生物传感器检测原理、类型

生物传感器主要内容1、生物传感器定义、结构2、生物传感器的原理3、生物传感器的分类4、生物传感器的优点2.1生物传感器定义、结构生物传感器定义生物传感器(biosensor)是用生物活性材料(酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)与物理换能器有机结合的器械或装置，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。生物传感器的结构(组成)根据定义，包括两部分：1、生物活性材料(也叫生物敏感膜、分子识别元件)。2、物理换能器(也叫传感器)2.1生物传感器定义、结构2.1生物传感器定义、结构表2-1生物传感器的生物敏感膜（分子识别元件）生物敏感膜生物活性材料生物敏感膜生物活性材料酶各种酶类全细胞细菌、真菌、动植物细胞免疫物质抗体、抗原、酶标抗原细胞器线粒体、叶绿体DNA寡聚核苷酸组织动植物组织切片具有亲和能力的物质配体、受体模拟酶高分子聚合物生物敏感膜(biosensitivemembrane)又称为分子识别元件(molecularrecognitionelement)是生物传感器的关键元件(表2-1)，直接决定传感器的功能与质量。依生物敏感膜所选用材料不同，其组成可以是酶、DNA、免疫物质、全细胞、组织、细胞器或它们的组合，近年还引入了高分子聚合物模拟酶，使分子识别元件的概念进一步延伸。2.1生物传感器定义、结构生物学反应信息换能器选择生物学反应信息换能器选择离子变化离子选择性电极光学变化光纤、光敏管电阻、电导变化阻抗计、电导仪颜色变化光纤、光敏管质子变化场效应晶体管质量变化压电晶体等气体分压变化气敏电极力变化微悬臂梁热焓变化热敏电阻、热电偶振动频率变化表面等离子共振换能器(transducer)又称为传感器(sensor),其作用是将各种生物的、化学的和物理的信息转变成电信号。生物反应过程产生的信息是多元化的，微电子和传感技术的现代成果为检测这些信息提供了丰富的手段，使得研究者在设计生物传感器时对换能器的选择有足够的回旋余地。设计的成功与否主要取决于设计方案的科学性和经济性，可供制作生物传感器的基本换能器如下表(2-2)表2-2生物学反应信息和换能器的选择2.2生物传感器的原理待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。图示生物传感器原理：电信号待检测物生物敏感膜物理变化此界面发生生物学反应(分子识别过程)此界面发生能量转换(转换成电信号)此处发生信号转换(模拟信号转换成数字信号)换能器计算机2.3生物传感器的分类按分子识别元件分类和按换能器类型分类。分子识别元件分类法分子印记生物传感器微生物生物传感器DNA生物传感器细胞生物传感器组织生物传感器免疫生物传感器酶生物传感器换能器分类法悬臂梁生物传感器阻抗/电导生物传感器声波生物传感器电化学生物传感器半导体生物传感器热生物传感器光生物传感器2.4生物传感器的优点(1)可重复使用采用固定化生物活性物质作催化剂，价格昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。(2)专一性强(选择性高、特异性强)如：酶只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。(3)分析速度快可以在几分钟得到结果。(4)准确度高一般相对误差可以达到1％(5)操作系统比较简单，容易实现自动分析(6)成本低在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。20世纪九十年代至今我国生物传感器研究队伍逐渐扩大，其标志之一是近10年来在中国国内期刊上发表的以生物传感器为关键词的论文总数达到650篇，其中2003年的论文数量比1994年增加了约一倍。近十年的该领域专家的研究背景也从生物学扩大到化学和电子学。表明了生物传感器领域学科相互交叉的趋势。近十年来在中国期刊发表的生物传感器论文年份1994199519961997199819992000200120022003论文数量486436475156676611890生物传感检测的生物学理论——分子识别及生物反应基础主要内容酶及酶反应微生物反应免疫反应核酸及核酸反应生物学反应中的物理量变化概述生物传感器的分子识别元件又叫敏感元件，主要指来源于生物体的生物活性物质，包括酶、抗原、抗体和各种功能蛋白质、核酸、微生物细胞、细胞器、动植物组织等。当它们用做生物传感器的敏感元件时，都无一例外地具有对靶分子(待检测对象)特异的识别功能。分子识别常常是生物体进行各种简单反应或复杂反应的前奏。生物反应包括了生理生化、遗传变异和新陈代谢等一切形式的生命活动，生物传感器研究者的任务就是将生物反应与传感器技术有机结合起来。这里介绍4类生物反应：酶反应、微生物反应、免疫反应和核酸反应，以及生物反应中伴随着发生的物理量变化。3.1酶及酶反应1酶反应基本概念1）酶的定义人们对酶的认识在19世纪产生了飞跃，1854～1864年，Pasteur证明发酵作用是由微生物引起的，推翻了“自生论”。当时曾提出“活体酵素”和“非活体酵素”的名词。1877年，Kuhne提出使用“enzyme”这个词，将酶与微生物两者区别开。Liebig等认为发酵不一定要和酵母细胞相联系，而是由酵母细胞中所分泌的某些化学物质(酶)所引起的。这一假设于1897年被Buchner兄弟证实，他们用酵母细胞滤液成功地进行了糖至乙醇和二氧化碳的转化，一般认为，这项实验是酶学研究的开始。此后近1个世纪中，酶学研究获得一系列重要突破。此后，酶的蛋白质属性和催化功能被普遍认识。3.1酶及酶反应2）酶的蛋白质性质酶是蛋白质，这一结论最早由sumner提出，他在1926年首次从刀豆中提取了脲酶结晶，并证明这个结晶具有蛋白质的一切性质。以后人们又陆续获得了多种结晶酶，在已经鉴定的2000余种酶中，多数已被结晶或纯化，检索SIGMA目录，作为商品出售的酶已经达400多种。证明酶是蛋白质有4点依据：①蛋白质是氨基酸组成的，而酶的水解产物都是氨基酸，即酶是由氨基酸组成的。②酶具有蛋白质所具有的颜色反应，如双缩脲反应、茚三酮反应、乙醛酸反应等。③一切能使蛋白质变性的因素，如热、酸、碱、紫外线等，同样可以使酶变性失活。④酶同样具有蛋白质所具有的大分子性质，如不能透过半透膜，可以电泳，并有一定等电点。3.1酶及酶反应3）酶的催化性质酶是生物催化剂。新陈代谢是由无数复杂的化学反应组成的，这些反应大都在酶催化的条件下进行。与一般催化剂相比较，酶催化具有如下特点。①高度专一性(specification)，或称特异性。一般地讲，一种酶只催化一种反应，作用于特定的底物或化学键。因而有“一种酶，一种(类)底物”之说。②催化效率高。酶分子的转化数(turnovernumber)为每个酶分子每分钟大约转化103个底物分子(不同的酶转化数不一样)。检测底物浓度下限一般为10-9～10-6mol/L。以分子比为基础，其催化效率是其他催化剂的107～1013倍。③酶催化一般在温和条件下进行由于酶是蛋白质，极端的环境条件(如高温、酸碱)容易使酶失活。④有些酶(如脱氢酶)需要辅酶或辅基若从酶蛋白分子中除去辅助成分，则酶不表现催化活性。⑤酶在体内的活力常常受多种方式调控包括基因水平调控、反馈调节、激素控制、酶原激活等。⑥酶促反应产生的信息变化有多种形式，如热、光、电、离子化学等。3.1酶及酶反应4）酶的分类与命名按照酶的催化反应类型，将酶分为六大类。(1)氧化还原酶类(oxidoreductases)催化氧化还原反应，其代表方程式为：式中，A.2H为氢的给体；B为氢的受体。这类酶包括氧化酶、过氧化物酶、脱氢酶等。(2)转移酶类(transferases)催化某一化学基团从某一分子到另一分子，其代表方程为：式中，B为被转移的基团，如磷酸基、氨基、酰胺基等。这类酶包括转氨酶、转甲基酶等。3.1酶及酶反应(3)水解酶类(hydrolases)催化各种水解反应，在底物特定的键上引入水的羟基和氢，一般反应式为：包括肽酶(即蛋白酶，水解肽键)、酯酶(水解酯键)、糖苷酶(水解糖苷键)等。(4)裂合酶类(lyases)催化C-C、C-O、C-N或C=S键裂解或缩合，其代表反应式为：如脱羧酶、碳酸酐酶等。(5)异构酶类(isomerases)催化异构化反应，使底物分子内发生重排，一般反应式为：这类酶包括消旋酶(如L-氨基酸转变成D-氨基酸)、变位酶(如葡萄糖-6-磷酸转变为葡萄糖-l-磷酸)等。(6)合成酶类(1igases)或称连接酶类，它催化两个分子的连接并与腺苷三磷酸(ATP)的裂解偶联，同时产生腺苷单磷酸(AMP)和焦磷酸(PPi)：如氨基酸激活酶类。3.1酶及酶反应每一大类酶又可根据作用底物的性质分为若干亚类和次亚类。酶的名称由两部分组成，开头部分是底物，后面部分表示催化反应类型，再用-ase结尾。如催化丙酮酸羟基化生成草酰乙酸反应的酶称为丙酮酸羧化酶(pyruratecarboxylase)。也常常使用简化或习惯名称，如淀粉葡萄糖苷酶称为糖化酶。酶学编号(ECnumber)由4个数字构成，如脂肪酶(甘油酯水解酶)的系列编号为“EC3.1.1.3.”，表示第三大酶类(水解酶)、第一亚类(水解发生在酯键)、第一亚亚类(羟基酯水解)、甘油酯水解酶。3.1酶及酶反应5）酶量表示法在用酶作分析工具时，酶量的表示有几种方法，根据国际酶学委员会规定，分别定义如下。酶活力单位用国际单位(InternationalUnit，IU)表示。一个酶活力单位指在特定条件下(如25℃，pH及底物等其他条件采用最佳条件)，在1min能转化1μmol底物分子的酶量，单位为IU。酶比活力(specificactivity)指1mg酶所具有的酶活力。一般用IU/mg表示。酶含量指每克或每毫升酶制剂含有的活力单位数，即IU/g或IU/ml。3.1酶及酶反应3.2酶的作用机理1）降低反应活化能一个封闭的反应体系中，反应开始时，反应底物分子的平均能量水平较低，为初态(initialstate，A)，只有少数分子具有比初态更高一些的能量，高出的这一部分能量称为活化能G1-(energyofactivation)．使这些分子进入活化态(或过渡态transitionstate，A*)，才能进行反应，这些活泼的分子称为活化分子。反应物中活化分子愈多，反应速度就愈快。活化能的定义是：在一定温度下，1mol底物全部进入活化态所需要的自由能F(freeenergy)，单位是J/mol。酶能够大幅度降低反应所需要的活化能，使活化能降到G2，这样，大量的反应物分子就比较容易地越过小的“能峰”，进入活化态(图2-1)，从而使反应在常温下极快地进行。与一般催化剂相比，酶催化使活化能降低幅度更大。3.1酶及酶反应2)结构专一性酶催化的专一性是由酶蛋白分子(特别是分子中的活性部位)结构特性决定的，根据酶对底物专一性程度的不同，大致可分为三种类型。第一种类型的酶专一性较低，能作用于结构类似的一系列底物。第二种类型的酶仅对一种物质有催化作用，它们对底物的化学键及其两端均有绝对要求。第三种类型的酶具有立体专一性，这类酶不仅要求底物有一定的化学结构，而且要求有一定的立体结构。3.1酶及酶反应3）酶的辅助因子许多酶需要辅助因子(co-factor)才能行使催化功能。辅助因子包括金属离子和有机化合物，它们构成酶的辅酶(co-enzyme)或辅基(prostheticgroup)，与酶蛋白共同组成全酶(holoenzyme)。脱去辅基的酶蛋白不含有催化活性，称为脱辅基酶蛋白(apoenzyrme)，有时又称为酶原(proenzyme,zymogen)。辅酶与辅基没有严格的区别，一般地，与酶蛋白松弛结合的辅助因子称为辅酶，与酶蛋白牢固结合的辅助因子称为辅基。辅助因子通常存在酶的活性中心部位，对酶的催化起重要作用。3.1酶及酶反应4)酶的活性中心酶的特殊催化能力只局限在它的大分子的一定区域，这个区域就是酶的活性中心，它往往位于分子表面的凹穴中。对不需要辅