生物醫(yī)學(xué)傳感生物傳感器

1、11:13:02,1,第十三章 生物傳感器,11:13:02,2,上次課回顧,1、檢測原理、特性,（二）電化學(xué)氣體傳感器,（三）半導(dǎo)體氣體傳感器,1、電阻型,2、MOSFET（非電阻型）,2、氣敏電極,（一）離子敏場效應(yīng)晶體管(ISFET),1、結(jié)構(gòu),2、工作原理,3、特性,11:13:02,3,生物傳感器,（biosensors),生物傳感器的概述生物傳感器的基本組成和工作原理生物傳感器的分類及特點生物敏感材料的固定化技術(shù)幾

2、種主要的生物傳感器,11:13:02,4,一、生物傳感器的概述,利用生物活性物質(zhì)的選擇性識別和測定各種生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。,對特定種類化學(xué)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)具有選擇性和可逆響應(yīng)。,主要由兩大部分組成： 一是功能識別物質(zhì)（分子識別元件），由其對被測物質(zhì)進行特定識別； 二是電、光信號轉(zhuǎn)換裝置（換能器），由其把被測物所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)碾娦盘柣蚬庑盘枴?1、生物傳感器的定義,11:13:02,5,2.生物傳感器的

3、發(fā)展史,最先問世的生物傳感器是酶電極，1962年Clark將酶與ISE結(jié)合，最先提出組成酶電極的設(shè)想。上世紀70年代中期，人們注意到酶電極的壽命一般都比較短，提純的酶價格也較貴，而各種酶多數(shù)都來自微生物或動植物組織，因此自然地就啟發(fā)人們研究酶電極的衍生型：微生物電極、細胞器電極、動植物組織電極以及免疫電極等新型生物傳感器，使生物傳感器的類別大大增多。進入上世紀80年代之后，隨著離子敏場效應(yīng)晶體管的不斷完善，如1980年Caras和J

4、anafa率先研制成功可測定青霉素的酶FET。,本世紀：納米技術(shù)和生物傳感技術(shù)的結(jié)合,11:13:02,6,本世紀：進入納米生物傳感器時期,11:13:02,7,從整體劃分:,第一代生物傳感器以將生物成分截留在膜上或結(jié)合在膜上為基礎(chǔ)，這類器件由透析器(膜)、反應(yīng)器(膜)和電化學(xué)轉(zhuǎn)換器所組成，其實驗設(shè)備相當簡單。第二代生物傳感器是指將生物成分直接吸附或共價結(jié)合在轉(zhuǎn)換器的表面上，從而可略去非活性的基質(zhì)膜。第三代生物傳感器是把生物成分直接

5、固定在電子元件上，例如FET的柵極上，它可直接感知和放大界面物質(zhì)的變化，從而將生物識別和電信號處理集合在一起。這種放大器可采用差分方式以消除干擾。,11:13:02,8,目前國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用的生物傳感器主要包括：1、測定水質(zhì)的BOD分析儀、在市場上有以日本和德國為代表產(chǎn)品供應(yīng)。2、采用絲網(wǎng)印刷和微電子技術(shù)的手掌型血糖分析器，已形成規(guī)?；a(chǎn)，年銷售量約為十億美元；3、固定化酶傳感分析儀：國外以美國的YSI公司和德國BST公司為

6、代表，都有系列分析儀產(chǎn)品，它們主要用于環(huán)境監(jiān)測和食品分析，國內(nèi)到目前為主只有山東省科學(xué)院生物研究所的系列化產(chǎn)品在市場得到應(yīng)用。4、SPR生物傳感器，在日、美、德、瑞典等國得到了開發(fā)和初步應(yīng)用。 極大多數(shù)同類其它研究還都處在探索性階段,11:13:02,9,德國研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀,11:13:02,10,手掌型葡萄糖(glucose)分析儀,11:13:02,11,SBA-50型單電極生物傳感分析儀-乳酸分析儀,11:

7、13:02,12,發(fā)酵罐,主機,計算機,SBA-60型生物傳感在線分析系統(tǒng)，為發(fā)酵自動控制提供了新的基礎(chǔ)平臺,11:13:02,13,SBA-70型血糖乳酸自動分析儀,11:13:02,14,在我國發(fā)酵工廠普及應(yīng)用的SBA-40型谷氨酸-葡萄糖雙功能分析儀,工廠發(fā)酵車間化驗員正在分析樣品,11:13:02,15,二、生物傳感器的基本組成和工作原理,1、基本組成,生物傳感器基本構(gòu)成示意圖,生物敏感膜（分子識別元件）---決定傳感器的功

8、能和質(zhì)量物理或化學(xué)轉(zhuǎn)換器（換能器）,11:13:02,16,（1）生物敏感膜（分子識別元件）,由生物活性材料作為敏感基元構(gòu)成。,酶、抗體、抗原、細胞、生物組織、DNA等,酶 (Enzyme),抗體(Antibody),DNA,具有高度的選擇性和敏感性,11:13:02,17,幾種主要的生物活性材料及反應(yīng),A、酶及酶促反應(yīng),B、抗原與抗體及免疫反應(yīng),C、微生物及微生物反應(yīng),D、受體及受體配體結(jié)合反應(yīng),11:13:02,18,生物敏感膜按

9、所選材料不同分類：,11:13:02,19,生物敏感膜按其分子識別原理可分為三種不同類型：,A、基于生物催化反應(yīng)的生物敏感膜,B、基于生物吸附的生物敏感膜,C、基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜,11:13:02,20,（2）信號轉(zhuǎn)換器：將各種生物的、化學(xué)的和物理的信號轉(zhuǎn)換為可輸出的有用信號（電信號）。,作用：當待測物與分子識別元件特異性結(jié)合后，所產(chǎn)生的復(fù)合物通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)榭奢敵龅碾娦盘?、光信號等?主要有：電化學(xué)電極、光學(xué)檢

10、測元件、場效應(yīng)晶體管、壓電石英晶體、表面等離子共振等。,11:13:02,21,將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號（間接型）將熱變化轉(zhuǎn)換為電信號（間接型）將光效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ㄩg接型）直按產(chǎn)生電信號方式（直接型）,轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電信號的方式：,11:13:02,22,酶傳感器為例，酶催化特定底物發(fā)生反應(yīng),從而使特定生成物的量有所增減，用能把這類物質(zhì)的量的改變轉(zhuǎn)換為電信號的裝置和固定化酶耦合，即組成酶傳感器。 常用轉(zhuǎn)換裝置有：氧電極、過氧

11、化氫電極。,（a）將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號（間接型）,11:13:02,23,（b）將熱變化轉(zhuǎn)換成電信號,固定化的生物材料與相應(yīng)的被測物作用時常伴有熱的變化。例如大多數(shù)酶反應(yīng)的熱焓變化量在25-100kJ/mol的范圍.這類生物傳感器的工作原理是把反應(yīng)的熱效應(yīng)借熱敏電阻轉(zhuǎn)換為阻值的變化，后者通過有放大器的電橋輸入到記錄儀中。,熱輻射熱傳導(dǎo),,11:13:02,24,（c）將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?例如，過氧化氫酶能催化過氧化氫/魯米諾體系發(fā)

12、光，如設(shè)法將過氧化氫酶膜附著在光纖或光敏二極管的前端，再和光電流測定裝置相連，即可測定過氧化氫含量。還有很多細菌能與特定底物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生熒光，也可以用這種方法測定底物濃度。,上述三原理的生物傳感器共同點： 都是將分子識別元件中的生物敏感物質(zhì)與待測物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將反應(yīng)后所產(chǎn)生的化學(xué)或物理變化再通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M行測量，這種方式統(tǒng)稱為間接測量方式。,11:13:02,25,（d）直接產(chǎn)生電信號方式,這種方式可以使酶反應(yīng)

13、伴隨的電子轉(zhuǎn)移、微生物細胞的氧化直接(或通過電子遞體的作用)在電極表面上發(fā)生。根據(jù)所得的電流量即可得底物濃度。,例：Cass等提出一種測定葡萄糖的傳感器，是用二茂絡(luò)鐵為電子傳遞體。,反應(yīng)直接在電極表面上發(fā)生,11:13:02,26,2、生物傳感器工作原理,待測物,,生物敏感膜,,信號轉(zhuǎn)換器,擴散,分子識別,,電信號,,檢測處理電路,放大、輸出,,待測物的量或濃度,11:13:02,27,,,換能器（Transducer）,感受器（Rec

14、eptor）,測量信號（Measurable Signal）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,=分析物（Analyte）,溶液（Solution）,,,選擇性膜（Thin selective membrane）,識別元件（RECOGNITION）,生物傳感器工作機理,11:13:02,28,固定化酶 固定化 微生物

15、 固定化免疫物質(zhì) 固定化細胞器 生物組織切片,微生物傳感器,,分子識別元件,,酶傳感器,,免疫傳感器,,,細胞器傳感器,組織傳感器,1、按分子識別元件分類,三、生物傳感器分類及特點,11:13:02,29,按換能器分類,電化學(xué)電極 光學(xué)換能器

16、 介體 半導(dǎo)體 傳遞系統(tǒng) 換能器 熱敏電阻

17、 壓電晶體,介體生物傳感器,,換能器,,半導(dǎo)體生物傳感器,,生物電極,,光生物傳感器,,,熱生物傳感器,壓電晶體生物傳感器,,,11:13:02,30,3、 生物傳感器特點,1） 根據(jù)生物反應(yīng)的特異性和多樣性，理論上可以制成測定所有生物物質(zhì)的傳感器，因而測定范圍廣泛。2）一般不需進行樣品的預(yù)處理，它利用本身具備的優(yōu)異選擇性把樣品中被測組分的分離和檢測統(tǒng)一為一體，測定時一般不需另加其他試劑，使測定過程簡便迅速，容易實現(xiàn)自動

18、分析。3）體積小、響應(yīng)快、樣品用量少，可以實現(xiàn)連續(xù)在線檢測。,11:13:02,31,4） 通常其敏感材料是固定化生物元件，可反復(fù)多次 使用。5） 準確度高，一般相對誤差可達到1%以內(nèi)。6） 可進行活體分析。7）傳感器連同測定儀的成本遠低于大型的分析儀，因而便于推廣普及。8） 有的微生物傳感器能可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生，能得到許多復(fù)雜的物理化學(xué)傳感器綜合作用才能獲得的信息。,11:13:02,32,四

19、、生物敏感材料的固定化技術(shù),生物傳感器制作的核心部分,固定化的目的：將生物敏感物質(zhì)限制在一定的空間，但又不妨礙被分析物的自由擴散。,固定化技術(shù)：把生物活性材料與載體固定化成為生物敏 感膜。物理方法：吸附法、夾心法、包埋法；化學(xué)方法: 共價連接法、交聯(lián)法；近年來, 由于半導(dǎo)體生物傳感器迅速發(fā)展, 因而又出現(xiàn)了采用集成電路工藝制膜技術(shù)。,11:13:02,33,1）夾心法,將生物活性材料封閉在雙層濾膜之間，形象

20、地稱為夾心法。特點是：操作簡單，不需要任何化學(xué)處理，固定生物量大，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好。,11:13:02,34,離子交換吸附法：選用具有離子交換性質(zhì)的載體，在適宜的PH條件下，使生物分子與離子交換劑通過離子鍵結(jié)合，形成固定化層。,2）吸附法,用非水溶性載體物理吸附或離子結(jié)合，使蛋白質(zhì)分子固定化的方法。,物理吸附：通過極性鍵、氫鍵、疏水力或 電子的相互作用將生物組分吸附在不溶性的惰性載體上。,載體種類較多，如活性炭、高嶺土、硅膠、

21、玻璃、纖維素、離子交換體等。,11:13:02,35,3）包埋法,把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基質(zhì)中。特點是：一般不產(chǎn)生化學(xué)修飾，對生物分子活性影響較?。蝗秉c是分子量大的底物在凝膠網(wǎng)格內(nèi)擴散較固難。,11:13:02,36,4）共價連接法,使生物活性分子通過共價鍵與固相載體結(jié)合固定的方法。特點是結(jié)合牢固，生物活性分子不易脫落，載體不易被生物降解，使用壽命長；缺點是實現(xiàn)固定化麻煩，酶活性可能因發(fā)生化學(xué)修飾

22、而降低。,11:13:02,37,5）交聯(lián)法,借助于雙功能試劑的作用，使蛋白質(zhì)結(jié)合到惰性載體或使蛋白質(zhì)分子彼此交聯(lián)，形成不溶性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的方法。,這種方法廣泛用于酶膜和免疫分子膜制備，操作簡單。,11:13:02,38,6）LB膜技術(shù),一種能在低溫低壓下制成高密度、分子排列方向一致的單分子層或雙分子層超薄膜的技術(shù)。,11:13:02,39,酶生物傳感器,一、酶的本質(zhì)和特征,（一） 酶的本質(zhì),酶是生物體內(nèi)產(chǎn)生的、具有催化活性的一類蛋白質(zhì),酶

23、,,純蛋白酶：只含有蛋白質(zhì),結(jié)合蛋白酶蛋白質(zhì)+非蛋白質(zhì),,輔基：非蛋白部分與酶蛋白結(jié)合的牢固，不易分離,輔酶：結(jié)合的不牢，可在溶液中離解,（組合）,五、幾種生物傳感器,11:13:02,40,酶（催化反應(yīng)類型）,,氧化還原酶,轉(zhuǎn)移酶,水解酶,異構(gòu)酶,（二）酶的催化性質(zhì),1、高效催化性,2、高度專一性,11:13:02,41,（三）影響酶活性的因素,1、溫度,一方面升高溫度增加底物分子的熱能，從而增高反應(yīng)的速率,另一方面溫度的升高也會增加

24、酶本身結(jié)構(gòu)的分子熱能，導(dǎo)致酶的變性或催化活性的降低,多數(shù)哺乳動物的酶，最適溫度為37 左右,2、PH,影響酶促反應(yīng)的速率,每種酶都有一個最適PH,微小偏差會降低酶的活性，較大偏差會導(dǎo)致酶蛋白自身的變性,（最適6.8）,11:13:02,42,二、酶生物傳感器,應(yīng)用固定化酶作為敏感元件的生物傳感器,酶生物傳感器,,酶電極傳感器,酶場效應(yīng)管傳感器,酶熱敏電阻傳感器,酶光纖傳感器,11:13:02,43,(一) 酶電極傳感器,定義：由固定

25、化酶與離子選擇電極、氣敏電極、氧化還原電極等電化學(xué)電極組合而成的生物傳感器,酶電極,,電流型酶電極,電勢型酶電極,11:13:02,44,1、電流型酶電極（固定化酶＋電流型化學(xué)電極）,原理：將酶促反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)在電極上發(fā)生氧化或還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流作為測量信號，在一定條件下，利用測得的電流信號與待測物活度或濃度的函數(shù)關(guān)系，來測定樣品中某一生物組分的活度或濃度．,電極：氧電極，過氧化氫電極,酶,,氧化酶：用氧作受體的酶　?。ǔＳ茫?還原酶,

26、氧電極：（還原反應(yīng)）,過氧化氫電極：（氧化反應(yīng)）,11:13:02,45,▲葡萄糖傳感器：　葡萄糖氧化酶膜＋電化學(xué)電極,依據(jù)反應(yīng)中消耗的氧,生成的葡萄糖酸及過氧化氫的量，可用氧電極，ＰＨ電極，過氧化氫電極來測定葡萄糖的含量．,,測定酶促反應(yīng)所產(chǎn)生的葡萄糖酸的量來計算樣品中葡萄糖的含量,11:13:02,46,優(yōu)點：酶易被分離，貯存較穩(wěn)定，所以目前被廣泛 的應(yīng)用。缺點：1.酶的特異性不高，如它不能區(qū)分結(jié)構(gòu)上稍有差異的梭曼與沙林。 2.

27、酶在測試的過程中因被消耗而需要不斷的更換。,3、酶傳感器的特點：,２、電勢型酶電極（固定化酶＋電勢型化學(xué)電極）,原理：將酶促反應(yīng)引起的物質(zhì)量的變化轉(zhuǎn)變成電勢信號的輸出，電勢信號大小與底物濃度的對數(shù)值呈線性關(guān)系,11:13:02,47,微生物和組織傳感器,一 、 微生物傳感器,典型：微生物電極（用微生物取代酶作生物活性物質(zhì)）,意義：1、克服酶的價格昂貴，提取困難及不穩(wěn)定等缺點，對于復(fù)雜反應(yīng)，還可同時利用微生物體內(nèi)的輔酶。,2、微生物傳感器

28、尤其適合于發(fā)酵過程的測定，因為在發(fā)酵過程中存在對酶的干擾物質(zhì)，應(yīng)用微生物傳感器則有可能排除這些干擾。,11:13:02,48,（一）微生物傳感器基礎(chǔ),微生物傳感器所用的微生物主要是細菌和酵母菌,1、微生物的特性及分類,微生物的代謝：微生物從周圍環(huán)境中提取營養(yǎng)物質(zhì)。通過生物催化即酶的作用，在體內(nèi)進行一系列生物分解和生物合成反應(yīng)，以保持正常的生長和繁殖。,11:13:02,49,微生物的代謝,,同化作用,異化作用,微生物,,好氣性微生物：必

29、須在有空氣的環(huán)境中才易生長,厭氣性微生物：必須在無分子氧的環(huán)境生長繁殖,：細胞將底物攝入通過一系列生化 反應(yīng)轉(zhuǎn)變成自身的組成物質(zhì)，并儲存能量。,：細胞將自身的組成物質(zhì)分解以釋放能量或排出體外。,11:13:02,50,2、微生物傳感器的特點及分類,微生物敏感膜：微生物固定在載體上,特點：（1）價格低、便于推廣普及,（2）微生物細胞內(nèi)的酶在適當環(huán)境下活性不易降低，因此微生物傳感器的壽命更長,（3）即使微生物體內(nèi)酶的催化活性已經(jīng)喪失，也還可

30、以因細胞的增值使之產(chǎn)生,（4）對于需要輔助因子的復(fù)雜的連續(xù)反應(yīng)，用微生物更易于完成,11:13:02,51,分類：,11:13:02,52,（二）微生物傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理,微生物傳感器是以固定化微生物作為分子識別系統(tǒng)，與相應(yīng)的電化學(xué)轉(zhuǎn)換元件組合構(gòu)成。,不同微生物需要不同的營養(yǎng)物質(zhì)進行它的新陳代謝，因此可利用不同微生物作為分子識別系統(tǒng)制作微生物傳感器測定相應(yīng)的物質(zhì)。,11:13:02,53,1、呼吸機能型微生物傳感器,以好氣性微生物作

31、生物活性物質(zhì)，通常與氧電極組合而成的，以細菌呼吸活性物質(zhì)為基礎(chǔ)實現(xiàn)被測物的測量,2、代謝機能型微生物傳感器,以厭氣性微生物作生物活性物質(zhì)，與相應(yīng)的電化學(xué)電極組合而成的，以細菌代謝活性物質(zhì)為基礎(chǔ)實現(xiàn)被測物的測量,11:13:02,54,二、生物組織傳感器,定義：以動植物組織切片作為分子識別元件與相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換元件組合構(gòu)成的生物傳感器。,信號轉(zhuǎn)換元件：氣敏元件,11:13:02,55,免疫傳感器,一、免疫傳感器基礎(chǔ),--免疫反應(yīng)的檢測,1、

32、標記法,采用酶、熒光物質(zhì)、電活性化合物等進行標記，抗體與抗原反應(yīng)過程通過電化學(xué)、光學(xué)等手段進行檢測。,（1）夾心法,樣品中的抗原與固化在傳感界面上的抗體結(jié)合后，加入標記的抗體，使其與固相上的抗原結(jié)合，把抗原夾在固定抗體和標記抗體中間，形成夾心結(jié)構(gòu)，洗去未結(jié)合的標記抗體，測定結(jié)合在固相上標記物的量。夾心法適用于測定高分子量的抗原。,11:13:02,56,（2）競爭法,將抗體固定在傳感界面上，用已知量的標記抗原與樣品中的抗原競爭結(jié)合傳感界

33、面上的抗體，測定結(jié)合在固相上標記物的量，此于被分析物的濃度成反比。,（3）置換取代法,把抗體固定在傳感界面上，標記好抗原。測試時傳感界面上抗體的結(jié)合部位都已被標記抗原所占據(jù)，當加入非標記抗原時，發(fā)生置換反應(yīng)，測量置換下來標記物的量，在一定條件下，標記物的量與被分析物的濃度成正比。,2、非標記法,在抗體與相應(yīng)抗原識別結(jié)合的同時，把免疫反應(yīng)的信息直接轉(zhuǎn)變成可測信號,11:13:02,57,二、免疫傳感器的結(jié)構(gòu)及分類,1、免疫傳感器的基本結(jié)構(gòu)

34、,分子識別系統(tǒng)（感受器）、轉(zhuǎn)換器（換能器）、電子放大器,,抗體或抗原,2、免疫傳感器的分類,,標記型免疫傳感器（間接型免疫傳感器）,非標記型免疫傳感器（直接型免疫傳感器）,,電化學(xué)免疫傳感器,光學(xué)免疫傳感器,壓電免疫傳感器,表面等離子體共振（SPR）免疫傳感器,11:13:02,58,三、電化學(xué)免疫傳感器,定義：以抗原——抗體反應(yīng)的免疫測定為基礎(chǔ)，采用電化學(xué)電極為傳感元件組合而成的，用于大分子蛋白質(zhì)測定的裝置。,,標記型免疫傳感器（間接

35、型免疫傳感器）,非標記型免疫傳感器（直接型免疫傳感器）,11:13:02,59,（二）間接型免疫傳感器,將抗原與抗體結(jié)合的信息轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N中間信息，然后把這個中間信息變成電信息。,電流型傳感器,（一）直接型免疫傳感器,將抗體或抗原固定在大分子結(jié)構(gòu)的膜上或金屬電極上，當被固定的抗體或抗原與相應(yīng)的配體結(jié)合時膜電勢或電極電勢發(fā)生變化，根據(jù)電勢與被測物的函數(shù)關(guān)系測定抗體或抗原的濃度,電勢型傳感器,11:13:02,60,納米生物傳感器 （Nan

36、obiosensors）,一、背 景,二、納米材料介紹,三、納米生物傳感器,11:13:02,61,Company Logo,納米技術(shù)和生物技術(shù)是21世紀的兩大領(lǐng)先技術(shù)； 納米生物傳感技術(shù)成為一種新興產(chǎn)業(yè)。 納米尺寸處在原子、分子為代表的微觀世界和宏觀 物體交界的過渡區(qū)域，基于此尺寸的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，因此有著獨特的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，如表面效應(yīng)、微尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，呈現(xiàn)出常

37、規(guī)材料不具備的優(yōu)越性能。,一、背 景,11:13:02,62,納米生物傳感器是將納米材料作為一種新型的生物傳感介質(zhì)，與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有體積更小、速度更快、而且精度更高、可靠性更好的優(yōu)點。,納米技術(shù)引入生物傳感器領(lǐng)域后，提高了生物傳感器的靈敏度和其它性能，并促進了新型的生物傳感器的發(fā)展。因為具有了亞微米尺寸的換能器、探針或者納米微系統(tǒng)，生物傳感器的各種性能大幅提高。但納米生物傳感器正處于起步階段，目前仍有大量的工作需要進行。,1

38、1:13:02,63,二、 納米材料介紹,納米材料是指由尺寸小于100nm（0.1-100nm）的超細顆粒構(gòu)成的具有小尺寸效應(yīng)的零維、一維、二維材料或由它們作為基本單元構(gòu)成的三維材料的總稱。,11:13:02,64,11:13:02,65,,,11:13:05,66,,,納米氧化鋁纖維,,11:13:05,67,Carbon nanotubes,11:13:05,68,,11:13:05,69,11:13:05,70,,蓮葉表面存在著非

39、常復(fù)雜的多重納米和微米級的超微結(jié)構(gòu)。荷葉表面上有一些微小的蠟質(zhì)顆粒,并且覆蓋著無數(shù)尺寸約10個微米的突包,每個突包的表面又布滿了直徑僅為幾百納米的更細的絨毛。在突包間的凹陷部分充滿著空氣,這樣就緊貼葉面形成一層極薄、只有納米級厚的空氣層,從而使得在尺寸上遠大于這種結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等落在葉面上后,不會大范圍直接接觸葉面,而要隔著一層極薄的空氣,并且其能接觸的點也只是葉面上若干個凸起的點。,自然界中的納米結(jié)構(gòu),11:13:05,71,這種特

40、性可以應(yīng)用在玻璃上或是戰(zhàn)機的雷達上,例如:經(jīng)過納米處理的玻璃本身也可以具有自潔效果。還有企業(yè)利用納米技術(shù)處理涂料,涂上此涂料的物體因而也擁有了自潔效果。也許在未來的世界中,我們周圍將不斷出現(xiàn)不會臟的地板、墻壁,和沒有灰塵的無線電用品。,這是自然界中生物長期進化的結(jié)果,正是這種特殊的納米結(jié)構(gòu),使得荷葉表面不沾水滴,可以保持清潔:當荷葉上有水時,水會在自身表面張力的作用下形成球狀。風(fēng)吹動水珠在葉面上滾動時,水珠可以沾起葉面上的灰塵,并從上面

41、高速滑落,從而使得蓮葉能夠更好地進行光合作用。,11:13:05,72,飛檐走壁的壁虎,“壁虎漫步”靠的并不是吸盤,而是腳趾上數(shù)以萬計的細小剛毛。剛毛根部有幾十微米粗,頂端分成很多更細更彎的絨毛,每根絨毛的直徑僅幾百納米,其末梢延展成扁平形。此種精細結(jié)構(gòu),使得壁虎以幾納米的距離大面積地貼近墻面。盡管這些絨毛很纖弱,但足以使所謂的范德華鍵(發(fā)揮作用,為壁虎提供數(shù)百萬個的附著點,從而支撐其體重。,這種附著力可通過“剝落”輕易打破,就像撕開膠

42、帶一樣,因此壁虎能夠自由穿過天花板。,11:13:05,73,在現(xiàn)實生活中, 我們可以制造出抓地更牢的運動鞋,可以制作雨雪環(huán)境中不再打滑的汽車輪胎。而在影視劇拍攝中,演員們可以告別工作室里的電腦,真正在摩天大樓的玻璃幕墻上一展身手。據(jù)此開發(fā)出的空間探測用攀爬型機器人,無論在什么惡劣的條件下都可以在太空飛行器的外表面行走,給飛行器進行“體檢”。,11:13:05,74,貝類——嫻熟的黏合高手,當貝類想把自己貼在一塊巖石上時,就會打開貝殼,

43、把觸角貼到巖石上,它將觸角拱成一個吸盤,然后通過細管向低壓區(qū)注射無數(shù)條黏液和膠束:釋放出強力水下膠粘劑。這些黏液和膠束瞬間形成泡沫,起到小墊子的作用。貝類通過彈性足絲停泊在這個“減震器”上。這樣,它們就可以隨波起伏,而不至于受傷。這種牢固的膠粘效果就來自黏液和巖石納米尺度下分子之間的相互作用。,11:13:05,75,“上善若水”的水黽,小型水生昆蟲水黽被喻為“池塘中的溜冰者”,因為它不僅能在水面上滑行,而且還會像溜冰運動員一樣在水面上

44、優(yōu)雅地跳躍和玩耍。它的高明之處是,既不會劃破水面,也不會浸濕自己的腿。,11:13:05,76,在高倍顯微鏡下發(fā)現(xiàn),水黽腿部上有數(shù)千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛。這些像針一樣的微米剛毛的表面上形成螺旋狀納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)槽,吸附在構(gòu)槽中的氣泡形成氣墊,這些氣墊阻礙了水滴的浸潤,宏觀上表現(xiàn)出水黽腿的超疏水特性(超強的不沾水的特性)。正是這種超強的負載能力使得水黽在水面上行動自如,即使在狂風(fēng)暴雨和急速流動的水流中也不會沉沒。,11:13:

45、05,77,五彩斑斕的蝴蝶,蝴蝶翅膀由兩層僅有3~4微米厚的鱗片組成,上面一層鱗片像微小的屋瓦一樣交替,每個鱗片的構(gòu)造也很復(fù)雜。而下一層則比較光滑。蝴蝶翅膀這種井然有序的安排形成了所謂的光子晶體,也就是納米結(jié)構(gòu)。通過這種結(jié)構(gòu),蝴蝶翅膀能捕捉光線。僅讓某種波長的光線透過。這便決定了不同的顏色。,蝴蝶翅膀上炫目的色彩來自一種微小的鱗片狀物質(zhì),它們就像圣誕樹上小小的彩燈,在光線的照耀下能折射出斑斕的色彩。,11:13:05,78,利用“羅盤”

46、定位的蜜蜂,研究表明,包括蜜蜂、海龜?shù)仍趦?nèi)的許多生物體內(nèi)都存在著納米尺寸的磁性顆粒。這些磁性納米顆粒對于生物的定位與運動行為具有重要意義。最新的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn),蜜蜂的腹部存在著磁性納米粒子,這種磁性的納米粒子具有類似指南針的功能,蜜蜂利用這種“羅盤”來確定其周圍環(huán)境,利用在磁性納米粒子中存儲的圖像來判明方向。,當蜜蜂采蜜歸來時,實際上就是把自己原來存儲的圖像和沿途所見的圖像進行對比。如果兩個圖像一致,即可據(jù)此來判斷出蜂巢的所在。 　

47、 利用這種納米磁性顆粒進行導(dǎo)航,蜜蜂可以完成數(shù)千米的旅程。,11:13:05,79,蛛絲,蜘蛛網(wǎng)常常出現(xiàn)在長久沒有清掃的房間角落。對于普通人而言,蜘蛛網(wǎng)并不是什么了不起的東西,用掃帚輕輕一拂,蛛網(wǎng)就被掃掉了。但是蜘蛛絲本身確實是大自然的奇跡。自然界中的蜘蛛絲直徑有100納米左右,是真正的純天然納米纖維。如果用蜘蛛絲制成和普通鋼絲繩一樣粗細的繩索,可以吊起上千噸重的物體,其強度能與鋼索相媲美。,11:13:05,80,除了用于捕捉

48、飛蟲外,幾乎所有的蜘蛛都還用蛛絲作為指路線、安全繩、滑翔索。蜘蛛的腹部通常有幾種腺體,被稱為吐絲器。各種腺體產(chǎn)生不同類型蛛絲,腺體頂端有噴絲頭,其上有數(shù)千只小孔,噴出的液體一遇空氣即凝結(jié)成黏性強、張力大的蛛絲。通常,1000根蛛絲合并后比人的頭發(fā)絲還要細1/10。,11:13:05,81,1.表面效應(yīng),固體材料表面的原子與內(nèi)部的原子所處的環(huán)境是不同的，當材料的粒徑遠大于原子直徑時，表面原子可以忽略；但當粒徑逐漸接近于原子直徑時，表面原子

49、的數(shù)目及其作用就不能忽略，而且這時晶粒的表面積、表面能和表面結(jié)合能等都發(fā)生了很大的變化，人們把由此而引起的種種特異效應(yīng)統(tǒng)稱為表面效應(yīng)。,（一） 納米材料的特性,11:13:05,82,比表面積↑↑,表面原子百分數(shù)↑↑,納米顆粒的表面能高、活性強,顆粒直徑↓,納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。,性質(zhì)變化,,,,,,,11:13:05,83,高表面活性 → 交聯(lián)或吸附性強,D

50、rug / Gene Delivery System 藥物/基因轉(zhuǎn)運系統(tǒng),吸附在細胞膜上,胞吞作用,進入細胞,納米粒-藥物/DNA復(fù)合物,,,,11:13:05,84,納米載體-綠色熒光蛋白報道基因轉(zhuǎn)染細胞,11:13:05,85,,用于檢測或?qū)蚣夹g(shù),11:13:06,86,,BIOMAT 190802MH,11:13:06,87,2.小尺寸效應(yīng),小尺寸效應(yīng)是指由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化。,尺寸變小 +

51、比表面積 ↑↑→新奇的性質(zhì),11:13:06,88,由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時，單獨原子的能級就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的。對介于原子、分子與大塊固體之間的納米顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子/小尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時可以變成

52、絕緣體，磁矩的大小與顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會反常變化，光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的移動，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。,11:13:06,89,（1） 特殊的光學(xué)性質(zhì),納米顆粒當尺寸小到一定程度時具有很強的吸光性。金屬納米顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌％，大約幾微米的厚度就能完全消光。幾乎所有的金屬納米顆粒都可呈現(xiàn)黑色。,,,,11:13:06,90,11:13:06,91,（2） 特殊的磁學(xué)性質(zhì),納米顆粒的磁性與大塊材

53、料的磁性有顯著的不同，磁性納米顆粒具有高矯頑力。當純鐵顆粒尺寸減小到一定程度（二十個納米）時，其矯頑力可顯著增加；尺寸減小到 6nm 時，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。,11:13:06,92,,生物體內(nèi)磁性超微顆粒---生物磁羅盤,11:13:06,93,磁性阿霉素納米粒在磁場中的定向運動,11:13:06,94,11:13:06,95,（3） 特殊的熱學(xué)性質(zhì),固態(tài)物質(zhì)在大尺寸形態(tài)時，其熔點是固定的，超細微化后其熔點將

54、顯著降低，當顆粒小于10納米量級時尤為顯著。,（4）特殊的力學(xué)性質(zhì),呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3～5倍。 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。,11:13:06,96,電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應(yīng)。 納米顆粒的一些宏觀物理量，如顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等，亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。,3. 宏觀量子隧道效應(yīng),11:13:0

55、6,97,（二） 納米材料分類,納米粉末：碳酸鈣，白炭黑，氧化鋅,,納米纖維：納米絲、納米棒、納米管,納米膜： 超薄膜、多層膜、超晶格,納米液體材料,納米塊體: 納米Cu的塊體材料,材料的形態(tài),,,,11:13:06,98,物理性能,納米半導(dǎo)體材料納米磁性材料納米非線性光學(xué)材料納米鐵電體材料納米超導(dǎo)材料納米熱電材料,,11:13:06,99,化學(xué)結(jié)構(gòu),納米金屬納米晶體納米陶瓷納米玻璃納米高分子材料納米復(fù)合

56、材料,,11:13:06,100,應(yīng)用,納米電子材料納米光電子材料納米生物醫(yī)學(xué)材料納米敏感材料納米儲能材料,,11:13:06,101,（三） 納米生物材料的制備,納米顆粒的作用受其尺寸、形貌和結(jié)構(gòu)的影響。不是所有納米尺寸的顆粒都能起作用，納米顆粒的尺寸也不是越小越好；特定的技術(shù)領(lǐng)域需要特定尺寸、大小均一的納米顆粒才能發(fā)揮最佳效果。,11:13:06,102,（四）納米生物醫(yī)用材料及其應(yīng)用,1.細胞分離用納米材料,利用納米復(fù)合粒

57、子性能穩(wěn)定、不與膠體溶液反應(yīng)且易實現(xiàn)與細胞分離等特點,可將納米粒子應(yīng)用于診療中進行細胞分離。,11:13:06,103,美國科學(xué)家用納米SiO2微粒很容易將懷孕8星期左右婦女的血樣中極少量的胎兒細胞分離出來,并能準確地判斷是否有遺傳缺陷；挪威工科大學(xué)的研究人員,利用納米磁性粒子成功地進行了人體骨骼液中腫瘤細胞的分離；利用納米微粒進行細胞分離技術(shù)很可能在腫瘤早期從血液中檢查出癌細胞，實現(xiàn)癌癥的早期診斷和治療。,11:13:06,104,利

58、用不同抗體對細胞內(nèi)各種器官和骨骼組織的敏感程度和親和力的顯著差異,選擇抗體種類，將納米金粒子與預(yù)先精制的抗體或單克隆抗體混合,制備成多種納米金/抗體復(fù)合物。,2.用于細胞內(nèi)部染色的納米材料,11:13:06,105,借助復(fù)合粒子分別與細胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)結(jié)合而形成的復(fù)合物,在白光或單色光照射下呈現(xiàn)某種特征顏色(如10nm的金粒子在光學(xué)顯微鏡下呈紅色),從而給各種組合“貼上”了不同顏色的標簽,因而為提高細胞內(nèi)組織的分辨率提供了一種急需

59、的染色技術(shù)。,11:13:06,106,應(yīng)用不同的材料制備納米顆粒并通過改變其大小和形狀可以改變納米顆粒的光散射性質(zhì)。以此為基礎(chǔ)可制備多種顏色的納米顆粒標簽。改變納米顆粒的形狀不僅可以改變其光散射特征，還可以改變其他特征如產(chǎn)生諧波等。 例如：球形納米銀顆粒不散射紅光，而棱柱形納米銀顆粒卻呈紅色。,11:13:06,107,11:13:06,108,這些不同顏色的納米顆粒標簽表面包被細胞特異性抗體/配體后，可進行組織/細胞染色或標記

60、、疾病的診斷及示蹤技術(shù)。,11:13:06,109,3. 納米藥物控釋材料,納米粒子不但具有能穿過組織間隙并被細胞吸收、可通過人體最小的毛細血管、甚至可通過血腦屏障等特性, 而且還具有靶向、緩釋、高效、低毒且可實現(xiàn)口服、靜脈注射及敷貼等多種給藥途徑。,11:13:06,110,4. 納米抗菌材料及創(chuàng)傷敷料,利用Ａｇ+可使細胞膜上的蛋白失活, 從而殺死細菌。,利用該類材料的光催化作用, 與Ｈ2Ｏ反應(yīng)生成具強氧化性的羥基以殺死病菌,ZnO、

61、TiO2等光觸媒型納米抗菌材料,Ａｇ+系抗菌材料:,11:13:06,111,5.納米顆粒中藥及保健品,納米級中藥粒子 ——可溶于水, 有效提高藥物利用率 ——口服膠囊、口服液或膏藥,納米膠囊或納米粒子懸浮液保健品 —— ↓毒性，↑活性（硒旺膠囊 ）,11:13:06,112,6. 納米醫(yī)用陶瓷,納米陶瓷在人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工齒以及牙種植體、耳聽骨修復(fù)體等人工器官制造及

62、臨床應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。,納米級羥基磷灰石復(fù)合材料,聚酰胺/納米HA晶體生物活性材料ZrO2 的納米羥基磷灰石復(fù)合材料 納米TiO2 /聚合物復(fù)合材料,,11:13:06,113,7.納米生物活性材料,鈣鹽納米ＳｉＯ2/聚合物復(fù)合材料 : 在人體液中放置1周后, 可以觀察到其表面有羥基磷灰石層形成。,含鈦硅的納米復(fù)合材料 ：具有優(yōu)良的透光率、氧氣透過率和吸濕性, 是理想的隱形眼鏡材料。,11:13:06,114,聚氨酯材料 ：

63、因其良好的生物相容性和優(yōu)異的力學(xué)性能常用來制作血管移植物、介入導(dǎo)管、心臟輔助循環(huán)體系及人工心臟等。,納米微孔ＳｉＯ2玻璃 ：可用作微孔反應(yīng)器、功能性分子吸附劑、生物酶催化劑及藥物控釋體系的載體等。,11:13:06,115,在血管中運動的納米機器人，使用納米切割機和真空吸塵器來清除血管中的沉積物。,納米機器人消滅癌細胞虛擬圖,未來應(yīng)用,11:13:06,116,三.納米生物傳感器,納米生物傳感器是納米技術(shù)與生物傳感器的融合，其研究領(lǐng)域涉

64、及到生物技術(shù)、信息技術(shù)、納米科學(xué)、界面科學(xué)等多個重要領(lǐng)域。,11:13:06,117,11:13:06,118,11:13:06,119,11:13:06,120,Company Logo,碳納米管在納米生物傳感器中的應(yīng)用,碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一種由碳六元環(huán)構(gòu)成的類石墨平面卷曲而成的納米級中空管。CNTs具有良好的導(dǎo)電性、催化活性和較大的比表面積，因此被廣泛用于修飾電極的研究。分散性良好的碳納米管

65、在水溶液或丙酮、甲醇等有機溶劑中可觀察到很強的熒光發(fā)射。由于獨特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，碳納米管對周圍的環(huán)境極其敏感，所以可以將其應(yīng)用于化學(xué)傳感器。,11:13:06,121,CNTs在氧化還原酶生物傳感器中的應(yīng)用,酶的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，活性中心通常包埋于酶內(nèi)部，很難實現(xiàn)酶與電極間的直接電子轉(zhuǎn)移。碳納米管具有良好的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和生物兼容性，將酶固定到碳米管表面可以保持酶的生物活性，有效地促進酶與傳感器之間快速、直接的電子轉(zhuǎn)移，提高酶生物傳感器的檢

66、測速度、穩(wěn)定性和使用壽命。應(yīng)用于葡萄糖的檢測中還可應(yīng)用于有機磷類化合物的分析檢測,11:13:06,122,CNTs在DNA生物傳感器中的應(yīng)用,DNA生物傳感器具有靈敏度高、制作簡單和成本較低等優(yōu)勢，近年來在基因檢測和傳染性疾病研究等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。將DNA特有的分子識別功能與碳納米管的優(yōu)良性能相結(jié)合，通過化學(xué)吸附、共價聯(lián)接、靜電吸附等方法將DNA固定在碳納米管上，以期獲得性能更加優(yōu)良的DNA生物傳感器。,11:13:

67、06,123,CNTs在電化學(xué)免疫生物傳感器中的應(yīng)用,電化學(xué)免疫生物傳感器可用于檢測細胞活性、腫瘤細胞標記物和致病微生物等，具有高度特異性、敏感性和穩(wěn)定性。碳納米管共價修飾抗體或其他受體后，不產(chǎn)生細胞毒性，也不會影響抗體或受體的免疫活性，近年來該方法在免疫傳感器方面的應(yīng)用逐漸增加。利用單壁碳納米管制備了高度靈敏的生物傳感器，用于檢測多種癌細胞標記物。碳納米管還可用于檢測植物毒素。,11:13:06,124,膠體金修飾納米免疫傳感器

68、,免疫傳感器是生物傳感器的一種：利用抗原與抗體之間高選擇性分子識別，進行抗體或抗原分析免疫分子的識別組件物理信號轉(zhuǎn)換組件納米結(jié)構(gòu)改進?表面抗體分布可控，具有理想固定方向,11:13:06,125,制備方法：層層組裝在打磨過的金基底上，生長復(fù)合納米結(jié)構(gòu)抗體連接在膠體金上高分子復(fù)合層是“水泥”，膠體金是“鋼筋”,紅色：高分子聚合物PSS 灰色：高分子聚合物PAH藍色：膠體金,11:13:07,126,納米病原微生物檢測,

69、Tan等提出了一項新的生物納米技術(shù)，該技術(shù)是采用生物修飾的納米顆粒，通過熒光信號為基礎(chǔ)的免疫試驗，快速、準確地檢測出單個細菌。他們選擇的是大腸桿菌0157：H7作為檢測細菌，因為它是食物來源腸道感染致病菌的最主要代表。傳統(tǒng)檢測微量細菌的方法需要擴增或是富及樣本中的目標菌，因過程繁瑣而費時費力。該研究中，納米顆粒起到極強的信號放大作用，細菌眾多的表面抗原可供抗體修飾的納米顆粒識別與結(jié)合，所以每一個細菌表面將結(jié)合數(shù)以千計的納米顆粒，從而提