【正文】 化學(xué)基因傳感器一樣，也是將單鏈的 DNA探針固定在電極表面上，且固定的方法也與前者相同，然后浸入含有被測(cè)目標(biāo) ssDNA分子的溶液中，當(dāng)電極上的 ssDNA探針與溶液中的互補(bǔ)序列的目標(biāo) ssDNA分子雜交， QCM的振蕩頻率就會(huì)發(fā)生變化。 5. 場(chǎng)效應(yīng)管基因傳感器 它是在場(chǎng)效應(yīng)管的柵區(qū)固定一條含有十幾到上千個(gè)核苷酸單鏈 DNA片段當(dāng)待測(cè)物分子與敏感柵作用時(shí)，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，使閾電壓偏移，其改變量 ΔVT ，可用 ID保持恒定時(shí)的漏電壓表示。該傳感器的靈敏度可達(dá) ppb級(jí)，響應(yīng)時(shí)間小于 10s，便于多道測(cè)量，可微型化，實(shí)現(xiàn)在體測(cè)量。 64 6. 光尋址基因傳感器 該傳感器是電解質(zhì)、絕緣層、半導(dǎo)體硅襯底三層結(jié)構(gòu)，當(dāng)在電解質(zhì)溶液與半導(dǎo)體襯底之間放加直流偏置電壓，用調(diào)制光束照射時(shí)，外部光電流與偏壓及照射部位對(duì)應(yīng)的光電流有關(guān)。 7. SPR（ Surface Plasma Resonance）基因傳感器光學(xué)方法是最成熟和最好生物敏感技術(shù)，因?yàn)樗袃蓚€(gè)最重要的優(yōu)點(diǎn)：非破壞性和高靈敏感度。 8. 基因傳感器的應(yīng)用實(shí)例 （ 1）病毒感染類疾病的診斷 （ 2）基因遺傳病的診斷 微懸臂梁生物傳感器是以微懸臂梁作為換能元件，在微懸臂梁的一面涂有生物敏感層，當(dāng)被測(cè)物吸附到生物敏感層后，微懸臂梁表面應(yīng)力或共振頻率發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)微懸臂梁的彎曲變形或共振頻移就可以測(cè)吸附到敏感層上的生物分子。 微懸臂梁生物傳感器 66 微懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式 微懸臂梁具有多種結(jié)構(gòu)形式，不同結(jié)構(gòu)一般具有不同的用途。圖 914所示為幾種微懸臂梁的常規(guī)形狀，圖（ a）所示為矩形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)加工方便，使用也最廣泛；圖（ b）所示為 T形結(jié)構(gòu)，它是為了增加反射面積；圖（ c）所示 U形結(jié)構(gòu)增加微懸臂梁形變，一般用于加速度計(jì)；圖（ d）所示三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁一般用于 AFM，它的頂端有一個(gè)三角錐；音叉形微懸臂梁結(jié)構(gòu)（圖（ e））主要用在角速度的檢測(cè)上 ； 圖（ f）所示橋式結(jié)構(gòu)一般用于壓力測(cè)量。 微懸臂梁的幾種常規(guī)形狀 2. 微 懸臂梁的工作模式 微 懸臂梁具有兩種基本工作模式，分別是彎曲模式和共振模式，它們也分別被稱為靜態(tài)模式和動(dòng)態(tài)模式，如圖所示。 微懸臂梁的兩種工作模式 68 (1) 彎曲模式 — 靜態(tài)模式 彎曲模式是指微懸臂梁在外界環(huán)境改變或力的作用下，其表面質(zhì)量或表面應(yīng)力發(fā)生變化，引起微懸臂梁的彎曲，通過(guò)檢測(cè)微懸臂梁彎曲量的大小，就可以得出引起其彎曲的物理量或化學(xué)量。 (2) 共振模式－動(dòng)態(tài)模式 微懸臂梁的共振模式是通過(guò)檢測(cè)微懸臂梁共振頻率的變化得到引起其共振頻率變化的物理量或化學(xué)量。 3. 微懸臂梁的激勵(lì)與檢測(cè)方法 (1)微懸臂梁的激勵(lì)方法 激勵(lì)微懸臂梁振動(dòng)或彎曲的方法主要有光熱激勵(lì)、聲波激勵(lì)、磁致激勵(lì)和壓電機(jī)械激勵(lì)等四種。 ① 光熱激勵(lì)是用光纖耦合激光束，垂直指向微懸臂梁的表面。在微懸臂梁的表面，激光束的能量被部分吸收。這樣就可以建立一個(gè)時(shí)間 /溫度的函數(shù)關(guān)系，如果調(diào)制激光束的密度，就會(huì)驅(qū)動(dòng)微懸臂梁周期性地彎曲。 ② 聲波激勵(lì)是用一個(gè)小型揚(yáng)聲器產(chǎn)生聲波，聲波通過(guò)空氣傳播到微懸臂梁后就會(huì)在微懸臂梁上造成壓力差，迫使微懸臂梁振動(dòng)。但是在液體環(huán)境中，液體的流動(dòng)會(huì)造成聲波共振，這就對(duì)微懸臂梁的檢測(cè)產(chǎn)生一定影響。 ③ 磁致激勵(lì)是利用螺線管產(chǎn)生外部磁場(chǎng)，外部磁場(chǎng)直接激勵(lì)微懸臂梁振動(dòng)。 ④ 壓電激勵(lì)是目前最常使用的激勵(lì)微懸臂梁振動(dòng)的方法，將壓電疊堆固定在微懸臂梁固定端，當(dāng)在壓電疊堆上下電極之間施加交流電壓時(shí)，壓電疊堆由于逆壓電效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械變形，從而帶動(dòng)微懸臂梁振動(dòng)。 70 3. 微懸臂梁形變的檢測(cè)方法 外界環(huán)境的改變或者施加作用力會(huì)引起微懸臂梁的形變，要得到環(huán)境改變的情況或者作用力的大小，需要對(duì)該形變進(jìn)行定量檢測(cè)，一般來(lái)說(shuō)，檢測(cè)微懸臂梁的微小彎曲有以下幾種方法：光反射法、激光干涉法、電容法、壓阻法和壓電法。 4. 微懸臂梁傳感器的應(yīng)用實(shí)例 微懸臂梁最初是用于微小力的檢測(cè)，主要是用在 AFM上，近年來(lái)隨著微懸臂梁傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，它的測(cè)量對(duì)象越來(lái)越多，不僅能用于微小力檢測(cè)，還能對(duì)溫度、熱能、磁場(chǎng)和質(zhì)量等物理量進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)用領(lǐng)域也擴(kuò)大到生物檢驗(yàn)、化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣味成分鑒定、 DNA檢測(cè)等場(chǎng)合，下面對(duì)微懸臂梁的應(yīng)用做一些簡(jiǎn)單的介紹。使用微懸臂梁結(jié)構(gòu)，可以探測(cè)多種不同物理量的變化。掃描力顯微鏡（ AFM）和掃描探針顯微鏡（ SPM）是微懸臂梁結(jié)構(gòu)探測(cè)微小力最成功的應(yīng)用，如圖所示。微懸臂梁的使用使 AFM能夠檢測(cè)到針尖和樣品間納米級(jí)的作用力。 微懸臂梁在 AFM 上的使用 72 5. 微懸臂梁化學(xué)氣敏傳感器 微懸臂梁化學(xué)氣敏傳感器主要分為兩種傳感模式，一種是形變式，即通過(guò)敏感膜吸附分子引起表面應(yīng)力變化；另一種是諧振式，即依靠粘附特定的細(xì)胞引起的質(zhì)量變化而改變微懸臂梁的諧振頻率。 6. 微懸臂梁生物傳感器 微懸臂梁生物傳感器是以微懸臂梁作為換能元件，在微懸臂梁的一面涂有生物敏感層，當(dāng)被測(cè)物質(zhì)吸附到生物敏感層后，微懸臂梁的表面應(yīng)力或共振頻率發(fā)生變化。 通過(guò)檢測(cè)微懸臂梁的彎曲變形或共振頻移就可以測(cè)吸附到敏感層上的生物分子。 74 7. 基于微懸臂梁陣列的微傳感器 單個(gè)微懸臂梁在使用時(shí)，只能對(duì)某一特定分析物的響應(yīng)較明顯，而在實(shí)際測(cè)量中，需要測(cè)量一個(gè)環(huán)境中多種分析物的質(zhì)量，如果每次測(cè)量一種分析物，那么就要多次測(cè)量，每次測(cè)量前還要更換敏感層，同時(shí)與被測(cè)環(huán)境的多次接觸會(huì)破壞環(huán)境本身，影響測(cè)量結(jié)果，對(duì)于這種復(fù)雜分析物的測(cè)量，采用懸臂梁陣列能達(dá)到很好的效果。 同時(shí)，微懸臂梁陣列可以用其中一些梁作為參考，這些梁對(duì)分析物不起反應(yīng)，將響應(yīng)的微懸臂梁變化減去這些沒(méi)有變化的梁，就可以排除背景信號(hào)和其他一些因素的干擾，實(shí)現(xiàn)差分測(cè)量。基于微懸臂梁陣列的生化傳感器具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：如靈敏度非常高、選擇性多、可批量生產(chǎn)、價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)便、快速、動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到改善、尺寸大大縮小、高精度、高可靠性、易制作成多元素的傳感器陣列，可實(shí)現(xiàn)電子、機(jī)械系統(tǒng)集成的芯片等，并且不需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理。 生物芯片技術(shù) 生物芯片技術(shù)的本質(zhì)是生物信號(hào)的平行分析，它利用核酸分子雜交、蛋白親和原理，通過(guò)熒光標(biāo)記技術(shù)檢測(cè)雜交或親和與否，可迅速獲得所需信息。 1. 生物芯片的種類 生物芯片可分為 DNA芯片、蛋白質(zhì)芯片以及芯片實(shí)驗(yàn)室三類。 (1)DNA芯片的應(yīng)用 ① DNA測(cè)序 ② 基因診斷 ③ 基因表達(dá)的研究 ④ 毒理學(xué)研究 ⑤ 藥物安全性研究 76 (2)蛋白質(zhì)芯片的應(yīng)用 蛋白質(zhì)芯片能同時(shí)檢測(cè)生物樣品中與某種疾病或環(huán)境因子損傷可能相關(guān)的全部蛋白質(zhì)含量變化情況 . (3)芯片實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用 芯片實(shí)驗(yàn)室可防止污染，使分析過(guò)程自動(dòng)化，能大大提高分析速度和多樣品分析能力，且設(shè)備體積小，便于攜帶，成為診斷感染性疾病最理想和最具潛力的一種生物芯片。 思考題 1. 舉例說(shuō)明你所知道的生物傳感器。 2. 生物傳感器的特點(diǎn)有哪些，而其中哪幾個(gè)又是最突出的特點(diǎn)。 3. 試結(jié)合文獻(xiàn)闡述生物傳感器的特點(diǎn)及其他方面的應(yīng)用。 4. 請(qǐng)列舉影響反應(yīng)速度的各種因素。 5. 試說(shuō)明溫度變化時(shí)，反應(yīng)速度都如何變化。 6. 闡述微生物反應(yīng)與酶反應(yīng)的異同點(diǎn)。 7. 簡(jiǎn)述抗原的理化性狀。 8. 簡(jiǎn)述抗體的結(jié)構(gòu)與特性。 9. 簡(jiǎn)述抗原 抗體反應(yīng)的基本原理。 ，并分析各技術(shù)的適用場(chǎng)合。 78 。 ，并思考如何將各種方法聯(lián)合使用。 ，試列舉酶?jìng)鞲衅鞯膽?yīng)用。 。 。 16. 常見(jiàn)的微生物傳感器及其工作原理。 17. 闡述免疫傳感器研究現(xiàn)狀。 18. 試列舉目前免疫傳感器存在的主要缺陷。 19. 除了文中所提到的內(nèi)容外，免疫傳感器還將向哪方面發(fā)展以及有可能在哪方面得到廣泛應(yīng)用。 20. 試說(shuō)明免疫傳感器的發(fā)展如何更好地形成商品化和產(chǎn)業(yè)化。 21. 關(guān)于基于免疫反應(yīng)的傳感器的研究與發(fā)展還可能產(chǎn)生哪些創(chuàng)新。 22. 試簡(jiǎn)述基因傳感器的原理。 23. 結(jié)合幾種基因傳感器的工作特性，試分析其優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展方向。 24. 簡(jiǎn)述微懸臂梁生物傳感器的工作原理。 25. 簡(jiǎn)述微懸臂梁的幾種結(jié)構(gòu)形式，以及不同結(jié)構(gòu)具有的不同用途。 26. 簡(jiǎn)述微懸臂梁傳感器的多種應(yīng)用。 27. 試舉例說(shuō)明生物芯片在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。 80 參考資料 （插 圖） 8