相互作用生物傳感相關技術課件

3相互作用及界面研究相關技術相互作用/生物傳感相關技術

3相互作用及界面研究相關技術ThebiomacromoleculesincellProteinDNARNAOthers分子相互作用3相互作用及界面研究相關技術NucleicAcidsDNARNABiochemistryCarbohydratesSugarsPolysaccharidesLipidsFatsandOilsMembranesProteinsAminoAcidsPeptideBondsNucleotidesPentoseSugarsHetero-cyclicbasesinformationtranslationstructure,storage,proteinmodificationlinkedbyconsistofenergystorageStructuralFunctionalPhosphateconsistofcompartmentalizationenergywork分子相互作用3相互作用及界面研究相關技術TheinteractionofbiomoleculesisthefundamentalbasisofanycellularfunctionBytheirfriends,youshallknowthem!分子相互作用ProteinothersDNARNAInteraction3相互作用及界面研究相關技術核酸與蛋白質(zhì)的相互作用

分子相互作用舉例3相互作用及界面研究相關技術分子識別：主體對客體選擇性結(jié)合并產(chǎn)生某種特定功能的過程。鎖—鑰匙分子相互作用舉例蛋白質(zhì)與配體的相互作用

3相互作用及界面研究相關技術分子相互作用舉例雙鏈DNA之間

的相互作用

3相互作用及界面研究相關技術signalSignaling:protein–proteinprotein–lipidprotein–signalingmoleculeImmunesystem:protein–proteinprotein–carbohydrateReplication:DNA–DNADNA–proteinInteractions3相互作用及界面研究相關技術氫鍵離子鍵靜電作用范德華力疏水作用配位鍵分子相互作用的力3相互作用及界面研究相關技術免疫共沉淀熒光共振轉(zhuǎn)移技術噬菌體展示技術酵母雙雜交技術基因外抑制子合成致死篩選分子生物學方法親和印跡Pulldown試驗遺傳學方法分子相互作用研究方法生物物理學方法表面等離子共振化學交聯(lián)微量熱技術分子相互作用的研究方法3相互作用及界面研究相關技術表面等離子體共振技術（Surfaceplasmonresonance，SPR）是通過測量固-液界面折射率的變化來對分子的相互作用進行分析研究的一種技術手段。SPR技術3相互作用及界面研究相關技術SPR簡史1902年，Wood在光學實驗中發(fā)現(xiàn)SPR現(xiàn)象1941年，F(xiàn)ano解釋了SPR現(xiàn)象1971年，Kretschmann結(jié)構為SPR傳感器奠定了基礎1982年，Lundstr?m將SPR用于氣體的傳感（第一次）1983年，liedberg將SPR用于IgG與其抗原的反應測定1987年，Knoll等人開始SPR成像研究1990年，BiacoreAB公司開發(fā)出首臺商品化SPR儀器

表面等離子體共振（Surfaceplasmonresonance，SPR），又稱表面等離子體子共振，表面等離激元共振，是一種物理光學現(xiàn)象，有關儀器和應用技術已經(jīng)成為物理學、化學和生物學研究的重要工具。3相互作用及界面研究相關技術

在金屬中，價電子為整個晶體所共有，形成所謂費米電子氣。價電子可在晶體中移動，而金屬離子則被束縛于晶格位置上，但總的電子密度和離子密度是相同的，從整體來說金屬是電中性的。人們把這種情況形象地稱為“金屬離子浸沒于電子的海洋中”。這種情況和氣體放電中的等離子體相似，因此可以把金屬看作是一種電荷密度很高的低溫（室溫）等離子體，而氣體放電中的等離子體是一種高溫等離子體，電荷密度比金屬中的低。金屬板中電子氣的位移（上）金屬離子（+）位于“電子海洋”中（灰色背景），（下）電子集體向右移動基本原理等離子體3相互作用及界面研究相關技術全反射：光由光密（即光在此介質(zhì)中的折射率大的）媒質(zhì)射到光疏（即光在此介質(zhì)中折射率小的）媒質(zhì)的界面時，全部被反射回原媒質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象?；驹?相互作用及界面研究相關技術基本原理TotalinternalReflection金石英基體

100%強度100%強度100%強度6%強度Sample表面等離子波表面等離子共振波3相互作用及界面研究相關技術抗體–抗原相互作用+Kasskdiss

抗體 抗原 復合物Ab:Ag基本原理3相互作用及界面研究相關技術

金石英基體

’

’100%強度6%intensity100%強度100%強度6%強度基本原理3相互作用及界面研究相關技術X-軸:角度Y-軸相對反射率(%)基本原理

’SPR共振角3相互作用及界面研究相關技術表面附近折射率的變化

鍍金膜能量狀態(tài)的變化SPR共振角度變化,在此角度上鍍金膜吸收光能產(chǎn)生共振儀器檢測SPR角度變化,進而告訴我們表面發(fā)生的變化:Δ

=120m°0.001的折射率變化,或者1ng/mm2的表面吸附

(儀器激光照射點的面積為2.5mm2)基本原理3相互作用及界面研究相關技術ni:RefractiveIndexinEachMedium(i:1=Prism,2=Metal,3=Sample):IncidentAngleofLightqIncidentLightDetectorn1n2n3KretschmannConfigurationResonanceAngleShiftRefractiveIndexChangeofSensingLayeronChipResonanceAngleChangeMolecularInteractionResonanceCondition基本原理3相互作用及界面研究相關技術基本原理4.解離段5.再生段6.重回基線1.基線2.結(jié)合段3.平衡段1345623相互作用及界面研究相關技術SPR儀測量池鍍金膜二極管檢測器折射鏡

激光偏振濾鏡掃描鏡透鏡旋轉(zhuǎn)手柄緊固螺栓光學系統(tǒng)3相互作用及界面研究相關技術SPR儀3相互作用及界面研究相關技術混合泵

蠕動泵測量池SPR儀3相互作用及界面研究相關技術SPR測量池SPR儀3相互作用及界面研究相關技術SPR儀3相互作用及界面研究相關技術BK-7玻璃,n=1.521mm厚度浸沒油,折射率n=1.518半圓柱棱鏡4°4°單色激光,670nm(波長)Au,鍍金膜,50nm厚度鍍金片鈦涂層,1.5nm厚度.將金粘結(jié)到玻璃片上的載體層.SPR儀溶液3相互作用及界面研究相關技術

Activation:EDC:N-(3-dimethylaminopropyl)-N-ethylcarbodiimide NHS:N-hydroxysuccinimide

Au巰基十一酸SHOHOSHOHOSHOHOSHOHOSPR的應用3相互作用及界面研究相關技術抗體封閉:氨基乙酸(也叫甘氨酸)或乙醇胺

Au巰基十一酸SHOHOSHOHOSHOHOSHOHOSPR的應用3相互作用及界面研究相關技術抗體

Au巰基十一酸SHOHOSHOHOSHOHOSHOHO抗原SPR的應用3相互作用及界面研究相關技術Biotin-thiolEthyleneglycol-thiolBiotinStreptavidinssDNA-biotinTargetDNAOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHhybridizationOHSPR的應用3相互作用及界面研究相關技術Biomolecularinteractions

in

disease

andmedicineSPR的應用3相互作用及界面研究相關技術ObesityDiabetesAutoimmuneDiseaseInfectiousdiseaseHIVVirusesFungi,protozoa,parasitesBacteriaCancerParkinson’sDepressionMetabolicNeuroscienceAlzheimer’sRheumatoidarthritisMalariaTBInfluenzaYellowfeverDengueAntibioticresistanceCardio-vascularRespiratorySPR的應用3相互作用及界面研究相關技術ObesityDiabetesAutoimmuneDiseaseInfectiousdiseaseHIVVirusesFungi,protozoa,parasitesBacteriaCancerParkinson’sDepressionMetabolicNeuroscienceAlzheimer’sRheumatoidarthritisMalariaTBInfluenzaYellowfeverDengueAntibioticresistanceCardio-vascularRespiratoryVirus–cellrecognitionAntibody–antigeninteractionInteractionsDrug–receptorbindingSPR的應用3相互作用及界面研究相關技術RBP4anddiabetesRetinolbindingprotein(RBP4)isatransportproteinforretinol(vitaminA),animportantsignalingmoleculeSerumRBP4levelscorrelatewithinsulinresistanceandothercharacteristicsoftype2diabetesRBP4isthusbothatherapeutictargetandanearlymarkerfortype2diabetesSPR的應用3相互作用及界面研究相關技術SPR-basedbiosensorforRBP4ThiopropionicacidEDC/NHS+streptavidinBiotin-labeledaptamerSerumCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCONHCOOHCONHCONHCOOHtimeangleCOOHSPR的應用3相互作用及界面研究相關技術CancerCancerisadiseaseofuncontrolledcellgrowthItariseswhenthebalancebetweencelldivisionand

celldeathisdisruptedUncontrolledcellgrowthiscausedbymutations

intheDNA,ingenesthatregulate

cellcycleandapoptosisSuchmutationscanbegenetic,

causedbyenvironmental

factors,orarisebychanceSPR的應用3相互作用及界面研究相關技術EstrogenandcancerEstrogenstimulatescellproliferationinsometissues,viaERsIncreasedrateofcelldivisionleadstomoremistakesMutantcellsarestimulatedtodivideaswell,increasingthechancesthatmutationsaccumulateSometumorsare‘estrogensensitive’:estrogenhelpsthemtogrowSPR的應用3相互作用及界面研究相關技術AntiestrogensDrugscanblocktheactionofestrogenandtherebyreducetheproliferationofmutantcellsThesedrugsbindtoERswithoutturningongenesviaEREsOneofthesedrugs,tamoxifen,hasbeenusedinbreastcancertreatmentsincethe1970sestradiol4-hydroxytamoxifenSPR的應用3相互作用及界面研究相關技術EstrogenactionEREgeneERestrogencoactivatorsRNApolymeraseSPR的應用3相互作用及界面研究相關技術EstrogenactionEREgeneERIncreasedcellproliferationandcancerRNASPR的應用3相互作用及界面研究相關技術TamoxifenactionEREgeneERtamoxifencoactivatorsRNApolymeraseNoincreasedcellproliferationandnocancerSPR的應用3相互作用及界面研究相關技術StreptavidinimmobilizedongoldBiotinylatedDNA(EREorrandom)capturedEstrogenreceptor(ER)bindingmeasuredEmptyEREstrogen(E2)-ERTamoxifen(4OHT)-ERSPR的應用3相互作用及界面研究相關技術

生物傳感器（Biosensor）

生物傳感器（biosensor）是由固定化的生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、微生物、核酸等生物活性物質(zhì)）與適當?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場效應管、等等）及信號放大裝置構成的分析工具或系統(tǒng)。3相互作用及界面研究相關技術

Real-TimeMonitoringNon-LabelingTechniqueHighlySensitiveDetection-Non-InvasiveOpticalTechniqueBiosensorSignalTransducerElectrochemicalOpticalThermalMechanicalSurfacePlasmonResonance(SPR)FluorescenceChemiluminescence生物傳感器3相互作用及界面研究相關技術電化學生物傳感器3相互作用及界面研究相關技術原電池與電解池原電池：能自發(fā)地將化學能轉(zhuǎn)化為電能電解池：需要消耗外部電源提供的電能，使電池內(nèi)部發(fā)生化學反應基本原理電化學生物傳感器基本都運用電解池！3相互作用及界面研究相關技術電化學三電極系統(tǒng)工作電極（Workingelectrode）參比電極（Referenceelectrode）對電極（Auxiliaryelectrode）電極：在電化學電池中賴以進行電極反應和傳導電流從而構成回路的部分?；驹?相互作用及界面研究相關技術工作電極金電極熱解石墨電極玻碳電極基本原理參比電極飽和甘汞電極Ag/AgCl電極對電極鉑片電極鉑絲電極絕對電極電位無法得到，因此只能以一共同參比電極的標準電極電勢為參照進行測量。對電極一般使用惰性貴金屬材料，以免在此表面發(fā)生化學反應，用于與工作電極形成回路。工作電極，是三電極中，最為重要的一個，需要關注的化學和生物過程均在此電極上發(fā)生。3相互作用及界面研究相關技術電化學工作站基本原理3相互作用及界面研究相關技術循環(huán)伏安法(CyclicVoltammetry)基本原理以一定的速率對工作電極施加三角波電壓，使電極上交替發(fā)生還原和氧化反應，并記錄電流-電勢曲線。電化學信號3相互作用及界面研究相關技術鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀的循環(huán)伏安圖Fe(CN)63-+e=Fe(CN)64-Fe(CN)64--e=Fe(CN)63-電化學信號3相互作用及界面研究相關技術幾個重要的參數(shù)兩個峰電位氧化峰電位（Epa）還原峰電位（Epc）兩個峰電流氧化峰電流（ipa）

還原峰電流（ipc）氧化過程還原過程電位可定性！電流可定量！電化學信號3相互作用及界面研究相關技術定性研究不同的酚酸類物質(zhì)3相互作用及界面研究相關技術最成功的生物傳感器——血糖儀定量分析——生物傳感器基于酶催化的生物傳感器3相互作用及界面研究相關技術基于血紅蛋白催化的H2O2生物傳感器定量分析——生物傳感器3相互作用及界面研究相關技術化學反應H2O2+2Fe2++2H+→2Fe3++2H2O血紅蛋白對H2O2的催化檢測原理電極反應(1)Fe2+-e-→Fe3+