《现代传感技术与系统》课件第三章(3-4).ppt

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1、3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 生生物物体体细细胞胞间间的的联联系系是是通通过过神神经经末末梢梢的的蛋蛋白白质质进进行行的的。它它嵌嵌入入细细胞胞膜膜表表面面，用用于于信信息息分分子子的的选选择择性性辨辨识识。相相对对而而言言，嗅嗅觉觉和和味味觉觉中中的的分分子子辨辨识识则则主主要要通通过过分分子子的的无无选选择择性性接接收收以以及及随随后后在在神神经经网网络络中中进进行行的的模模式式识识别别所所决决定定。生生物物传传感感器器是是模模仿仿生生物物催催化化、生生物物吸吸附和味觉、嗅觉这些生物机理设计的。附和味觉、嗅觉这些生物机理设计的。第三章(3)1智能传感与信息系

2、统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器1.1.生物系统的分子识别机理生物系统的分子识别机理 胰胰导导素素类类的的荷荷尔尔蒙蒙分分子子是是通通过过遍遍布布全全身身的的特特殊殊细细胞胞分分泌泌的的，这这种种分分子子的的作作用用是是从从正正在在分分泌泌的的细细胞胞到到特特殊殊的的目目标标细细胞胞之之间间传传递递相相应应信信息息。通通过过这这些些信信息息分分子子的的交交换换，在在生生物物系系统统实实现现了了细细胞间的通讯。胞间的通讯。另另一一种种细细胞胞间间的的联联系系产产生生于于神神经经突突触触(synapse)synapse)，即即神神经经元元之之间间的的结结点点。神神经经

3、末末梢梢分分泌泌神神经经传传递递分分子子。因因为为相相邻邻神神经经元元之之间间通通过过3 3nmnm的的气气隙隙连连接接，分分泌泌的的神神经经传传递递物物质质扩扩散散至至相相邻邻的的神神经元从而实现信息的传送。经元从而实现信息的传送。第三章(3)2智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 上上述述过过程程清清楚楚地地表表明明了了实实现现生生物物间间信信息息传传递递的的基基本本要要求求是是分分泌泌、传传输输以以及及分分子子信信息息的的接接收收机机制制。在在这这些些机机制制中中，接接收收机机制制是是最最重重要要的的。在在接接收收机机理理中中，每每一一个个特特殊

4、殊的的分分子子信信息息被被选选择择性性地地识识别别。能能在在目目标标细细胞中分辨相应分子信息的是接收体蛋白质。胞中分辨相应分子信息的是接收体蛋白质。在在接接收收体体分分子子合合成成方方面面，生生物物学学的的飞飞速速发发展展已已经经给给我我们们提提供供了了一一个个清清楚楚的的脉脉络络。有有几几种种通通过过它它们们的的结结构构进进行行的的分分类类和和阐阐述述。第第一一类类是是与与离离子子通通道道相相关关的的接接收收器器，对对应应的的配配体体分分子子被被分分辨辨出出来来，紧紧接接着着通通过过离离子子门门的的不不同同开开或或关关方方式式的的感感应应，在在接接收收端端的的特特殊殊点点偶偶合合。神神经经传

5、传递递型型的的接接收收器器也也可可归归于于这这一一类类。第第二二类类由由与与G G蛋蛋白白相相关关的的接接收收器器构构成成，第三类则包括磷活化酶相关的接收器。第三类则包括磷活化酶相关的接收器。第三章(3)3智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 虽虽然然还还有有一一些些其其它它的的接接收收器器分分类类，应应当当记记住住的的是是，分分子子信信息息在在接接收收蛋蛋白白质质的的特特殊殊点点被被识识别别后后，接接收收器器蛋蛋白白质质感感应应构构造造的的变变化化导导致致了了输输入入信信息息的的放放大大感感应应，由由临临近近蛋蛋白白质质分分子子汇汇编编完完成成。这这

6、些些分分子子辨辨识识机机理理给给我我们们提提供供了了一一个个用用于于实实现现分分子子辨辨识识的的生生物物传传感感器器的的设设计计原原则。则。第三章(3)4智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 用用于于嗅嗅觉觉和和味味觉觉传传感感的的分分子子辨辨识识机机制制与与生生物物系系统统的的机机制制有有相相当当大大的的差差别别。有有些些味味道道和和气气味味是是通通过过鼻鼻子子和和舌舌头头上上的的接接收收细细胞胞被被识识别别的的。这这些些分分子子的的辨辨识识机机理理应应当当对对应应于于荷荷尔尔蒙蒙和和其其他他神神经经传传递递的的机机理理。然然而而，许许多多接接受受细

7、细胞胞对对各各种种各各样样的的分分子子都都有有反反应应，这这些些接接收收细细胞胞将将信信息息传传送送到到连连接接的的神神经经网网络络，然然后后，输输入入信信息息通通过过神神经经元元网网络络以以及及最最终终在在大大脑脑中中某某一一特特殊殊区区域域的的映映射射得得以以处处理理。大大脑脑可可通通过过模模式式识识别别辨辨别别出出每每一一种种气气味味和和味味道道，这这可可能是因为神经元网络具有一个充分的学习过程。能是因为神经元网络具有一个充分的学习过程。目目前前关关于于人人工工鼻鼻和和人人工工舌舌的的研研究究方方向向已已集集中中在在与与神神经经网网络络相连的分子辨识机制的模拟方面。相连的分子辨识机制的模

8、拟方面。第三章(3)5智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器2.2.用于分子辨用于分子辨识识的生物的生物传传感器感器设计设计原理原理 图图3.3.63.3.6表表明明了了设设计计用用于于分分子子识识别别的的生生物物传传感感器器的的两两种种方方式式。一一种种是是实实施施一一个个面面向向特特定定目目标标的的接接收收器器蛋蛋白白质质的的选选择择，另另一一种种则是非特定接收器和神经网络的集成。则是非特定接收器和神经网络的集成。面面向向特特定定目目标标型型生生物物传传感感器器早早在在19701970年年以以后后就就受受到到充充分分的的关关注注。这这种种类类型型生生

9、物物传传感感器器的的最最重重要要部部分分是是用用于于分分子子辨辨识识的的装装有有生生物物材材料料的的接接收收器器。有有两两组组生生物物材材料料可可用用于于接接收收器器：以以酶酶为为代代表表的的生生物物催催化化物物质质和和包包括括抗抗体体与与连连接接蛋蛋白白质质在在内内的的生生物物吸吸附附物质。物质。第三章(3)6智能传感与信息系统第三章(3)7智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 生生物物催催化化物物质质能能够够识识别别相相应应的的本本原原分分子子以以及及随随后后的的即即时时分分裂裂所所产产生生的的复复合合转转换换形形式式。因因此此生生物物传传感感器器

10、的的信信号号传传输输部部件件应应该该以以这这样样一一种种方方式式设设计计：或或者者将将一一个个复复合合型型转转换换状状态态、或或者者将将一一个个产产物物变变换换为为输输出出信信号号。变变换换的的信信号号可可以以引引入入电电流流表表、电电压压表表，光光、热热或或者者压压电电声声学学的的装装置置。这这种种类类型型的的传传感感器器通通常常由由固固定定在在信信号号转转换换装装置置表表面面的的生生物物催催化化物物质质构构成成。特特定定分分子子的的识识别别完完全全通过接收器实现。通过接收器实现。生生物物吸吸附附型型传传感感器器的的设设计计方方法法与与生生物物催催化化传传感感器器类类似似。由由于于强强烈烈的

11、的吸吸附附性性，生生物物吸吸附附物物质质形形成成了了一一种种非非常常稳稳定定的的与与特特定定目目标标对对应应的的复复合合体体。这这样样，在在分分子子辨辨识识中中，关关键键的的问问题题是是怎怎样样防防止非特定的相互影响和污染结果的产生。止非特定的相互影响和污染结果的产生。第三章(3)8智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 关关于于非非特特定定目目标标接接收收器器的的生生物物传传感感器器，可可对对一一定定范范围围内内的的分分子子产产生生响响应应。许许多多络络合合物物质质及及生生物物体体可可以以作作为为非非特特定定型型接接收收器器工工作作。这这些些物物质质根

12、根据据每每一一类类设设定定目目标标分分子子的的反反映映特特性性，以以略略微微不不同同的的方方式式对对其其作作出出响响应应。通通常常需需使使用用几几种种非非特特定定型型接接收收器器去去分辨某一种特定的气味或味道。分辨某一种特定的气味或味道。每每种种非非特特定定接接收收器器与与一一个个信信号号交交换换装装置置成成对对配配置置。整整个个传传感感系系统统由由多多段段组组合合了了具具有有不不同同特特性性的的非非特特定定接接收收器器组组成成，对对特特定的分子来说，这些分段的输出信号可能是不相同的。定的分子来说，这些分段的输出信号可能是不相同的。传传感感部部分分的的输输出出信信号号被被传传输输到到神神经经元

13、元网网络络，经经学学习习之之后后，借借助助于于接接收收器器的的非非特特定定识识别别和和神神经经元元网网络络的的模模式式识识别别，整整个个传传感系统就可以区分识别特定的分子了。感系统就可以区分识别特定的分子了。第三章(3)9智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器.用于分子辨识的生物催化传感器用于分子辨识的生物催化传感器 生生物物催催化化型型生生物物传传感感器器由由两两部部分分组组成成，分分别别完完成成分分子子辨辨识识和和信信号号变变换换的的功功能能。酶酶是是这这类类传传感感器器最最通通用用的的分分子子辨辨识识部部件件，通通过过在在多多点点的的特特定定交交互

14、互作作用用以以及及随随之之而而来来的的特特殊殊催催化化反反应应，酶酶的的催催化化作作用用被被精精心心设设计计以以辨辨识识对对应应的的基基原原物物质质。在在生生物物催催化化传传感感器器中中，特特定定的的分分子子是是通通过过催催化化物物质质识识别别的的。特特定定分分子子在在催催化化物物质质的的活活性性面面形形成成了了复复合合变变换换形形态态，这这又又随随之之导导致致了了复复合合物物的的分分解。解。第三章(3)10智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 分分子子辨辨识识之之后后是是和和用用电电化化学学、光光、热热或或者者声声学学装装置置实实施施的的信信号号转转

15、换换。因因为为生生物物催催化化作作用用常常伴伴随随着着这这些些领领域域中中的的参参量量变变化化，所所以以生生物物催催化化型型的的生生物物传传感感器器可可分分为为：电电化化学学、光光学学、热热学学和和声学传感四类，主要取决于它们的信号转换原理。声学传感四类，主要取决于它们的信号转换原理。用用酶酶之之类类的的生生物物催催化化物物质质进进行行分分子子辨辨识识，辨辨识识对对象象限限定定于于酶酶反反应应物物和和其其它它一一些些物物质质。目目前前已已应应用用的的例例证证大大概概有有：葡葡萄萄糖糖、果果糖糖、蔗蔗糖糖；谷谷氨氨酸酸、亮亮氨氨酸酸、丙丙氨氨酸酸；胆胆固固醇醇、神神经经脂脂类；尿素和三磷酸腺苷类

16、；尿素和三磷酸腺苷(ATP Adenosine triphosphate)等。等。第三章(3)11智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 用于葡萄糖识别的生物催化传感器用于葡萄糖识别的生物催化传感器 葡葡萄萄糖糖是是通通过过葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶识识别别的的。氧氧化化酶酶催催化化了了葡葡萄萄糖糖的的氧氧化化作作用用，产产生生了了糖糖化化酯酯类类和和过过氧氧化化氢氢。葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶能能严严格格地地从其它分子中分辨出从其它分子中分辨出-D-D-葡萄糖。葡萄糖。对对于于葡葡萄萄糖糖的的选选择择性性测测定定，有有几几种种信信号号传传输输机机理理：从从

17、过过氧氧化化氢氢或或氧氧分分子子转转换换为为电电流流信信号号；从从葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶的的电电子子传传输输获获取取电电流信号以及通过场效应管获取电压信号流信号以及通过场效应管获取电压信号第三章(3)12智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 关关于于第第一一种种情情况况，过过氧氧化化氢氢或或氧氧分分子子可可分分别别在在压压控控电电极极表表面面通通过过电电化化学学中中的的氧氧化化或或还还原原作作用用定定量量地地测测定定。电电极极表表面面通通常常为为选选择择性性的的高高分分子子复复合合膜膜覆覆盖盖以以避避免免干干扰扰。由由复复合合膜膜键键合合的的葡葡萄萄

18、糖糖氧氧化化酶酶固固定定在在电电极极表表面面的的复复合合膜膜上上，试试验验溶溶液液贯贯穿穿传传感感器器的的含含酶酶的的膜膜之之后后，只只有有-D-D-葡葡萄萄糖糖被被选选择择性性地地转转换换成成含含酶酶膜膜内内的的糖糖化化酯酯类类，这这样样导导致致了了相相邻邻复复合合膜膜中中过过氧氧化化氢氢的的增增加加和和氧氧分分子子的的减减少少，进进而而这这种种变变化化迅迅速速地地反反映映在在输输出出电电极极上上。所所以以，通通过过最最终终的的电电流流测定，生化传感器就能实现对葡萄糖的测量。测定，生化传感器就能实现对葡萄糖的测量。第三章(3)13智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子

19、识别的生物传感器 安安培培表表型型的的葡葡萄萄糖糖传传感感器器早早在在7070年年代代中中期期就就已已投投入入商商业业化化应应用。主要用来进行血糖诊断和食品分析。用。主要用来进行血糖诊断和食品分析。尽尽管管葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶对对葡葡萄萄糖糖几几乎乎有有完完美美的的选选择择性性，但但当当它它暴暴露露于于整整个个血血液液中中时时，选选择择测测定定有有时时会会受受到到血血液液成成份份的的干干扰扰。为为保保护护生生物物传传感感器器免免受受整整个个血血液液的的污污染染已已采采取取了了一一些些改改进进措措施施。但但无无论论如如何何，在在使使用用葡葡萄萄糖糖传传感感器器对对在在线线活活体体进进行行血血

20、糖糖的的连连续续监监测测时，仍存在的严重问题是对传感器表面体液成分的适应性。时，仍存在的严重问题是对传感器表面体液成分的适应性。第三章(3)14智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 关关于于第第二二种种情情况况，在在生生物物催催化化反反应应中中，葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶通通过过葡葡萄萄糖糖的的氧氧化化作作用用减减少少，葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶的的减减少少形形式式通通过过转转移移电电子子到到溶溶解解氧氧的的方方式式再再产产生生氧氧化化物物，导导致致过过氧氧化化氢氢的的产产生生。电电极极可可以以代代替替氧氧作作为为电电子子接接收收器器工工作作。如如果果葡葡

21、萄萄糖糖氧氧化化物物的的减减少少形形式式能能表表现现为为电电子子向向电电极极方方向向的的转转移移，那那么么通通过过测测量量氧氧化化作作用用的的生生成电流，就可以实现葡萄糖的测定。成电流，就可以实现葡萄糖的测定。第三章(3)15智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 由由于于葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶的的空空间间排排列列位位阻阻障障碍碍，直直接接把把电电子子从从葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶转转移移到到电电极极是是不不容容易易的的。为为此此，有有人人提提出出了了所所谓谓的的“分分子子界界面面”方方法法以以促促进进生生化化酶酶和和电电极极表表面面间间的的电电子子移移

22、动动。分分子子界界面面是是电电子子中中介介、传传导导聚聚合合体体和和传传导导有有机机盐盐。分分子子界界面面的的葡葡萄糖氧化酶使葡萄糖在氧化减少的时候电子的移动变得顺和。萄糖氧化酶使葡萄糖在氧化减少的时候电子的移动变得顺和。电电子子移移动动型型的的葡葡萄萄糖糖传传感感器器在在构构成成和和特特性性上上有有一一些些强强于于过过氧氧化化氢氢和和氧氧电电极极型型传传感感器器的的优优点点，包包括括传传感感器器结结构构的的简简化化和和它它在在平平面面技技术术方方面面的的处处理理能能力力。出出于于这这些些优优点点，这这类类简简易易型型的的葡葡萄萄糖传感器已经批量生产并投入商业化应用。糖传感器已经批量生产并投入

23、商业化应用。第三章(3)16智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 一一个个简简易易型型葡葡萄萄糖糖传传感感器器可可采采用用网网板板印印刷刷技技术术，在在一一个个塑塑料料盘盘上上铺铺衬衬碳碳糊糊，然然后后将将另另一一层层含含酶酶聚聚合合体体网网板板铺铺衬衬在在碳碳糊糊电电极极上上。所所需需的的电电子子中中介介物物可可混混合合在在碳碳糊糊中中。配配合合这这些些网网板板处处理理，还应考虑欧姆关联网络和封装的形式。还应考虑欧姆关联网络和封装的形式。现现在在，只只有有信信用用卡卡大大小小的的葡葡萄萄糖糖分分析析仪仪已已经经广广泛泛地地用用于于个个人人血血糖糖监监

24、测测。使使用用这这种种传传感感器器芯芯片片，仅仅仅仅一一滴滴血血就就足足以以实实现现血血糖检测了。糖检测了。第三章(3)17智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 第第三三种种情情况况，由由场场效效应应管管获获取取电电位位信信号号。对对PHPH值值敏敏感感的的场场效效应应管管可可在在葡葡萄萄糖糖传传感感器器中中作作为为信信号号转转换换装装置置使使用用。这这是是因因为为生生物物催催化化反反应应造造成成质质子子密密度度的的增增加加，对对PHPH值值敏敏感感的的场场效效应应管管的的门门开开关关表表面面上上形形成成一一个个葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶层层。这这样样通

25、通过过传传感感器器输输出出信号的变化，就可以识别葡萄糖了。信号的变化，就可以识别葡萄糖了。测试溶液的缓冲作用会引起传感器的延迟响应，这是应当测试溶液的缓冲作用会引起传感器的延迟响应，这是应当注意避免的。注意避免的。第三章(3)18智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 用于乙醇识别的生物催化传感器用于乙醇识别的生物催化传感器 乙乙醇醇可可由由一一些些特特殊殊来来源源的的酒酒精精脱脱氢氢酶酶有有选选择择性性地地加加以以识识别别。这这些些酒酒精精脱脱氢氢酶酶与与共共生生因因子子烟烟酰酰胺胺腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸（NAD NAD nicotinamide

26、nicotinamide adenine adenine dinucleotidedinucleotide）相相关关，而而后后者者不不能能牢牢固固地地固固定定在在酶酶的的活活跃跃位位置置，为为此此把把酒酒精精脱脱氢氢酶酶和和NADNAD装装入入传传感感装装置置内内是是很很困困难难的的。目目前前尚未有这类可行的乙醇生化传感器。尚未有这类可行的乙醇生化传感器。第三章(3)19智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 然然而而，人人们们在在和和用用电电化化学学过过程程构构造造一一个个生生物物催催化化乙乙醇醇传传感感器器方方面面却却取取得得了了显显著著的的进进展展

27、。这这一一方方法法是是将将镀镀铂铂电电极极浸浸入入含含有有酒酒精精脱脱氢氢酶酶的的溶溶液液中中，脱脱氢氢酶酶与与麦麦尔尔多多拉拉蓝蓝（meldolameldolas s blueblue）合合成成然然后后转转化化为为含含吡吡咯咯（pyrrolepyrrole）的的溶溶液液。吡吡咯咯的的电电化化学学聚聚合合开开始始于于电电极极的的恒恒定定电电位位，而而当当吡吡咯咯膜膜厚厚度度到到达达要要求求数数值值时时聚聚合合反反应应停止。然后吡咯酶键合膜由透气性聚合膜覆盖。停止。然后吡咯酶键合膜由透气性聚合膜覆盖。第三章(3)20智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器

28、乙乙醇醇或或以以气气态态或或以以液液态态渗渗透透薄薄膜膜，并并且且由由酒酒精精脱脱氢氢酶酶键键合合膜膜来来识识别别。在在酶酶的的活活跃跃点点经经过过酒酒精精脱脱氢氢酶酶，电电子子从从乙乙醇醇转转移移到到NADNAD。其其结结果果是是NADNAD的的减减小小。在在减减小小的的NADNAD表表现现形形式式与与电电极极之之间，麦尔多拉蓝与吡咯形成了一个电子传输网络。间，麦尔多拉蓝与吡咯形成了一个电子传输网络。乙乙醇醇是是在在固固定定电电位位下下通通过过电电流流测测量量选选择择性性确确定定的的。这这种种传传感器在气相和液相状态下都能工作。感器在气相和液相状态下都能工作。这这种种生生物物传传感感原原理理

29、已已用用来来构构筑筑用用于于丙丙氨氨酸酸、白白氨氨酸酸和和其其他类似的物质检测，因为这些特定分子是与他类似的物质检测，因为这些特定分子是与NADNAD辅酶相关的。辅酶相关的。第三章(3)21智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 用于三磷酸腺苷（用于三磷酸腺苷（ATPATP）识别的生物催化传感器识别的生物催化传感器 ATPATP是是由由ATPATP酶酶和和荧荧火火虫虫的的莹莹光光酶酶选选择择性性辨辨识识的的。ATPATP酶酶催催化化ATPATP的的分分解解，生生成成二二磷磷酸酸腺腺苷苷（ADPADP），当当荧荧光光和和ATPATP出出现现时时，荧荧光光酶

30、酶产产生生冷冷光光，因因为为具具有有与与ATPATP极极为为密密切切的的相相关关性性，荧荧火火虫虫的荧光酶是非常合适的高敏感性的荧光酶是非常合适的高敏感性ATPATP测量介质。测量介质。用用于于ATPATP识识别别的的ATPATP酶酶基基生生物物传传感感器器已已通通过过固固定定型型ATPATP酶酶与与热热电电阻阻偶偶合合的的方方式式得得以以实实现现。因因为为热热是是通通过过生生物物催催化化反反应应定定量量产生的，产生的，ATPATP酶对酶对ATPATP的识别是经由热电阻转化的。的识别是经由热电阻转化的。此此外外，荧荧火火虫虫的的莹莹光光酶酶是是通通过过光光纤纤或或光光导导与与光光计计数数器器或

31、或光电二极管偶合的。光电二极管偶合的。第三章(3)22智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器4 4用于分子辨识的生物吸附传感器用于分子辨识的生物吸附传感器 用于同类免疫测试的光学免疫传感器用于同类免疫测试的光学免疫传感器 免免疫疫传传感感器器的的选选择择性性可可能能是是基基于于抗抗体体的的选选择择性性分分子子辨辨识识。源源于于抗抗体体对对相相应应抗抗原原的的极极高高的的吸吸附附性性，免免疫疫测测试试技技术术通通常常可可提提供供高高度度的的选选择择性性。然然而而，如如果果没没有有明明显显合合适适的的标标记记，取取得得高高灵灵敏敏度度从从技技术术上上来来说说

32、是是很很困困难难的的。象象酶酶这这样样的的标标记记可可在在化化学学放放大大的的基基础础上上，大大大大提提高高选选择择性性。这这样样，为为获获得得最最终终的的高高灵灵敏敏度度，各种标记已经与免疫传感器结合起来。各种标记已经与免疫传感器结合起来。第三章(3)23智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 尽尽管管标标记记可可以以为为免免疫疫传传感感器器提提供供较较高高的的灵灵敏敏度度，通通常常需需要要一一个个包包括括了了自自由由键键合合（B-F B-F）分分离离在在内内的的较较长长的的过过程程。相相对对而而言言，同同类类免免疫疫测测试试却却不不需需要要B-FB-

33、F分分离离过过程程，因因为为标标记记的的自自由由形形式式与与它它的的键键合合形形式式在在物物理理特特性性上上是是有有所所不不同同的的。这这样样用用于于同同类类免免疫疫测测试试的的免免疫疫传传感器的实现就没有了机制上障碍。感器的实现就没有了机制上障碍。第三章(3)24智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 在在多多种种标标记记中中，光光学学标标记记在在实实现现这这种种同同类类免免疫疫传传感感中中似似乎乎具具有有更更多多的的优优点点。某某些些原原理理已已经经为为两两类类很很好好的的免免疫疫传传感感器器例例证证所所证证实实。一一种种是是基基于于荧荧光光的的标标

34、记记，光光纤纤的的核核心心为为一一抗抗体体层层所所修修改改调调整整，被被标标记记的的抗抗原原与与需需在在溶溶液液中中测测定定的的自自由由抗抗原原是是同同时时出出现现的的。标标记记抗抗原原与与自自由由抗抗原原争争着着与与固固定定抗抗体体发发生生反反应应。如如果果激激励励光光束束穿穿过过光光纤纤，一一瞬瞬时时波波贯贯穿穿核核外外表表面面附附近近，贯贯穿穿深深度度限限于于两两个个或或三三个个蛋蛋白白质质分分子子的的长长度度。这这样样，附附着着在在核核固固定定抗抗体体表表面面的的标标记记应应当当为为瞬瞬时时波波所所激激发发，标标记记的的键键合合形形式式和和自自由由形形式式就就可可以区分出来。这一类的免

35、疫传感器有望在不远的将来推出。以区分出来。这一类的免疫传感器有望在不远的将来推出。第三章(3)25智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 同同类类免免疫疫传传感感器器还还有有基基于于另另一一原原理理的的方方案案设设想想：传传感感器器由由光光纤纤电电极极组组成成，光光纤纤端端点点外外附附透透明明的的铂铂制制薄薄膜膜，用用于于免免疫疫测测试试的的标标记记在在电电极极表表面面发发生生电电化化学学反反应应时时产产生生电电化化学学荧荧光光，标标记记抗抗原原与与自自由由抗抗原原都都加加入入到到包包含含相相应应抗抗体体的的溶溶液液中中竞竞先先形形成成免免疫疫综综合合体

36、体，当当合合适适的的电电压压施施加加于于电电极极时时，只只有标记的自由形式能产生电化学荧光。有标记的自由形式能产生电化学荧光。第三章(3)26智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 电电化化学学荧荧光光免免疫疫传传感感器器亦亦已已制制造造出出样样品品：光光纤纤的的端端部部通通过过溅溅喷喷在在其其表表面面形形成成了了铂铂制制透透明明电电极极。光光纤纤电电极又与光计数器和具功能发生器的恒压源相连。极又与光计数器和具功能发生器的恒压源相连。用用于于标标记记的的可可能能候候选选材材料料包包括括芘芘(pyrenepyrene)、氨氨基基苯苯二二酰酰一一肼肼（lum

37、inolluminol）和和荧荧光光素素(luciferinluciferin)等等荧荧光光物物质质。其其中中氨氨基基苯苯二二酰酰一一肼肼对对于于构构筑筑一一个个同同类类免免疫疫测测试试系系统统表表现现出出完完美美的的特特性性。它它的的电电激激发发化化学学荧荧光光特特性性在呈中性在呈中性PHPH值的特殊领域应用已获深入的研究。值的特殊领域应用已获深入的研究。第三章(3)27智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 在在中中性性溶溶液液中中的的氨氨基基苯苯二二酰酰一一肼肼的的差差动动脉脉冲冲电电压压显显示示出出尖尖锐锐的的阳阳极极峰峰值值，这这可可能能源源于

38、于它它的的氧氧化化过过程程。如如果果在在不不同同周周期期的的差差动动电电压压显显示示中中，电电极极电电位位先先保保持持为为高高于于峰峰值值电电位位之之上上的的正正电电压压值值，然然后后再再转转变变成成为为相相反反的的负负电电位位，那那么么，当当溶溶解解的的氧氧被被清清除除时时，就就可可探探测测到到荧荧光光。由由此此我我们们可可总总结结出出：从从溶溶解解氧氧中中经经电电化化学学过过程程产产生生的的过过氧氧化化氢氢，激激发发了了氨氨基基苯苯二二酰酰一一肼肼的的活活跃跃组组份发射光子。份发射光子。第三章(3)28智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 在在存存

39、在在过过氧氧化化氢氢的的正正电电位位的的条条件件下下，明明显显地地产产生生了了氨氨基基苯苯二二酰酰一一肼肼的的电电激激发发化化学学荧荧光光。过过氧氧化化氢氢表表现现出出显显著著的的氨氨基基苯苯二二酰酰一一肼肼荧荧光光的的增增强强作作用用。在在此此基基础础上上，可可从从一一个个维维持持在在+0.75+0.75V V电电位位的的银银/氯氯化化银银电电极极上上获获得得氨氨基基苯苯二二酰酰一一肼肼的的电电激激发发荧荧光光,过过氧氧化化氢氢的的浓浓度度加加至至2 2mMmM。荧荧光光密度与氨基苯二酰一肼的浓度对应，检测下限是密度与氨基苯二酰一肼的浓度对应，检测下限是1010-12-12M M。同同类类免

40、免疫疫测测试试是是以以光光学学免免疫疫传传感感器器实实现现的的，定定量量的的氨氨基基苯苯二二酰酰一一肼肼标标记记的的抗抗原原加加入入到到包包含含被被测测抗抗原原的的样样本本溶溶液液中中，加加入入抗抗体体之之后后，和和用用光光纤纤电电极极，通通过过对对标标记记的的电电激激发发化化学学荧荧光光的的测测定定，实实现现溶溶液液的的培培育育和和分分析析。免免疫疫复复合合型型标标记记发发射射的的荧荧光光可可忽忽略略不不计计，这这样样全全部部荧荧光光都都可可归归咎咎于于自自由由标标记记。例例如如，通通过过这这种种方方式式，可可在在1010-12-121010-8-8M M的的浓浓度度范范围围，测定抗免疫球蛋

41、白测定抗免疫球蛋白G G的抗体。的抗体。第三章(3)29智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器用用于于抗抗癌癌与与抗抗病病毒毒基基因因识识别别的的DNADNA相相干干作作用用特特征征辨辨识识的电化学荧光传感的电化学荧光传感 三三羟羟钌钌菲菲咯咯啉啉（phenanthrolinephenanthroline）基基于于电电化化学学反反应应产产生生电电化化学学荧荧光光。若若存存在在草草酸酸盐盐，荧荧光光会会显显著著地地增增强强。最最近近的的研研究究表表明明，可可将将菲菲咯咯啉啉配配体体置置于于DNADNA双双螺螺旋旋体体基基对对之之间间。由由于于受受到到DNA

42、DNA分分子子空空间间排排列列的的阻阻碍碍，钌络合物位于钌络合物位于DNADNA的主轨道内不发射荧光。的主轨道内不发射荧光。第三章(3)30智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 因因为为钌钌络络合合物物的的电电化化学学荧荧光光可可象象感感应应探探针针那那样样工工作作，不不少少科科研研人人员员正正对对其其进进行行深深入入的的研研究究以以探探讨讨用用于于DNADNA与与抗抗病病毒毒或或抗抗癌癌药药物物组组合合的的模模式式问问题题。将将钌钌络络合合物物与与各各种种浓浓度度的的DNADNA混混合合，并并测测试试混混合合物物的的荧荧光光。伴伴随随着着DNADNA

43、的的数数量量增增加加（从从1 1直直到到2020MM），钌钌络络合合物物荧荧光光在在减减少少，当当钌钌络络合合物物与与DNADNA键键合合时时，它它与与电电极极间间的的电电子子转转移移被被DNADNA分分子子的的空空间间排排列列所所阻阻碍碍。另另一一方方面面，当当DNADNA浓浓度度超超出出2020MM时时，荧荧光光的的减减少少就就观观察察不不到到了了。DNADNA基基对对与与钌钌络络合合物物间间的的饱饱和和组组合合比比大大约约是是2020：1 1。为为评评估估使使用用钌钌络络合合物物作作为为感感应应探探针针的的可可能能性性，在在存存在在DNADNA和和这这些些试试剂剂的的条条件件下下，考考查

44、查它它的的电电化化学学荧荧光光。顺顺式式铂铂（CisplatinCisplatin）可可与与DNADNA紧紧密密地地组组合合，尽尽管管其其组组合合模模式式尚尚未未知知晓晓。当当使使用用顺顺式式铂铂与与DNADNA络络合合物物时时，钌钌络络合合物物的的电电化化学学荧荧光光随随着着抗抗癌癌物物剂剂量量的的增增加加而而增增加加。由由于于顺顺式式铂铂与与DNADNA主主轨轨道道的紧密组合，钌络合物对的紧密组合，钌络合物对DNADNA的组合被抑止了。的组合被抑止了。第三章(3)31智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 用用DNADNA培培育育道道诺诺霉霉素素（d

45、aunomycindaunomycin）过过程程中中，可可以以观观测测到到类类似似的的荧荧光光增增加加现现象象。道道诺诺霉霉素素也也可可占占据据主主轨轨道道而而与与DNADNA键键合合，为为 钌钌 络络 合合 物物 留留 下下 不不 多多 的的 空空 位位。此此 外外，在在 培培 育育 放放 线线 菌菌 素素D D（actinomycinactinomycin D D）时时，观观察察不不到到钌钌络络合合物物的的荧荧光光增增加加。这这可可能能说说明明了了药药物物被被键键合合到到DNADNA的的次次要要轨轨道道上上，留留下下DNADNA的的主主轨轨道道与与空空间位置用于药物的组合，从而导致了自由钌

46、络合物的减少。间位置用于药物的组合，从而导致了自由钌络合物的减少。色色霉霉素素A3A3（chromomycinchromomycin A3A3）的的荧荧光光类类似似于于使使用用放放线线菌菌素素D D的的情情况况，它它也也被被组组合合到到到到DNADNA的的次次要要轨轨道道上上，这这样样，钌钌络络合合物物与与DNADNA的组合就没有被抑止。的组合就没有被抑止。第三章(3)32智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 概概括括起起来来说说，物物质质的的DNADNA组组合合模模式式分分类类取取决决于于它它们们在在双双绞绞合合的的DNADNA中中的的介介入入形形式

47、式，或或者者是是组组合合到到双双螺螺旋旋的的主主轨轨道道，或或者者组组合合于于它它的的次次要要轨轨道道。对对于于抗抗病病毒毒或或抗抗癌癌物物质质的的详详细细的的组组合合模模式式的的估估价价，当当前前基基于于电电化化学学荧荧光的传感被证实是可行的。光的传感被证实是可行的。第三章(3)33智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器大肠杆菌重组环境下的苯衍生物荧光生物监测大肠杆菌重组环境下的苯衍生物荧光生物监测 酶酶和和组组合合蛋蛋白白这这类类基基因因作作为为标标记记，插插入入基基因因后后可可允允许许对对各各种种生生物物学学上上重重要要的的物物质质进进行行寻寻踪踪

48、。尽尽管管这这些些溶溶解解蛋蛋白白与与蛋蛋白白质质工工程程的的研研究究密密切切相相关关，但但主主要要原原动动力力还还是是在在遗遗传传工工程程中中微微生生物物所所展展示示出出的的全全新新功功能能，比比如如在在环环境境工工程程中中对对工工业业垃垃圾圾的的监监测测能能力力具具有有潜潜在在的的经经济济技技术术效效益。益。荧荧光光酶酶的的引引入入使使人人们们能能和和用用特特殊殊的的微微生生物物检检测测环环境境中中的的工工业业污污染染而而不不必必提提取取标标记记酶酶制制剂剂。生生物物荧荧光光技技术术有有许许多多优优点点，比比如如对对下下水水道道和和土土壤壤样样本本中中标标记记物物质质的的无无损损伤伤探探测

49、测。这这些些技技术术涉涉及及到到用用于于辨辨识识标标记记物物质质和和产产生生荧荧光光的的基基因因的的引引入入，最最初初这这分分别别是是从从假假单单胞胞酵酵母母菌菌和和荧荧火火虫虫克克隆隆而而来来的的。因因为为用用于于测测量量光光子子的的技技术术具具有有高高敏敏感感性性和和线线性性响响应应，用用于于环环境境保保护护的的新新的的传传感感系系统统研研制制将将通通过过把把荧荧光光微微生生物物固固定定在在光光纤纤的的表面得以实现。表面得以实现。第三章(3)34智能传感与信息系统3.3.4 用于用于分子识别的生物传感器分子识别的生物传感器 与与一一系系列列芳芳香香类类化化合合物物相相关关的的荧荧光光研研究

50、究可可通通过过在在一一个个含含有有相相应应化化学学物物质质的的肉肉汤汤里里培培育育大大肠肠杆杆菌菌得得以以实实施施。具具有有A A660660=1=1的的细细菌菌样样本本被被收收集集起起来来，再再对对相相关关的的每每个个样样本本的的荧荧光光密密度度进进行行比比较较。大大肠肠杆杆菌菌HB101-HB101-承承载载Ptsn316Ptsn316对对苯苯和和甲甲苯苯展展示示了了较较多多荧荧光光；而而对对于于甲甲苯苯的的的的衍衍生生物物乙乙荃荃则则产产生生较较少少的的光光。ppmppm水水平平测测定定是是借借助助于于细细胞胞质质粒粒承承载载的的大大肠杆菌进行的。肠杆菌进行的。根根据据生生物物荧荧光光感