生化战剂传感器的最新进展
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生化战剂传感器的最新进展. 内容. 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. 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. 神经毒剂、芥子气中毒的机理.

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生化战剂传感器的最新进展

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Presentation Transcript


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生化战剂传感器的最新进展


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内容

  • 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


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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


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神经毒剂、芥子气中毒的机理

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。然而有些有机物会与乙酰胆碱酯酶(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。


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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和感染人


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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

生化战剂的传感器已成为各国军事界与防化界的研究重点之一。


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生化传感器的原理

1.1 生物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


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1.1 生化传感器的原理与结构

生物敏感膜

换 能 器

二 次 仪 表

生物学

反应信息

被分析物

电信号


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生物学反应信息和相关的换能器


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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。


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检测神经毒剂的生化传感器(一.荧光光纤-光导纤维检测法)


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二. 检测对象

1.塔崩, 2. 沙林, 3. 芥子气

三. 具体方法

  • 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1000 uE/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中重新收集.

    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.


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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


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4. 测试结果

N. Commune 一种藻青菌传感器的荧光感应曲线


Nostoc

加入不同浓度的芥子气后由Nostoc传感器测出的荧光量子产物


C vulgaris

C.Vulgaris一种海藻生物传感器所测出的荧光响应


Nostoc1

Nostoc传感器测出在加入沙林后的荧光响应曲线


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测试结果 2

1. 塔崩9-10 ug/L

2. 沙林10-20ug/L

3. 芥子气5.2mg/L


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二. 酶基的生化传感器

  • 沙林等神经毒剂的分子结构

  • 酶与神经毒剂之间的生化反应

  • 酶的固定方法

  • 利用场效应管来检测的原理

  • 举例


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1. 沙林等神经毒剂的分子结构

沙林

梭曼


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2.酶与神经毒剂之间的的生化反应


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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.


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若MOSFET的阈值电压以Vth(MOST)表示,

则其Vth(MOST)=ms- 2F -(Qss- Qsc)/Cox

若H+-FET的阈值电压以Vth( HFET )表示,

则其Vth(HFET)= Vth(MOST)-Eref +ij- eo+X eo -m/q = Vth(MOST)+ VEI + S.pH

(pH=-lg[H+])

H+-FET的输出特性为:

当在线性区时,

IDS=[(VGS-Vth)VDS –VDS2/2];

当在饱和区时,

IDS= (VGS-Vth) /2

其中 =W.Cox..µ. /L

VT

SiO2

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

Si3N4

pH

4.利用场效应管来检测的原理


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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


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A. 实验装置图


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B. 使用的材料处理

  • 有机磷水解酶(OPAA)

  • 缓冲溶液采用NH4Cl与氨水配成的Michaelis缓冲体系

  • MnCl2加入溶液中用来提高离子强度,增加溶液的导电能力.


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C. 关键的处理

  • 有机磷水解酶分离与提纯

  • 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


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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:

  • 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)

  • 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

  • 加入不同浓度的神经毒剂后再测量Vdiff


E 1 dfp

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


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2.不同的有机磷毒剂中所测得的响应

  • 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


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3.线性范围


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F. 测试结果

  • OPAA酶对不同毒剂的米氏常数为

    KDFP=1650 S-1

    KSARIN=611 S-1

    KSOMAN=3145 S-1

  • 检测的浓度

    可检测25umol/l的沙林

    对对硫磷没有响应


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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


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Monitoring system of antibodies in human saliva.

Structure of a piezoelectric quartz crystal biosensor and

antibodies.

1.压电晶体传感器

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.


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Fig.1:A SAW Chemical sensor with a

polymer sorbing Sarin nerveagent.

Fig.2:The NRL-SAWRHINO

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。


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3.光纤免疫传感器

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。

优点:1.溶液的干扰少,不必对抗原进行分离。

2.具有较低的检测下限:5 ×10-7 M (梭曼)


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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)


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受体对缓冲溶液与刺激物的响应

4. 触角受体传感器

特点

1. 响应时间可达毫秒级

2. 特异性高

3. 灵敏度高可达10-15 mol/L


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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。


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酶、免疫、受体传感器的比较

一. 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。


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二. 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。


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三. 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


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1. 微型化

2. 阵列化

3. 多功能化

发展方向


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IBM苏黎世实验室设计的矩形阵列式悬臂梁

1. 微悬臂梁

Gotszalk等人设计的力敏悬臂梁的显微照片


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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.


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频率(KHz)

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.


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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

一种场效应管断面图

Layout of the ISFET array sensor chip for metabolic

activity monitoring. Detail of the ISFET gate area.

2. 场效应管

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


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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.


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Compounds used in selecting coating materials for sensor array

Number Material tested Relativeb polarity Frequency shiftc (Hz)

M D B C

1 OV-101 119 77 62 66

2 VOH 118 64 52 53

3 Lanolin 116 50 39 42

4 Triton X-100 135 71 58 47

5 OV-17 222 170 98 55

6 DNP 220 125 81 77

7 Di-(2-ethylhexyl)phthalate 242 95 78 52

8 Dibutyl sebucate 219 87 60 29

9 Tween 60 246 73 48 14

10 OV-210 2~ 47 65 38 14

11 DBP 335 74 46 15

12 Span 80 342 91 62 29

13 Span 85 340 104 67 46

14 Siponate DS 10 353 131 81 34

15 Carbowax-20M 332 50 19 12

16 PZ-101A 395 245 101 28

17 XE-60 454 72 40 17

18 PEG-1000 446 45 16 8

19 OV-275 4~ 134 265 84 15


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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。


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谢谢!


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