2020年第7章 生物传感器参照模板
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
图 7.2.4 酶的固定化方法
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 将生物活性材料封闭在双层源自文库膜之间
优点： ➢ 操作简单； ➢ 不需要任何化学处理； ➢ 固定生物量大； ➢ 响应速度快； ➢ 重现性好。
必须注意，参加共价结合的氨基酸残基应当是酶催化活性非必需基团，如 若共价结合包括了酶活性中心有关的基团，会导致酶的活力损失。
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 将酶分子或细胞包埋并固定在 高分子聚合物三维空间网状结构 基质中。
优点： ➢ 一般不产生化学修饰，对分子 活性影响小； ➢ 膜的孔径和形状可以任意控制； ➢ 被包埋物不易渗漏； ➢ 底物分子可在膜中任意扩散。
缺点：分子量大的底物扩散困难。
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图 7.2.8 包埋法示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 依靠双功能试剂在分子间形成 交联而聚成网状结构。
优点： ➢ 操作简单； ➢ 结合牢固。
缺点：固定化时需严格控制pH， 交联剂浓度，否则会使蛋白质中 毒，酶分子会部分失活。
7-2-1 生物敏感膜
基于生物亲和性物质（抗体-抗原，DNA-RNA等）； 一方固定在膜上作为分子识别元件； 特异性反应引起膜电位变化。
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图 7.2.3 基于生物吸附的生物敏感膜示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
直接利用具有生物活性的天然生物膜或人工生物膜；
§7-2 生物敏感膜与固定化技术 §7-3 酶传感器
第7章 生物传感器
上节内容回顾
生物传感器的基本组成
§7-2
生
敏
二
被测物质
物 敏 生物学反应信息
感 元
电信号
次 仪
感
件
表
膜
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第7章 生物传感器
生
敏
二
被测物质
物 敏 生物学反应信息
感 元
电信号
次 仪
感
件
表
膜
生物学反应： •酶促反应 •免疫学反应 •微生物反应 •受体配体结合反应
适用范围：酶膜和免疫分子膜的制作。
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图 7.2.6 吸附法示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 酶分子通过共价键与不溶性载体 结合而固定。
优点： ➢ 结合牢固，蛋白质不易脱落； ➢ 载体不易被生物降解； ➢ 使用寿命长。
缺点：操作繁琐，酶活性受影响。
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图 7.2.7 共价连接法示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
酶蛋白上可供载体结合的功能基团有以下几种：
（1）酶蛋白N末端的α-氨基或赖氨酸残基的ε-氨基。 （2）酶蛋白C末端的α-羧基、天门冬氨酸残基的β-羧基以及谷
氨酸残基的γ-羧基。 （3）半胱氨酸残基的巯基。 （4）丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基的羟基。 （5）组氨酸残基的咪唑基。 （6）色氨酸残基的吲哚基。 （7）苯丙氨酸和酪氨酸残基的苯环。
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图 7.2.4 天然生物膜和人工脂质双分子膜
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
➢ 生物敏感膜必须满足一定的性能，才能够达到实用的目的。 生物敏感膜需要满足哪些性能？
➢ 稳定性；可重复使用；能直接进行底物分析；操作简单；使用方便。 怎样才能够使得生物敏感膜满足以上特点？
➢ 生物敏感膜的制备技术——固定化技术
➢ 生物活性物质：
•迅速识别被测物质并与之发生化学反应； •具有高特异性和敏感性。
➢ 膜材料：天然，人工
图 7.2.1 生物敏感膜示意图
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
➢按照生物活性材料的不同，生物敏感膜可包括:
生物敏感膜
酶膜 全细胞膜 组织膜 细胞器膜 免疫功能膜
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
➢生物敏感膜制备的固定化技术
丙烯酰胺系聚合物， 甲基丙烯系聚合物， 苯乙烯系聚合物， 胶原，右旋糖酐， 琼脂糖，纤维素， 淀粉等天然高分子 以及玻璃，矾土， 不锈钢等无机物。
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载体
生物活 性物质
酶，辅酶， 抗原，抗体， 微生物菌体， 激素，抑制剂， 各种细胞器。
缺点：稳定性较差（酶膜）。
适用范围：微生物和组织膜。
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图 7.2.5 夹心法示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 通过非水溶性载体的物理吸附或 离子结合，使蛋白分子固定。
优点： ➢ 不需要化学试剂； ➢ 对酶活性影响小。
缺点：分子易脱落。固常与其他方法结 合使用，如吸附交联法。
生物学反应信息： •离子变化 •质子变化 •气体分压变化
……
传感器元件： •离子选择性电极 •场效应晶体管 •热敏元件
……
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传 ➢ 酶传感器
§7-3
感 ➢ 微生物和组织及细胞传感器
器 ➢ 免疫传感器
第7章 生物传感器
7-2-1 生物敏感膜
➢ 生物传感器的最关键部分；
➢ 载有生物活性物质的膜层；
7-2-2 固定化技术
例：酶的固定化方法
固定化酶的制备方法、制备 材料多种多样，不同的制备方法 和材料，固定化后酶的特性不同。 对于特定的目标酶，要根据酶自 身的性质、应用目的、应用环境 来选择固定化载体和方法。具体 包括：
(a) 夹心法 (b) 吸附法 (c) 包埋法 (d) 共价连接法 (e) 交联法
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
基于敏感膜中的特定酶与底物反应； 在接触生物物质或有机物质后，发生催化反应； 生成的化学产物，其中一种产物可有传感器元件所感知。
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图 7.2.2 基于生物催化反应的生物敏感膜示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
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图 7.2.9 交联法示意图
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生物活性材料
各种酶类 细菌，真菌，动植物细胞 动植物组织切片 线粒体，叶绿素 抗体，抗原，酶标抗原
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
➢按照其分子识别原理，生物敏感膜可包括:
1. 基于生物催化反应的生物敏感膜 2. 基于生物吸附的生物敏感膜 3. 基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
图 7.2.4 酶的固定化方法
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 将生物活性材料封闭在双层源自文库膜之间
优点： ➢ 操作简单； ➢ 不需要任何化学处理； ➢ 固定生物量大； ➢ 响应速度快； ➢ 重现性好。
必须注意，参加共价结合的氨基酸残基应当是酶催化活性非必需基团，如 若共价结合包括了酶活性中心有关的基团，会导致酶的活力损失。
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 将酶分子或细胞包埋并固定在 高分子聚合物三维空间网状结构 基质中。
优点： ➢ 一般不产生化学修饰，对分子 活性影响小； ➢ 膜的孔径和形状可以任意控制； ➢ 被包埋物不易渗漏； ➢ 底物分子可在膜中任意扩散。
缺点：分子量大的底物扩散困难。
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图 7.2.8 包埋法示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 依靠双功能试剂在分子间形成 交联而聚成网状结构。
优点： ➢ 操作简单； ➢ 结合牢固。
缺点：固定化时需严格控制pH， 交联剂浓度，否则会使蛋白质中 毒，酶分子会部分失活。
7-2-1 生物敏感膜
基于生物亲和性物质（抗体-抗原，DNA-RNA等）； 一方固定在膜上作为分子识别元件； 特异性反应引起膜电位变化。
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图 7.2.3 基于生物吸附的生物敏感膜示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
直接利用具有生物活性的天然生物膜或人工生物膜；
§7-2 生物敏感膜与固定化技术 §7-3 酶传感器
第7章 生物传感器
上节内容回顾
生物传感器的基本组成
§7-2
生
敏
二
被测物质
物 敏 生物学反应信息
感 元
电信号
次 仪
感
件
表
膜
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第7章 生物传感器
生
敏
二
被测物质
物 敏 生物学反应信息
感 元
电信号
次 仪
感
件
表
膜
生物学反应： •酶促反应 •免疫学反应 •微生物反应 •受体配体结合反应
适用范围：酶膜和免疫分子膜的制作。
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图 7.2.6 吸附法示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 酶分子通过共价键与不溶性载体 结合而固定。
优点： ➢ 结合牢固，蛋白质不易脱落； ➢ 载体不易被生物降解； ➢ 使用寿命长。
缺点：操作繁琐，酶活性受影响。
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图 7.2.7 共价连接法示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
酶蛋白上可供载体结合的功能基团有以下几种：
（1）酶蛋白N末端的α-氨基或赖氨酸残基的ε-氨基。 （2）酶蛋白C末端的α-羧基、天门冬氨酸残基的β-羧基以及谷
氨酸残基的γ-羧基。 （3）半胱氨酸残基的巯基。 （4）丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基的羟基。 （5）组氨酸残基的咪唑基。 （6）色氨酸残基的吲哚基。 （7）苯丙氨酸和酪氨酸残基的苯环。
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图 7.2.4 天然生物膜和人工脂质双分子膜
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
➢ 生物敏感膜必须满足一定的性能，才能够达到实用的目的。 生物敏感膜需要满足哪些性能？
➢ 稳定性；可重复使用；能直接进行底物分析；操作简单；使用方便。 怎样才能够使得生物敏感膜满足以上特点？
➢ 生物敏感膜的制备技术——固定化技术
➢ 生物活性物质：
•迅速识别被测物质并与之发生化学反应； •具有高特异性和敏感性。
➢ 膜材料：天然，人工
图 7.2.1 生物敏感膜示意图
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
➢按照生物活性材料的不同，生物敏感膜可包括:
生物敏感膜
酶膜 全细胞膜 组织膜 细胞器膜 免疫功能膜
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
➢生物敏感膜制备的固定化技术
丙烯酰胺系聚合物， 甲基丙烯系聚合物， 苯乙烯系聚合物， 胶原，右旋糖酐， 琼脂糖，纤维素， 淀粉等天然高分子 以及玻璃，矾土， 不锈钢等无机物。
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载体
生物活 性物质
酶，辅酶， 抗原，抗体， 微生物菌体， 激素，抑制剂， 各种细胞器。
缺点：稳定性较差（酶膜）。
适用范围：微生物和组织膜。
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图 7.2.5 夹心法示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 通过非水溶性载体的物理吸附或 离子结合，使蛋白分子固定。
优点： ➢ 不需要化学试剂； ➢ 对酶活性影响小。
缺点：分子易脱落。固常与其他方法结 合使用，如吸附交联法。
生物学反应信息： •离子变化 •质子变化 •气体分压变化
……
传感器元件： •离子选择性电极 •场效应晶体管 •热敏元件
……
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传 ➢ 酶传感器
§7-3
感 ➢ 微生物和组织及细胞传感器
器 ➢ 免疫传感器
第7章 生物传感器
7-2-1 生物敏感膜
➢ 生物传感器的最关键部分；
➢ 载有生物活性物质的膜层；
7-2-2 固定化技术
例：酶的固定化方法
固定化酶的制备方法、制备 材料多种多样，不同的制备方法 和材料，固定化后酶的特性不同。 对于特定的目标酶，要根据酶自 身的性质、应用目的、应用环境 来选择固定化载体和方法。具体 包括：
(a) 夹心法 (b) 吸附法 (c) 包埋法 (d) 共价连接法 (e) 交联法
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
基于敏感膜中的特定酶与底物反应； 在接触生物物质或有机物质后，发生催化反应； 生成的化学产物，其中一种产物可有传感器元件所感知。
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图 7.2.2 基于生物催化反应的生物敏感膜示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
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图 7.2.9 交联法示意图
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生物活性材料
各种酶类 细菌，真菌，动植物细胞 动植物组织切片 线粒体，叶绿素 抗体，抗原，酶标抗原
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
➢按照其分子识别原理，生物敏感膜可包括:
1. 基于生物催化反应的生物敏感膜 2. 基于生物吸附的生物敏感膜 3. 基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜