现代传感技术与系统》课件第三章

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1、3.3.4用于分子识别的生物传感器生物体细胞间的联系是通过神经末梢的蛋白质进行的。它嵌入细胞膜表面，用于信息分子的选择性辨识。相对而言，嗅觉和味觉中的分子辨识则主要通过分子的无选择性接收以及随后在神经网络中进行的模式识别所决定。生物传感器是模仿生物催化、生物吸附和味觉、嗅觉这些生物机理设计的。第三章(3)1智能传感与信息系统3.3.4用于分子识别的生物传感器1.生物系统的分子识别机理胰导素类的荷尔蒙分子是通过遍布全身的特殊细胞分泌的，这种分子的作用是从正在分泌的细胞到特殊的目标细胞之间传递相应信息。通过这些信息分子的交换，在生物系统实现了细胞间的通讯。另一种细胞间的联系产生于神经突

2、触(synapse)，即神经元之间的结点。神经末梢分泌神经传递分子。因为相邻神经元之间通过3nm的气隙连接，分泌的神经传递物质扩散至相邻的神经元从而实现信息的传送。第三章(3)2智能传感与信息系统3.3.4用于分子识别的生物传感器上述过程清楚地表明了实现生物间信息传递的基本要求是分泌、传输以及分子信息的接收机制。在这些机制中，接收机制是最重要的。在接收机理中，每一个特殊的分子信息被选择性地识别。能在目标细胞中分辨相应分子信息的是接收体蛋白质。在接收体分子合成方面，生物学的飞速发展已经给我们提供了一个清楚的脉络。有几种通过它们的结构进行的分类和阐述。第一类是与离子通道相关的接收器，对

3、应的配体分子被分辨出来，紧接着通过离子门的不同开或关方式的感应，在接收端的特殊点偶合。神经传递型的接收器也可归于这一类。第二类由与G蛋白相关的接收器构成，第三类则包括磷活化酶相关的接收器。第三章(3)3智能传感与信息系统3.3.4用于分子识别的生物传感器虽然还有一些其它的接收器分类，应当记住的是，分子信息在接收蛋白质的特殊点被识别后，接收器蛋白质感应构造的变化导致了输入信息的放大感应，由临近蛋白质分子汇编完成。这些分子辨识机理给我们提供了一个用于实现分子辨识的生物传感器的设计原则。第三章(3)4智能传感与信息系统3.3.4用于分子识别的生物传感器用于嗅觉和味觉传感的分子辨识机制与生

4、物系统的机制有相当大的差别。有些味道和气味是通过鼻子和舌头上的接收细胞被识别的。这些分子的辨识机理应当对应于荷尔蒙和其他神经传递的机理。然而，许多接受细胞对各种各样的分子都有反应，这些接收细胞将信息传送到连接的神经网络，然后，输入信息通过神经元网络以及最终在大脑中某一特殊区域的映射得以处理。大脑可通过模式识别辨别出每一种气味和味道，这可能是因为神经元网络具有一个充分的学习过程。目前关于人工鼻和人工舌的研究方向已集中在与神经网络相连的分子辨识机制的模拟方面。第三章(3)5智能传感与信息系统3.3.4用于分子识别的生物传感器2.用于分子辨识的生物传感器设计原理图3.3.6表明了设计用于

5、分子识别的生物传感器的两种方式。一种是实施一个面向特定目标的接收器蛋白质的选择，另一种则是非特定接收器和神经网络的集成。面向特定目标型生物传感器早在1970年以后就受到充分的关注。这种类型生物传感器的最重要部分是用于分子辨识的装有生物材料的接收器。有两组生物材料可用于接收器：以酶为代表的生物催化物质和包括抗体与连接蛋白质在内的生物吸附物质。第三章(3)6智能传感与信息系统第三章(3)7智能传感与信息系统3.3.4用于分子识别的生物传感器生物催化物质能够识别相应的本原分子以及随后的即时分裂所产生的复合转换形式。因此生物传感器的信号传输部件应该以这样一种方式设计：或者将一个复合型转换状

6、态、或者将一个产物变换为输出信号。变换的信号可以引入电流表、电压表，光、热或者压电声学的装置。这种类型的传感器通常由固定在信号转换装置表面的生物催化物质构成。特定分子的识别完全通过接收器实现。生物吸附型传感器的设计方法与生物催化传感器类似。由于强烈的吸附性，生物吸附物质形成了一种非常稳定的与特定目标对应的复合体。这样，在分子辨识中，关键的问题是怎样防止非特定的相互影响和污染结果的产生。第三章(3)8智能传感与信息系统3.3.4用于分子识别的生物传感器关于非特定目标接收器的生物传感器，可对一定范围内的分子产生响应。许多络合物质及生物体可以作为非特定型接收器工作。这些物质根据每一类设定

7、目标分子的反映特性，以略微不同的方式对其作出响应。通常需使用几种非特定型接收器去分辨某一种特定的气味或味道。每种非特定接收器与一个信号交换装置成对配置。整个传感系统由多段组合了具有不同特性的非特定接收器组成，对特定的分子来说，这些分段的输出信号可能是不相同的。传感部分的输出信号被传输到神经元网络，经学习之后，借助于接收器的非特定识别和神经元网络的模式识别，整个传感系统就可以区分识别特定的分子了。第三章(3)9智能传感与信息系统3.3.4用于分子识别的生物传感器３.用于