生物量传感器与检测技术 医用传感器教学

吸附法
所谓吸附法就是依据带电荷的细胞和载体之间的静电、表面张力和粘 附力的作用，使细胞固定在载体表面和内部形成生物膜。其可分为物 理吸附法和离子吸附法两种。
物理吸附法是使用具有高吸附能力的物质，如硅胶、活性炭、多孔玻 璃、碎石、硅藻土、多孔砖、陶瓷片、木屑等吸附剂，将微生物吸附 在表面使其固定化；
A、B、O型系统的血型物质为糖脂质，将这些血 型物质从红血球中抽提出来调制成抗原膜，抗原 膜的膜电位在凝集反应时发生显著变化，从而可 容易地判别血型。
二．标志免疫传感器
前者是指天然的生物膜，后者指生物传感器分子识别器件，包括各 种固定化生物功能膜。 固定化的首要目的是将酶等生物活性物质限制在一定的空间，但又 不妨碍底物的自由扩散 。
固相生物材料具有一系列优点
①热稳性提高； ②可重复使用； ③不需要在反应后进行催化物质与反应物质的分离； ④可以根据已知的半衰期(half—life)确定传感器膜的寿命； ⑤能够避免外源微生物对生物功能物质的污染和降解(decay)等。
一是酶膜可以制得很薄(数nm厚)，厚度和层数可以精确控制； 二是可以获得高密度酶分子膜。由此可能协调响应速度和响应活 性这对矛盾。
Tsuzuki等采用L-B技术首次制成GOD电极，基本步骤如下： (1) 使二性化合物在水相上形成单分子膜； (2) 用三甲基氯盐配制的10％的甲苯溶液处理SnO2电极，使其疏 水化； (3) 在20mN／m的表面压力下用垂直提升法使单分子膜沉积在 SnO2电极表面； (4) 2.5％戊二醛处理单分子膜l小时，使外层引入甲酰基团； (5) 表面甲酰基团与GOD溶液反应1小时，形成单分子GOD膜。
在综合判断酶传感器的检测灵敏度、反应速度、稳定性及使 用的简易程度时，两者并无明显的差异。
免疫传感器由于抗体与其分别对应的抗原有选择性结合能力，因此可确立利 用抗原、抗体反应的免疫测定法。据此设计的生物传感器称为免疫传感器。
一．非标识免疫传感器
原理：根据红血球中所含的血型物质(凝集素)与
血清中血型抗体的结合反应。
基本上由酶膜和克拉克型氧电极或过氧化氢 电极组成。
通过测定被消耗的氧 或生成的过氧化氧来 测定葡萄糖的含量
酶传感器的研究重点均放在提高识别分子部位的酶膜特性上。
(1)聚丙烯酰胺凝胶膜 对葡萄糖有很大的阻止扩散的能力， 薄膜结构比较复杂，反应速度比较慢。 (2)胶原膜 用包埋法制作，阻止扩散的能力较小，反应速度 较快。 (3)在不同类的多细孔膜中间固定的酶，酶被多孔膜覆盖，样 品液中的高分子物质不直接与酶接触，延长了酶的寿命。 (4)在酶膜上被覆的多孔膜醋酸纤维素、1、8丁氨基—1—氨基 乙基辛烷、戊二醛等易使葡萄糖扩散，加快了反应速度。
一是生物敏感膜(分子识别元件),是具有分子识别能力的生 物活性物质，是生物传感器的关键部分，直接决定传感器 的功能和质量;
二是物理或化学转换器(换能器)，将各种生物的、化学的和 物理的信号转换为电信号。主要有电化学电极(如电位、电 流的测量)、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压 电石英晶体及表面等离子共振器件等，当待测物与分子识 别元件特异性结合后，所产生的复合物(或光、热等)通过信 号转换器变为可以输出的电信号、光信号等，从而达到分 析检测的目的。
离子吸附法是利用微生物在解离状态下离子键合作用而固定于带有相 反电荷的离子交换剂上。
共价法
共价结合法是细胞表面上官能团和固相支持物表面的反应基团形成化 学共价键连接，从而固定微生物。
六．L-B膜技术
许多生物分子，如脂质分子和一些蛋白质分 子，在洁净的水表面展开后能形成水不溶性 液态单分子膜，小心压缩表面积使液态膜逐 渐过渡到成为一个分子厚度的拟固态膜。 这种膜以技术的发明者Langmuir和Blodgett 命名，称为L—B膜。
7.2 经典生物传感器原理与应用
一般原理：
巧妙地利用了生物活性物质对 特定物质所具有地选择性亲和 力，即分子识别能力这一特点， 来进行识别和测量，并利用电 化学反应进行电信号转换，从 而实现定量测量。
一．酶传感器的原理
一种将酶与电化学传感器相连结的用来测量底物浓度的电极
叫做酶电极(或称酶传感器)。
生物传感器分类
➢根据生物传感器的信号转换器可分为电化学生 物传感器、半导体生物传感器、热生物传感器、 光生物传感器、声波生物传感器等
➢根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感 材料可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传 感器、组织传感器、基因传感器、细胞传感器。
7.1 生物材料的固定化技术
如果说“一些重要的生命功能都是以生物膜为舞台而展现出来 的”，那么也可以说，没有生物功能膜就不称其为生物传感器。
其原理是当工作电极相对于参考电极维持在一恒定的极化电压 时测量输出电流。
当工作电极表面上电活性物质还原或氧化时，产生一个电流。
该电流在一定的条件下可由下式给出：
n-分子量 F-电荷法拉第常数 A-电极面积 f-电活性物质到电极的流通量
在合适的极化电压下，电极能产生一个高而平稳的电流--极限电 流。 极限电流与极化电压无关而与活性物质的浓度成线性关系。
用酶膜和离子选择性电极相结合构成的酶电极, 当底物与酶膜作用时，产生单价阳离子H+、NH4+ 等，为离子选择性电极所测得 。
可见电极电位与待测物离子浓度的对数成线性关系，由此可定量地检测 待测物的含量。迄今使用的电位计式酶电极主要以H+、NH4+电极为基 础的。
酶传感器主要由固定化酶膜和变换器组成：固定化酶膜可以选择性 地“识别”被检测的物质，并且催化被“识别”出的物质发生化学 反应；变换器则把这一催化反应中底物或产物的变量转换成电信号， 进而通过仪表显示出来。
内容简介
生物传感器
生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、 DNA、抗体、抗原、生物膜等）作为敏感基 元构成分子识别系统，对被测物进行高选择性 的识别，通过各种化学和物理换能器捕捉目标 物与敏感基元之间的作用，并将作用程度用离 散或连续信号表达出来，从而得出被测物的种 类和含量的装置。
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