【正文】 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序列的目標(biāo) ssDNA分子雜交， QCM的振蕩頻率就會發(fā)生變化。 5. 場效應(yīng)管基因傳感器 它是在場效應(yīng)管的柵區(qū)固定一條含有十幾到上千個核苷酸單鏈 DNA片段當(dāng)待測物分子與敏感柵作用時，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，使閾電壓偏移，其改變量 ΔVT ，可用 ID保持恒定時的漏電壓表示。該傳感器的靈敏度可達(dá) ppb級，響應(yīng)時間小于 10s，便于多道測量，可微型化，實現(xiàn)在體測量。 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，外部光電流與偏壓及照射部位對應(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)，因為它有兩個最重要的優(yōu)點：非破壞性和高靈敏感度。 8. 基因傳感器的應(yīng)用實例 （ 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。通過檢測微懸臂梁的彎曲變形或共振頻移就可以測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；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上 ； 圖（ f）所示橋式結(jié)構(gòu)一般用于壓力測量。 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，通過檢測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－動態(tài)模式 微懸臂梁的共振模式是通過檢測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. 微懸臂梁的激勵與檢測方法 (1)微懸臂梁的激勵方法 激勵微懸臂梁振動或彎曲的方法主要有光熱激勵、聲波激勵、磁致激勵和壓電機(jī)械激勵等四種。 ① 光熱激勵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時間 /溫度的函數(shù)關(guān)系，如果調(diào)制激光束的密度，就會驅(qū)動微懸臂梁周期性地彎曲。 ② 聲波激勵是用一個小型揚聲器產(chǎn)生聲波，聲波通過空氣傳播到微懸臂梁后就會在微懸臂梁上造成壓力差，迫使微懸臂梁振動。但是在液體環(huán)境中，液體的流動會造成聲波共振，這就對微懸臂梁的檢測產(chǎn)生一定影響。 ③ 磁致激勵是利用螺線管產(chǎn)生外部磁場，外部磁場直接激勵微懸臂梁振動。 ④ 壓電激勵是目前最常使用的激勵微懸臂梁振動的方法，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，壓電疊堆由于逆壓電效應(yīng)，會產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械變形，從而帶動微懸臂梁振動。 70 3. 微懸臂梁形變的檢測方法 外界環(huán)境的改變或者施加作用力會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，需要對該形變進(jìn)行定量檢測，一般來說，檢測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)用實例 微懸臂梁最初是用于微小力的檢測，主要是用在 AFM上，近年來隨著微懸臂梁傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，它的測量對象越來越多，不僅能用于微小力檢測，還能對溫度、熱能、磁場和質(zhì)量等物理量進(jìn)行測量，應(yīng)用領(lǐng)域也擴(kuò)大到生物檢驗、化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測、氣味成分鑒定、 DNA檢測等場合，下面對微懸臂梁的應(yīng)用做一些簡單的介紹。使用微懸臂梁結(jié)構(gòu)，可以探測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能夠檢測到針尖和樣品間納米級的作用力。 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。 通過檢測微懸臂梁的彎曲變形或共振頻移就可以測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 單個微懸臂梁在使用時，只能對某一特定分析物的響應(yīng)較明顯，而在實際測量中，需要測量一個環(huán)境中多種分析物的質(zhì)量，如果每次測量一種分析物，那么就要多次測量，每次測量前還要更換敏感層，同時與被測環(huán)境的多次接觸會破壞環(huán)境本身，影響測量結(jié)果，對于這種復(fù)雜分析物的測量，采用懸臂梁陣列能達(dá)到很好的效果。 同時，微懸臂梁陣列可以用其中一些梁作為參考，這些梁對分析物不起反應(yīng)，將響應(yīng)的微懸臂梁變化減去這些沒有變化的梁，就可以排除背景信號和其他一些因素的干擾，實現(xiàn)差分測量?；谖冶哿宏嚵械纳瘋鞲衅骶哂性S多獨特的優(yōu)點：如靈敏度非常高、選擇性多、可批量生產(chǎn)、價格低廉、操作簡便、快速、動態(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，可實現(xiàn)電子、機(jī)械系統(tǒng)集成的芯片等，并且不需要對樣品進(jìn)行預(yù)處理。 生物芯片技術(shù) 生物芯片技術(shù)的本質(zhì)是生物信號的平行分析，它利用核酸分子雜交、蛋白親和原理，通過熒光標(biāo)記技術(shù)檢測雜交或親和與否，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)芯片以及芯片實驗室三類。 (1)DNA芯片的應(yīng)用 ① DNA測序 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)芯片能同時檢測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)芯片實驗室的應(yīng)用 芯片實驗室可防止污染，使分析過程自動化，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. 舉例說明你所知道的生物傳感器。 2. 生物傳感器的特點有哪些，而其中哪幾個又是最突出的特點。 3. 試結(jié)合文獻(xiàn)闡述生物傳感器的特點及其他方面的應(yīng)用。 4. 請列舉影響反應(yīng)速度的各種因素。 5. 試說明溫度變化時，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。 7. 簡述抗原的理化性狀。 8. 簡述抗體的結(jié)構(gòu)與特性。 9. 簡述抗原 抗體反應(yīng)的基本原理。 ，并分析各技術(shù)的適用場合。 78 。 ，并思考如何將各種方法聯(lián)合使用。 ，試列舉酶傳感器的應(yīng)用。 。 。 16. 常見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)缺點及發(fā)展方向。 24. 簡述微懸臂梁生物傳感器的工作原理。 25. 簡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. 簡述微懸臂梁傳感器的多種應(yīng)用。 27. 試舉例說明生物芯片在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。 80 參考資料 （插 圖） 81