生化战剂传感器的最新进展

四川省精品课程－传感技术

生化战剂传感器的最新进展

讲座

生化战剂的分类生化战剂的特点生化传感器的原理生化传感器的分类发展方向

四川省精品课程－传感技术生化战剂

化学战剂（ 1 ）神经毒剂、（ 2 ）糜烂性毒剂（如芥

子气）、（ 3 ）全身中毒性毒剂、（ 4 ）失能性毒剂、（ 5 ）窒息性毒剂等等

生物战剂细菌、病毒、真菌、原生动物、依原体毒素毒蛋白类、小分子类毒素

四川省精品课程－传感技术神经毒剂中毒的机理研究表明，动物体中神经冲动的传递物质是乙酰胆碱（ Ach ），神经冲动在传递时上一次冲动释放出来的Ach 会迅速的被乙酰胆碱酯酶（ AchE ）所水解，使得神经突触间或神经肌肉接头处的 Ach 的浓度下降，从而完成一个神经冲动。然而神经毒剂会与乙酰胆碱酯酶（ AchE ）首先发生作用，这样就抑制了 AchE 的活性，使之不能正常水解 Ach ，造成 Ach 的积累使神经传递受阻而产生中毒症状。

四川省精品课程－传感技术细菌、病毒、真菌、原生动物、依原体等中毒的机理

寄生在人体内引起呼吸 . 消化 . 排泄 . 内分泌等生理系统并引起它们的功能混乱。

如 : 依原体能引起肺炎及网状内皮系统的改变

原生动物弓形虫生活史说明了它能长期在人体内生存并不断地感染人体。

四川省精品课程－传感技术生化战剂的特点不易察觉，需要特殊的检测设备。危害性相当大。生产越来越容易。

大力发展用来侦检大力发展用来侦检生化战剂的传感器已生化战剂的传感器已成为各国军事界与防成为各国军事界与防化界的研究重点之一。化界的研究重点之一。


2003 年 8 月 4 日齐齐哈尔毒气事件

2004 年 5 月 17 日美军引爆装有

沙林毒气的炮弹 ( 伊拉克 )

1995 年 3 月 20 日东京地铁

“ 沙林”毒气泄漏事件

四川省精品课程－传感技术生化传感器的原理

1.1 生化传感器的原理与结构1.2 生物学反应信息和相关的换能器

四川省精品课程－传感技术1.1 生化传感器的原理与结构

被分析物

生物敏感膜

生物学反应信息

换

能

器电信号

二次仪

表

四川省精品课程－传感技术生物学反应信息和相关的换能器

生物学反应信息换能器

离子变化质子变化

热效应光效应色效应

质量变化电荷密度变化溶液密度变化

电流型或电位型 ISE 、阻抗计ISE 、场效应晶体管

热敏元件光纤、光敏管、荧光管

光纤、光敏管压电晶体

阻抗计、导纳、场效应晶体管表面等离子体共振

四川省精品课程－传感技术生物传感器的分类 -- 分类方法

根据分子识别元件的不同 , 它分为酶电极、组织电极、微生物电极、免疫电极和酶免疫电极。

根据所使用的电极的不同，它分为玻璃电极、压电晶体、场效应管、声表面波、光纤、表面等离子体等。

四川省精品课程－传感技术检测神经毒剂的生化传感器（一 . 荧光光纤 - 光导纤维检测装置）

四川省精品课程－传感技术二 . 检测对象1. 塔崩 , 2. 沙林 , 3. 芥子气三、检测原理首先将标记上荧光素的生物组织固定在光纤的表面，然后以它作为分

子探针去检查系统中存在的生化毒剂。当体系中有生化毒剂存在时就会引起生物组织的破坏从而使荧光减弱，根据荧光强度减弱的多少就可以计算出体系中生化毒剂的含量。

四、具体方法1. 使用的材料及处理 A. 在一个转盘中加入试剂 BG-11 和 N.COMMUNE这种无菌的组织用

一个 400W 的高压钠灯且光照为 1000uE/m2.s 培养两个星期 .

B. 用光照为 50 uE/m2.S 的荧光灯照加入在转盘中试剂 C.ulgaris培养两个星期 .

C. Nostoc试剂需要打断其大的克隆分子悬浮在试剂 BG-11 重新收集 .

D. 单分子细胞的绿藻 .

E. 提取叶绿素 a 和 b

F. 每升 BG-11 的试剂中加入 1.2-6 微克的叶绿素及上述的 A. B. C 溶液 ,混合均匀后取 0.2-0.6毫升溶液涂敷于光纤表面 .


TBATBA

(( 芥子气芥子气 ))


2. 测试设备 A. 照射传感器用 Walz-XE-PAM 荧光装置 (带有

特殊的具有光化性质的卤素元素灯 )

B. OS1-FL 光纤 C. OS5-FL 荧光测试装备中有一种能改善信噪比

的光二极管 .

3. 测试步骤 A. 背景荧光 B. 测在空气流中的荧光值 C. 测在空气中加入神经毒剂后的荧光值

四川省精品课程－传感技术4. 测试结果

N. Commune N. Commune 一种藻青菌传感器的荧光感应曲线一种藻青菌传感器的荧光感应曲线

FFs: s: 背景背景荧光荧光

FFmax: max: 光纤表面固定上带荧光素的分子探针后的荧光光纤表面固定上带荧光素的分子探针后的荧光


加入不同浓度的 TBA 后由 Nostoc 传感器测出的荧光量子产物

在体系中加入不同浓度在体系中加入不同浓度((7.4 g/l 、 248 g/l 及 642 g/l))的芥子气后并在间隔相的芥子气后并在间隔相同的时间内检测荧光强同的时间内检测荧光强度的变化。度的变化。

由图可知，反应时间越由图可知，反应时间越长，荧光强度越弱，同长，荧光强度越弱，同样，加入的芥子气的越样，加入的芥子气的越多，荧光强度也越弱。多，荧光强度也越弱。


Nostoc 传感器测出在加入 TBA 后 (248μg/l) 的荧光响应曲线

由图可知由图可知 : : 加入加入 TBATBA 后，随着反应时间的延长，荧光强度越弱。后，随着反应时间的延长，荧光强度越弱。


C.Vulgaris 一种海藻生物传感器所测出的典型的荧光响应


加入塔崩（ GA ） 9-10 ug/L前后的荧光响应

No changes in the fluorescence induction curves of either sensor were observed with GB or HD at the stated concentrations


Nostoc 传感器测出在加入沙林衍生物后 (248μg/l) 的荧光响应曲线

由图可知由图可知 : : 加入沙林衍生物后，随着反应时间的延长，加入沙林衍生物后，随着反应时间的延长，荧光强度越弱。荧光强度越弱。

四川省精品课程－传感技术二 . 酶基的生化传感器

1. 沙林、梭曼的分子结构2. 酶与神经毒剂之间的生化反应3. 酶的固定方法4. 利用场效应管来检测的原理5. 举例


沙林沙林梭曼梭曼

1. 1. 沙林、梭曼的分子结构沙林、梭曼的分子结构

四川省精品课程－传感技术2. 酶与神经毒剂之间的的生化反应

HC

H3CCO

PO

H3CO-EnH3C

(CH3)3N+CH2OCOCH3 + En-OH

Cl-

CH3COO-+ (CH3)3N+CH2O-En

HCH3C

CO

PO

H3CF

Ã¸ (En-OH)

+ HF

四川省精品课程－传感技术3. 酶的固定方法

A. 吸附法 :把酶吸附在一种载体的表面

B. 包埋法 :把酶埋在载体之中

C. 交联法 : 利用酶与交联剂之间所产生的化

学反应而把酶固定下来 .

四川省精品课程－传感技术4.利用场效应管来检测的原理将能识别生物毒剂的乙酰胆碱酯

酶（ AchE ）固化在氢离子敏场效应管 (H ＋ -ISFET) 的敏感栅极上，制成酶场效应管传感器 (ENFET) 。就可以检测乙酰胆碱酯酶的抑制剂 --- 神经性毒剂。

其检测原理是 AchE 能分解底物乙酰胆碱产生胆碱和乙酸，当酶受到抑制时，分解底物的能力减弱，也就是分解产生的胆碱和乙酸减少。用 H ＋ -ISFET 来跟踪检测乙酸减少的量，就可推算出有机磷 ( 即各种神经性毒剂 ) 的量。

VT

pH

SiO2

Si3N4

More linear response obtained by using Si3N4 as the gait oxide.

四川省精品课程－传感技术6.举例

A. 实验装置图B. 使用的材料C. 关键的处理D. 测试设备E. 测试步骤F. 测试结果

四川省精品课程－传感技术A. 实验装置图

四川省精品课程－传感技术B. 使用的材料处理1. 有机磷水解酶 (OPAA)

2. 缓冲溶液采用 NH4Cl 与氨水配成的 Michaelis缓冲体系

3. MnCl2加入溶液中用来提高离子强度 ,增加溶液的导电能力 .

四川省精品课程－传感技术C. 关键的处理1. 有机磷水解酶分离与提纯2. 酶的固定首先 , 栅区涂有多孔陶瓷材料硅基清洗干净

后用硅烷化试剂处理使硅的表面硅烷化 . 其次 , 用戊二醛处理最后 , 用酶处理3. 芯片制作特点 : n-耗尽型 MOS 管 ;无金属栅 ;

Si3N4/SiO2层 ;多孔陶瓷材料 ; 固定化的酶

四川省精品课程－传感技术D. 测试设备与步骤测试设备 : pH 测试仪和流动注射测试系统测试步骤 :1. 在测试的溶液中加入不同浓度底物后再加入

酶测量 pH 变化的速度并根据方程求出V=VMAX.S/(KM+S)

2. 测量 MOS 管在固定酶和未固定酶时不同 pH溶液中读出的 VGS=Vdiff

3. 加入不同浓度的神经毒剂后再测量 Vdiff

四川省精品课程－传感技术E. 测试结果

1. 在流动注射测试系统上所读出加入不同浓度的 DFP 时所得的响应曲线

未加 DFP 时测出的Vdiff

第一次加入 DFP 时测出的 Vdiff

第二次加入 DFP 时测出的 Vdiff

四川省精品课程－传感技术2. 不同的有机磷毒剂中所测得的响应

1. 刚固定好酶的电极对 DFP 的响应 ; 2. 放置 5 个月后再测其对 DFP 的响应 ;3. 刚固定好酶的电极对对氧磷的响应 ; 4. 刚固定好酶的电极对对硫磷的响应

四川省精品课程－传感技术3.线性范围

四川省精品课程－传感技术小结检测的浓度：可检测 25umol/L 的沙林对对硫磷没有响应

四川省精品课程－传感技术其它类的生化传感器

1.压电晶体传感器2.声表面波探测器3. 光纤免疫传感器4. 触角受体传感器5. 酶、免疫、受体传感器的比较

四川省精品课程－传感技术1. 压电晶体传感器

A 、固定了抗体的压电晶体生物传感器的结构图


Monitoring system of antibodies in human saliva.

B 、压电晶体生物传感器的测试装置图


Repeatability on the frequency change (F) of quartz crystal biosensor immobilized by the adsorption method or covalent bond method. The first frequency change is F1.

CC 、、测试结果测试结果

四川省精品课程－传感技术2. 声表面波探测器

声表面波（ SAW ）传感器的工作原理：在 SAW震荡器的声通道上涂覆感应膜，感应膜对特定的气体进行选择性吸附，其吸附与释放的过程是一个动态平衡的过程。气体浓度越高，则感应膜吸附的分子越多，感应膜的单位面积上的质量越重，它对 SAW 的改变就越多。

Fig.1:A SAW Chemical sensor with a

polymer sorbing Sarin nerveagent.Fig.2:The NRL-SAWRHINO


原理：能与抗体结合的抗原被光导纤维以表面消失波的方式传出，从而检测出抗原的量。

3. 光纤免疫传感器

优点：优点： 1.1.溶液的干扰少，不必对抗原进行分离。溶液的干扰少，不必对抗原进行分离。 2.2. 具有较低的检测下限：具有较低的检测下限： 5 5 ×10×10-7 -7 M (M (梭曼梭曼 ))

四川省精品课程－传感技术荧光免疫法

原理：首先将已知的抗原（或抗体）标记上荧光素，然后以它作为分子探针去检查组织或细胞内响应的抗体（或抗原），能够形成抗体抗原复合物的就有荧光发出，根据荧光所在的细胞或组织，就可以确定抗体或抗原的性质。

抗体是在抗原刺激下机体免疫应答的产物免疫系统对外来物质产生一系列反应的过程称为免疫应答，能够在机体中引起特异性

免疫应答的物质称为抗原非荧光素（如亚甲兰）：用它们来处理标本可以减弱非特异性荧光的影响。荧光素：异硫氰酸（绿色荧光）四乙基罗明丹 (橘红色荧光）

四川省精品课程－传感技术4. 触角受体传感器

受体对缓冲溶液与刺激物的响应受体对缓冲溶液与刺激物的响应

特点特点1. 1. 响应时间可达毫秒级响应时间可达毫秒级2. 2. 特异性高特异性高3. 3. 灵敏度高可达灵敏度高可达 1010 －－ 15 15 mol/mol/LL

四川省精品课程－传感技术受体受体是细胞表面或亚细胞组分中的一种蛋白质大分子 ,可

以识别并特异地与具有生物活性的化学信号物质 (配体 )结合 ,并激活或启动一系列生物化学反应 ,最后导致该信号物质特定的生物效应。

因此 , 膜受体具备以下两方面的功能 :第一是识别自己特异的信号物质———配体 ,即两者结合。但是仅仅有特异性识别还不够 ,例如突触后膜表面存在的乙酰胆碱脂酶 , 它也可与底物乙酰胆碱特异结合并使其分解 ,但并不产生胞内信号。所以 , 膜受体的第二个功能是把识别和接受的信号准确无误地放大并传递到细胞内部 ,启动一系列胞内生化反应 ,最后导致特定的细胞反应。要使胞间 (外 ) 信号转换为胞内信号 , 这两个功能缺一不可。

四川省精品课程－传感技术5. 酶、免疫、受体传感器的比较

A. 酶传感器优点：酶易被分离，贮存较稳定，所以目前被广泛

的应用。缺点： 1. 酶的特异性不高，如它不能区分结构上稍有差异的梭曼与沙林。

2. 酶在测试的过程中因被消耗而需要不断的更换。

四川省精品课程－传感技术B 、免疫传感器优点

1. 特异性高 2. 通过改变 pH又可以使抗体复原，所以能减少消耗。

缺点对于小分子的化学战剂无法有效的制备人工抗

原。

四川省精品课程－传感技术C 、受体传感器优点 1. 检测的灵敏度可达 10 － 15 mol/L

2. 响应时间短 3. 特异性高缺点

1. 生物活性只能维持在 48h 以内。 2. 测量时压力信号对分析信号的干扰很大

四川省精品课程－传感技术发展方向

1. 1. 微型化微型化2. 2. 阵列化阵列化3. 3. 多功能化多功能化

四川省精品课程－传感技术1. 微悬臂梁

ＩＢＭ苏黎世实验室设计的矩形阵列式悬臂梁ＩＢＭ苏黎世实验室设计的矩形阵列式悬臂梁

Ｇｏｔｓｚａｌｋ等人设计的力敏悬臂梁的显微照片Ｇｏｔｓｚａｌｋ等人设计的力敏悬臂梁的显微照片

四川省精品课程－传感技术原理当敏感层吸附气体后 , 质量产生变化 , 敏感层

将气体浓度的改变转换为悬臂梁响应频率的频移 ,频移的大小即反映了吸附气体的多少 .

悬臂梁表面应力的改变是由于敏感层分子与吸附分子间力的相互作用 , 而使悬臂梁产生弯曲 .

四川省精品课程－传感技术实验结果分析

德国 Tubingen 大学 Maute 研究小组采用聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 作为化学敏感层 , 探测辛烷、甲苯、丁醇等有机物的蒸气浓度 ,获得理想的结果 .

右图是他们测量悬臂梁的响应频率随辛烷浓度的变化结果 .

其中右峰为纯空气条件下悬臂梁的响应峰 ,左峰为敏感层吸附不同浓度辛烷后频移的共振峰 .他们探测的最低辛烷浓度为 2000ｐｐｍ , 测量灵敏度达到 -0 0988Ｈｚ /ｐｐｍ .

频率（频率（ KHz)KHz)

四川省精品课程－传感技术2. 场效应管

一种场效应管断面图一种场效应管断面图

ISFET array sensor chip for electrophysiological measurement on neuron populations. Detail of the 5×5 mm active area sensor chip and of the ISFET electrode pair

Layout of the ISFET array sensor chip for metabolic activity monitoring. Detail of the ISFET gate area.

Monitoring the bioelectrochemical activity of living cells with sensor array-based microsystems

四川省精品课程－传感技术3. 压电晶体阵列传感器

Schematic diagram of the PQC array detection system: (1) dried N2, (2) concentrated H2SO4, (3) oscillators, (4) thermostat chamber, (5) fan, (6)counter, (7) computer.

四川省精品课程－传感技术Number Material tested Relativeb polarity Frequency shiftc (Hz)

M D B C

1 OV-101 1 19 77 62 66

2 VOH 1 18 64 52 53

3 Lanolin 1 16 50 39 42

4 Triton X-100 1 35 71 58 47

5 OV-17 2 22 170 98 55

6 DNP 2 20 125 81 77

7 Di-(2-ethylhexyl)phthalate 2 42 95 78 52

8 Dibutyl sebucate 2 19 87 60 29

9 Tween 60 2 46 73 48 14

10 OV-210 2~ 47 65 38 14

11 DBP 3 35 74 46 15

12 Span 80 3 42 91 62 29

13 Span 85 3 40 104 67 46

14 Siponate DS 10 3 53 131 81 34

15 Carbowax-20M 3 32 50 19 12

16 PZ-101A 3 95 245 101 28

17 XE-60 4 54 72 40 17

18 PEG-1000 4 46 45 16 8

19 OV-275 4~ 134 265 84 15

Compounds used in selecting coating materials for sensor array

四川省精品课程－传感技术总的要求正确选择敏感元件的类型，保证传感有足够高的信噪比特性。要善于选择传感器主要零件的材料，以保证最小的迟滞、老

化及温度灵敏度。正确选择电子元件的类型和电子元件之间的联接方法。正确选择表面保护层。争取使整个结构获得高性能的布局特性。

生化战剂传感器的最新进展

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