4 生物传感器

学习笔记
作者: MingXiao

是一类特殊的化学量传感器，感受生物颗粒，有生物识别元件

4.1 概述

原理

  • 待测物扩散至功能表面
  • 敏感元件与待测物发生相互作用，引起表面性质的变化
  • 换能器换能

分类

  • 根据生物识别元件
    • 酶；免疫；核酸；细胞；组织
  • 根据信号转换方式
    • 光电；压电；半导体

发展历史

  • 催化代谢型：被测分子与敏感元件上的发生反应，检测产物
    • 代表：血糖监测
  • 亲和型：利用被测分子和敏感元件的生物亲和作用
    • 代表：SPR传感器

生物传感器的特性：取决于生物识别元件的特性

  • 选择性，特异性，敏感性：高
  • 稳定性和重复性：不足

生物传感器的关键技术

  • 生物材料的固定化：与载体结合，形成不溶于水的生物功能膜，要求与传感元件之间有良好的耦合
    • 脂膜包埋：通常采用一个半透膜对生物识别元件与待测物进行隔离，而传感元件则与识别元件紧密贴近。
    • 物理吸附：依赖于范德华力、疏水作用力、氢键及离子作用力将生物材料贴附在传感器表面。
    • 基质吸附：往往采用多孔材料在生物材料四周形成孔内镶联基质，并将其与传感器连接。
    • 共价结合：利用可供生物材料连接的活性基团对传感器表面进行修饰，最终通过共价结合的方式将其固定在传感器表面。

4.2 酶传感器

结构：固定化酶膜，基体电极

原理：酶促反应，产物用于检测

检测范围

  • 将待测物转化为可被传感器检测的产物
  • 检测可作为酶抑制剂/激活剂的物质
  • 评价修饰后的酶与待测物反应的特性

酶的固定：关键环节

  • 基于载体的酶固定化：吸附法；化学交联；共价结合；物理包埋；但是有位阻，会减弱酶的作用
  • 无载体酶固定技术：克服位阻
  • 酶的定向固定化：共价固定；氨基酸置换；抗体耦联；疏水定向固定；生物素-亲和素

4.2.1 葡萄糖检测

酶催化反应为
\[ C_6H_{12}O_6+O_2 \overset{GOD}{\longrightarrow} C_6H_{10}O_6 +H_2O_2 \]
将葡萄糖氧化酶固定在膜上，利用产生的过氧化氢进行进一步检测

具体的检测电极有：Clark氧电极和过氧化氢电极（反应电极都是铂电极）

氧电极葡萄糖传感器

结构：铂电极（-0.6V，阴极），Ag/AgCl电极（+0.6V，阳极）；特氟龙膜将电极与反应腔隔离

原理：电极对氧的响应电流反应葡萄糖含量
\[ 2H^+ + O_2+2e^- \rightarrow H_2O_2\\ H_2O_2+2H^++2e^- \rightarrow 2H_2O \]

这两个反应都发生，上面的是酶促反应，下面的是还原反应，合起来，消耗一个\(O_2\)转移\(4e^-\)

过氧化氢葡萄糖传感器

结构：铂电极（+0.6V，阳极），Ag/AgCl电极（-0.6V，阴极）

原理：电极对过氧化氢的响应电流
\[ H_2O_2 \rightarrow H_2O+O_2+2e^- \]
缺点：正电压易将其他物质氧化；易受环境中氧分压波动的影响；响应时间长且难以活体分析；灵敏度不高

为什么反应慢？氧化还原酶的结构特点阻碍反应中心和电极表面的电子转移和还原性辅酶的有效循环

介体型酶传感器：普遍采用的第二代酶生物传感器，介体取代了氧/过氧化氢的电子传递

促进电子传递过程；加快电极反应；降低工作电位；排除其他活性物质干扰

直接电催化葡萄糖传感器：第三代

三代的差别：电子供给方式

4.3 免疫传感器

主要就是抗原-抗体反应，结合力是非共价力

结构：免疫识别，信号转换

抗原抗体的固定

  • 生物素-亲和素自组装膜法：利用金原子和巯基的金硫键自组装，结合力很强
  • 戊二醛交联法
  • 蛋白A共价连接

4.3.1 电化学免疫传感器

非标记的传感器，也就是样品不需要孵育

将抗原/抗体固定在电极表面，当产生结合时，引起电容/电阻变化，电学特性改变是更好检测的，最终导致膜电位改变

4.3.2 酶联免疫吸附测定（ELISA）

这里酶的作用是催化，放大信号

第一步加入样品，里面的抗原被抗体1结合

第二步洗脱无关信息，需要用力甩

第三步加入另一个带有酶的抗体2，与结合了抗原的抗体1形成夹心结构

第四步洗脱未固定的抗体2，加入酶的底物

检测酶促反应的产物量进行抗原评估（信号放大）

问题在于，流程复杂且需要人工介入，方差很大（非均相）

4.3.3 电化学发光免疫分析（ECL）

也是夹心结构，区别是这里有磁珠，可以自动化，不需要人工介入，方差小（均相）

检测发光强度来确定被测物浓度

4.3.4 SPR传感器

用于结合动力学检测，根据共振角变化

原理在Research里，我可能不会发布

优点：高灵敏，无标记，原位，动态

4.3.5 DNA电化学传感器

核酸分子探针进行核酸分子杂交

4.3.6 COVID-19检测

无非是对特异的生物分子进行检测：核酸，蛋白质，抗体

  • 核酸
    • RT-PCR：先逆转录为cDNA，然后进行扩增
    • CRISPR-Cas
  • 蛋白质
    • ELISA
    • LFIA：也就是胶体金试纸的原理，侧向流动层析，带动抗体（有标记物），与检测线形成夹心结构（夹目标物），与控制线（标记物的抗体）必须要结合
  • 抗体
    • ELISA，LFIA
    • SVN：在体外将病毒和样品混合，若样品中有抗体，那么病毒会失去致病力（接种到敏感个体检测）

4.4 细胞与组织传感

整个细胞/组织传感的优势：更接近生理环境；某些分子（膜蛋白等）无法提取

分类：

  • 代谢型：检测细胞代谢产物，如胞外酸化率，离子代谢等
  • 接触式：测量细胞与电极界面性质的改变，如阻抗传感器，电生理传感器等；关键是细胞与电极界面的耦合
  • 类器官：3D的细胞培养物，包含代表器官的一些关键特征

4.5 新型传感技术

  • 纳米生物医学传感：至少有一维在纳米尺度内
  • 穿戴式生物医学传感
  • 仿生生物学传感
  • 微流控分析芯片


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