传感器经典著作在牛津出版社出版;1990年,首届世界生物传感器学术大会在新加坡召开,并且确定以后每隔二年召开一次。江南大学新型传感器技术与应用LOGO生物传感器是以固定化的生物材料作为敏感元件，与适当的转换元件结合所构成的一类传感器。是用生物成分作为感受器的传感器。酶具有识别特定分子的能力1962年，L.C.Clark葡萄糖电极1967年，Updike和Hicks酶与电极结合起来测定酶的底物使用溶解性酶，难重复第一个酶电极一、生物传感器的发展状况LOGO生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域,它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起,处在生命科学和信息科学的交叉区域。它们的共同特征是:探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律,探讨应用于人类经济活动的基本方法。生物传感器技术的研究重点是:广泛地应用各种生物活性材料与传感器结合,研究和开发具有识别功能的换能器,并成为制造新型的分析仪器和分析方法的原创技术,研究和开发它们的应用。生物传感器中应用的生物活性材料对象范围包括生物大分子、细胞、细胞器、组织、器官等,以及人工合成的分子印迹聚合物(molecularlyimpriniedpolymer,MIP)。由于研究DNA分子或蛋白质分子的识别技术已形成生物芯片(DNA芯片、蛋白质芯片)独立学科领域。一、生物传感器的发展状况LOGO根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器（enzymesensor），微生物传感器（microbialsensor），细胞传感器（organallsensor），组织传感器（tis-suesensor）和免疫传感器（immunolsensor）。显而易见，所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。一、生物传感器的发展状况2.生物传感器的分类LOGO生物传感器是分子生物学与微生物学、电化学、光学等相结合的产物，它是在基础传感器上耦合一个生物敏感膜而形成的一种新型器件。生物敏感物质附着于膜上或包含于膜之中。生物传感器的基本原理可用图2来说明，溶液中被测定的物质，经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应（物理、化学变化），产生物理、化学现象或产生新的化学物质，使相应的变化器将其转换成可定量和可传输、处理的电信号，便可知道被测物质的浓度。通过不同的感受器与换能器的组合，可以开发出多种生物传感器。一、生物传感器的发展状况3.生物传感器的工作原理LOGO一、生物传感器的发展状况酶辅酶维生素抗原抗体生物功能膜（酶、微生物、细胞器、组织、细胞、抗原、抗体）待测物质扩散作用固定化生物敏感膜层分子识别生物学反应电信号换能器LOGO江南大学新型传感器技术与应用3、免疫传感器的分类免疫传感器的发展及原理1、生物传感器概述4、免疫传感器的原理2、免疫传感器的发展LOGO免疫传感器是将高灵敏的传感技术与特异性免疫反应结合起来，用以监测抗原抗体反应的生物传感器，具有快速、灵敏、选择性高、操作简便等特点，已广泛地应用在临床各个领域。二、免疫传感器的发展及分类1.免疫传感器概述LOGO二、免疫传感器的发展及分类江南大学新型传感器技术与应用生物传感器发展很快，已逐渐应用于食品、工业、环境检测和临床医学等领域。免疫传感器作为一种新兴的生物传感器中，以其鉴定物质的高度特异性、敏感性和稳定性受到青睐，它的问世使传统的免疫分析发生了很大的变化。它将传统的免疫测试和生物传感技术融为一体，集两者的诸多优点于一身，不仅减少了分析时间、提高了灵敏度和测试精度，也使得测定过程变得简单，易于实现自动化，有着广阔的应用前景。随着生物工程技术的发展，已经研制出能对各种微生物、细胞表面抗原或各种蛋白质抗原分泌单克隆抗体的融合细胞，由这些细胞产生的单克隆抗体，已广泛进入生物学及其他领域。随着杂交瘤(hybrido2ma)技术的发展，使得各种化合物都可能产生相应的抗体。这将会使免疫测试有更加广泛的应用前景。2.免疫传感器的发展LOGO二、免疫传感器的发展及分类江南大学新型传感器技术与应用3.免疫传感器的分类免疫传感器电化学免疫传感器质量检测免疫传感器热量检测免疫传感器光学免疫传感器LOGO二、免疫传感器的工作原理江南大学新型传感器技术与应用一旦有病原体或者其他异种蛋白(即抗原)侵入某种动物体内或人体，体内可产生能识别这些异物并把它们从体内排除的物质（称为抗体），抗原和抗体结合形成复合物（即发生免疫反应），从而将抗原清除。免疫传感器的基本原理是免疫反应。其特异性很高，即是具有极高的选择性和灵敏度。免疫传感器就是利用固定化抗原(或抗体)膜与相应得抗体(或抗原)的特异反应，此反应的结果使生物敏感膜的电位发生变化。LOGO图3为免疫传感器的结构原理图。在图中，2、3两室间有固定化抗原膜，1、3两室间没有固定化抗原膜。在1、2室内注入0.9%生理盐水，当在3室内倒入食盐水时，1、2室内电极间无电位差。若在3室内注入含有抗体的食盐水时，由于抗体与固定化抗原膜上的抗原结合，使膜表面吸附了特异的抗体，而抗体是有电荷的蛋白质，从而使固定化抗原膜带电状态发生变化，于是1、2室内的电极间就有电位差产生。该电位差信号放大后，便可检测到超微量的抗体。三、免疫传感器的工作原理图3免疫传感器结构原理图LOGO四、电化学免疫传感器江南大学新型传感器技术与应用电化学免疫传感器是免疫传感器中研究最早，种类最多，也比较成熟的一个分支，它结合各种电分析技术，比如溶出伏安法，脉冲差分法和脉冲伏安法等，使得灵敏度得到大大的提高，目前正朝着更加灵敏，特效，微型和实用的方向发展。电化学免疫传感器将免疫分析与电化学传感器技术相结合而构建的一类新型生物传感器，应用于衡量免疫原性物质的分析研究。在疾病诊断，食品卫生，环境监测等领域具有重要的应用价值。1.电化学免疫传感器LOGO四、电化学免疫传感器1.电化学免疫传感器分类根据检查信号分类电化学免疫传感器电流型电导型电容型电位型LOGO四、电化学免疫传感器江南大学新型传感器技术与应用2.电位型免疫传感器电位型传感器兴起于20世纪70年代，它结合了酶免疫分析的高灵敏度和离子选择电极，气敏电极等的高选择，可直接或间接检测各种抗原，抗体，具有可实时监测，响应时间较快等特点。由于抗原或抗体在敏感膜上的结合或继后的反应会引起电极电位或膜电位发生改变，而且这种电位变化与待测物浓度之间存在对数关系，电位型免疫传感器就是通过测量这个电位的变化从而进行免疫分析的。1975年Janata首次提出用电位测量式换能器检测免疫化学反应。他利用聚氯乙烯膜将抗体固定在金电极上，相应的抗原与抗体特异结合以后，抗体膜中的离子迁移率将发生变化。这个电势变化值与待测物的浓度存在一定关系。LOGO四、电化学免疫传感器3.电容型免疫传感器电容型生物免疫传感器是近半年来出现的新型传感器，由于其具有灵敏度，结构简单，易于集成，无需标记物就可以直接检测等优点，从而在许多方面得以应用。Mirsky等研究了在自组装单层上固定蛋白质几种方法。他们用N-羟基琥珀酰亚胺自组装单层分子的羟基，在固定蛋白质后，传感器表面仍能稳定保持高阶电性能。基于此方法制作的夹层电容免疫传感器对人血清白蛋白检测限制达15×10^(-8)mol/L。电容型生物传感器也可以用来检测重金属离子。Botidean等用碳二酰亚胺欧联，聚乙二醇二环氧醚包埋和戊二醛偶联三种方法将蛋白质固定于金电极上用于检测金属离子Hg2+，Cu2+,Zn2+。。在DNA检测方面，Berney等p1研制的基于Si／Si02的CBS可以直接检测出100pmol的DNA，聚合酶链反应(PCR)扩增后正好是峭量级，因此可用于PCR产物直接检测。LOGO四、电化学免疫传感器3.电导型免疫传感器电导型免疫传感器是一种利用免疫反应引起溶液或薄膜的电导发生变化来进行分析的生物传感器。电导率测量法可大量用于化学系统中，因为许多化学反应都会产生或消耗多种离子，从而引起溶液的总电导率的改变。通常是将一种酶固定在某种贵金属电极(金、银、铜、镍、铬等)，在电场作用下测量待测物溶液电导率的变化。Yagiuda用电导法测定了尿中的吗啡，解决了原来吗啡测量设备昂贵、费时、麻烦的问题。1992年Sandbeg描述了一种以聚合物为基础的导电率测量式免疫传感器，与常规的酶联免疫吸附试验(ELESA)在原理上一致。前者不是通过颜色来显示，而是将结果转换成电信号(即导电率)。由于待测样品的离子强度与缓冲液电容的变化都会对这类传感器造成影响，并且溶液的电阻是由全部离子迁移决定的，使得它们还存在非特异性问题，因此电导率测量式免疫传感器发展比较缓慢。LOGO四、电化学免疫传感器4.电流型免疫传感器1979年Aizawa第一次报道了可以用于检测人绒毛膜促性腺激素的电流型免疫传感器，这以后电流型免疫传感器得以快速的发展起来。它的检测原理是当工作电极的电位设定在一定值时，被测物直接或者间接的在电极表面产生电流，从而可以定量分析被测物。电流型免疫传感器分析是将免疫技术和电化学检测相结合的一种标记性免疫分析法，其标记物有酶和电活性物质两类。用作标记的酶有碱性磷酸酶、辣根过氧化物酶、乳酸脱氧酶、葡萄糖氧化酶和尿素水解酶。近年来，由于电流型免疫传感器的高选择性、高灵敏度等特点，使得免疫传感器在医疗、环境检测和食品分析上的应用越来越广泛。2004年，DaiZong等。研制了基于玻碳电极的电流型免疫传感器，以硫堇分子的电化学信号作为检测的依据，成功地检测了癌胚抗原。2005年，ZhuoYing等研制出利用纳米金和辣根过氧物酶修饰金表面的电流型免疫传感器，用于乙肝表面抗原的检测。2007年，赵广英等利用静电吸附和自组装技术将Nation、硫堇、纳米金和anti—VP修饰到电极表面形成敏感膜，制得副溶血性弧菌无试剂电流型免疫传感器。2009年，周觅等研制出一种检测血清髓过氧化物酶的新型电流型免疫传感器。LOGO四、电化学免疫传感器5.电阻型免疫传感器电化学阻抗谱是一种研究导电材料以及界面性质的有效手段，已经被广泛应用于电化学传感器的开发。对于一个阻抗特性的传感器，其电容、电感和电阻特性的组合会产生一个特定的阻抗信号。如果传感器周围环境发生变化引起上述特性的任何变化，都会造成阻抗的改变，将得到一系列新的阻抗特性，这就是基于电化学阻抗技术的传器的研究基础。EIS技术是少有的可以表征膜电荷转移过程的技术之一，成为评估传感器稳定性、可靠性的有效方法。20世纪60年代初，荷兰物理化学家Sluyters在实验中实现了交流阻抗谱方法可以应用在电化学研究上