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1、7-2 7-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-3 7-3 酶傳感器酶傳感器上節(jié)內容回顧上節(jié)內容回顧7-2Slide 2被測物質被測物質生生物物敏敏感感膜膜生物學反應信息生物學反應信息敏敏感感元元件件電信號電信號二二次次儀儀表表第第7章章 生物傳感器生物傳感器 生物傳感器的基本組成生物傳感器的基本組成被測物質被測物質生生物物敏敏感感膜膜生物學反應信息生物學反應信息敏敏感感元元件件電信號電信號二二次次儀儀表表生物學反應：生物學反應：酶促反應酶促反應免疫學反應免疫學反應微生物反應微生物反應受體配體結合反應受體配體結合反應生物學反應信息：生物學反應信息：離子變化離子變化質子變化質子變
2、化氣體分壓變化氣體分壓變化傳感器元件：傳感器元件：離子選擇性電極離子選擇性電極場效應晶體管場效應晶體管熱敏元件熱敏元件7-3第第7章章 生物傳感器生物傳感器 Slide 3 酶傳感器酶傳感器 微生物和組織及細胞傳感器微生物和組織及細胞傳感器 免疫傳感器免疫傳感器傳傳感感器器7-2-1 7-2-1 生物敏感膜生物敏感膜 生物傳感器的最關鍵部分；生物傳感器的最關鍵部分； 載有載有生物活性物質生物活性物質的的膜層膜層； 生物活性物質：生物活性物質：迅速識別被測物質并與之發(fā)生化學反應；迅速識別被測物質并與之發(fā)生化學反應；具有高特異性和敏感性。具有高特異性和敏感性。 膜材料：天然，人工膜材料：天然，人工
3、 第第7章章 生物傳感器生物傳感器 圖圖 7.2.1 7.2.1 生物敏感膜示意圖生物敏感膜示意圖Slide 4生物敏感膜生物敏感膜生物活性材料生物活性材料酶膜酶膜各種酶類各種酶類全細胞膜全細胞膜細菌，真菌，動植物細胞細菌，真菌，動植物細胞組織膜組織膜動植物組織切片動植物組織切片細胞器膜細胞器膜線粒體，葉綠素線粒體，葉綠素免疫功能膜免疫功能膜抗體，抗原，酶標抗原抗體，抗原，酶標抗原7-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-1 生物敏感膜生物敏感膜按照生物活性材料的不同，生物敏感膜可包括按照生物活性材料的不同，生物敏感膜可包括: :Slide 51. 1. 基于基于生物催化反應
4、生物催化反應的生物敏感膜的生物敏感膜2. 2. 基于基于生物吸附生物吸附的生物敏感膜的生物敏感膜3. 3. 基于基于天然生物膜和人工生物膜天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜的生物敏感膜按照其分子識別原理，生物敏感膜可包括按照其分子識別原理，生物敏感膜可包括: :7-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-1 生物敏感膜生物敏感膜Slide 6基于敏感膜中的特定酶與底物反應；基于敏感膜中的特定酶與底物反應；在接觸生物物質或有機物質后，發(fā)生催化反應；在接觸生物物質或有機物質后，發(fā)生催化反應；生成的化學產物，其中一種產物可有傳感器元件所感知。生成的化學產物，其中一種產物可有傳感器元件
5、所感知。7-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-1 生物敏感膜生物敏感膜圖圖 7.2.2 7.2.2 基于生物催化反應的生物敏感膜示意圖基于生物催化反應的生物敏感膜示意圖Slide 7基于生物親和性物質（抗體基于生物親和性物質（抗體- -抗原，抗原，DNA-RNADNA-RNA等）；等）；一方固定在膜上作為分子識別元件；一方固定在膜上作為分子識別元件；特異性反應引起膜電位變化。特異性反應引起膜電位變化。7-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-1 生物敏感膜生物敏感膜圖圖 7.2.3 7.2.3 基于生物吸附的生物敏感膜示意圖基于生物吸附的生物敏感膜示意圖
6、Slide 8直接利用具有生物活性的天然生物膜或人工生物膜；直接利用具有生物活性的天然生物膜或人工生物膜；7-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-1 生物敏感膜生物敏感膜Slide 9圖圖 7.2.4 7.2.4 天然生物膜和人工脂質雙分子膜天然生物膜和人工脂質雙分子膜生物敏感膜需要滿足哪些性能？7-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術 生物敏感膜必須滿足一定的性能，才能夠達到實用的目的。生物敏感膜必須滿足一定的性能，才能夠達到實用的目的。 穩(wěn)定性；可重復使用；能直接進行底物分析；操作簡單；使用方便。穩(wěn)定性；可重復使用；能直接進行底物分析；操作簡單；使用方便。
7、生物敏感膜的制備技術生物敏感膜的制備技術怎樣才能夠使得生物敏感膜滿足以上特點？Slide 10生物敏感生物敏感膜制備的固定化技術膜制備的固定化技術載體生物活性物質7-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-2 固定化技術固定化技術酶，輔酶，酶，輔酶，抗原，抗體，抗原，抗體，微生物菌體，微生物菌體，激素，抑制劑，激素，抑制劑，各種細胞器。各種細胞器。丙烯酰胺系聚合物，丙烯酰胺系聚合物，甲基丙烯系聚合物，甲基丙烯系聚合物，苯乙烯系聚合物，苯乙烯系聚合物，膠原，右旋糖酐，膠原，右旋糖酐，瓊脂糖，纖維素，瓊脂糖，纖維素，淀粉等天然高分子淀粉等天然高分子以及玻璃，礬土，以及玻璃，礬土，不
8、銹鋼等無機物。不銹鋼等無機物。Slide 11固定化酶的制備方法、制備固定化酶的制備方法、制備材料多種多樣，不同的制備方法材料多種多樣，不同的制備方法和材料，固定化后酶的特性不同。和材料，固定化后酶的特性不同。對于特定的目標酶，要根據(jù)酶自對于特定的目標酶，要根據(jù)酶自身的性質、應用目的、應用環(huán)境身的性質、應用目的、應用環(huán)境來選擇固定化載體和方法。具體來選擇固定化載體和方法。具體包括：包括：(a) 夾心法夾心法(b) 吸附法吸附法(c) 包埋法包埋法(d) 共價連接法共價連接法(e) 交聯(lián)法交聯(lián)法7-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-2 固定化技術固定化技術圖圖 7.2.4
9、7.2.4 酶的固定化方法酶的固定化方法7-2-2 7-2-2 固定化技術固定化技術Slide 12制備方法：制備方法： 將生物活性材料封閉在雙層濾膜之間將生物活性材料封閉在雙層濾膜之間優(yōu)點：優(yōu)點： 操作簡單；操作簡單； 不需要任何化學處理；不需要任何化學處理； 固定生物量大；固定生物量大； 響應速度快；響應速度快； 重現(xiàn)性好。重現(xiàn)性好。缺點：穩(wěn)定性較差（酶膜）。缺點：穩(wěn)定性較差（酶膜）。適用范圍：微生物和組織膜。適用范圍：微生物和組織膜。7-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-2 固定化技術固定化技術圖圖 7.2.5 7.2.5 夾心法示意圖夾心法示意圖Slide 137
10、-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-2 固定化技術固定化技術制備方法：制備方法： 通過非水溶性載體的物理吸附或通過非水溶性載體的物理吸附或離子結合，使蛋白分子固定。離子結合，使蛋白分子固定。優(yōu)點：優(yōu)點： 不需要化學試劑；不需要化學試劑； 對酶活性影響小。對酶活性影響小。缺點：分子易脫落。固常與其他方法缺點：分子易脫落。固常與其他方法結合使用，如吸附交聯(lián)法。結合使用，如吸附交聯(lián)法。適用范圍：酶膜和免疫分子膜的制作。適用范圍：酶膜和免疫分子膜的制作。圖圖 7.2.6 7.2.6 吸附法示意圖吸附法示意圖Slide 147-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2
11、-2 固定化技術固定化技術制備方法：制備方法： 酶分子通過共價鍵與不溶性載體酶分子通過共價鍵與不溶性載體結合而固定。結合而固定。優(yōu)點：優(yōu)點： 結合牢固，蛋白質不易脫落；結合牢固，蛋白質不易脫落； 載體不易被生物降解；載體不易被生物降解； 使用壽命長。使用壽命長。缺點：操作繁瑣，酶活性受影響。缺點：操作繁瑣，酶活性受影響。圖圖 7.2.7 7.2.7 共價連接法示意圖共價連接法示意圖Slide 157-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-2 固定化技術固定化技術酶蛋白上可供載體結合的功能基團有以下幾種：酶蛋白上可供載體結合的功能基團有以下幾種： （1 1）酶蛋白）酶蛋白N N
12、末端的末端的- -氨基或賴氨酸殘基的氨基或賴氨酸殘基的- -氨基。氨基。（2 2）酶蛋白）酶蛋白C C末端的末端的- -羧基、天門冬氨酸殘基的羧基、天門冬氨酸殘基的- -羧基以及羧基以及谷氨酸殘基的谷氨酸殘基的- -羧基。羧基。（3 3）半胱氨酸殘基的巰基。）半胱氨酸殘基的巰基。（4 4）絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基的羥基。）絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基的羥基。（5 5）組氨酸殘基的咪唑基。）組氨酸殘基的咪唑基。（6 6）色氨酸殘基的吲哚基。）色氨酸殘基的吲哚基。（7 7）苯丙氨酸和酪氨酸殘基的苯環(huán)。）苯丙氨酸和酪氨酸殘基的苯環(huán)。Slide 16必須注意，參加共價結合的氨基酸殘基應當是酶催化活性非
13、必需基團，如必須注意，參加共價結合的氨基酸殘基應當是酶催化活性非必需基團，如若共價結合包括了酶活性中心有關的基團，會導致酶的活力損失。若共價結合包括了酶活性中心有關的基團，會導致酶的活力損失。7-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-2 固定化技術固定化技術制備方法：制備方法： 將酶分子或細胞包埋并固定在將酶分子或細胞包埋并固定在高分子聚合物三維空間網狀結構高分子聚合物三維空間網狀結構基質中?；|中。優(yōu)點：優(yōu)點： 一般不產生化學修飾，對分子一般不產生化學修飾，對分子活性影響?。换钚杂绊懶?； 膜的孔徑和形狀可以任意控制；膜的孔徑和形狀可以任意控制； 被包埋物不易滲漏；被包埋物不
14、易滲漏； 底物分子可在膜中任意擴散。底物分子可在膜中任意擴散。缺點：分子量大的底物擴散困難。缺點：分子量大的底物擴散困難。圖圖 7.2.8 7.2.8 包埋法示意圖包埋法示意圖Slide 177-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-2 固定化技術固定化技術制備方法：制備方法： 依靠雙功能試劑在分子間形成依靠雙功能試劑在分子間形成交聯(lián)而聚成網狀結構。交聯(lián)而聚成網狀結構。優(yōu)點：優(yōu)點： 操作簡單；操作簡單； 結合牢固。結合牢固。缺點：固定化時需嚴格控制缺點：固定化時需嚴格控制pHpH，交聯(lián)劑濃度，否則會使蛋白質中交聯(lián)劑濃度，否則會使蛋白質中毒，酶分子會部分失活。毒，酶分子會部分失
15、活。 圖圖 7.2.9 7.2.9 交聯(lián)法示意圖交聯(lián)法示意圖Slide 18吸附法包埋法共價結合法交聯(lián)法物理吸附法離子吸附法制備易易較難難較難結合程度弱中等強強強活力回收率高，但酶易流失高高低中等再生可能可能不可能不可能不可能固定化成本低低低高中等底物專一性不變不變不變可變可變表表 7. 2. 2 各種固定化方法的比較各種固定化方法的比較7-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-2 固定化技術固定化技術Slide 19具體的例子讓我們打開書295頁，看書上表7.3Slide 20特點：特點： 低溫低壓下制成高密度、分子排列方向一致的單分子層或雙分子層超薄膜。低溫低壓下制成高密
16、度、分子排列方向一致的單分子層或雙分子層超薄膜。 典型的典型的LBLB膜必須具有雙親性，即含有親水基和疏水基的化合物。膜必須具有雙親性，即含有親水基和疏水基的化合物。制備方法如圖所示：制備方法如圖所示：7-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-2 固定化技術固定化技術Slide 21圖圖 7.2.10 LB7.2.10 LB膜成膜方法膜成膜方法7-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-2 固定化技術固定化技術Slide 227-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-2 固定化技術固定化技術Slide 23 固定化死細胞固定化死細胞只利用其酶
17、活性；只利用其酶活性； 固定化活細胞固定化活細胞經固定化后，細胞仍保存活性，能進行正常的生長、經固定化后，細胞仍保存活性，能進行正常的生長、繁殖和新陳代謝，所以稱為固定化活細胞或固定化增殖細胞。繁殖和新陳代謝，所以稱為固定化活細胞或固定化增殖細胞。 固定化活細胞與固定化酶相比有何優(yōu)越之處？ 都以酶的應用為目的，其制備方法也基本相同。固定化活都以酶的應用為目的，其制備方法也基本相同。固定化活細胞的制備條件比固定化酶更要溫和，其制備方法主要有物理吸細胞的制備條件比固定化酶更要溫和，其制備方法主要有物理吸附法和包埋法兩種。附法和包埋法兩種。 固定化活細胞保持了酶的原始狀態(tài)，酶的穩(wěn)定性更高，對固定化活
18、細胞保持了酶的原始狀態(tài)，酶的穩(wěn)定性更高，對污染的抵抗力更強；通常采用微生物細胞，生長力強，細胞多，污染的抵抗力更強；通常采用微生物細胞，生長力強，細胞多，反應快。反應快。 以上僅舉了固定化酶、固定化細胞的例子；實際上，根據(jù)感受器的不同，可以將生物傳感器分成以下幾種類型： 酶傳感器固定化酶； 微生物傳感器固定化細胞； 免疫傳感器固定化抗原/抗體； Slide 247-2 生物敏感膜與固定化技術生物敏感膜與固定化技術7-2-2 固定化技術固定化技術下面我們從酶傳感器開始，進一步為大家介紹上述生物傳感器。Slide 257-3 酶傳感器酶傳感器 固定化酶膜：固定化酶膜：選擇性地選擇性地“識別識別”被
19、檢測的物質，并且催化被被檢測的物質，并且催化被“識別識別”出出的物質發(fā)生化學反應；的物質發(fā)生化學反應； 變換器：變換器：把這一催化反應中底物或產物的變量轉換成電信號，進而通過把這一催化反應中底物或產物的變量轉換成電信號，進而通過儀表顯示出來。儀表顯示出來。圖圖 7.3.1 酶傳感器的工作原理酶傳感器的工作原理Slide 26 在基礎電極的敏感面上裝有固定化酶膜，當電極插入待測溶液時，酶膜中的在基礎電極的敏感面上裝有固定化酶膜，當電極插入待測溶液時，酶膜中的酶發(fā)生催化反應產生電極活性物質（如氧，過氧化氫，氨等），引起基礎電極電位酶發(fā)生催化反應產生電極活性物質（如氧，過氧化氫，氨等），引起基礎電極
20、電位變化，轉化成電信號，由此測出該酶所催化的反應中反應物或反應產物的濃度。變化，轉化成電信號，由此測出該酶所催化的反應中反應物或反應產物的濃度。電流型：電流型：由催化反應有關物質的電極反應得到的電流來確定反映物質濃度。由催化反應有關物質的電極反應得到的電流來確定反映物質濃度。 如氧電極，燃料電池型電極，過氧化氫電極等。如氧電極，燃料電池型電極，過氧化氫電極等。電位型：電位型：通過測量敏感膜電位來確定與催化反應有關的各種離子濃度。通過測量敏感膜電位來確定與催化反應有關的各種離子濃度。 如氨電極，二氧化碳電極，氫電極等。如氨電極，二氧化碳電極，氫電極等。7-3 酶傳感器酶傳感器 反應原理：反應原理
21、： 反應過程：反應過程：1底物底物S由液相傳質到傳感器表面由液相傳質到傳感器表面2底物底物S通過透析膜通過透析膜3底物底物S在液相與酶層中進行分配在液相與酶層中進行分配4底物底物S在酶層中傳質與反應在酶層中傳質與反應5反應產物粒子通過透析膜進入基礎反應產物粒子通過透析膜進入基礎電極室電極室6反應產物粒子在基礎電極上發(fā)生電反應產物粒子在基礎電極上發(fā)生電荷轉移反應荷轉移反應Slide 277-3 酶傳感器酶傳感器 我們以葡萄糖傳感器為例，來我們以葡萄糖傳感器為例，來介紹電流型生物傳感器的基本原理。介紹電流型生物傳感器的基本原理。Slide 28 課本上例子（相同原理）：課本上例子（相同原理）： 極
22、譜式氧電極（極譜式氧電極（Clark氧電極）原理：氧電極）原理：7-3 酶傳感器酶傳感器實際應用舉例：針狀酶電極傳感器實際應用舉例：針狀酶電極傳感器Slide 297-3 酶傳感器酶傳感器 我們注意到，葡萄糖氧化酶電極、乳酸酶電極等多數(shù)酶電極，其反應式：我們注意到，葡萄糖氧化酶電極、乳酸酶電極等多數(shù)酶電極，其反應式： 其中，都需要分子氧參與氧化還原反應。其中，都需要分子氧參與氧化還原反應。那么如果在缺氧，或氧分壓不斷變化的環(huán)境下怎么辦呢？7-3 酶傳感器酶傳感器Slide 30以介體（以介體（Mediator）取代）取代O2/H2O2在酶反應和電極間進行電子傳遞。在酶反應和電極間進行電子傳遞。
23、 這種傳感器可以較好地解決前面所述的問這種傳感器可以較好地解決前面所述的問題，而且能降低工作電位，縮短響應時間，提題，而且能降低工作電位，縮短響應時間，提高酶電極的選擇性和重現(xiàn)性。高酶電極的選擇性和重現(xiàn)性。以二茂鐵單羧酸（以二茂鐵單羧酸（Fc）電極為例，介紹工作原理：）電極為例，介紹工作原理： Fc作為作為GOD 的氧化劑，在酶反應與電極過的氧化劑，在酶反應與電極過程間迅速傳遞電子。程間迅速傳遞電子。參考文獻：金利通等參考文獻：金利通等. 羧酸二茂鐵為介體的生物傳感器的研究羧酸二茂鐵為介體的生物傳感器的研究. 華華東師范大學學報東師范大學學報, 1995, 2:60-64.7-3 酶傳感器酶傳
24、感器Slide 31意義：傳感器的微型化意義：傳感器的微型化結構：在結構：在pH ISFET基礎上制備一層基礎上制備一層GOD膜。（膜。（pH ISFET見書見書249頁）頁）原理：原理：1）反應式：）反應式：2）該反應使酶膜中的）該反應使酶膜中的pH下降；下降；3）白蛋白膜為對葡萄糖不敏感的參考膜。）白蛋白膜為對葡萄糖不敏感的參考膜。優(yōu)點：僅需微量試液，目前已開發(fā)出一種經皮優(yōu)點：僅需微量試液，目前已開發(fā)出一種經皮 血糖測試系統(tǒng)。通過一個吸引槽從皮膚血糖測試系統(tǒng)。通過一個吸引槽從皮膚 吸出微量經皮浸出液，即可測量。吸出微量經皮浸出液，即可測量。7-3 酶傳感器酶傳感器Slide 32 光尋址電
25、位傳感器光尋址電位傳感器 （LAPS） 的基本原理的基本原理及其構造類似于離子敏場效應管（及其構造類似于離子敏場效應管（ISFET）。）。它們都是基于它們都是基于EIS（電解質溶液（電解質溶液-絕緣體絕緣體-半導體）半導體）結構的敏感器件。結構的敏感器件。 原理：原理： LAPS利用調制光從正面或背面對利用調制光從正面或背面對EIS結構結構進行光照尋址，通過檢測絕緣體表面不同光照進行光照尋址，通過檢測絕緣體表面不同光照部位的電勢變化而實現(xiàn)對溶液中特定離子的濃部位的電勢變化而實現(xiàn)對溶液中特定離子的濃度的檢測。度的檢測。優(yōu)點：優(yōu)點： 1) 通過光照通過光照 LAPS的不同敏感部位，的不同敏感部位，
26、 可實現(xiàn)多可實現(xiàn)多參數(shù)測量；參數(shù)測量； 2) 穩(wěn)定性好；穩(wěn)定性好； 3) 易于封裝；易于封裝； 4) 檢測時間短。檢測時間短。半導體半導體參考文獻：梁衛(wèi)國等參考文獻：梁衛(wèi)國等. 光尋址電位傳感器的機理研究光尋址電位傳感器的機理研究. 半導體光電半導體光電, 2001, 22(3):184-187, 210. 微生物燃料電池(MFC)是一種以微生物為陽極催化劑，將化學能直接轉化成電能的裝置。利用MFC不僅可以直接將水中或者污泥中的有機物降解，而且同時可以將有機物在微生物代謝過程中產生的電子轉化成電流，從而獲得電能。目前MFC有以下幾個應用：MFC傳感器BOD（生化需氧量）傳感器；空間生物再生式生保系統(tǒng)中的應用；替代能源;污水處理新工藝。Slide 33
第7章 生物傳感器
