生物医学传感生物传感器课件.ppt

1、生物传感器生物传感器上次课回顾上次课回顾n生物传感器的概述生物传感器的概述n生物传感器的基本组成和工作原理生物传感器的基本组成和工作原理n生物传感器的分类及特点生物传感器的分类及特点n生物敏感材料的固定化技术生物敏感材料的固定化技术n几种主要的生物传感器几种主要的生物传感器 n最先问世的生物传感器是最先问世的生物传感器是，19621962年年ClarkClark将酶与将酶与ISEISE结合，最先提出组成酶电极的设想。结合，最先提出组成酶电极的设想。n上世纪上世纪7070年代中期，人们注意到酶电极的年代中期，人们注意到酶电极的一般都比一般都比较较，提纯的，提纯的酶价格酶价格也较也较贵贵，而各种酶

2、多数都来自微生，而各种酶多数都来自微生物或动植物组织，因此自然地就启发人们研究物或动植物组织，因此自然地就启发人们研究：、以以及及等新型生物传感器，使生物传感器的类别大等新型生物传感器，使生物传感器的类别大大增多。大增多。n进入上世纪进入上世纪8080年代之后，随着年代之后，随着的不的不断完善，如断完善，如19801980年年CarasCaras和和JanafaJanafa率率先研制成功可测定先研制成功可测定青霉素的青霉素的。上世纪上世纪 生物传感器初期生物传感器初期 酶电极酶电极上世纪上世纪发展时期发展时期 微生物传感器，免疫微生物传感器，免疫传感器，细胞类脂质传传感器，细胞类脂质传感器，组

3、织传感器，生感器，组织传感器，生物亲和传感器物亲和传感器上世纪上世纪进入生物电子学进入生物电子学传感器时期传感器时期酶酶FETFET酶光二极管酶光二极管从整体划分从整体划分: :以以将生物成分截留在膜上或结合在膜将生物成分截留在膜上或结合在膜上上为基础，这类器件由为基础，这类器件由所组成，其实验设备相当简单。所组成，其实验设备相当简单。是指将是指将生物成分直接吸附或共价结合生物成分直接吸附或共价结合在转换器的表面在转换器的表面上，从而可略去非活性的基质膜。上，从而可略去非活性的基质膜。是是把生物成分直接固定在电子元件上把生物成分直接固定在电子元件上，例如例如FETFET的栅极上，它可直接感知和

4、放大界面物质的变的栅极上，它可直接感知和放大界面物质的变化，从而将生物识别和电信号处理集合在一起。这种放化，从而将生物识别和电信号处理集合在一起。这种放大器可采用差分方式以消除干扰。大器可采用差分方式以消除干扰。测定水质的测定水质的BODBOD分析仪分析仪、在市场上有以日本和德国、在市场上有以日本和德国为代表产品供应。为代表产品供应。2 2、采用丝网印刷和微电子技术的、采用丝网印刷和微电子技术的手掌型血糖分析器手掌型血糖分析器，已形成规模化生产，已形成规模化生产，年销售量约为十亿美元年销售量约为十亿美元；3 3、固定化酶传感分析仪固定化酶传感分析仪：国外以美国的：国外以美国的YSIYSI公司和

5、德公司和德国国BSTBST公司为代表，都有系列分析仪产品，它们主要公司为代表，都有系列分析仪产品，它们主要用于环境监测和食品分析，国内到目前为主只有山用于环境监测和食品分析，国内到目前为主只有山东省科学院生物研究所的系列化产品在市场得到应东省科学院生物研究所的系列化产品在市场得到应用。用。4 4、SPRSPR生物传感器生物传感器，在日、美、德、瑞典等国得到了，在日、美、德、瑞典等国得到了开发和初步应用。开发和初步应用。德国研发的环境废水德国研发的环境废水BODBOD分析仪分析仪SBA-60SBA-60型生物传感在线分析系统，为发酵自动型生物传感在线分析系统，为发酵自动控制提供了新的基础平台控制

6、提供了新的基础平台在我国发酵工厂普及应用的在我国发酵工厂普及应用的SBA-40SBA-40型型谷氨酸谷氨酸- -葡萄糖双功能分析仪葡萄糖双功能分析仪工厂发酵车间化验工厂发酵车间化验员正在分析样品员正在分析样品生物敏感膜（生物敏感膜（分子识别元件）分子识别元件）-决定传感器的功能和质量决定传感器的功能和质量物理或化学转换器（物理或化学转换器（换能器换能器）（1 1）生物敏感膜（分子识别元件）生物敏感膜（分子识别元件）由由生物活性材料生物活性材料作为敏感基元构成。作为敏感基元构成。酶、抗体、抗原、细胞、生物组织、酶、抗体、抗原、细胞、生物组织、DNADNA等等酶酶 (Enzyme)(Enzyme)

7、抗体抗体(Antibody)(Antibody)DNADNA几种主要的几种主要的生物活性材料生物活性材料及反应及反应酶膜酶膜全细胞膜全细胞膜组织膜组织膜细胞器膜细胞器膜免疫功能膜免疫功能膜各类酶类各类酶类细菌，真菌，动植物细胞细菌，真菌，动植物细胞动植物组织切片动植物组织切片线粒体，叶绿体线粒体，叶绿体抗体，抗原，酶标抗原等抗体，抗原，酶标抗原等将各种生物的、化学的和物理的信将各种生物的、化学的和物理的信号转换为可输出的有用信号（号转换为可输出的有用信号（电信号）电信号）。当待测物与分子识别元件特异性结合后，当待测物与分子识别元件特异性结合后，所产生的复合物所产生的复合物转变为可输出的电信转变

8、为可输出的电信号、光信号等号、光信号等。 电化学电极、光学检测元件、场效应电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振等。晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振等。v将将化学变化化学变化转变成电信号（间接型）转变成电信号（间接型）v将将热变化热变化转换为电信号（间接型）转换为电信号（间接型）v将将光效应光效应转变为电信号（间接型）转变为电信号（间接型）v直按产生电信号方式（直接型）直按产生电信号方式（直接型） 为例，酶催化特定底物发生反应为例，酶催化特定底物发生反应, ,从而从而使特定使特定生成物的量有所增减生成物的量有所增减，用能把这类物质的量的，用能把这类物质的量的改

9、变转换为电信号的装置和固定化酶耦合，即组成酶改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合，即组成酶传感器。传感器。 常用转换装置有：常用转换装置有：氧电极、过氧化氢电极氧电极、过氧化氢电极。固定化的生物材料与相应的被测物作用时常固定化的生物材料与相应的被测物作用时常。例如大多数酶反应的热焓变化量在。例如大多数酶反应的热焓变化量在25-25-100kJ/mol100kJ/mol的范围的范围. .这类生物传感器的工作原理是把反应这类生物传感器的工作原理是把反应的的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化热效应借热敏电阻转换为阻值的变化，后者通过有放，后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。大器的电桥输入到记录仪中。

10、例如，过氧化氢酶能催化过氧化氢例如，过氧化氢酶能催化过氧化氢/ /鲁米诺体系鲁米诺体系发发光光，如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的，如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端，再和光电流测定装置相连，即可测定过氧化氢含前端，再和光电流测定装置相连，即可测定过氧化氢含量。还有很多细菌能与特定底物发生反应，产生量。还有很多细菌能与特定底物发生反应，产生荧光荧光，也可以用这种方法测定底物浓度。也可以用这种方法测定底物浓度。上述三原理的生物传感器上述三原理的生物传感器共同点共同点： 都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应，将反

11、应后所产生的生化学反应，将反应后所产生的化学或物理变化化学或物理变化再通过再通过信号信号转换器转变为电信号转换器转变为电信号进行测量，这种方式统称为进行测量，这种方式统称为。 这种方式可以使这种方式可以使酶反应伴随的电子转移酶反应伴随的电子转移、微生微生物细胞的氧化物细胞的氧化直接直接( (或通过电子递体的作用或通过电子递体的作用) )在电极在电极表面上发生。根据所得的表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度电流量即可得底物浓度。 例：例：CassCass等提出一种测定葡萄糖的传感器，是用等提出一种测定葡萄糖的传感器，是用二二茂络铁茂络铁为电子传递体。为电子传递体。换能器换能器（Transd

12、ucerTransducer）感受器感受器（ReceptorReceptor）测量信号测量信号（Measurable Measurable SignalSignal）= =分析物分析物（AnalyteAnalyte）溶液（溶液（SolutionSolution）选择性膜（选择性膜（Thin selective Thin selective membranemembrane）识别元件（识别元件（RECOGNITIONRECOGNITION）生物传感器工作机理生物传感器工作机理 固定化酶固定化酶 固定化固定化 微生物微生物 固定化免疫物质固定化免疫物质 固定化细胞器固定化细胞器 生物组织切片生物组

13、织切片微生微生物传物传感器感器分子识分子识别元件别元件酶传感器酶传感器免疫传感器免疫传感器细胞器传细胞器传感器感器组织传组织传感器感器 电化学电极电化学电极 光学换能器光学换能器 介体介体 半导体半导体 传递系统传递系统 换能器换能器 热敏电阻热敏电阻 压电晶体压电晶体介体生物传感器介体生物传感器换能器半导体生物半导体生物传感器传感器生物电极生物电极光生物传感器光生物传感器热生物传感器热生物传感器压电晶体生物传感器压电晶体生物传感器1 1） 根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测定所有生物物质的传感器，因而定所有生物物质的传感器，因而。2

14、2）一般）一般，它利用本身具备的优异选，它利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂，使测定过程简便迅速，容易时一般不需另加其他试剂，使测定过程简便迅速，容易实现自动分析。实现自动分析。3 3）固定化的目的固定化的目的：将生物敏感物质限制在一定的空间，但：将生物敏感物质限制在一定的空间，但又不妨碍被分析物的自由扩散。又不妨碍被分析物的自由扩散。：把生物活性材料与把生物活性材料与固定化成为生物敏固定化成为生物敏 感膜。感膜。物理方法物理方法：吸附法、夹心法、包埋法；：吸附法、夹心法、包埋法；化学方法化

15、学方法: : 共价连接法、交联法；共价连接法、交联法；1.1. 近年来近年来, , 由于半导体生物传感器迅速发展由于半导体生物传感器迅速发展, , 因而又因而又出现了出现了采用集成电路工艺制膜技术采用集成电路工艺制膜技术。n将生物活性材料封闭在双层滤将生物活性材料封闭在双层滤膜之间，形象地称为夹心法。膜之间，形象地称为夹心法。n特点是：特点是：操作简单，不需要任操作简单，不需要任何化学处理，固定生物量大，何化学处理，固定生物量大，响应速度快，重复性好。响应速度快，重复性好。离子交换吸附法：离子交换吸附法：选用具有离子交换性质的载体，在适宜的选用具有离子交换性质的载体，在适宜的PHPH条件下，使

16、生物分子与离子交换剂通过离子键结合，形成条件下，使生物分子与离子交换剂通过离子键结合，形成固定化层。固定化层。2 2）吸附法）吸附法 用非水溶性载体用非水溶性载体物理吸附物理吸附或或离子离子结合结合，使蛋白质分子固定化的方法。，使蛋白质分子固定化的方法。物理吸附：物理吸附：通过极性键、氢键、疏水力或通过极性键、氢键、疏水力或 电子的相互作电子的相互作用将生物组分吸附在不溶性的惰性载体上用将生物组分吸附在不溶性的惰性载体上。n把生物活性材料包埋并固定在把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结高分子聚合物三维空间网状结构基质中。构基质中。n特点是：特点是：一般不产生化学修饰，一般不产生

17、化学修饰，对生物分子活性影响较小；缺对生物分子活性影响较小；缺点是分子量大的底物在凝胶网点是分子量大的底物在凝胶网格内扩散较固难。格内扩散较固难。n使生物活性分子通过使生物活性分子通过共价键共价键与固相载体结合固定的方法。与固相载体结合固定的方法。n特点特点是结合牢固，生物活性是结合牢固，生物活性分子不易脱落，载体不易被分子不易脱落，载体不易被生物降解，使用寿命长；生物降解，使用寿命长；n缺点缺点是实现固定化麻烦，酶是实现固定化麻烦，酶活性可能因发生化学修饰而活性可能因发生化学修饰而降低。降低。 借助于双功能试剂的作用，使蛋白质结合到惰性借助于双功能试剂的作用，使蛋白质结合到惰性载体或使蛋白质

18、分子彼此交联，形成不溶性网状结构载体或使蛋白质分子彼此交联，形成不溶性网状结构的方法。的方法。 一种能在低温低压下制成高密度、分子排列方向一种能在低温低压下制成高密度、分子排列方向一致的单分子层或双分子层超薄膜的技术。一致的单分子层或双分子层超薄膜的技术。 酶生物传感器酶生物传感器一、酶的本质和特征一、酶的本质和特征（一）（一） 酶的本质酶的本质酶是生物体内产生的、具有酶是生物体内产生的、具有催化活性催化活性的一类的一类蛋白质蛋白质酶酶纯蛋白酶纯蛋白酶：只含有蛋白质：只含有蛋白质结合蛋白酶结合蛋白酶蛋白质蛋白质+ +非非蛋白质蛋白质辅基辅基：非蛋白部分与酶蛋白结合：非蛋白部分与酶蛋白结合的牢固

19、，不易分离的牢固，不易分离辅酶：辅酶：结合的不牢，可在溶液中结合的不牢，可在溶液中离解离解（组合）（组合）酶（催化反应类型）酶（催化反应类型）氧化还原酶氧化还原酶转移酶转移酶水解酶水解酶异构酶异构酶（二）酶的催化性质（二）酶的催化性质1 1、高效催化性、高效催化性2 2、高度专一性、高度专一性（三）影响酶活性的因素（三）影响酶活性的因素1 1、温度、温度 一方面一方面升高温度增加底物分子的热能，从而增高反升高温度增加底物分子的热能，从而增高反应的速率应的速率040 C 另一方面另一方面温度的升高也会增加酶本身结构的分子热温度的升高也会增加酶本身结构的分子热能，导致酶的变性或催化活性的降低能，导

20、致酶的变性或催化活性的降低多数哺乳动物的酶，最适温度为多数哺乳动物的酶，最适温度为37 37 左右左右C2 2、PHPH 影响酶促反应的速率影响酶促反应的速率每种酶都有一个最适每种酶都有一个最适PH,PH,微小偏差会降低酶的活性，较微小偏差会降低酶的活性，较大偏差会导致酶蛋白自身的变性大偏差会导致酶蛋白自身的变性（最适（最适6.86.8）二、酶生物传感器二、酶生物传感器应用应用固定化酶固定化酶作为敏感元件的生物传感器作为敏感元件的生物传感器酶生物传感器酶生物传感器酶电极传感器酶电极传感器酶场效应管传感器酶场效应管传感器酶热敏电阻传感器酶热敏电阻传感器酶光纤传感器酶光纤传感器( (一一) ) 酶

21、电极传感器酶电极传感器定义：定义：由由固定化酶固定化酶与离子选择电极、气敏电极、氧与离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极等化还原电极等电化学电极电化学电极组合而成的生物传感器组合而成的生物传感器酶电极酶电极电流型酶电极电流型酶电极电势型酶电极电势型酶电极1 1、电流型酶电极（固定化酶电流型化学电极）、电流型酶电极（固定化酶电流型化学电极）原理：原理：将酶促反应产生的物质在电极上发生氧化或还原反应将酶促反应产生的物质在电极上发生氧化或还原反应产生的产生的电流电流作为测量信号，在一定条件下，利用测得的作为测量信号，在一定条件下，利用测得的电流电流信号与待测物活度或浓度的函数关系信号与待测物活度或浓

22、度的函数关系，来测定样品中某一生，来测定样品中某一生物组分的活度或浓度物组分的活度或浓度电极电极：氧电极，过氧化氢电极氧电极，过氧化氢电极酶酶氧化酶氧化酶：用氧作受体的酶（常用）：用氧作受体的酶（常用）还原酶还原酶222OH O 氧化酶底物产物氧电极：（还原反应）氧电极：（还原反应）22244OH OeOH过氧化氢电极过氧化氢电极：（氧化反应）：（氧化反应）2222H OOHe葡萄糖传感器：葡萄糖氧化酶膜电化学电极葡萄糖传感器：葡萄糖氧化酶膜电化学电极61262261272222C H OH OOC H OH O 葡萄糖氧化酶依据反应中消耗的氧依据反应中消耗的氧, ,生成的葡萄糖酸及过氧化氢的

23、量，可生成的葡萄糖酸及过氧化氢的量，可用氧电极，电极，过氧化氢电极来测定葡萄糖的含量用氧电极，电极，过氧化氢电极来测定葡萄糖的含量测定酶促反应所产生的葡萄糖酸的量来计算样品中葡萄糖的含量测定酶促反应所产生的葡萄糖酸的量来计算样品中葡萄糖的含量优点：优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛 的应的应用。用。缺点：缺点：1.1.酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差异的梭曼与沙林。异的梭曼与沙林。 2.2.酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。 、电势型酶电极（固定化酶

24、电势型化学电极）、电势型酶电极（固定化酶电势型化学电极）原理原理：将酶促反应引起的物质量的变化转变成电势信号的输：将酶促反应引起的物质量的变化转变成电势信号的输出，电势信号大小与底物浓度的对数值呈线性关系出，电势信号大小与底物浓度的对数值呈线性关系微生物微生物的代谢的代谢同化作用同化作用异化作用异化作用微生物微生物好气性微生物好气性微生物：必须在有空气的环境中才易：必须在有空气的环境中才易生长生长厌气性微生物厌气性微生物：必须在无分子氧的环境生长：必须在无分子氧的环境生长繁殖繁殖：细胞将底物摄入通过一系列生化：细胞将底物摄入通过一系列生化 反应转变成自身的组成物质，并储反应转变成自身的组成物质

25、，并储存能量。存能量。：细胞将自身的组成物质分解以：细胞将自身的组成物质分解以释放能量或排出体外。释放能量或排出体外。2 2、微生物传感器的特点及分类、微生物传感器的特点及分类微生物敏感膜：微生物敏感膜：特点特点：（：（1 1）价格低价格低、便于推广普及、便于推广普及 （2 2）微生物细胞内的酶在适当环境下活性不易）微生物细胞内的酶在适当环境下活性不易降低，因此微生物传感器的降低，因此微生物传感器的寿命更长寿命更长 （3 3）即使微生物体内酶的催化活性已经丧失，）即使微生物体内酶的催化活性已经丧失，也还可以因细胞的增值使之产生也还可以因细胞的增值使之产生 （4 4）对于需要辅助因子的复杂的连续

26、反应，）对于需要辅助因子的复杂的连续反应，用微生物更易于完成用微生物更易于完成分类：分类：呼吸机能型微生物传感器呼吸机能型微生物传感器代谢机能型微生物传感器代谢机能型微生物传感器电流型微生物传感器电流型微生物传感器电势型微生物传感器电势型微生物传感器 微生物传感器是以微生物传感器是以固定化微生物固定化微生物作为分子识别作为分子识别系统，与相应的系统，与相应的电化学转换元件电化学转换元件组合构成。组合构成。 不同微生物需要不同的营养物质进行它的新陈不同微生物需要不同的营养物质进行它的新陈代谢，因此可利用不同微生物作为分子识别系统制代谢，因此可利用不同微生物作为分子识别系统制作微生物传感器测定相应

27、的物质。作微生物传感器测定相应的物质。1 1、呼吸机能型微生物传感器、呼吸机能型微生物传感器 以好气性微生物作生物活性物质，通常与氧以好气性微生物作生物活性物质，通常与氧电极组合而成的，以细菌呼吸活性物质为基础实电极组合而成的，以细菌呼吸活性物质为基础实现被测物的测量现被测物的测量2 2、代谢机能型微生物传感器、代谢机能型微生物传感器 以厌气性微生物作生物活性物质，与相应的电以厌气性微生物作生物活性物质，与相应的电化学电极组合而成的，以细菌代谢活性物质为基础化学电极组合而成的，以细菌代谢活性物质为基础实现被测物的测量实现被测物的测量定义：定义：以以动植物组织切片动植物组织切片作为分子识别元件与

28、相应的作为分子识别元件与相应的信号转换元件信号转换元件组合构成的生物传感器。组合构成的生物传感器。特点特点：1 1、酶活性高、酶活性高2 2、稳定性强、稳定性强3 3、所用材料易于获取，价格便宜、所用材料易于获取，价格便宜4 4、识别元件制作简便，一般不需采用固定化技术、识别元件制作简便，一般不需采用固定化技术信号转换元件：气敏元件信号转换元件：气敏元件原因：原因：1 1、选择性好、选择性好2 2、有利于组织电极组装、有利于组织电极组装免疫传感器免疫传感器一、免疫传感器基础一、免疫传感器基础酶和微生物传感器：酶和微生物传感器：低分子有机化合物低分子有机化合物免疫传感器：免疫传感器：高分子有机化

29、合物高分子有机化合物-免疫反应的检测免疫反应的检测1 1、标记法、标记法 采用酶、荧光物质、电活性化合物等进行标记，抗体采用酶、荧光物质、电活性化合物等进行标记，抗体与抗原反应过程通过电化学、光学等手段进行检测。与抗原反应过程通过电化学、光学等手段进行检测。（1 1）夹心法）夹心法 样品中的抗原与固化在传感界面上的抗体结合后，加入样品中的抗原与固化在传感界面上的抗体结合后，加入标记的抗体，使其与固相上的抗原结合，把抗原夹在固定抗标记的抗体，使其与固相上的抗原结合，把抗原夹在固定抗体和标记抗体中间，形成夹心结构，洗去未结合的标记抗体，体和标记抗体中间，形成夹心结构，洗去未结合的标记抗体，测定结合

30、在固相上标记物的量。夹心法适用于测定高分子量测定结合在固相上标记物的量。夹心法适用于测定高分子量的抗原。的抗原。（2 2）竞争法）竞争法 将抗体固定在传感界面上，用已知量的标记抗原与将抗体固定在传感界面上，用已知量的标记抗原与样品中的抗原竞争结合传感界面上的抗体，测定结合在样品中的抗原竞争结合传感界面上的抗体，测定结合在固相上标记物的量，此于被分析物的浓度成反比。固相上标记物的量，此于被分析物的浓度成反比。（3 3）置换取代法）置换取代法 把抗体固定在传感界面上，标记好抗原。测试时传把抗体固定在传感界面上，标记好抗原。测试时传感界面上抗体的结合部位都已被标记抗原所占据，当加感界面上抗体的结合部

31、位都已被标记抗原所占据，当加入非标记抗原时，发生入非标记抗原时，发生置换反应置换反应，测量置换下来标记物，测量置换下来标记物的量，在一定条件下，标记物的量与被分析物的浓度成的量，在一定条件下，标记物的量与被分析物的浓度成正比。正比。 2 2、非标记法、非标记法 在抗体与相应抗原识别结合的同时，把免疫反应的在抗体与相应抗原识别结合的同时，把免疫反应的信息直接转变成可测信号信息直接转变成可测信号二、免疫传感器的结构及分类二、免疫传感器的结构及分类1 1、免疫传感器的基本结构、免疫传感器的基本结构分子识别系统（感受器）、转换器（换能器）、电子放大器分子识别系统（感受器）、转换器（换能器）、电子放大器

32、抗体或抗原抗体或抗原2 2、免疫传感器的分类、免疫传感器的分类标记型免疫传感器（间接型免疫传感器）标记型免疫传感器（间接型免疫传感器）非标记型免疫传感器（直接型免疫传感器）非标记型免疫传感器（直接型免疫传感器）电化学免疫传感器电化学免疫传感器光学免疫传感器光学免疫传感器压电免疫传感器压电免疫传感器表面等离子体共振（表面等离子体共振（SPRSPR）免疫传感器）免疫传感器三、电化学免疫传感器三、电化学免疫传感器定义：定义：以抗原以抗原抗体反应的免疫测定为基础，采抗体反应的免疫测定为基础，采用电化学电极为传感元件组合而成的，用于大分子用电化学电极为传感元件组合而成的，用于大分子蛋白质测定的装置。蛋白

33、质测定的装置。标记型免疫传感器（间接型免疫传感器）标记型免疫传感器（间接型免疫传感器）非标记型免疫传感器（直接型免疫传感器）非标记型免疫传感器（直接型免疫传感器）（二）间接型免疫传感器（二）间接型免疫传感器 将抗原与抗体结合的信息转变为一种中间信息，将抗原与抗体结合的信息转变为一种中间信息，然后把这个中间信息变成电信息。然后把这个中间信息变成电信息。电流型传感器电流型传感器（一）直接型免疫传感器（一）直接型免疫传感器 将抗体或抗原固定在大分子结构的膜上或金属电将抗体或抗原固定在大分子结构的膜上或金属电极上，当被固定的抗体或抗原与相应的配体结合时膜极上，当被固定的抗体或抗原与相应的配体结合时膜电

34、势或电极电势发生变化，根据电势与被测物的函数电势或电极电势发生变化，根据电势与被测物的函数关系测定抗体或抗原的浓度关系测定抗体或抗原的浓度电势型传感器电势型传感器Company Logo二、二、 纳米材料介绍纳米材料介绍 是指由尺寸小于是指由尺寸小于100nm（0.1-100nm）的）的超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二维超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二维材料或由它们作为基本单元构成的三维材料的总称。材料或由它们作为基本单元构成的三维材料的总称。 AFM picture Nanoparticles纳米氧化铝纤维纳米氧化铝纤维Carbon nanotubes纳米无创注射器纳

35、米无创注射器纳米管阵列纳米管阵列纳米膜纳米膜AFM pictureDetailed structure 莲叶表面存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。荷叶表面上有一些微小的蜡质颗粒,并且覆盖着无数尺寸约10个微米的突包,每个突包的表面又布满了直径仅为几百纳米的更细的绒毛。在突包间的凹陷部分充满着空气,这样就紧贴叶面形成一层极薄、只有纳米级厚的空气层,从而使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等落在叶面上后,不会大范围直接接触叶面,而要隔着一层极薄的空气,并且其能接触的点也只是叶面上若干个凸起的点。自然界中的纳米结构自然界中的纳米结构 这种特性可以应用在这种特性可以应用在玻璃上或是战机的雷

36、达上玻璃上或是战机的雷达上, ,例如例如: :经过纳米处理的玻经过纳米处理的玻璃本身也可以具有自洁效璃本身也可以具有自洁效果。还有企业利用纳米技果。还有企业利用纳米技术处理涂料术处理涂料, ,涂上此涂料涂上此涂料的物体因而也拥有了自洁的物体因而也拥有了自洁效果。也许在未来的世界效果。也许在未来的世界中中, ,我们周围将不断出现我们周围将不断出现不会脏的地板、墙壁不会脏的地板、墙壁, ,和和没有灰尘的无线电用品。没有灰尘的无线电用品。 这是自然界中生物长期进化的结果这是自然界中生物长期进化的结果, ,正是这种特殊的纳米正是这种特殊的纳米结构结构, ,使得荷叶表面不沾水滴使得荷叶表面不沾水滴, ,

37、可以保持清洁可以保持清洁: :当荷叶上有水当荷叶上有水时时, ,水会在自身表面张力的作用下形成球状。风吹动水珠在水会在自身表面张力的作用下形成球状。风吹动水珠在叶面上滚动时叶面上滚动时, ,水珠可以沾起叶面上的灰尘水珠可以沾起叶面上的灰尘, ,并从上面高速滑并从上面高速滑落落, ,从而使得莲叶能够更好地进行光合作用。从而使得莲叶能够更好地进行光合作用。 飞檐走壁的壁虎飞檐走壁的壁虎 “壁虎漫步壁虎漫步”靠的并不是靠的并不是吸盘吸盘, ,而是脚趾上数以万计而是脚趾上数以万计的细小刚毛。刚毛根部有的细小刚毛。刚毛根部有几十微米粗几十微米粗, ,顶端分成很多顶端分成很多更细更弯的绒毛更细更弯的绒毛,

38、 ,每根绒毛每根绒毛的直径仅几百纳米的直径仅几百纳米, ,其末梢其末梢延展成扁平形。此种精细延展成扁平形。此种精细结构结构, ,使得壁虎使得壁虎以几纳米的以几纳米的距离大面积地贴近墙面距离大面积地贴近墙面。尽管这些绒毛很纤弱尽管这些绒毛很纤弱, ,但足但足以使所谓的范德华键以使所谓的范德华键( (发挥发挥作用作用, ,为壁虎提供数百万个为壁虎提供数百万个的附着点的附着点, ,从而支撑其体重。从而支撑其体重。 这种附着力可通过这种附着力可通过“剥落剥落”轻轻易打破易打破,就像撕开胶带一样就像撕开胶带一样,因因此壁虎能够自由穿过天花板。此壁虎能够自由穿过天花板。 在现实生活中在现实生活中, 我们可

39、以制造出抓地更牢的运动鞋我们可以制造出抓地更牢的运动鞋,可以制作可以制作雨雪环境中不再打滑的汽车轮胎。而在影视剧拍摄中雨雪环境中不再打滑的汽车轮胎。而在影视剧拍摄中,演员演员们可以告别工作室里的电脑们可以告别工作室里的电脑,真正在摩天大楼的玻璃幕墙上真正在摩天大楼的玻璃幕墙上一展身手。据此开发出的空间探测用攀爬型机器人一展身手。据此开发出的空间探测用攀爬型机器人,无论在无论在什么恶劣的条件下都可以在太空飞行器的外表面行走什么恶劣的条件下都可以在太空飞行器的外表面行走,给飞给飞行器进行行器进行“体检体检”。贝类娴熟的黏合高手 当贝类想把自己贴在一块岩石上时当贝类想把自己贴在一块岩石上时,就会打开

40、贝壳就会打开贝壳,把触角贴到把触角贴到岩石上岩石上,它将触角拱成一个吸盘它将触角拱成一个吸盘,然后通过细管向低压区注射无然后通过细管向低压区注射无数条黏液和胶束数条黏液和胶束:释放出强力水下胶粘剂。这些黏液和胶束瞬间释放出强力水下胶粘剂。这些黏液和胶束瞬间形成泡沫形成泡沫,起到小垫子的作用。贝类通过弹性足丝停泊在这个起到小垫子的作用。贝类通过弹性足丝停泊在这个“减震器减震器”上。这样上。这样,它们就可以随波起伏它们就可以随波起伏,而不至于受伤。而不至于受伤。这这种牢固的胶粘效果就来自黏液和岩石纳米尺度下分子之间的相种牢固的胶粘效果就来自黏液和岩石纳米尺度下分子之间的相互作用。互作用。 “上善若

41、水”的水黾 小型水生昆虫水黾被喻为小型水生昆虫水黾被喻为“池塘中的溜冰者池塘中的溜冰者”, ,因为它不仅能因为它不仅能在水面上滑行在水面上滑行, ,而且还会像溜冰运动员一样在水面上优雅地跳而且还会像溜冰运动员一样在水面上优雅地跳跃和玩耍。它的高明之处是跃和玩耍。它的高明之处是, ,既不会划破水面既不会划破水面, ,也不会浸湿自己也不会浸湿自己的腿。的腿。 在高倍显微镜下发现在高倍显微镜下发现, ,水黾腿部上有数千根水黾腿部上有数千根按同一方向排列的多按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛层微米尺寸的刚毛。这些像针一样的。这些像针一样的微米刚毛的表面上形成螺旋状微米刚毛的表面上形成螺旋状纳米结构的构

42、槽纳米结构的构槽, ,吸附在构槽中的气泡形成气垫吸附在构槽中的气泡形成气垫, ,这些气垫阻碍了水这些气垫阻碍了水滴的浸润滴的浸润, ,宏观上表现出水黾腿的超疏水特性宏观上表现出水黾腿的超疏水特性( (超强的不沾水的特性超强的不沾水的特性) )。正是这种超强的负载能力使得水黾在水面上行动自如正是这种超强的负载能力使得水黾在水面上行动自如, ,即使在狂风暴即使在狂风暴雨和急速流动的水流中也不会沉没。雨和急速流动的水流中也不会沉没。 五彩斑斓的蝴蝶 蝴蝶翅膀蝴蝶翅膀由两层仅有由两层仅有34微米厚的鳞片组成微米厚的鳞片组成,上面一层鳞片像微上面一层鳞片像微小的屋瓦一样交替小的屋瓦一样交替,每个鳞片的构

43、造也很复杂。而下一层则比较光每个鳞片的构造也很复杂。而下一层则比较光滑。蝴蝶翅膀这种井然有序的安排形成了所谓的光子晶体滑。蝴蝶翅膀这种井然有序的安排形成了所谓的光子晶体,也就是也就是纳米结构。通过这种结构纳米结构。通过这种结构,蝴蝶翅膀能捕捉光线。仅让某种波长的蝴蝶翅膀能捕捉光线。仅让某种波长的光线透过。这便决定了不同的颜色。光线透过。这便决定了不同的颜色。 蝴蝶翅膀上炫目的蝴蝶翅膀上炫目的色彩来自一种微小的鳞色彩来自一种微小的鳞片状物质片状物质, ,它们就像圣它们就像圣诞树上小小的彩灯诞树上小小的彩灯, ,在在光线的照耀下能折射出光线的照耀下能折射出斑斓的色彩。斑斓的色彩。 利用“罗盘”定位

44、的蜜蜂 研究表明研究表明, ,包括蜜蜂、海龟包括蜜蜂、海龟等在内的许多生物体内都存在等在内的许多生物体内都存在着纳米尺寸的磁性颗粒。这些着纳米尺寸的磁性颗粒。这些磁性纳米颗粒对于生物的定位磁性纳米颗粒对于生物的定位与运动行为具有重要意义。最与运动行为具有重要意义。最新的科学研究发现新的科学研究发现, ,蜜蜂的腹蜜蜂的腹部存在着磁性纳米粒子部存在着磁性纳米粒子, ,这种这种磁性的纳米粒子具有类似指南磁性的纳米粒子具有类似指南针的功能针的功能, ,蜜蜂利用这种蜜蜂利用这种“罗罗盘盘”来确定其周围环境来确定其周围环境, ,利用利用在磁性纳米粒子中存储的图像在磁性纳米粒子中存储的图像来判明方向。来判明

45、方向。 当蜜蜂采蜜归来时当蜜蜂采蜜归来时,实际上就是把自己原来存储的图像和沿途实际上就是把自己原来存储的图像和沿途所见的图像进行对比。如果两个图像一致所见的图像进行对比。如果两个图像一致,即可据此来判断出蜂巢即可据此来判断出蜂巢的所在。的所在。 利用这种纳米磁性颗粒进行导航利用这种纳米磁性颗粒进行导航,蜜蜂可以完成数千米的旅程。蜜蜂可以完成数千米的旅程。 蛛丝 蜘蛛网常常出现在长久蜘蛛网常常出现在长久没有清扫的房间角落。对于没有清扫的房间角落。对于普通人而言普通人而言,蜘蛛网并不是什蜘蛛网并不是什么了不起的东西么了不起的东西,用扫帚轻轻用扫帚轻轻一拂一拂,蛛网就被扫掉了。但是蛛网就被扫掉了。但

46、是蜘蛛丝本身确实是大自然的蜘蛛丝本身确实是大自然的奇迹。自然界中的奇迹。自然界中的蜘蛛丝直蜘蛛丝直径有径有100纳米左右纳米左右,是真正的是真正的纯天然纳米纤维纯天然纳米纤维。如果用蜘。如果用蜘蛛丝制成和普通钢丝绳一样蛛丝制成和普通钢丝绳一样粗细的绳索粗细的绳索,可以吊起上千吨可以吊起上千吨重的物体重的物体,其强度能与钢索相其强度能与钢索相媲美。媲美。 除了用于捕捉飞虫外除了用于捕捉飞虫外, ,几乎所有的蜘蛛都还用蛛丝作为几乎所有的蜘蛛都还用蛛丝作为指路指路线、安全绳、滑翔索线、安全绳、滑翔索。蜘蛛的腹部通常有几种腺体。蜘蛛的腹部通常有几种腺体, ,被称为吐被称为吐丝器。各种腺体产生不同类型蛛

47、丝丝器。各种腺体产生不同类型蛛丝, ,腺体顶端有喷丝头腺体顶端有喷丝头, ,其上有其上有数千只小孔数千只小孔, ,喷出的液体一遇空气即凝结成黏性强、张力大的喷出的液体一遇空气即凝结成黏性强、张力大的蛛丝。通常蛛丝。通常,1000,1000根蛛丝合并后比人的头发丝还要细根蛛丝合并后比人的头发丝还要细1/101/10。 固体材料固体材料表面的原子与内部的原子所处的环境是不表面的原子与内部的原子所处的环境是不同的，当材料的粒径远大于原子直径时，表面原子可以同的，当材料的粒径远大于原子直径时，表面原子可以忽略；忽略；，而且这时晶粒的表面积、表面，而且这时晶粒的表面积、表面能和表面结合能等都发生了很大的

48、变化，人们把由此而能和表面结合能等都发生了很大的变化，人们把由此而引起的种种特异效应统称为引起的种种特异效应统称为。纳米载体纳米载体- -绿色荧绿色荧光蛋白报道光蛋白报道基因基因转染细胞转染细胞BIOMAT 190802MHNanoparticle有机与无机纳米有机与无机纳米粒子珠粒子珠 是指由于颗粒尺寸变小所引起的宏是指由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化。观物理性质的变化。尺寸变小尺寸变小 + + 比表面积比表面积 新奇的性质新奇的性质 光学光学热学热学力学力学磁学磁学 由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成能带，由于电子数目很多

49、，能带中能级的间距很小，因此能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是可以看作是连续的连续的。对介于原子、分子与大块固体之间的。对介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒而言，大块材料中连续的纳米颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能能带将分裂为分立的能级级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为与宏观物体截然不同的反常特性，称之为。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁。例

50、如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反矩的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是。 纳米颗粒当尺寸小到一定程度时具有很强的吸光性。纳米颗粒当尺寸小到一定程度时具有很强的吸光性。金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常可低于金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常可低于l l，大约，大约几微米的厚度就能完全消光。几乎所有的金属纳米颗粒几微米的厚度就能完全消光。几乎所有的金属纳米颗粒都可呈现黑色。都可呈现黑色。 纳米涂料纳米涂料隐形飞机 纳米颗粒的磁性与大