1、第10章 生物传感器,10.1 概述 10.2 电化学DNA传感器 10.3 半导体生物传感器 本章要点,下页,返回,图库,10.1 概述,下页,上页,返回,10.1.1生物传感器基本结构 10.1.2生物传感器的类型 10.1.3生物传感器的优点 10.1.4生物传感器的固定化技术,图库,10.1.1生物传感器基本结构,下页,上页,返回,生物传感器通常将生物物质固定在高分子膜等固体载体上，例如酶、微生物组织、动物细胞、底物、抗原、抗体等，被识别的生物分子作用于生物功能性人工膜（生物传感器）时，将会产生生理变化或化学变化，换能器将此信号转换为电信号，从而检测出待测物质。转换包括电化学反应、热反
2、应、光反应等，输出为可处理的电信号。人们把这类固定化的生物物质：酶、抗原、抗体、激素等，或生物体本身：细胞、细胞体（器）、组织作为敏感元件的传感器，称为生物分子传感器或简称生物传感器。,图库,下页,上页,生物传感器可以根据其分子识别元件的敏感物质分为：酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞传感器和免疫传感器。还可以根据换能器和测声型生物传感器等。生物传感器的分类如图10-1所示。,10.1.2 生物传感器的类型,返回,图库,图10-1 生物传感器的基本结构,图库,下页,上页,返回,下页,上页,生物传感器与传统的化学传感器和离线分析技术(如分光光度计或质谱仪等)相比，具有明显的优势，如高度特异
3、性，灵敏度高，稳定性好，成本低廉，体积小，能在体进行快速实时的连续检测。,10.1.3 生物传感器的优点,返回,图库,下页,上页,生物活性单元的固定化技术是生物传感器制作的核心部分，它要保持生物活性单元的固有特性，避免自由活性单元应用上的缺陷。固定化技术决定着生物传感器的稳定性、灵敏度和选择性等主要性能。,10.1.4 生物传感器的固定化技术,返回,图库,下页,上页,DAN的化学研究工作始于20世纪60年代，早期的工作主要集中在DNA基本电化学行为的研究。经过十几年的发展，当前“电化学DNA传感器”与“压电DNA传感器”和“光学DNA传感器”一样，已成为一种全新的、高效的DNA（基因）检测技术
4、，它与通常的标记（放射性同位素标记、荧光标记等）探针技术相比，不仅具有分子识别功能，而且还有无可比拟的分离纯化基因的功能，因此，在分子生物学和生物医学工程领域具有很大的实际意义。,10.2 电化学DNA传感器,返回,图库,下页,上页,电化学DNA传感器是由一个支持DNA片段（探针）的电极和检测用的电活性杂交指示剂构成。DNA 探针是单链DNA（ssDNA）片段（或者一整条链），长度从十几个到上千个核苷酸不等，它与靶序列（target sequence）是互补的。外，由于杂交过程没有共价键的形成，是可逆的，因此固定在电极上的ssDNA可经受杂交、再生循环。这不但有利于传感器的实际应用，而且还可用
5、于分离纯化基因。,10.2.1电化学DNA传感器原理,返回,图库,下页,上页,固载DNA的电极有液态汞个固体电极两类。早期主要采用DNA修饰汞电极。汞电极易得到新鲜、重现的电极表面，能方便地修饰DNA。Fojta 以悬汞电极为基底，根据超螺旋DNA、线性DNA和变性DNA三者电化学信号的差异，用吸附转移溶出伏安法实现了低于微克级的三种DNA的检测。但汞呈液态且有毒性，一定程度上限制了其使用，故不宜作为传感器或检测器的电极材料。,10.2.2 DNA在固体电极上的固定,返回,图库,DNA在固体电极上的固定化方法：（1）吸附法（2）共价键结合法（3）自组装膜法,图库,下页,上页,返回,10.2.3
6、 电化学传感器中的标识物,下页,上页,（1）电化学活性的杂交指示剂作为标识物 （2）寡聚核苷酸上修饰电化学活性的官能 团作为识别物 （3）利用酶的化学放大功能,返回,图库,10.2.4 电化学传感器的应用,下页,上页,（1）临床诊断 （2）药物分析 （3）环境监测,返回,图库,下页,上页,半导体生物传感器（ semiconductive biosensor）由半导体器件和生物分子识别元件组成。通常用的半导体器件是场效应晶体管（field-effect transistor ，FET），因此，半导体生物传感器又称生物场效应晶体管（BioFET）.BioFET 源于两种成熟技术：固态集成电路和离子
7、选择性电极。,10.3 半导体生物传感器,返回,图库,下页,上页,半导体器件有电容型和电流型两种基本类型。在N型（或P型）半导体基片(Si)的表面形成100nm的氧化物（SiO2）和金属（如AI、Pd）薄层的器件叫MOS(metal-ox-ide-semiconductor)结构，这种结构在被施加电压时表现电导和电容特性，而且电导率和电容随外加电压的变化而改变，因而成为MOS电容。,10.3 .1 原理与特点,返回,图库,下页,上页,一 生物场效应晶体管有分离型和结合型 二 结合型生物场效应晶体管 三 酶场效应晶体管差分输出,10.3.2 生物场效应晶体管结构类型,返回,图库,上页,1 尿素测定 2 NAD+-NADH测定 3 肌酸酐测定 4 青霉素测定 5 甲醛测定 6 有机磷农药测定 7 活细胞场效应晶体管 8 昆虫触角天线场效应晶体管 9 其他用途,10.3.3 应用研究实例,返回,图库,结束,第 10 章 本章要点,生物传感器的基本结构、类型、要点、固化技术电化学DNA传感器的工作原理 半导体生物传感器原理、特点和结构 生物传感器的应用,
