第 9 章 生物传感技术v9.1 概述v9.2 生物传感技术的分子识别原理与技术v9.3 生物传感仪器技术及其应用19.1 概述生物传感技术是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术， 在生物医学、环境监测、食品、医药及军事医学等领域 有着重要应用价值。生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料及能把生物活性表达的信号转换为 电信号的物理或化学换能器，二者组合在一起，用现代 微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成 各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。2生物传感器的特点： （1）采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的 试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高 和化学分析繁琐复杂的缺点。 （2）专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜 色、浊度的影响。 （3）分析速度快，可以在一分钟得到结果。 （4）准确度高，一般相对误差可以达到1。 （5）操作系统比较简单 ，容易实现自动分析。 （6）成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱 人民币。 （7）有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统 内的供氧状况和副产物的产生。39.1.1 生物传感器的工作原理 以生物活性物质为敏感材料做成的传感器 叫生物传感器。它以生物分子去识别被测目标，然后将生 物分子所发生的物理或化学变化转化为相应的电信号，予 以放大输出，从而得到检测结果。生物传感器的选择性与分子识别元件有关 ，取决于与载体相结合的生物活性物质。4为了提高生物传感器的灵敏度，可利用化学放 大功能。所谓化学放大功能，就是使一种物质通过 催化、循环或倍增的机理同一种试剂作用产生出相 对大量的产物。传感器的信号转换能力取决于所采 用的转换器。根据器件信号转换的方式可分为： 直接产生电信号； 化学变化转换为电信号； 热变化转换为电信号； 光变化转换为电信号； 界面光学参数变化转换为电信号。59.1.2 生物传感技术的发展历史1967年美国的S.J.乌普迪克等制出了第一个生物 传感器葡萄糖传感器。现已发展了第二代生物传感器（ 微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器），研制和开发 第三代生物传感器，将生物技术和电子技术结合起来的 场效应生物传感器。近年来，随着生物科学、信息科学 和材料科学发展的推动，生物传感器技术飞速发展。可 以预见，未来的生物传感器将具有以下特点：（1）功能多样化 （2）微型化 （3）智能化与集成化 （4）低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命 69.1.3 生物传感器的分类生物传感器主要有下面三种分类命名方式：（1）根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件的不 同，生物传感器可分为酶传感器（固定化酶）、微生物传 感器（固定化微生物）、免疫传感器（固定化抗体）、基 因传感器（固定化单链核酸）、细胞传感器（固定化细胞 器）和组织传感器（固定化生物体组织）等。（2）按照传感器器件检测的原理分类，可分为：热敏 生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光 学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、 介体生物传感器等。（3）按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为 亲和型和代谢型两种。79.2 生物传感技术的分子识别原理与技术酶促反应动力学（kinetics of enzyme- catalyzed reactions）是研究酶促反应速度及 其影响因素的科学。这些因素主要包括酶的浓 度、底物的浓度、pH值、温度、抑制剂和激活 剂等。但必须注意，酶促反应动力学中所指明 的速度是反应的初速度，因为此时反应速度与酶的浓度呈正比关系，这样避免了反应产物以 及其他因素的影响。9.2.1 酶反应8酶促反应具有一下几个特点：酶促反应具有一般催化剂的性质；加速化学反应的进行，而其本身在反应前后没有质和量的 改变，不影响反应的方向，不改变反应的平衡常数；酶促反应具有极高的催化效率；酶促反应具有高 度的专一性。一种酶只作用于一类化合物或一定的 化学键，以促进一定的化学变化，并生成一定的产 物，这种现象称为酶的特异性或专一性。受酶催化 的化合物称为该酶的底物或作用物。酶对底物的专 一性通常分为绝对特异性、相对特异性和立体异构 特异性。91. 酶浓度对反 应速度的影响在一定的 温度和pH值条件下 ，当底物浓度大大 超过酶的浓度时， 酶的浓度与反应速 度呈正比关系。酶浓度对反应初速度的影响102. 底物浓度对反应速 度的影响在酶的浓度不变的 情况下，底物浓度对反应 速度影响的作用呈现矩形 双曲线。在底物浓度很低 时，反应速度随底物浓度 的增加而急聚加快，两者 呈正比关系，即一级反应 。随底物浓度升高，反应 速不呈正比例加快，反应 速度增加的幅度不断下降 。如果继续加大底物浓度 ，反应速度不再增加，表 现为0级反应。此时，无论 底物浓度增加多大，反应 速度也不再增加，说明酶 被底物所饱和。113. pH值对反应速度的影响酶反应介质的pH值可影响酶分子的解离程度和催化基团中质子供体或质子受体所需的离 子化状态，也可影响底物和辅酶的解离程度，从而影响酶与底物的结合。12下表 一些酶的最适pH值溶液的pH值高于和低于最适pH值时都会使酶的 活性降低，远离最适pH值时甚至导致酶的变性失活。 温度对唾液淀粉酶 活性影响酶胃 蛋 白 酶胰蛋 白酶过过 氧 化 氢氢 酶精 氨 酸 酶延 胡 索 酸 酶核 糖 核 酸 酶最 适 pH 值值1.87.77. 69.87.87.8134.温度对反应速度的 影响化学反应的速度 随温度增高而加快。但 酶是蛋白质，可随温度 的升高而变性。左图所 示为温度对唾液淀粉酶 活性影响145. 抑制剂对反应速度的影响凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称作酶的抑制剂。使酶变性失活（称为酶的钝 化）的因素如强酸、强碱等，不属于抑制剂。通常抑制作用分为可逆性抑制和不可逆性抑制两类。6. 激活剂对酶促反应速度的影响能使酶活性提高的物质，都称为激活剂，其中大部分是离子或简单的有机化合物。159.2.2 微生物反应利用微生物进行生物化学反应的过程称为微生物反应过程，即将微生物作为生物催化剂进行的反应为微生 物反应。1. 微生物反应和酶反应的共同特点（1）两者都是生物化学反应，反应所需要的环境相似；（2）微生物细胞中包含各种酶，催化所有酶可以催化 的反应；（3）两者催化的速度近似。162. 微生物反应的特殊性（1）酶反应需要温和的环境，微生物细胞的膜系 统为酶的反应提供了天然的“理想环境”，细胞可以 在较长的时间保持一定的催化活性；（2）同一个微生物细胞自身包含数以千计种的酶，显然比单一的酶更适合多底物反应；（3）酶反应需要的辅助因子和能量可以由微生物 细胞提供；（4）酶的提纯等成本高，有些酶至今未能完全的 提纯，相比之下，微生物细胞来源方便，价格低廉。173. 传感器以微生物为敏感元件的不足之处微生物传感器作为生物传感器的重要组成部分，作为分子识别元件即敏感元件的生物传感器亦存在 着自身的不足之处：（1）由于反应过程中往往存在着微生物的生长和死亡，故分析反应的标准不易建立。（2）微生物细胞本身是一个庞大的酶系统，包括 自身代谢在内的许多反应并存，难以去除不必要的反 应。（3）微生物细胞受环境变化的影响易引起自身生 理状态的复杂化，从而导致不期望的反应。184. 微生物反应的分类方式 微生物反应主要有下面三种分类方式 （1）按照生物代谢流向，微生物反应可以分为 同化作用和异化作用。 （2）按照微生物对营养的要求，微生物反应可 以分为自养性和异养性。 （3）按照微生物反应对氧的需求与否，微生物 反应可以分为好氧反应和厌氧反应。19免疫指机体对病原生物感染的抵抗能力。可区别为自然免疫和获得性免疫。自然免疫是非特异型的， 获得性免疫一般是特异性的，在微生物等抗原物质刺激 后才形成，并能与该抗原产生特异性反应。上述各种免 疫过程中，抗原与抗体的反应是最基本的反应。9.2.3 免疫反应201. 抗原 （1） 抗原的定义抗原是能够刺激动物体产生免疫反应的物质。抗 原有两种性能：刺激机体产生免疫应答反应和与相应免 疫反应产物发生异性结合反应。前一种性能称为免疫原 性，后一种性能称为反应原性。具有免疫原性的抗原完 全抗原，那些只有反应原性，不刺激免疫应答反应的称 为半抗原。 （2） 抗原的分类 通常，根据来源的不同，抗原又可以分为如下 几种： 天然抗原 人工抗原 合成抗原。合成抗原是化学合成的多肽分子。21（3） 抗原的理化性状抗原有两种性状： 物理性状。完全抗原的分子量较大，通常相 对分子质量在1万以上。分子量越大，其表面积相应 扩大，接触免疫系统细胞的机会增多，因而免疫原 性也就增强。 化学组成。自然界中绝大多数抗原都是蛋白 质，即可是纯蛋白，也可是结合蛋白。22免疫传感器的种类（4） 抗原决定簇抗原决定簇是抗原分子表面的特殊化学基团， 抗原的特异性取决于抗原 决定簇的性质、数目和空 间排列。不同种系的动物血清白蛋白因其末端氨基 酸排列的不同，而表现出 各自的种属性特异。一种 抗原常具有一个以上的抗 原决定簇，如牛血清蛋白 有14个，甲状腺球蛋白有 40个。种 属 末端（N端COOH末端 （C端） 人天冬酰胺、丙 氨酸甘氨酸、缬氨 酸、丙氨酸、 亮氨酸马天冬酰胺、苏 氨酸缬氨酸、丝氨 酸、亮氨酸、 丙氨酸兔天冬酰胺亮氨酸、丙氨 酸232. 抗体（1）抗体的定义 抗体是由抗原刺激机体产生的特性免疫功能的球蛋白，又称免疫球蛋白。（2）抗体的结构 免疫球蛋白都是由一至几个单体组成，每个单体有两条相同的分子量较大的重链和两条相同分子量较小 的轻链组成，链与链之间通过二硫链及非共价键链连接。免疫球蛋白（Ig）结构模式图24（3）抗体的特性 抗体早已用在免疫检测中，其与相应 抗原之间的键连接甚至比酶与其基质之间的连接更加有 力，特别是对对应的抗原的连接更是如此。3. 抗原-抗体反应 抗原-抗体结合时将发生凝聚、沉淀、溶解反应 和促进 吞噬抗原颗粒的作用。在溶液中，抗原和抗体 两个分子 的表面电荷与介质中离子形成双层离子云，内 层和外层 之间的电荷密度差形成静电位和分子间引力。 由于这种 引力仅在近距离上发生作用，抗原与抗体分子 结合时对 位应十分准确。一是结合部位的形状要互补于 抗原的形 状；二是抗体活性小心带有与抗原决定簇相反 的电荷。25然而，抗体的特异性是相对的，表 现在两个方面：其一，部分抗体不完全与抗 原决定簇相对应。其二，即便是针对某一种 半抗原的抗体，其化学结构也可能不一致。 抗原与抗体结合尽管是稳固的，但也是可逆 的。调节溶液的PH值或离子强度，可以促进 可逆反应。某些酶能促使逆反应，抗原-抗 体复合物解离时，都保持自己本来的特性。269.2.4 膜技术膜是指能以特定形式限制和传递各种物质的分隔两相的界面。膜在生产和研究中的使用技术被称之为 膜技术，它包括膜分离技术和非分离膜技术。膜分离是利用膜的特殊性能和各种分离装置单元使溶液和悬浮液中的某些组分较其它组分更快地透过 ，从而达到分离、浓缩的目的。非分离膜技术是指一些 具有特殊性能的功能膜的应用及其它一些膜过程。能量 转换膜、反应膜、膜蒸馏等，都是属于非分离膜技术。271.膜分离的工作原理一是根据混合物的质量、体积和几何形态的不同，用过筛的方法将其分离；二是根据混合物不同 化学性质。物质通过分离膜的速度取决于进入膜内的速度和由膜的一个表面扩散到另一表面的速度。通过 分离膜的速度愈大，透过膜所需的时间愈短，同时， 混合物中各组分透过膜的速度相差愈大，则分离效率 愈高。282. 膜处理方法(1) 微滤（MF）膜技术 微滤膜是以静压差为推 动力，利 用筛网状过滤介质膜的筛分作用进行分离 。 (2) 超滤（UF）膜技术 超过滤是以压差为驱动 力，利用超滤膜的高精度截留性能进行固液分离或使 不同相对分子质量物质分级的膜分离