生物传感器相关概念简述（一）
生物传感器相关概念简述
An Overview of Biosensors
一、荧光与化学发光
- 荧光产生的原理
单线态、三线态、振动弛豫、内转换、体系间跨越
荧光与磷光的区别
- 荧光激发光谱、荧光发射光谱、三维荧光光谱
- 影响荧光量子产率的因素
- 荧光猝灭的类型和机理
Stern-Volmer方程式
- 如何识别荧光与散射光
Rayleigh散射和Raman散射
- 如何利用荧光光谱进行定量分析
荧光定量公式
提高荧光发射强度的方法
- 化学发光原理及常用的液相化学发光体系
- 荧光光谱仪的基本构造
与UV的区别
- 常用的荧光分析方法
直接分析法
间接分析法（猝灭）
FRET（基于FRET原理的分子信标）
荧光各向异性
荧光标记
示踪与细胞影像
二、生物传感器
- 生物传感器的构成
- Bioreceptor（生物接收器）
- Transducer（转换器）
- Bioreceptor的种类
- 酶 -ase是英文中酶的后缀
Classification of Enzyme酶的种类如下:
Oxidoreductases(氧化还原酶)、Transferases(转移酶)、Hydrolases(水解酶)、Lyases(裂解酶)、Isomerases(异构酶)、Ligases(连接酶)
酶与底物反应，首先形成过渡态ES：E + Substrate = E*S=E + Product，酶的催化作用可以使反应的活化能下降，催化过程符合Michaelis-Menten方程。反应速率达到最大反应速率一半时的底物浓度，称为米氏常数。
当酶的活性中心被占满的时候，底物浓度增加，反应速率也不会再增加。
脱氢酶可以催化还原性物质（或称为还原态物质Reduced substrate）跟NAD之间的H的转移，可以把还原性物质氧化。
Reduced substrate + NAD(P)+ =(在脱氢酶作用下)= Oxidized substrate + NAD(P)H + H+
Reduced dye + H2O2 =(peroxidase过氧化物酶)= Oxidized dye + H2O
- 抗体
Immunology with label methods
1. Competitive 竞争法
加入定量的经过酶标记的抗原分子，与未知浓度的抗原分子进行竞争性抗原抗体结合。
2. Sandwich 三明治法
在抗体中，Constant region 称为保守区，其氨基酸序列是始终不变的，Variable region可变区的氨基酸序列是可变的，针对不同的抗原，有不同的序列。因此一种抗原对应一种抗体，因为此处的序列改变会影响到抗体构象，其对于被检测分子的空间适配性也会发生改变。选择性从化学根本的原因来说，是空间的适配性，就像钥匙插到锁里面。
- ssDNA（单链DNA）
- Molecular Beacon（分子信标）
- Aptamer（核酸适体）
- Synthetic receptor（合成受体）
- Transducer的种类
- 电化学（电位，电流）
- 光学（光吸收，荧光，光干涉，SPR）
光学传感检测的量：
1. Absorption
2. Emission
3. Reflection反射
4. Refractive index折射，例如SPR
5. Scattering散射，例如拉曼光谱
- 振荡频率（QCM）
- 常用的标记方法
常用的标记方法：
- 放射性同位素标记Radioactive Isotopes，例如碘125，除非要求灵敏度特别高，否则不采用
- 荧光标记Fluorescent labels，使用高量子产率的荧光物质标记，可以是有机分子，也可以是量子点
- 化学发光标记Chemiluminescent labels
（以上为光学方法）
- 电活性物质标记Electroactive labels
- 酶标记Enzyme labels
- 金属标记Metallic labels（纳米金）
（以上为电化学方法）
三、纳米分析化学
纳米分析中的信号响应机理
0维材料：particle；1维材料：纳米线、纳米棒；2维材料：石墨烯，硫化钼等。
- 纳米电分析
基于零维纳米材料（纳米颗粒particle）的电化学生物传感器原理
基于零维材料的电化学分析：一是用纳米粒子标记生物分子用于电化学传感（标记方法、电化学免疫分析和DNA检测）；二是用纳米粒子构筑电化学界面促进生物分子的电子转移；三是纳米粒子的光电化学。
尺寸效应有两种：一种是局域表面等离子共振；另一种是光的散射。发生表面等离子共振是不太容易的，因为光的耦合发生共振，共振需要一定的波长，一定的相位。光照射金纳米颗粒，非常容易耦合，因为是纳米金颗粒球形的，所以只要波长合适就可以耦合。光的电场和磁场会引起金属表面的金自由电子发生振荡，自由电子的振荡也有表面等离子波，但是是局限在金纳米颗粒表面的，因此叫做Local Surface Plasmon Effect（LSPR）。如果光的波长合适，就可以与表面等离子波的频率一致，就可以达到共振，这束光就会被吸收，就会产生颜色，光被吸收就会有颜色。表面等离子共振能产生多大的吸收，与极化率有关系，而极化率又与金属表面的介电常数有关系。金的极化率与银不同，相同直径的金纳米颗粒和银纳米颗粒，两者的表面等离子吸收完全不同，极化率也会影响到拉曼的散射。
纳米金不同的颜色不是完全由于吸收造成，吸收只是一部分，还有一部分是由于光的选择性散射，这两部分的叠加效应我们称之为消光，Extinction=Scattering+Absorption，所以在测量纳米金光谱的时候，纵坐标必须是E。对于纳米金属颗粒，纵坐标不应该是吸光度，而应该是消光，其由散射和吸收叠加而成。结果图的坐标轴选取方面，物理系的人喜欢横坐标用eV，化学系喜欢用wavelength。
纳米金一般由氯金酸还原所得，还原时使用的还原剂其还原性不能太强，若太强则容易生成大颗粒，常用的例如柠檬酸。纳米金尺度越小越偏红，尺度越大越偏蓝。明场看到的是通常是吸收引起的，看到的是互补光，这是光的互补性。高锰酸钾为什么是紫红色的，因为高锰酸钾吸收的是黄绿色的光。暗场的光是激发后产生辐射跃迁。
纳米材料的特性：一是表面效应，大量的原子暴露在表面，还可以与其他东西配位，表现出高活性以及吸附作用，所以现在很多催化剂都是纳米尺度的。吸附是很重要的，如果没有吸附，就不会对材料的电学性质以及光学性质产生影响；二是体积效应，当尺寸接近德布罗意波长时，颜色会发生变化，例如SPR；三是量子尺寸效应，此时的纳米颗粒需要接近波尔半径，一般在几个纳米，即便是十几个纳米也不行；四是宏观量子隧道效应。Tunnel effect。隧道扫描显微镜STM就是基于此原理。STM的工作原理是，探针与表面的距离越小，隧穿电流约大。
金薄膜的是SPR，金微球的是LSPR。
一维纳米材料在电化学分析中的应用
碳纳米管的修饰方法
碳纳米管，可分为单层和多层，即Single wall carbon nanotube和Multi wall carbon nanotube。其作用是可以实现直接电子转移，direct electron transfer，DET。
纳米的非标记传感器，例如碳纳米管，只需要吸附bonding，器件的特性曲线就会变化，而且只要bonding一些小分子就会变化，比SPR更灵敏。
甲烷是推电子气体。纳米线的宽度要合适，通过测量纳米线吸附气体后的电阻变化为原理做传感。
基于碳纳米管的场效应管FET传感器
以Si作为基底，将Si基底的表面氧化，氧化后形成很薄的一层二氧化硅，作为绝缘层，在绝缘层上涂两个金电极，两个金电极之间构成源、漏极，源极是source，漏极是drain，在源极和漏极之间是一个碳纳米管，由于碳纳米管是导电的，因此在施加源漏极电压后，可以产生电流。
如果在Si基底上再施加一个电压，这个电压就是栅极电压，栅极是gate。施加这个电压会改变碳纳米管的导电特性。场效应管的名称由来是：因为Si和碳纳米管之间还有绝缘层，所以栅极电压不是直接加到了碳纳米管上，而是对碳纳米管施加了电场，这个电场的引入，改变了碳纳米管的导电性能。
我们可以通过控制源漏极的电压和栅极电压，来测量器件特性曲线Device Characteristics。FET有两条器件特性曲线：一是改变源漏极电压，测量源漏极之间的电流，有点类似于电阻，此时的栅极电压是固定的，不同的栅极电压下可以有不同的器件曲线；另一种是，改变栅极电压，测量源漏极之间的电流。
假如该碳纳米管是N型的，则电子是主要的载流子，若栅极施加正电场，则会吸引载流子贴合到绝缘层，此时导电能力会增加。假如是P型半导体，若栅极还是施加正电场，则主要载流子就会被排斥，远离绝缘层，此时导电性能会下降。因此FET可以用于测量该纳米材料是P型半导体还是N型半导体。
假设栅极电压从-40扫描到+40V，源漏极之间的电流逐渐减小，则说明是P型半导体。
- 纳米光学分析
纳米材料的光学响应机理（LSPR、纳米粒子聚集、表面折射率改变）
纳米材料在光学领域的应用，真正被医学接受的，是胶体金（纳米金）。纳米金表面连接抗体，抗原将纳米金抗体与抗体之间完全结合在一起，将纳米金由聚集态变为分散态，颜色发生显著变化。
纳米颗粒也会产生类似于自旋耦合的现象，靠近的纳米金颗粒的表面等离子波会相互影响，纳米金颗粒之间靠近，则LSPR峰会右移，拉开了又会回到原来的位置，基于此原理发展出aggregation sensor
半导体量子点的光学特性以及应用
量子点（Quantum Dots）通常以CdSe为核，CdS或ZnS为壳的核-壳型纳米体，与传统的有机染料相比，其具有独特的性质。不同尺寸的量子点会有不同的发光颜色，体积越小，能带越宽的尺寸效应。纳米粒子的尺寸变小，接近波尔半径，出现显著的量子尺寸效应，导带能级向负移动，价带能级向正移动，能隙增加，能带蓝移。
与有机染料相比，量子点的优势在于：1.例如和罗丹明分子（Rohdamine）相比，量子点的激发光谱非常宽，很多波长都能使其激发， 同时其发射光谱窄，这是非常好的特性；2.另外，量子的量子产率比较高，例如荧光素（Fluorescein），在不同的波长下有不同的量子产率。而作为标记而言，量子产率显然更加明亮；3.量子点能够抵抗光的漂白，有机染料在强光的照射下会自然漂白。
正是由于以上特性，量子点常用于生物成像，表面借各种各样的有机官能团或者靶向性的物质。例如，用疏水的改良聚丙烯酸包被量子点，使之与免疫球蛋白G和链霉亲和素相结合，使其能准确地结合并标记在细胞表面蛋白、细胞支架蛋白和细胞核内的蛋白质上。这种是主动靶向的方法，也可以使用被动靶向的方法，例如，因为肿瘤组织血管的密度和正常组织不一样， 其对纳米材料的渗透性会好一些，纳米材料会自动往这些部位聚集。
为什么量子点都是半导体，因为对于半导体而言，其能带随着尺寸的变化会有一些改变：若是非纳米状态的固态半导体bulk solid，是间隔很小的能带，能带之间的间隔非常小，几乎无法分辨，因此感觉上是连续的。处于下面的是价带，上面的是导带，价带一般充满了电子。价带与导带之间的宽度是禁带宽度。为什么叫半导体，就是因为其禁带宽度适中。绝缘体的禁带宽度非常大，电子很难从价带跳到导带。金属的价带和导带几乎是交错在一起的。因此金属在常温下，大量的自由电子可以移动。随着尺寸减小，构成物体的粒子数减小，最小的时候就是分子能级图，量子点就介于分子能级图和固态能级图之间。随着尺寸的减小，禁带会越来越大。
对于宏观物体，要克服一个势垒，因此需要做功，要先到山顶，然后下来。对于小尺寸的particle，例如光子，可以直接穿越势垒。两个相靠很近的金纳米颗粒，若施加电场，当存在Gap的情况下，电子也是可以转移过去。此处的Gap可以视为势垒。
例如，在免疫标记电化学发光中，吡啶钌与电极没有直接接触，但是吡啶钌的电子同样可以转移到电极上，这就是量子隧穿效应。
四、电化学中的过电位问题
对于分子量较大的物质，若使用普通的电极，也能发生电子传递，但是其过电位非常大，overpotential，如图中的a到a1。过电位是指，实际发生的氧化或还原的电位与其平衡氧化还原电位之间的差距。假设某分子，0.3V就可以还原，因为其能斯特电位就在0.3V，此处的能斯特电位就是平衡电位，但是实际实验中我们发现-0.8V才能还原，再例如，氢气的电极电势是0，但氢气的实际还原电位是负的一点多。过电位产生的原因是：一是浓差极化，由于本体溶液扩散不及时，所以电极表面物质浓度迅速降低；二是电化学极化，电子传递速度太慢，所以会存在过电位，一般分子越大，过电位越大，因为分子越大，其电活性中心与电极表面的电子传递会变慢。碳纳米管的作用，可以降低过电位，从而使得选择性大大提高，因为假如要0.6V才能氧化，那么血液中的很多物质都能氧化。电化学中低电位氧化还原是一种很重要的提高选择性的方法。往往通过加入电子媒介的方法降低过电位。
对于过电位的处理，可以参考以下例子：葡萄糖氧化酶催化了氧气跟葡萄糖反应，将葡萄糖氧化，氧气变成双氧水。因此可以通过检测氧气的衰减或双氧水的提高，从而间接地定量葡萄糖。另一种体系是：葡萄糖被葡萄糖氧化酶氧化成葡萄糖酸，葡萄糖氧化酶GOX被还原为还原态的GOX，二茂铁夺取还原态GOX的电子，从而将还原态的GOX重新变为氧化态的GOX，因此GOX是没有改变的，二茂铁变成还原态的二茂铁，还原态的二茂铁可以在电极表面发生电子传递，产生氧化电流。可以认为是二茂铁代替了氧气，而二茂铁的氧化还原在电极表面更加容易检测，因为其可逆性非常好。这种方法没有实现GOX与电极表面的直接电子转移，是非DET的。因此在该过程中，二茂铁是电子媒介体。
NADH辅酶催化葡萄糖体系：Glucose + NAD+（氧化态）在葡萄糖脱氢酶（GDH）的作用下，葡萄糖中H会转移到NAD+上面，所以葡萄糖就会被氧化，葡萄糖变成Glucose（ox），NAD+变成NADH。该反应的电子受体是NAD+。
GOX催化葡萄糖体系：Glucose+ O2在葡萄糖氧化酶（GOX）的作用下，生成Glucose（ox）以及双氧水。该反应的电子受体是氧气。
注：葡萄糖脱氢酶GDH，葡萄糖氧化酶GOX。
蛋白质有活性中心，即便蛋白质与电极很好地贴附，但是电活性中心在里面，因此很难与电子表面发生直接的电子转移，除非是纳米电极。
五、其他
关于控制纳米颗粒的间距，物理学家做的比较精确，而化学里，因为在溶液中，所以很难控制这个距离。物理学家可以通过气相沉积的方法，去做不同间隔距离的纳米材料，从而测量其消光光谱。
在合成的分子中，如果有巯基（-SH）就能和金连接。
从发文章的角度，Discovery的东西，不需要检测浓度很高，也可以发表出来。
CDI Method：连接羟基与氨基
EDC Method：连接羧基与氨基或羧基与巯基
缓冲溶液的导电能力远远超过隧穿电流，隧穿电流会被流过缓冲溶液的电流掩盖。