化学与生物传感器复习重点

化学与生物传感器复习重点

第一章 绪论 1、定义

传感器：是指一些能把光、声、力、温度、磁感应强度、化学作用和生物效应等非电学量转化为电学量或转换为具有调控功能的元器件。

2、基本构成

传感器通常由敏感元件（感受器）和转换元件（换能器）组合而成。

3、工作原理

4、生物传感器主要特点

多样性、专一性强、无试剂分析、操作简单、可重复性使用

5、生物传感器的常见性能指标

1.灵敏度（sensitivity ）

2.选择性（selectivity ）

3.检测极限（detection limit or limit of detection ）

4.检测范围或线性区间（linear range or dynamic range ）

5.响应时间（response time, T95） 即从开始响应到信号达到最大强度的95%所需时间

待分析物

生物敏

感膜

化学量或 物理量变化

换

能

器

可定量加工 的电信号

第二章 分子识别元件及生物反应基础 1、酶联免疫测定法

特点：

1）用酶促反应的放大作用来显示初级免疫学反应.

2）灵敏度不高,但是特异性、重现性和准确性很好,成本低,稳定性好和操作安全等，应用最广.

酶免疫分析主要有两种:夹心法和竞争法.

夹心法要求抗原至少有两个结合点,不能用于检测半抗原,多用于测定大分子物质.产生的信号强度与结合在固相上的抗原量成比例关系.

竞争法产生的信号强度与结合在固相上的酶标抗体量成正比例关系,与样品中的抗原量成反比关系.主要用于测定小分子抗原.

E E

E 固定抗体

待检抗原 酶标记抗体 底物 酶促反应

检 测

2、核酸分子探针

DNA的变性（denaturation）：

双链DNA在加热或碱的存在下解离成两条单链DNA的过程。热变性中DNA解链一半时的温度叫变性温度Tm。

DNA的复性或退火（annealing）：

变性的DNA在缓慢降低温度恢复原始的双螺旋结构的过程。

核酸分子杂交：

两条单链DNA分子经退火形成双链DNA的现象叫核酸分子杂交。核酸分子杂交不仅可以在两条互补的DNA链间进行，也可以在互补的DNA和RNA直接进行。

第三章敏感膜与敏感元件

1、敏感元件的构成及材料

敏感元件由基体材料、成膜材料和敏感功能材料三部分组成：

基体材料是敏感元件的载体，敏感功能材料固定在基体材料的表面，它对传感器的寿命和使用方式产生较大的影响，并且能够发挥敏感功能材料的作用。

成膜材料是用于固定敏感功能材料的物质，它具有良好的成膜性，可以形成一个传感界面；同时具有一定的刚性和柔韧性，能够支持敏感功能材料使其牢固地固定在基体材料的表面；它还必须具有一定的物理或化学作用力，进而增加敏感元件的稳定性。

敏感功能材料是传感器的核心组成，它能够直接感受被测对象的非电量信息部分，然后通过转换器转换成合适的电化学信号。它必须具有光、电、热电、压电、电化学等不同方式的转换功能。

2、生物敏感材料的固定化

固定化的主要目的是将酶等生物敏感材料限制在一定的空间,但又不妨碍被分析物的自由扩

散.与游离相生物材料相比,固相生物材料具有一系列优点:

1)热稳定性提高

2)可重复使用

3）生物材料用量少

4)不需要在反应后进行催化物质与反应物质的分离

5)可以根据已知的半衰期(half-life)确定传感器膜的寿命等.

3、固定化基本方法

夹心法(sandwich)或隔离法(insulation)

包埋法(entrapment)

吸附法(adsorption)

共价结合法(covalent binding)

交联法(cross linking)

微胶囊法(micro-encapsulation)

以下是具体说明：

1)夹心法:

将生物活性材料封闭在双层滤膜之间,形象地称为夹心法.

特点: 操作简单不需要化学处理固定生物量大响应速度快重现性好

适用于微生物和组织膜制作

2）吸附法：

经非水溶性载体物理吸附或离子结合作用使生物敏感材料固定，称为吸附法.

吸附的作用力: 氢键范德华力离子键配位键疏水作用力

吸附的牢固程度与溶液的pH、离子强度、温度、溶剂性质和种类以及吸附物的浓度有关。

优点：

吸附法方法简单，操作条件温和，对生物分子活性影响较小。

缺点：

结合力较弱、稳定性差，易于发生脱附作用，进而导致重现性差和灵敏度低。

3）包埋法

将生物分子包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中即为包埋法。将酶分子包埋在凝胶的细微网状结构里制成固定化酶，称为凝胶包埋法；将酶分子包埋在由半透膜构成的微型胶囊中，酶分子被限制在膜内，小分子的底物和产物能自由通过半透膜，称为胶囊包埋法。

优点：

不产生化学修饰保持生物分子活性

膜的孔径和几何形状可任意控制被包埋物不易渗漏

分子可以在膜中扩散

缺点：分子量大的分子在膜中扩散困难

4）共价结合法

使生物活性分子通过共价键与不溶性载体结合而固定的方法

酶与载体共价键合方式：

与载体直接反应连接

通过同源双功能试剂与载体连接

通过异源双功能试剂与载体连接后再与载体反应连接

酶与载体之间的共价结合方式，主要有重氮法、肽键法、烷化法等

共价结合的特点

5）交联法

此法借助双功能试剂使生物分子结合到惰性载体并彼此交联成三维网状结构.

优点：操作简单、结合牢固、在酶源较困难时常常需要加入数倍于酶的惰性蛋白质作为基质。

pH，交联剂浓度也比较重要

6）微胶囊法

微胶囊法主要采用脂质体(liposome)来包埋生物活性材料或指示分子。脂质体是由脂质双分子层组成的内部为水相的闭合囊泡. 直径一般为1-100 μm。

第四章换能器

1、电化学基础

原电池：

经典模型：锌铜原电池

正极：Cu2+ (aq)十2e→Cu(s)，

负极：Zn(s)一2e→Zn2+(aq)

总反应为：Zn(s)+Cu2+(aq)→Zn2+(aq)+Cu(s)

概念：氧化值：指某元素的一个原子的荷电数

氧化还原半反应

氧化还原电对：如Cu2+ / Cu 还原电对，Zn/ Zn2+ 氧化电对

盐桥：通常为加琼脂的饱和KCl溶液

表示法：(–) M1 | M1n+(c1) || M2K+(c2) | M2 (+)

其中“|”表示界面, “||”表示盐桥

电解池：

Pt为电极，HCl溶液为电解质，

溶液中的离子做定向移动

H+ 负极

Cl- 正极

电极上发生的化学反应

+极 2 Cl- - 2e Cl2 阳极，氧化反应

- 极 2 H+ + 2e H2 阴极，还原反应

2、电极电势

无法测定单个电极的绝对电极电位；电极电位是相对的。

规定：将标准氢电极作为负极与待测电极组成电池，电位差即该电极的相对电极电

位，比标准氢电极的电极电位高的为正，反之为负。

例1：

Pt | H2(101325 Pa ), H+(1 mol/L) || Ag2+(1 mol/L)|Ag

电位差：+0.799 V；

银电极的标准电极电位：+0.799 V。

注：

φ值越大，电对中氧化型物质的氧化能力越强，还原剂的还原能力越弱；（一般说的电对指还原电对）

φ值越小，电对中还原型物质的还原能力越强，氧化剂的氧化能力越弱；

例： φθ(Zn2+/Zn)= – 0.763V φθ(Cu2+/Cu)=0.342V 所以 氧化性 Cu2+ >Zn2+ 还原性 Zn > Cu

3、能斯特方程（针对求非标准状态的电极电势)

对于任意反应： aA+bB = dD+eE 电池的电动势为：

此方程即能斯特方程。

当T=298 K 时，能斯特方程为：

又--??+=E

?电极电势，θ

?

为标准电极电势（查表可得）

第五章 电化学传感器（不作重点内容） 电位型化学传感器 电流型化学传感器

b

a e d B][A][E][D][ln

nF RT E E -= b

a e

d B][A][E]

[D][lg

05920n .E E -= ][]

[lg

0.0592还原剂氧化剂n +=

??

第六章 电化学生物传感器

1、电化学生物传感器 基本原理：

将生物特异性试剂固定在传感元件如电极的界面，在发生相应的生化反应之后会产生一个与被测物质浓度有关的信号，进一步利用电化学的方法对该信号进行测量。

特点：

高效、专一、简便、快速、灵敏度高、选择性好、响应快、操作简便、样品用量少、易于微型化、价格低廉

例如：

电流型生物传感器是通过改变外加激励电压测量响应电流，利用电流与浓度的关系从

而求解待测物质浓度的一类电化学传感器。

固定化酶和电化学传感器的结合。

优点：

① 既有不溶性酶体系的优点，又具有电化学电极的高灵敏度；

② 酶的专一反应性，使其具有较高的选择性，能够直接在复杂试样中进行测定。

第三代：直接酶电极 第二代：媒介体酶电极 第一代：经典酶电极 酶传感器 2、电流型酶传感器

3、葡萄糖检测原理

根据反应中消耗的O2、生成的葡萄糖酸和H2O2的量，可以用氧电极、pH电极和H2O2电极来测定葡萄糖的含量。

第七章光化学与生物传感器

1、概念

定义：

光化学传感器是利用感受器的敏感膜与被测物质相互作用前后物理、化学性质的改变而引起的光谱传播特性的变化来检测物质的一类传感器。

两种形式：

一种是将分子探针安装在光器件上，需要对光器件进行化学修饰，使光器件成为敏感器件；另一种是直接利用光器件的波谱选择性对样品进行分子识别，感受器和换能器就是光器件本身。

光生物传感器只是分子探针采用的是生物材料，利用生化作用进行分子识别，其它的与光化学传感器没有区别。

2、朗伯比耳定律

A＝lg（I0/It)= ε b c

式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；

b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；

c：溶液的摩尔浓度，单位mol·L－１；

ε：摩尔吸光系数，单位L·mol－１·cm－１

3、光纤化学传感器

光纤化学传感器(fiber optic chemical sensor, FOCS)一般由光源、光纤、探头、检测器及数据处理装置组成。

根据光纤探头所固定的化学敏感试剂与分析物作用时产生光学性质变化，通过光纤传输光信号、光电器件将光信号转化为电信号，测定待测物含量的装置。

优点：

抗电磁场干扰、稳定性好、尺寸小可作微型生物传感器、可用于体液测量、能进行长距离的光传导

缺点：

易受背景光干扰、线性范围窄、固定化敏感材料长期受辐射、微型化使得敏感材料用量少导致信号减弱不变测量

分类：

光纤化学传感器采用不同的检测方法，主要有光吸收型传感器、化学发光型传感器、荧光传感器等。

第八章SPR生物传感器

1、表面等离子共振

如果在两介质之间的界面上镀上一层很薄的金属膜（约为50nm），当一束单频偏振光以大于临界角的角度入射时，在其频率与金属表面振荡的等离子频率一致时，金属表面的等离子就吸收入射光的能量发生共振，即表面等离子共振。

现象：入射光被自由电子吸收，全反射条件被破坏，呈现衰减全反射现象。从宏观上看，反射光光强急剧下降，这就是表面等离子共振。

2、共振波长和共振角

光强反应曲线上看到一个最小峰，这个峰称为吸收峰。

此时对应的入射光波长为共振波长

对应的入射角为共振角。

3、SPR检测原理

SPR对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感,当表面介质的属性改变或者附着量改变时，共振角将不同。因此，SPR谱（共振角的变化vs时间）能够反映与金属膜表面接触的体系的变化。

4、特点

无需标记，不须预处理，灵敏度高，用量少，可进行动态检测，操作简单方便

5、SPR仪器构成

光源：发出平面偏振光

芯片：金属薄膜沉积在玻璃基底上

光波导耦合器件：棱镜型、光栅型和光纤型

6、SPR传感器中分子固定方法

物理吸附法：疏水作用、静电作用、范德华力等

自组装法：Au-SH，Protein A(G)

共价固定法：先在传感器表面修饰功能基团，受体通过偶联剂共价固定

生物素-亲和素法

单克隆抗体法

金属螯合物法

第九章分子印迹生物传感器

1、分子印迹技术

分子印迹技术( MIT)是制备对特定目标分子具有特异性预定选择性的高分子化合物——分子印迹聚合物(MIP)的技术。

2、实现分子印迹的3个过程

1）功能单体和印迹分子(模板，template)在一定条件下通过共价或非共价作用结合形成某种可逆的复合物

2）加入交联剂，在引发剂作用下发生聚合反应将这种复合物“冻结”起来,制得聚合物

3）将印迹分子抽提出来,这样在聚合物的骨架上便留下了一个对印迹分子有“预定”选择性的分子识别位

3、分子印迹的分类

共价型:印迹分子和单体通过可逆的共价作用形成复合物，使用范围窄，一般用于催化方面，是一种分子预组织方式。

非共价型:印迹分子和单体通过氢键、偶极、离子、金属螯合、电荷转移、疏水或范德华力相互作用形成复合物,非共价型的分子烙印是一种分子自组装的过程。（最常用）共价和非共价联用：印迹分子和单体的结合是共价作用，但印迹分子和聚合物的重新结合是非共价结合。

4、分子印迹聚合物合成的基本原理

选择带有功能基的烯类单体与大量二烯类单体进行共聚合，要求所带的功能基能与印迹分子作用，这样制得的高交联刚性聚合物在除去印迹分子后就得到具有确定空间构型的孔穴和功能基在孔穴内精确排布的聚合物。

5、理想的分子印迹聚合物应具备的性质

适当地刚性、一定的柔性、一定的机械稳定性、热稳定性

第十章纳米生物传感器

1、纳米材料

纳米材料是指尺寸介于原子与宏观物质之间的一类物质，一般在1-100 nm之间。

特性：

表面效应：宏观球形颗粒的比表面积（表面积/体积）和粒径成反比，随着粒径变小，比表面积显著增大，表面原子百分数显著增加。当颗粒粒径降到1nm时，表面原子所占百分数达到99%以上，原子几乎全部集中到纳米颗粒的表面，造成表面原子配位数不足和高的表面能，故具有很高的化学活性。

小尺寸效应：当颗粒尺寸不断减小到一定限度时，在一定条件下引起材料宏观物理性质和化学性质的变化。

宏观量子隧道效应：纳米材料的能带分裂为分裂的能级，能级间的距离随颗粒尺寸减小而增大。纳米颗粒呈现出一系列和宏观物体截然不同的反常特性，一些宏观物理量，如磁化强度等也显示出电子具有的隧道效应，称之为宏观量子隧道效应。

2、诊断性磁共振生物传感器

直接利用磁性纳米粒子的磁性或顺磁性物理特性，通过粒子产生的磁信号来进行检测或者控制的传感器。例如磁性纳米粒子在聚集时通过改变水分子表现出一种独特的磁驰豫开关（MRS）现象，结果使水分子的驰豫时间T2缩短，基于这个原理的传感称为诊断性磁共振生物传感器( DMR)。

3、量子点

量子点是纳米尺寸的半导体纳米晶粒，一般认为尺寸范围为2~20nm。量子点主要有Ⅱ族~Ⅵ族或Ⅲ族~Ⅴ族元素组成。与传统的荧光染料分子相比，其有以下优点：高量子产率，保证高灵敏度检测；

荧光发射光谱窄，分辨率高

光稳定，能承受多次激光和光发射

颜色在可见光范围任意可调

可进行表面修饰连接，易于实现标记

水溶性好

4、分子信标

分子信标是一段呈发夹结构的合成的短链DNA，其环状部分是一段含有20个左右碱基的与目标核酸互补的核酸序列，发夹的两臂是序列互补的5～8个碱基对并在两端分别固定有荧光基团和荧光熄灭基团。

原理解释：

基于荧光共振能量转移原理，分子信标类似于一个开关，当荧光基团和熄灭集团靠得很近时不发荧光，即处于关闭状态。但是当分子信标与互补的DNA发生相互作用时，由于分子间的相互作用力使发夹状的结构打开，此时就能观察到较强的荧光，即处于开启状态。