1 1 3.051/BE.340 第 16 讲 生物传感器 1． 什么是生物传感器？ 生物传感器的描述有多种。它们分别是： a) 一种能测量生物学信号的装置。 b) 一种能“使用仿生学原理”进行感觉的装置。 例如：人工鼻 c) 一种能探测到生物分子存在的装置。 我们将采用国际理论与应用联合化学会（ IUPAC） 最新的定义： “通过利用一种能与换能元件在空间上直接接触的 生物识别元件 提供特殊的定量或半定量 的分析信息的完整的综合装置。 ” 2． 生物传感器的用途 z 农业、食品和医药工业的质量保证。 例如 ： E-杆菌，沙门氏菌 z 监控环境污染和细菌战工具。 例如 ：细菌炭疽热孢子。 z 医学诊断。 例如： 葡萄糖。 z 生物化验。 例如： DNA 微序列 2 2 3.051/BE.340 3．生物传感器的分类 A）催化型生物传感器： 一种能测量稳态的浓度或含量的信号量的装置。该信号是由于生物 催化反应所产生或消除的，且换能器能检测响应的信号。 监控量： ⅰ）产品形成的速度 ⅱ）反应物的消失 ⅲ）反应的抑制作用 生物催化用作 ： ⅰ）酶 ⅱ）微生物 ⅲ）细胞器官 ⅳ）组织样品 B）亲和性生物传感器 ：一种包含感受器和换能器的装置，该感受器分子可与被检测分子发 生不可逆的键合从而产生物理化学变化，且换能器能响应检测到该变化量。 感受器分子 ：ⅰ）抗体 ⅱ）核酸 ⅲ）荷尔蒙受体 生物传感器大多常常被用作 检测生物源分子 ，该检测是基于特殊的相互反应。 3 3 3.051/BE.340 4．生物传感器的组成 （ 2） （ 1） 待测物 ：化学 /生物目标 半透膜（ 1） ：允许待测物优先选择性通过（限制结垢） 检测元件 （ 敏感性生物分子 ） ：提供特殊识别 /待测物的检测响应 半透膜（ 2） ： （某些设计）识别过程的副产品优先通过 电极 ： （基于电化学） ：电极之间的离子传导 转换器 ：把响应检测到的信息转换成可测量的信号 信号 转换元件 电极 （电化学电极） 固定化 生物元件 外部媒介 （如： 血液） 待测物 （化学目标） 半透膜 4 4 3.051/BE.340 A）敏感测试元件 1）催化型：目前用的最多的酶 例如：葡糖氧化酶，尿素酶（促进尿分解） ，酒精氧化酶等。 商业品化实例 ： 使用葡糖氧化酶的葡萄糖传感器（ GOD） 葡萄糖 +氧气 +水 → 葡萄糖酸 +双氧水 GOD 3 种有潜力的测试路径： 1. pH 变化（酸产物） 2. O 2 消耗量（荧光检测） 3. H 2 O 2 产物（电化学） 商业上现有的生物传感器可检测 ：葡萄糖，乳酸盐，乙醇，蔗糖，半乳糖，尿酸，全淀粉， 胆碱，左旋 -赖氨酸—都基于检测 O 2 /H 2 O 2 的电流信号。 2）亲和性键和 ：最常用的为抗体和核酸片断 商业化例子 ： DNA 芯片 5 5 3.051/BE.340 B）换能器 1）电化学： 测量电极间通过的 电流（常用的为电流 ） 、电压变化，把化学信号转化成电信号。 减少的化学物质 C red :的氧化反应： 电流装置： 测量的电流是被限制大量传输 δ x（电极间距离） F=96， 487 库仑（法拉第常数） i= i lim =-nFAJ A=电极面积 式中 J 是流量 δ=边界层宽度 6 6 3.051/BE.340 例子： 基于过氧化氧化物的葡萄糖传感器 （大多为商品化装置） 凝胶合成葡糖氧化酶 Au工作电极 Au辅助电极 葡萄糖 +氧 +水 葡糖酸 +过氧化氢 GOD 阳极：过氧化氢 氧 +2H + 2e - 通过工作电极的电流 （回想：氧化反应发生在阳极；此处 O -1 O 0 ） 电解液 7 7 3.051/BE.340 2)光化学 ：将化学信号转换为光化学信号，测量光的强度和波长（λ） a) 比色法：测量吸收强度 举例 非直接 ：过氧化氢 +染料前体 彩色染料 过氧化酶 直接 ：黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)与辅助因素 (在 GOD 上的氧化还原 )键和，在 377 纳米 和 455 纳米处由于葡萄糖的存在而使吸收消失。 b) 荧光性 例 1： DNA 微排列 — 通过抗生物素蛋白 -生物素联合体，荧光团选择性与待测分子键 合；已由 Affymetrix（ S.Fodor）商品化。 8 8 3.051/BE.340 例 2：光纤传感器：荧光团固定在光纤顶端，根据待测目标来改变荧光的信号量。 初始光 E=hv 1 刺激荧光团 测量返回荧光： E=hv 2 包裹荧光团和生物分子的交联网状顶端 (光用作光聚合基质 ) 代表性： —在顶端的氧抑制捕获了荧光团的荧光（例如，三（ 4， 7—二苯— 1， 10 邻二氮杂菲） Ru （Ⅱ）二氯 =Ru(dpp) 3 2+ cl 2 ） —捕获的氧化酶（生物元件，例如： GOD）消耗氧气的反应，导致了荧光团的发射 葡萄糖 +氧气 +水 葡糖酸 +过氧化氢 GOD 我们如何解释天然氧气的波动？ 多通道光纤 ： 1. 加强选择性并且或者 2. 多待测物检测 我们如何检测多种待测物？ 参考： MD. Marazuela 等。 “光纤生物传感器概述” ， Anal. Bioanal. Chem. 372,664(2002) 9 9 3.051/BE.340 例 3： 半导体纳米粒子（量子点） 目前在发展中 例如：量子点公司（ P. Alivasatos） 典型的为基于亲和性键合 被粘附的抗体 优势： i) QD 键隙 （并且由此产生发射） 尺寸的变化 ? 多种待测物容量 2 纳米 CdSe ? 绿色 5 纳米 CdSe ? 红色 ⅱ）窄，强发射谱图（较强的信号 /噪音） λ ⅲ）能被用作基于表面或溶液的测量 参考： A.P.Alivisatos, 科学 271， 2013（ 1998） 强度 10 10 3.051/BE.340 C) 反射 例 1： “纳米棒” —反射多层叠加金属棒表面，提供光学信号； Surromed 公司正在开发。 （ M.Natan） 基于亲水性键合 Al 2 O 3 膜 （溶在 NaOH 溶液中） Ag 电极 （溶解在硝酸溶液中） 反射微孔给出 对于每一种棒独特的信号 长度 通过由一系列金属盐变成 模板孔的电化学还原反应 制备而成 反 射 强 度 11 11 3.051/BE.340 优势： ⅰ）溶液基准（不仅限于表面区域） ⅱ）多种长度 /序列的结合 ? 可测量多种待测底物 多待测底物转换使用同一个荧光团 荧光团—揭示键合的待测底物 棒码—需识别的待测物 测试范围： 1-10ng/ml 挑战： 将需要高端自始至终全程可读性装置 参考： S.R.Nicewarner-Pena 等， 科学 294， 137 核酸 生物元件 12 12 3.051/BE.340 3）压电式： 转换化学吸收过程中的质量变化为电信号 举例： 石英晶体微量天平 应用交互 E-领域 优势： 高敏感 —10’s 纳克 /cm 2 不足： 对非选择性吸收的高敏感 参考： C.K.O’Sullivan 和 GG.Guilbault, 生物传感器和生物电学 14， 663（ 1999） 附着的生物分子 石英晶体 —石英以相应领域的共 振频率振动 V=（ k/m） 1/2 代表性： 5MHz； 研究级别： 100-200MHz 13 13 3.051/BE.340 5. 测试元件固定化方法 物理捕获 —通过待测底物的渗透膜捕获的粘性水溶液 膜： 玻璃纸，醋酸纤维素，聚乙烯醇，聚亚胺酯 捕获凝胶： 琼脂糖，明胶，聚丙烯酰胺，聚 N-甲基吡咯烷酮 微囊： 在脂质体内；或被吸收在纯碳粒子中，该粒子与凝胶或膜有机地结合。 吸附： 直接吸附于模或换能器表面；也可吸附在预先吸附着的蛋白上，例如：白蛋白，抗生 物素蛋白（通过生物素连接器） 共价键合 （通过 -COOH， -NH 2 ， -OH 化学键）或交联（如：通过戊二醛）到换能器上或膜 表面 14 14 3.051/BE.340 6．理想的生物传感器应具有的特性 1．高敏感性：△ S/△ c 待测底物 高（ S=信号） 2．校准方便（用标准方法） 3．线形响应性好：在表较广的浓度范围内△ S/△ c 待测底物 稳定 4．本底信号：低噪音，具有修正能力（例如：第二代纤维传感器主件缺少测量背景氧气变 化的生物种类） 5．无滞后—不受前面测量影响，信号独立 6．选择性高—仅响应于待测目标底物浓度变化 7．长期稳定性好—不受污结、毒素、或干扰信号的氧化物的影响；延长生物分子的稳定性。 8．动态响应性好—对待测底物浓度的变化能快速响应 9．生物相容性好—当与血液直接接触时能将凝血、血小板反应、补体的活性等降到最低。 15 15 3.051/BE.340 7．将来的方向 1．多种分析物都可测量 （蛋白、生物战工具，病菌等） 2. 集成化 /小型化 （微流“芯片实验室”装置） 摩托罗拉实验室用于血液样本全 DNA 分析模型微流生物芯片（ 60×100×2mm 3 ） z 细胞分离 z 细胞溶解 z DNA 放大 z DNA 检测 R.H.Liu 等， 分析化学 76， 1824（ 2004） 霍乱 毒 素 B.anthracis MS2 SEB F1 B.globigii 篦麻蛋白 F.tularensis 沙门氏菌 海军研究实验室的生物战工 具 -多分析底物的抗体族 z 细菌 z 抗菌素 z 毒蛋白 摘自 C.R.Taitt 等， 分析化学 74， 6114（ 2002） 16 16 3.051/BE.340 3．可植入装置 举例： Medtronic 葡萄糖传感器植入于心脏大血管中—剪切血流抑制细胞粘附 可植入型葡萄糖传感器 植入型胰岛素泵 参考： R.F.Service, 科学 297， 962（ 2002） 4． 活细胞 /组织作为生物敏感元件 与信号路径的活性相关的蛋白质移动的生物图片放映平台（例如：细胞质 → 细胞核） （来 自 www.bioimage.com）