生物传感技术复习进程.ppt
《生物传感技术复习进程.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《生物传感技术复习进程.ppt(81页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、生物传感技术生物传感器的特点:生物传感器的特点:(1 1)采用固定化生物活性物质作催化剂,价值昂贵的试剂可)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。分析繁琐复杂的缺点。(2 2)专一性强,只对特定的底物起反应,而且不受颜色、浊)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。度的影响。(3 3)分析速度快,可以在一分钟得到结果。)分析速度快,可以在一分钟得到结果。(4 4)准确度高,一般相对误差可以达到)准确度高,一般相对误差可以达到1 1。(5 5)操作系
2、统比较简单)操作系统比较简单 ,容易实现自动分析。,容易实现自动分析。(6 6)成本低,在连续使用时,每例测定仅需要几分钱人民币。)成本低,在连续使用时,每例测定仅需要几分钱人民币。(7 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)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。氧状况和副产物的产生。29.1.1 9.1.1 生物传感器的工作原理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以生物活性物质为敏感材料做成的传感器叫生物传感器。物传感器。它以生物分子去识别被测目标,然后将生物分它以生物分子去识别被测目标,然后将生物分子所发生的子所发生的
3、物理或化学变化转化为相应的电信号,予以放物理或化学变化转化为相应的电信号,予以放大输出,从大输出,从而得到检测结果。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,取生物传感器的选择性与分子识别元件有关,取决于与载体决于与载体相结合的生物活性物质。相结合的生物活性物质。3 为了提高生物传感器的灵敏度,可利用化学放大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、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。
4、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:根据器件信号转换的方式可分为:直接产生电信号;直接产生电信号;化学变化转换为电信号;化学变化转换为电信号;热变化转换为电信号;热变化转换为电信号;光变化转换为电信号;光变化转换为电信号;界面光学参数变化转换为电信号。界面光学参数变化转换为电信号。49.1.2 9.1.2 生物传感技术的发展历史生物传感技术的发展历史 19671967年美国的年美国的S.J.S.J.乌普迪克等制出了第一个生物传感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、器葡萄糖传感器。现已发展了第二代生物传感器(
5、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:物传感器将具有以下特点:(1 1)功能多样化)功能多样化(2 2)微型化)微型化(3 3)智能化与集成化)智能化与集成化(4 4)低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命)低
6、成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命 59.1.3 9.1.3 生物传感器的分类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:生物传感器主要有下面三种分类命名方式:(1 1)根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件的不同,生)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(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)
7、等。器)和组织传感器(固定化生物体组织)等。(2 2)按照传感器器件检测的原理分类,可分为:热敏生物传)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。体生物传感器等。(3 3)按照生物敏感物质相互作用的类型分类,可分为亲和型)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。和代谢型两种。69.2 生物传感技术的分子识别原理与技术生物传感技术的分子识别原理与技术酶促反应动力学
8、(酶促反应动力学(kinetics of enzyme-kinetics of enzyme-catalyzed reactionscatalyzed reactions)是研究酶促反应速度及其)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、底影响因素的科学。这些因素主要包括酶的浓度、底物的浓度、物的浓度、pHpH值、温度、抑制剂和激活剂等。但必值、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,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
9、其他因素的影响。这样避免了反应产物以及其他因素的影响。9.2.1 酶反应酶反应7酶促反应具有一下几个特点: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,以促进一定的化学作用于一类化合物或一定的化学键,以促进一定的
10、化学变化,并生成一定的产物,这种现象称为酶的特异性或变化,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。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。立体异构特异性。81 1.酶浓度对反应速度酶浓度对反应速度的影响的影响 在一定的温度和在一定的温度和pHpH值条件下,当底物浓度值条件下,当底物浓度大大超过酶的浓度时,大大超过酶的浓度时,酶的浓度与反应速度呈酶的浓度与反应速度呈正比关系。正比关系。酶浓度对反应初速度的影响酶浓度对反应初速度的
11、影响92.2.底物浓度对反应速度的影响底物浓度对反应速度的影响 在酶的浓度不变的情况下,在酶的浓度不变的情况下,底物浓度对反应速度影响的作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很低时,反应速度随底物浓度的增加而急聚加快,两者呈度的增加而急聚加快,两者呈正比关系,即一级反应。随底正比关系,即一级反应。随底物浓度升高,反应速不呈正比物浓度升高,反应速不呈正比例加快,反应速度增加的幅度例加快,反应速度增加的幅度不断下降。如果继续加大底物不断下降。如果继续加大底物浓度,反应速度不再增加,表浓度,反应速度不再增加,表现为现为0 0级反应
12、。此时,无论底物级反应。此时,无论底物浓度增加多大,反应速度也不浓度增加多大,反应速度也不再增加,说明酶被底物所饱和。再增加,说明酶被底物所饱和。103.pH3.pH值对反应速度的影响值对反应速度的影响 酶反应介质的酶反应介质的pHpH值可影响酶分子的解离程度和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,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。物的结合。11下表下表 一些酶的最适一些酶的最适pHpH值值 溶液的溶液的pHpH值高于和低于最适值高于和低于最适pHpH
13、值时都会使酶的活性值时都会使酶的活性降低,远离最适降低,远离最适pHpH值时甚至导致酶的变性失活。值时甚至导致酶的变性失活。温度对唾液淀粉酶温度对唾液淀粉酶活性影响活性影响酶酶胃胃蛋蛋白白酶酶胰蛋胰蛋白酶白酶过过氧氧化化氢氢酶酶精精氨氨酸酸酶酶延延胡胡索索酸酸酶酶核核糖糖核核酸酸酶酶最最适适pH值值1.87.77.69.87.87.8124.4.温度对反应速度的影响温度对反应速度的影响 化学反应的速度随温度化学反应的速度随温度增高而加快。但酶是蛋白质,增高而加快。但酶是蛋白质,可随温度的升高而变性。左可随温度的升高而变性。左图所示为温度对唾液淀粉酶图所示为温度对唾液淀粉酶活性影响活性影响135
14、.5.抑制剂对反应速度的影响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。逆性抑制和不可逆性抑制两类。6.6.激活剂对酶促反应速度的影响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。分是离子或简单的有机化合物。149
15、.2.2 9.2.2 微生物反应微生物反应 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,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。即将微生物作为生物催化剂进行的反应为微生物反应。1.1.微生物反应和酶反应的共同特点微生物反应和酶反应的共同特点(1 1)两者都是生物化学反应,反应所需要的环境相似;)两者都是生物化学反应,反应所需要的环境相似;(2 2)微生物细胞中包含各种酶,催化所有酶可以催化的反应;)微生物细胞中包含各种酶,催化所有酶可以催化的反应;(3 3)两者催化的速度近似。)两者催化的速度近似。152.2.微生物反应的特殊
16、性微生物反应的特殊性(1 1)酶反应需要温和的环境,微生物细胞的膜系统为酶的)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反应提供了天然的“理想环境理想环境”,细胞可以在较长的时间,细胞可以在较长的时间保持一定的催化活性;保持一定的催化活性;(2 2)同一个微生物细胞自身包含数以千计种的酶,显然比)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;单一的酶更适合多底物反应;(3 3)酶反应需要的辅助因子和能量可以由微生物细胞提供;)酶反应需要的辅助因子和能量可以由微生物细胞提供;(4 4)酶的提纯等成本高,有些酶至今未能完全的提纯,相)酶的提纯等成本高,
17、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。比之下,微生物细胞来源方便,价格低廉。163.3.传感器以微生物为敏感元件的不足之处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:足之处:(1 1)由于反应过程中往往存在着微生物的生长和死亡,故)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。分析反应的标准不易建立。(2 2)微生物细胞本身是一个庞大的酶系统,包括自身代
18、谢)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。在内的许多反应并存,难以去除不必要的反应。(3 3)微生物细胞受环境变化的影响易引起自身生理状态的)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。复杂化,从而导致不期望的反应。174.4.微生物反应的分类方式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微生物反应主要有下面三种分类方式(1 1)按照生物代谢流向,微生物反应可以分为同化作用)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。和异化作用。(2 2)按照微生物对营养的要求,微生物反应可以分为自)按照
19、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。养性和异养性。(3 3)按照微生物反应对氧的需求与否,微生物反应可以)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。分为好氧反应和厌氧反应。18 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,抗原与抗体该抗原产生特异性反应。
20、上述各种免疫过程中,抗原与抗体的反应是最基本的反应。的反应是最基本的反应。9.2.3 免疫反应免疫反应191.1.抗原抗原(1 1)抗原的定义抗原的定义 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
21、。应原性,不刺激免疫应答反应的称为半抗原。(2 2)抗原的分类抗原的分类 通常,根据来源的不同,抗原又可以分为如下几种:通常,根据来源的不同,抗原又可以分为如下几种:天然抗原天然抗原 人工抗原人工抗原 合成抗原。合成抗原是化学合成的多肽分子。合成抗原。合成抗原是化学合成的多肽分子。20(3 3)抗原的理化性状抗原的理化性状抗原有两种性状:抗原有两种性状:物理性状。完全抗原的分子量较大,通常相对分子质物理性状。完全抗原的分子量较大,通常相对分子质量在量在1 1万以上。分子量越大,其表面积相应扩大,接触万以上。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。免疫系统
22、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。是纯蛋白,也可是结合蛋白。21免疫传感器的种类免疫传感器的种类(4 4)抗原决定簇抗原决定簇 抗原决定簇是抗原分抗原决定簇是抗原分子表面的特殊化学基团,子表面的特殊化学基团,抗原的特异性取决于抗原抗原的特异性取决于抗原决定簇的性质、数目和空决定簇的性质、数目和空间排列。不同种系的动物间排列。不同种系的动物血清白蛋白因其末端氨基血清白蛋白因其末端氨基酸排列的不同,而表现出酸排列的不同,而表现出各自的种属性特异。一种各自的种属性特异。一种抗原常
23、具有一个以上的抗抗原常具有一个以上的抗原决定簇,如牛血清蛋白原决定簇,如牛血清蛋白有有1414个,甲状腺球蛋白有个,甲状腺球蛋白有4040个。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222.2.抗体抗体(1 1)抗体的定义)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。蛋白,又称免疫球蛋白。(2 2)抗体的结构)抗体的结构 免疫球蛋白都是由一至几个单体组成,每个单体免疫球蛋白都是由一至几个单体组成,每个
24、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,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。链与链之间通过二硫链及非共价键链连接。免疫球蛋白(免疫球蛋白(IgIg)结构模式图)结构模式图23(3 3)抗体的特性)抗体的特性 抗体早已用在免疫检测中,其与相应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。力,特别是对对应的抗原的连接更是如此。3.3.抗原抗原-抗体反应抗体反应抗原抗原-抗体结合时将发生凝聚、沉淀
25、、溶解反应和促进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。状;二是抗体活
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 生物 传感 技术 复习 进程
限制150内