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生物传感器与纳米医学姓名：龙禹乾学号：S12222021专业：生物医学工程一、生物传感器的简介u纳米技术和生物技术是纳米技术和生物技术是2121世纪的两大领先技术，在这两者之间存世纪的两大领先技术，在这两者之间存在着许多技术交叉，其中，纳米生物传感技术将有望成为新兴产在着许多技术交叉，其中，纳米生物传感技术将有望成为新兴产业。业。u纳米技术主要是针对尺度为纳米技术主要是针对尺度为1 nm1 nm100 nm100 nm之间的分子世界的一门之间的分子世界的一门技术。该尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观物体交界技术。该尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观物体交界的过渡区域，基于此尺寸的系统既非典型的微观系统亦非典型的的过渡区域，基于此尺寸的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，因此有着独特的化学性质和物理性质，如表面效应、宏观系统，因此有着独特的化学性质和物理性质，如表面效应、微尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等，呈现出常规材料微尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等，呈现出常规材料不具备的优越性能。纳米技术引入生物传感器领域后，提高了生不具备的优越性能。纳米技术引入生物传感器领域后，提高了生物传感器的灵敏度和其它性能，并促发了新型的生物传感器。因物传感器的灵敏度和其它性能，并促发了新型的生物传感器。因为具有了亚微米尺寸的换能器、探针或者纳米微系统，生物传感为具有了亚微米尺寸的换能器、探针或者纳米微系统，生物传感器的各种性能大幅提高。但纳米生物传感器正处于起步阶段，目器的各种性能大幅提高。但纳米生物传感器正处于起步阶段，目前仍有大量的工作需要进行。前仍有大量的工作需要进行。背景背景u生物传感器是一类特殊形式的传感器，是由固定化的生物敏感材生物传感器是一类特殊形式的传感器，是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。从而检测多种生命统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。从而检测多种生命和化学物质。纳米生物传感器是将纳米材料作为一种新型的生物和化学物质。纳米生物传感器是将纳米材料作为一种新型的生物传感介质，与传统的传感器相比，具有体积更小、速度更快、而传感介质，与传统的传感器相比，具有体积更小、速度更快、而且精度更高、可靠性更好的优点。且精度更高、可靠性更好的优点。u自从自从19671967年第一支葡萄糖传感器诞生以来，生物传感技术已成为年第一支葡萄糖传感器诞生以来，生物传感技术已成为一前沿技术，它是一个由生物、化学、医学、物理、电子技术等一前沿技术，它是一个由生物、化学、医学、物理、电子技术等多种学科相互渗透形成的研究领域。生物传感器具有选择性高、多种学科相互渗透形成的研究领域。生物传感器具有选择性高、分析速度快、操作简易和仪器价格低廉等特点，而且可进行在线分析速度快、操作简易和仪器价格低廉等特点，而且可进行在线甚至活体分析，在临床诊断、环境监测、食品工业等方面得到了甚至活体分析，在临床诊断、环境监测、食品工业等方面得到了高度重视和广泛应用。高度重视和广泛应用。背景背景生物传感器的简介生物传感器的简介：生物传感器的定义“Biosensor”once refered to any device which responds to chemical species in biological samples or using biological components.生物传感器的简介：生物传感器的简介：生物传感器的定义A sensor that integrates a biological element with a physiochemical transducer to produce an electronic signal proportional to a single analyte which is then conveyed to a detector.利用生物物质(如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜、微生物、细胞等)作为识别元件，将生化反应转变成可定量的物理、化学信号，从而能够进行生命物质和化学物质检测和监控的装置。生物传感器的简介生物传感器的简介：生物传感器的发展历史w1967年S.J.乌普迪克等制出了第一个生物传感器葡萄糖传感器。将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得检测其对应物的其他传感器。固定感受膜的方法有直接化学结合法；高分子载体法；高分子膜结合法。w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）。w研制和开发第三代生物传感器，将系统生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器，90年代开启了微流控技术，生物传感器的微流控芯片集成为药物筛选与基因诊断等提供了新的技术前景。生物传感器的简介：生物传感器的简介：生物传感器的结构Detector生物传感器的简介：生物传感器的简介：生物传感器的结构第一部分第一部分:生物物质生物物质MicroorganismTissueCellOrganelleNucleic AcidEnzymeEnzyme ComponentReceptorAntibodyThe component used to bind the target molecule.Must be highly specific,stable under storage conditions,and immobilized.生物传感器的简介：生物传感器的结构生物传感器的简介：生物传感器的结构第二部分第二部分:生化传感器生化传感器Acts as an interface,measuring the physical change that occurs with the reaction at the bioreceptor then transforming that energy into measurable electrical output.生物传感器的简介：生物传感器的简介：生物传感器的结构第三部分第三部分:监控器监控器Signals from the transducer are passed to a microprocessor where they are amplified and analyzed.The data is then converted to concentration units and transferred to a display or/and data storage device.生物传感器的简介：生物传感器的工作原理生物传感器的简介：生物传感器的工作原理measures change inmassmeasures change in electric distribution measures change in light intensitymeasures change inheat 生物传感器的分类w1根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器（enzymesensor），微生物传感器（microbialsensor），细胞传感器（organallsensor），组织传感器（tis-suesensor）和免疫传感器（immunolsensor）。显而易见，所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。w2根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有：生物电极（bioelectrode）传感器，半导体生物传感器（semiconductbiosensor），光生物传感器（opticalbiosensor），热生物传感器（calorimetricbiosensor），压电晶体生物传感器（piezoelectricbiosensor）等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。w3以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲合型生物传感器（affinitybiosensor）。生物传感器的简介：生物传感器的工作原理生物传感器的简介：生物传感器的工作原理压电生物传感器The change in frequency is proportional to the mass of absorbed material.Some piezo-electric devices utilize crystals,such as quartz,which vibrate under the influence of an electric field.The frequency of this oscillation depends on their thickness and cut.Others use gold to detect the specific angle at which electron waves(surface plasmons)are emitted when the substance is exposed to laser light.生物传感器的简介：生物传感器的工作原理生物传感器的简介：生物传感器的工作原理电化学生物传感器Amperometric for applied current:Movement of e-in redox reactions detected when a potential is applied between two electrodes.Potentiometric for voltage:Change in distribution of charge is detected using ion-selective electrodes,such as pH-meters.Conductimetric for impedance生物传感器的简介：生物传感器的工作原理生物传感器的简介：生物传感器的工作原理光学生物传感器Colorimetric for color:Measure change in light adsorption as reactants are converted to products.Photometric for light intensity:Photon output for a luminescent or fluorescent process can be detected with photomultiplier tubes or photodiode systems.生物传感器的简介：生物传感器的工作原理生物传感器的简介：生物传感器的工作原理量热生物传感器If the enzyme catalyzed reaction is exothermic,two thermistors may be used to measure the difference in resistance between reactant and product and,hence,the analyte concentration.生物传感器的简介：生物传感器的优缺点生物传感器的简介：生物传感器的优缺点w由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能，只对特定反应起催化活化作用，因此生物传感器具有非常高的选择性。w缺点是生物固化膜不稳定。w生物传感器涉及的是生物物质，主要用于临床诊断检查、治疗时实施监控、发酵工业、食品工业、环境和机器人等方面。生物传感器与纳米医学：纳米传感器的应用生物传感器与纳米医学：纳米传感器的应用www.fuji- Clinical diagnostics Food and agricultural processes Environmental(air,soil,and water)monitoring Detection of warfare agents.二、生物传感器与纳米医学生物传感器与纳米医学w临床医学酶电极DNA传感器w军事医学生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素，如炭疽芽胞杆菌、埃博拉出血热病毒、肉毒杆菌类毒素等。在法医学中，生物传感器可用作DNA鉴定和亲子认证等。生物传感器与纳米医学生物传感器与纳米医学研发现状研发现状伊利诺大学的Michael Strano博士说：“我们已经发明了一种包裹在纳米管外的护套可以对特别的化学试剂做出反应并调整纳米管的光学性质。”生物传感器与纳米医学生物传感器与纳米医学研发现状研发现状SPOT-NOSED 项目：在纳米电极上的一层嗅觉的蛋白质可以与低浓度的气味互相作用，从而被医生用来检测早期的疾病。生物传感器与纳米医学生物传感器与纳米医学研发现状研发现状纳米微球光刻得到的三角形银微粒可以用来检测到百亿分之一摩尔的抗生蛋白链菌素。生物传感器与纳米医学生物传感器与纳米医学研发现状研发现状Drexel University生物医学工程学院的R.Lec博士描述了一种基于抗体的压电的纳米生物传感器来检测炭疽病和艾滋病毒。三、生物传感器的其它应用碳纳米管在纳米生物传感器中的应用碳纳米管在纳米生物传感器中的应用碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）w碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一种由碳六元环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管，每个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子发生完全键合，各单层管的顶端由于形成封闭曲面的需要，存在一定数量的五元环。wCNTs具有良好的导电性、催化活性和较大的比表面积，因此被广泛用于修饰电极的研究。分散性良好的碳纳米管在水溶液或丙酮、甲醇等有机溶剂中可观察到很强的荧光发射。由于独特的电学和光学性质，碳纳米管对周围的环境极其敏感，所以可以将其应用于化学传感器。CNTs在氧化还原酶生物传感器中的应用w酶的结构复杂，活性中心通常包埋于酶内部，很难实现酶与电极间的直接电子转移。w碳纳米管具有良好的导电性稳定性和生物兼容性，将酶固定到碳米管表面可以保持酶的生物活性，有效地促进酶与传感器之间快速、直接的电子转移，提高酶生物传感器的检测速度、稳定性和使用寿命。w目前已经发展了多种葡萄糖氧化酶类传感器应用于葡萄糖的检测中w碳纳米管酶生物传感器还可应用于有机磷类化合物的分析检测CNTs在DNA生物传感器中的应用wDNA生物传感器具有灵敏度高、制作简单和成本较低等优势，近年来在基因检测和传染性疾病研究等领域的应用得到了迅速发展。w将DNA特有的分子识别功能与碳纳米管的优良性能相结合，通过化学吸附、共价联接、静电吸附等方法将DNA固定在碳纳米管上，以期获得性能更加优良的DNA生物传感器。CNTs在在电化学免疫生物传感器中的应用w电化学免疫生物传感器可用于检测细胞活性、肿瘤细胞标记物和致病微生物等，具有高度特异性、敏感性和稳定性。w碳纳米管共价修饰抗体或其他受体后，不产生细胞毒性，也不会影响抗体或受体的免疫活性，近年来该方法在免疫传感器方面的应用逐渐增加。w利用单壁碳纳米管制备了高度灵敏的生物传感器，用于检测多种癌细胞标记物。w碳纳米管还可用于检测植物毒素。胶体金修饰纳米免疫传感器u免疫传感器（免疫传感器（immunosensorimmunosensor）是生物传感器的一种：利用抗）是生物传感器的一种：利用抗原（原（antigenantigen）与抗体）与抗体(antibody)(antibody)之间高选择性分子识别，之间高选择性分子识别，进行抗体或抗原分析进行抗体或抗原分析免疫分子的识别组件免疫分子的识别组件物理信号转换组件物理信号转换组件u纳米结构改进纳米结构改进 表面抗体分布可控，具有理想固定方向表面抗体分布可控，具有理想固定方向胶体金修饰纳米免疫传感器u制备方法：层层组装制备方法：层层组装在打磨过的金基底上，生长复合纳米结构在打磨过的金基底上，生长复合纳米结构抗体连接在胶体金上抗体连接在胶体金上高分子复合层是高分子复合层是“水泥水泥”，胶体金是，胶体金是“钢筋钢筋”红色：高分子聚红色：高分子聚合物合物PSS PSS 灰色：高分子聚灰色：高分子聚合物合物PAHPAH蓝色：胶体金蓝色：胶体金胶体金修饰纳米免疫传感器u性能测定：原子力显微镜性能测定：原子力显微镜原子力显微镜（原子力显微镜（AFMAFM）针尖用某抗原修饰）针尖用某抗原修饰胶体金上连接的抗体修饰基底电极胶体金上连接的抗体修饰基底电极 排列整齐、分布均匀、排列整齐、分布均匀、界面平整界面平整胶体金修饰纳米免疫传感器u针尖与基底间力的曲线分析针尖与基底间力的曲线分析1 1平方微米，测量平方微米，测量120120条力的曲线，其中条力的曲线，其中6464条为相对强力，条为相对强力，比例比例62.5%62.5%胶体金修饰纳米免疫传感器u结论结论纳米级界面具有较强和明显黏附力活性位点的比例优于普纳米级界面具有较强和明显黏附力活性位点的比例优于普通界面（未经纳米金颗粒修饰的金基底）通界面（未经纳米金颗粒修饰的金基底）能够使表面活性蛋白分子分布均匀（抗体）分布均匀，提能够使表面活性蛋白分子分布均匀（抗体）分布均匀，提高其活性率，从而提高免疫传感器的效率高其活性率，从而提高免疫传感器的效率纳米病原微生物检测Tan等提出了一项新的生物纳米技术，该技术是采用生物修饰的纳米颗粒，通过荧光信号为基础的免疫试验，快速、准确地检测出单个细菌。他们选择的是大肠杆菌0157：H7作为检测细菌，因为它是食物来源肠道感染致病菌的最主要代表。传统检测微量细菌的方法需要扩增或是富及样本中的目标菌，因过程繁琐而费时费力。该研究中，纳米颗粒起到极强的信号放大作用，细菌众多的表面抗原可供抗体修饰的纳米颗粒识别与结合，所以每一个细菌表面将结合数以千计的纳米颗粒，从而提供极强的荧光信号。该方法甚至能发展到384孔微平板的多菌样本高通量检测。因此，用针对不同细菌的特异性抗体来修饰纳米颗粒，这项纳米生物技术就能用来检测多种来源的细菌病原体，包括生物恐怖试剂以及食品、临床和环境样本。纳米病原微生物检测单个细菌检测机制。单个细菌结合极多纳米颗粒，利于信号放大单个细菌检测机制。单个细菌结合极多纳米颗粒，利于信号放大37光学纳米生物传感器 表面等离子体共振(SPR)是一种光和金属电子相互作用的光一电子现象，它是将光子所携带的能量转移给金属表面的电子。如今，迫切需要能特异鉴别周围环境中低浓度生物物质的微型化光学传感器，但目前还不存在未经扩增就能鉴定自然浓度的这种仪器。借助局部SPR光谱技术，可利用三面体银纳米颗粒制成一种新型的光学传感器，因为这种银颗粒具有显著的光学特性，且能大大提高检测的敏感性。38纳米生物传感器在氯霉素检测中的应用u利用利用pH pH 敏感的荧光指示剂敏感的荧光指示剂F1300 F1300 可以量化可以量化ATP ATP 合酶活性的特点，构建合酶活性的特点，构建生物传感器，开发灵敏、特异、快速的氯霉素残留检测方法。将生物传感器，开发灵敏、特异、快速的氯霉素残留检测方法。将pH pH 变变化敏感荧光物质化敏感荧光物质F1300F1300标记到色素体标记到色素体(chromatophore)(chromatophore)的内表面，然后，的内表面，然后，将将亚基抗体亚基抗体-生物素生物素-链亲和素链亲和素-生物素生物素-氯霉素抗体系统连接到色素氯霉素抗体系统连接到色素体上体上F0F1-ATPaseF0F1-ATPase的的亚基上，该检测体系能与氯霉素相连接。采用微亚基上，该检测体系能与氯霉素相连接。采用微弱发光检测仪检测荧光值，根据荧光值确定氯霉素浓度。样品中氯霉弱发光检测仪检测荧光值，根据荧光值确定氯霉素浓度。样品中氯霉素浓度越高表现出的总荧光值越低，反之亦然。素浓度越高表现出的总荧光值越低，反之亦然。39纳米生物传感器在氯霉素检测中的应用u将将2L 10mmol/L2L 10mmol/L生物素生物素500L 500L 3mg/mL 3mg/mL 单抗中，室温连接单抗中，室温连接30min30min，透析除去游离生物素；，透析除去游离生物素；加入加入250L 1mg/mL250L 1mg/mL的链亲和素的链亲和素中室温孵育中室温孵育30min30min，得到，得到亚基亚基单抗单抗-生物素生物素-链亲和素复合链亲和素复合体，将该复合体加入适量的体，将该复合体加入适量的F1300 F1300 标记的色素体中，即为标记的色素体中，即为生物传感器；生物传感器；u同时用相同的方法标记氯霉素同时用相同的方法标记氯霉素单抗得到氯霉素单抗单抗得到氯霉素单抗-生物素复生物素复合体，加入到上述构建的生物合体，加入到上述构建的生物传感器中，即得到带有氯霉素传感器中，即得到带有氯霉素抗体的生物传感器。抗体的生物传感器。纳米生物传感器在氯霉素检测中的应用u4 4 组不同质量浓度梯度组在相同时间内荧光值升高的程度不组不同质量浓度梯度组在相同时间内荧光值升高的程度不同，从空白组、同，从空白组、1 10-1 3mg/mL1 10-1 3mg/mL组、组、110-11mg/mL110-11mg/mL组到组到110-9mg/mL110-9mg/mL组，随质量浓度的增加荧光值依次下降，组，随质量浓度的增加荧光值依次下降4 4 组组之间表现出质量浓度梯度效应。随着氯霉素质量浓度的增加，之间表现出质量浓度梯度效应。随着氯霉素质量浓度的增加，生物传感器活性依次降低，荧光信号值也随之下降，即存在生物传感器活性依次降低，荧光信号值也随之下降，即存在剂量剂量-效应关系。效应关系。纳米量子点在生物传感器上的应用 量子点是纳米尺寸（通常在220 nm）的半导体纳米微晶体，常制成核-壳-外涂层（core-shell-coating）结构，核为量子点（如CdSe、CdS、CdTe），决定量子点的发射波长；壳为无机金属，决定量子点的亮度和光稳定性；外层为有机化合物，使量子点能较容易地标记到生物材料上。目前研究的重点在于如何对量子点表面进行有效的生化修饰。Sapsford 等采用单分子层自组装法，在玻片上修饰一层中性亲和素单分子层，通过生物素-亲和素的特异性识别，将生物素化的麦芽糖结合蛋白-量子点结合子固定到玻片上。研究表明，这种自组装法可以对量子点进行有效的表面修饰，表现出很强的特异性。量子点的发射波长可以简单地通过调节其尺寸而改变，这种尺寸效应使其在多靶标方面具有明显优势。Goldman 等制备了不同发射波长的CdSe-ZnS-抗体结合物，采用夹心免疫检测法，可以实现霍乱毒素、蓖麻毒素、类志贺毒素1 以及葡萄球菌肠毒素B 的同步检测。“纳米孔”的生物传感器 由美国科学家完成的，他们采用了一种毒素膜通道蛋白。这种蛋白质内有一个纳米尺度的空腔，单链的DNA 探针分子可以自由地通过这个通道；而当DNA 探针捕获到靶基因或靶蛋白之后体积就会变大，从而堵塞在空腔内。因此通过探测膜通道的离子电流就可以实现单个分子的探测。科学家们还预期，如果能把信噪比进一步提高，这种传感器还可以感知A、G、T、C 四种DNA 碱基所产生的电流变化，从而实现单个DNA 分子的测序。如果这种单分子测序获得成功，我们就可能将人类基因组的测序成本降低到1000 美元以下，也就是说每个人针对自己特定的遗传状况进行个性化治疗的时代就可能到来了。43谢谢！