生物传感器

生物传感器中国科学院研究生院姚鑫E-mail:[e-mail]•学习这门课的目的通过本课程的学习，了解各类生物传感器的基本原理、特点、技术方法和应用。了解生物传感器的及发展趋势，为以后从事相关领域研究打好基础.•参考书※张先恩主编，《生物传感器》，化学工业出版社，北京，2006※布莱恩R.埃金斯著，罗瑞贤等译，《化学传感器与生物传感器》，化学工业出版社，北京，2005几个生物传感器的例子DNA-表面等离子激元共振仪(SPR)多肽-电化学DNA-电化学PNA/DNA-SPR葡糖淀粉酶支链淀粉酶-石英晶体微天平Figure2.(A)TimecoursesoffrequencychangesoftheamylopectinimmobilizedQCM,respondingtotheadditionofglucoamylaseat(a)16,(b)27,(c)38,and(d)54nM.Thecurve(e)showsthehydrolysisofthepullulan-immobilizedQCMat540nMglucoamylase(25°C,20mMacetatebuffer,pH4.8,0.1MNaCl).传感器传感器:是一种装置,是检测或测量一种物理性质并进行记录,显示或以其他方式作出响应.化学传感器:一种装置,通过某种化学反应以选择性方式对特定的待分析物质产生响应从而对分析质进行定性或定量测定传感器物理传感器:用以测量距离,重量,温度,压力和电性能生物传感器:一种装置,其采用某种生物敏感元件与转换器相连接.检测物质也可以是纯化学物质,识别元件是生物质第一章绪论分析生物技术的一个重要领域便是生物传感器(biosensor),它是一个典型的多学科交叉产物,结合了生命科学、分析化学、物理学和信息科学及其相关技术，能够对所需要检测的物质进行快速分析和追踪。生物的基本特征之一，是能够对外界的各种刺激作出反应。其所以能够如此，首先是由于生物能感受外界的各类刺激信号，并将这些信号转换成体内信息处理系统所能接收并处理的信号。例如，人能通过眼、耳、鼻、舌、身等感觉器官将外界的光、声、温度及其它各种化学和物理信号转换成人体内神经系统等信息处理系统能够接收和处理的信号。生物传感器的出现，是科学家的兴趣和科学技术发展及社会发展需求多方面双驱动的结果，经过30多年的发展，已经成为一个涉及内容广泛、多学科介入和交叉、充满创新活力的领域。1.1生物传感器的发展历程•20世纪60年代酶法分析：专一性强、灵敏度高、操作简便，但是测定周期长。•离子选择电极(ionselectiveelectrode,ISE)：操作简单，无需对样品进行欲处理——无试剂分析(non-reagentalanalysis)，但是只能检测无机离子．•1956LelandC.ClarkJnr隔离式氧电极•1962LelandC.ClarkJnr酶传感器(enzymetransducer)•1967S.J.Updike葡萄糖酶电极•1975YellowSpringsInstrument(YSI)葡萄糖测定仪•1975C.Divis用完整活细胞取代纯酶制作传感器•1977GA.Rechnitz用粪便链球菌完整活细胞与氨敏电极组合成测精氨酸的微生物电极•1977IsoKarube和J.Janata测BOD的微生物传感器和测抗原的免疫传感器随后出现了细胞器传感器、细胞传感器和组织切片传感器20世纪70年代中期到80年代，生物技术、生物电子和微电子学不断地渗透、融合，致使生物传感器不再局限于生物反应的电化学过程，而是根据生物学反应中产生的各种信息(如光效应、热效应、场效应和质量变化等)了设计各种精密的探测装置。1974K.Mosbach热生物传感器1974Janata酶场效应晶体管1980D.W.Lubbers和N.Optiz酶光纤传感器1983Giulbault压电晶体酶传感器1976A.H.Clemens等报道了以葡萄糖酶电极为基础的第一个人工肾脏，随后被Miles公司开发成生命稳定系统Biostator，用于重症糖尿病人床边监护。1983B.Liedberg利用表面等离子激元共振(SurfacePlasmonResonance)方法，能够适时的对生物亲和反应进行检测，在次基础上，瑞典Pharmacia公司在1990年推出商用仪器BIAcore，成为目前研究生物分子之间互相作用最优秀的实验工具。1984A.E.G.Cass首次建立了介体酶电极方法,利用化学介体戊二醛取代分子氧作为氧化还原酶酶促反应的电子受体,促成了1987年美国MediSene公司开发成功印刷酶电极.•发展迅速※文章方面:webofscience中输入“biosensor”共检索到10035篇文章，约从1993-2006年。※功能方面：活体(invivo)测定、多指标测定和联机在线(online)测定。※检测对象：各种常见的生物化学物质，在临床、发酵、食品、化工和环保等方面均显示了广泛的应用前景。•1984华盛顿召开的国际生物工程年会上将生物传感器列为当代生物工程的重要领域之一•1985Elsevier科学出版公司创刊《生物传感器》国际学术期刊，1990更名为《生物传感器和生物电子学》(Biosensors&Bioelectronics).•1987德国Dusseldor召开以生物传感为4个主题之一的BIOTECH’87.表1-1历届世界生物传感器学术大会的主题内容及其论文数量年份主题分类入选论文篇数地点1990亲和传感器普通生物传感器葡萄糖生物传感器微型生物传感器流动注射分析法205新加坡1992酶传感器亲和传感器生物传感器与生物电子学环境监测154瑞士日内瓦1994生物传感器的商业发展和应用酶传感器亲和生物传感器全细胞传感器248美国新奥尔良1996催化生物传感器亲和生物传感器生物电子学综合257泰国曼谷2000酶传感器免疫传感器生物电子学受体传感器分子识别商业化问题385美国圣地亚哥2002生物电子学与微分析系统核酸传感器与DNA芯片生物体与全细胞传感器酶传感器免疫传感器商业化与市场组合与分子印迹（专题）414日本京都1998催化生物传感器基于受体的生物传感器核酸传感器免疫传感器生物电子学商业化问题425德国柏林2004核酸生物传感器与DNA芯片生物电子学，生物燃料电池，微分析系统酶传感器器官与全细胞生物传感器系统集成，蛋白质组学和单细胞分析免疫传感器天然与合成受体生物传感器新的信号传导技术商业化与市场560西班牙格拉纳达生物传感器发展阶段20世纪60～70年代，起步阶段：传统酶电极20世纪70年代末期到80年代，发展高潮阶段：介体酶电极20世纪90年代以后市场开发获得显著成绩生物亲和传感器的技术突破（SPR）酶的直接电化学1.2生物传感器的原理和特点待分析物生物敏感膜化学量或物理量变化换能器可定量加工的电信号图1-2生物传感器传感原理生物敏感膜(biosensitivemembrane)又称分子识别元件(molecularrecognitionelement),是生物传感器的关键元件，直接决定传感器的功能和质量．表1-2生物传感器的分子识别元件分子识别元件（生物敏感膜）生物活性材料酶全细胞组织细胞器免疫物质具有生物亲和能力的物质核酸模拟酶各种酶电极细菌，真菌，动物，植物的细胞动物、植物的组织切片线粒体，叶绿体抗体，抗原，酶标抗原等配体，受体寡聚核苷酸高分子聚合物这里所说的膜是采用固定化技术制作的人工膜而不是天然的生物膜(细胞膜)表1-3生物学反应信息和换能器的选择生物学反应信息换能器选择离子变化电阻变化、电导变化质子变化气体分压变化热焓变化光学变化颜色变化（也属于光学范畴）质量变化力变化震动频率变化？-折射率变化离子选择性电极阻抗计，电导仪场效应晶体管气敏电极热敏电阻，热电偶光纤，光敏管，荧光计光纤，光敏管压电晶体管微悬臂梁表面等离子共振换能器的作用是将各种生物的、化学的和物理的信息转化成电信号生物传感器的主要特点1、多样性。根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测定所有生物物质的酶传感器。2、无试剂分析。除了缓冲液以外，大多数酶传感器不需要添加其它分析试剂。3、操作简单，快速、准确，易于联机。4、可以重复使用、连续使用，也可以一次性使用。1.3生物传感器的基本概念与类型基本概念§生物传感器概念来源于Clark关于酶电极的描述，关键是传感器的构成中分子识别元件为具有生物学活性的材料。§首届世界生物传感器学术大会(Biosensor’s90)上将生物传感器定义为由生物活性材料与相应的换能器的结合体，能测定特定的化学物质(主要是生物物质)；而将能用于生物参量测定但构成中不含生物活性材料的装置称为生物敏(biosensing)传感器。§Turner教授定义为：生物传感器是一种精致的分析器件，它结合一种生物的或生物衍生的敏感元件与一只理化换能器，能够产生间断或连续的数字电信号，信号强度与被分析物成比例。图1-3生物传感器分类类型分子识别元件分类法酶传感器免疫传感器组织传感器细胞传感器核酸传感器微生物传感器分子印迹生物传感器EnzymesensorImmunosensorTissuesensorOrganellesensorDNA/RNAsensorMicrobialsensorMolecularimprintedbiosensor图1-3生物传感器分类类型器件分类法光生物传感器电导/阻抗生物传感器声波生物传感器热生物传感器电化学生物传感器半导体生物传感器悬臂梁生物传感器OpticalbiosensorCalorimetricbiosensorAcousticwavebiosensorConductive/impedancebiosensorElectrochemicalbiosensorSemiconductbiosensorCantileverbiosensor•根据生物传感器的特性还有其他的命名或分类尺寸微型生物传感器(microbiosensor)纳米生物传感器(nanobiosensor)亲和生物传感器Affinitybiosensor免疫传感器酶PZ生物传感器SPR生物传感器凡以分子间特异识别并结合的生物传感器滋味传感器能够同时测定两种以上指标的生物传感器多功能传感器Multifunctionalbiosensor嗅觉传感器鲜度传感器血液成分传感器两种以上不同的分子识别元件组成的生物传感器或采用两种或多种反应原理构成杂合生物传感器Hybridizedbiosensor多酶传感器酶-微生物杂合传感器电化学-热生物传感器对于个别生物传感器的命名,一般采用“功能+构成特征”的方法，比如：葡萄糖氧化酶电极，谷氨酸脱氢酶电极，BOD微生物电极，葡萄糖酶光纤传感器等。1.4生物芯片生物芯片biochip芯片实验室分析生物芯片DNA芯片蛋白质芯片多肽芯片其他芯片labonchip生物计算机芯片蛋白质计算机芯片DNA计算机芯片biocomputeranalyticalbiochip图1-4生物芯片基本类型•生物计算机芯片的出现源于对传统的硅芯片计算机的发展前景的忧虑。•生物计算机20世纪80年代中期开始研制，最大的特点是采用了生物芯片。生物芯片由基因技术产生的‘智能’蛋白质分子构成；在这种芯片中信息以波的形式传播；其运算速度比当时最好的计算机快10万倍；能量消耗仅相当于普通计算机的1/10；拥有巨大的储存能力；能自动修复芯片发生的故障。•分析生物芯片伴随人类基因组计划的诞生和发展。解码含大约30亿个核苷酸的人类基因组，需要强大的DNA序列分析能力。DNA序列分析方法迄今都基于英国剑桥大学Sanger教授的酶法。•1989E.Southern专利：分析多聚核苷酸序列。描述了如何在固相载体（如玻片）上通过DNA杂交来对样品DNA序列进行测定，称为杂交测序(sequencingbyhybridization,SBH)。此方法可以用于点突变分析、基因组