07化学与生物传感器

1、 概述概述 核心元件核心元件 电化学传感器电化学传感器 光学传感器光学传感器 其他传感器其他传感器 化学与生物传感器 参考书：布莱恩参考书：布莱恩 R R 埃金斯埃金斯 著著 化学与生物传感器化学与生物传感器 化学工业出版社化学工业出版社 传感器是一种选择性地、连续地和可逆地感受某传感器是一种选择性地、连续地和可逆地感受某 一物理量或化学量或生物量的装置。一物理量或化学量或生物量的装置。 传感器是什传感器是什 么东西呀？么东西呀？ 一、概述一、概述 传感器结构示意图传感器结构示意图 样品样品识别元件识别元件换能器换能器测量装置测量装置传导器传导器 图示鼻子类似为传感器图示鼻子类似为传感器 嗅觉

2、膜生物识别元件嗅觉膜生物识别元件 神经细胞转换器神经细胞转换器 神经纤维传导器神经纤维传导器 大脑测量元件大脑测量元件 识别元件 对某种或某类分析物产生选择性响应。 化学量换能器 将某种可以观察到的变化转化为可测量的信号。 传导器 施加一种可计量的作用后整个装置以该部分元 件来运转系统。 电信号或光信号检测器 传感器传感器分类 物理传感器物理传感器 用以测量物理量，如长度、重量、温度、压力和电用以测量物理量，如长度、重量、温度、压力和电 性能。性能。 化学传感器化学传感器 是通过某种化学反应以选择性方式对特定的待测分是通过某种化学反应以选择性方式对特定的待测分 析物质产生相应从而对分析物进行定

3、性或定量测定。析物质产生相应从而对分析物进行定性或定量测定。 生物传感器生物传感器 实际上是化学传感器的子系统，但也常冠以其名单实际上是化学传感器的子系统，但也常冠以其名单 独作为专题考虑。采用某种生物敏感元件与换能器独作为专题考虑。采用某种生物敏感元件与换能器 相连。与普通的化学传感器不同的关键在于其识别相连。与普通的化学传感器不同的关键在于其识别 元件在性质上是生物质。元件在性质上是生物质。 化学与生物传感器化学与生物传感器分类 电化学传感器电化学传感器 电位测定、伏安测定、电导测定等。电位测定、伏安测定、电导测定等。 光学传感器光学传感器 吸收光谱、荧光光谱、化学发光等。吸收光谱、荧光光

4、谱、化学发光等。 压电传感器压电传感器 热传感器热传感器 核心元件敏感元件核心元件敏感元件 传感器识别分析物的核心部件传感器识别分析物的核心部件 二、二、识别分析物的敏感模式识别分析物的敏感模式 离子的识别离子的识别 分子的识别分子的识别 生物的识别生物的识别 离子识别离子识别 离子选择性电极 离子选择性电极 离子选择性电极又称膜电极。离子选择性电极又称膜电极。 特点：仅对溶液中特定离子有选择性响应特点：仅对溶液中特定离子有选择性响应 膜电极的关键：是一个称为选择膜的敏感元件。膜电极的关键：是一个称为选择膜的敏感元件。 敏感元件：单晶、混晶、液膜、功能膜及生物膜等构成敏感元件：单晶、混晶、液膜

5、、功能膜及生物膜等构成 氟离子选择电极 结构：右图结构：右图 敏感膜：敏感膜：(氟化镧单晶氟化镧单晶) 掺有掺有EuF2 的的LaF3单晶切片；单晶切片； 内参比电极：内参比电极：Ag-AgCl电极电极(管内管内)。 内参比溶液：内参比溶液：0.1mol/L的的NaCl和和0.10.01mol/L的的NaF混混 合溶液（合溶液（F-用来控制膜内表面的电位，用来控制膜内表面的电位，Cl-用以固定内参比电用以固定内参比电 极的电位）。极的电位）。 LaF LaF3 3的晶格中有空穴，在晶格上的的晶格中有空穴，在晶格上的F F-可以可以 移入晶格邻近的空穴而导电。对于一定的晶体移入晶格邻近的空穴而导

6、电。对于一定的晶体 膜，离子的大小、形状和电荷决定其是否能够膜，离子的大小、形状和电荷决定其是否能够 进入晶体膜内，故膜电极一般都具有较高的离进入晶体膜内，故膜电极一般都具有较高的离 子选择性。子选择性。 当氟电极插入到当氟电极插入到F F- -溶液中时，溶液中时，F F- -在晶体膜在晶体膜 表面进行交换。表面进行交换。 分子的识别分子的识别化学识别试剂 化学识别试剂 热力学热力学- -络合物络合物形成形成 热力学控制反应物与产物之间的平衡常数，如热力学控制反应物与产物之间的平衡常数，如 果对一种分析物配位体络合物的平衡常数较高，而果对一种分析物配位体络合物的平衡常数较高，而 对另一种分析物

7、的配位络合物的平衡常数较低就形对另一种分析物的配位络合物的平衡常数较低就形 成了选择性方法的基础。成了选择性方法的基础。 Mn L MLn K MLn/MLn 基于此原理的金属离子敏感光化学传感器，如锌，基于此原理的金属离子敏感光化学传感器，如锌， 这样的传感器如下图。将这样的传感器如下图。将PAR(HL)固定在聚氯乙固定在聚氯乙 稀膜中，络合物颜色的强度与锌的量有关，也与稀膜中，络合物颜色的强度与锌的量有关，也与 氢离子活度的平方有关。待测样品溶液是由锌与氢离子活度的平方有关。待测样品溶液是由锌与 纤维素的共价键合制成。纤维素的共价键合制成。 Zn22HL ZnL2（red）2H+ Zn2+

8、 2H+ 分析质溶液 膜 动力学动力学- -催化效应：动力学选择性催化效应：动力学选择性 化学反应速率有时可以用来控制选择性。电极经修饰后可化学反应速率有时可以用来控制选择性。电极经修饰后可 降低活化超电压，从而有效地加快反应速率，减少干扰并降低活化超电压，从而有效地加快反应速率，减少干扰并 能降低检测极限。能降低检测极限。 其中的一个实例是再涂有其中的一个实例是再涂有Os(byp)2(PVP)10ClCl 的电的电 极上分析铁离子，这种物质起到电极和分析质溶液之间的极上分析铁离子，这种物质起到电极和分析质溶液之间的 一种电子梭子作用，这类似与生物传感器中所应用的媒介一种电子梭子作用，这类似与

9、生物传感器中所应用的媒介 体，它加快了酶和电极间的电子转移，其机理如下：体，它加快了酶和电极间的电子转移，其机理如下： 分子尺寸分子尺寸 分子筛以非常简单地方法在大分子和小分子之间进行选择。分子筛以非常简单地方法在大分子和小分子之间进行选择。 A B+e B+Y A+Z 分子的识别分子的识别光谱识别 光谱识别 红外光谱红外光谱 IR 紫外光谱紫外光谱 UV 核磁共振核磁共振 NMS 质质 谱谱 MS 酶催化识别反应酶催化识别反应 抗体抗体- -抗原免疫反应抗原免疫反应 DNA杂交杂交 信息分子与受体识别反应信息分子与受体识别反应 分子的识别分子的识别生物试剂识别 生物试剂识别 酶催化识别反应酶

10、催化识别反应 葡萄糖葡萄糖 + O2 + H2O 葡萄糖酸葡萄糖酸 + H2 O2 葡萄糖氧化葡萄糖氧化酶酶 酶 组织材料 微生物 线粒体 抗体抗体- -抗原免疫反应抗原免疫反应 Ag + Ab = Ag-Ab DNA杂交杂交 由于核酸成分之间有特定碱基配对进而产生遗传由于核酸成分之间有特定碱基配对进而产生遗传 密码，这种遗传密码决定了所有生命细胞的再现密码，这种遗传密码决定了所有生命细胞的再现 特性，从而能确定一类物质中的个别物质的遗传特性，从而能确定一类物质中的个别物质的遗传 特性特性. . DNADNA探测试剂能用于检查遗传疾病、癌症和病毒传探测试剂能用于检查遗传疾病、癌症和病毒传 染病

11、。染病。DNADNA鉴定通常包括有加入体系标记的鉴定通常包括有加入体系标记的DNADNA， 此标记可以是放射活性的、可光测的、酶或电活此标记可以是放射活性的、可光测的、酶或电活 性等性等. . 生物组分的固定化吸附法 许多物质在其表面都能吸附酶，例如，氧化铝、活性炭、许多物质在其表面都能吸附酶，例如，氧化铝、活性炭、 黏土、纤维素、高岭土、硅胶、玻璃和胶原蛋白。此技术黏土、纤维素、高岭土、硅胶、玻璃和胶原蛋白。此技术 不需要试剂，但需要提纯步骤，并且对酶只有较小的破坏不需要试剂，但需要提纯步骤，并且对酶只有较小的破坏 作用。作用。 一般有两种形式：物理吸附一般有两种形式：物理吸附V.S.V.S

12、. 化学吸附化学吸附 这是最简单的方法，包含最少的准备过程，但是键联比较这是最简单的方法，包含最少的准备过程，但是键联比较 弱。适于短期研究。弱。适于短期研究。 最早期用于生物传感器的一种方法，此技术将生物材最早期用于生物传感器的一种方法，此技术将生物材 料固定在惰性膜后面，这样使生物材料与转换器之间料固定在惰性膜后面，这样使生物材料与转换器之间 紧密接触，采用此方法不会影响酶的可靠性，并能防紧密接触，采用此方法不会影响酶的可靠性，并能防 止污染和生物降解。止污染和生物降解。 对于温度、对于温度、pHpH值、离子强度和化学组成的变化也是稳值、离子强度和化学组成的变化也是稳 定的。定的。 但是，

13、此体系对某些材料，例如小分子包括各种气体但是，此体系对某些材料，例如小分子包括各种气体 和电子是可以穿透的。和电子是可以穿透的。 生物组分的固定化微囊包封法 生物材料与一种单体溶液混合，然后进行生物材料与一种单体溶液混合，然后进行 聚合生成凝胶将生物材料夹在里面。聚合生成凝胶将生物材料夹在里面。 通常应用的凝胶是聚丙稀酰胺。通常应用的凝胶是聚丙稀酰胺。 生物组分的固定化截留法 生物材料与固体支撑物或与其他支撑材生物材料与固体支撑物或与其他支撑材 料，像凝胶发生化学键联。双官能试剂，料，像凝胶发生化学键联。双官能试剂， 如戊二醛，可以用于此技术。如戊二醛，可以用于此技术。 但对于生物材料来说此技

14、术对某些扩散但对于生物材料来说此技术对某些扩散 存在限制。存在限制。 对生物材料也有危害。对生物材料也有危害。 另外，体系的机械强度不良。另外，体系的机械强度不良。 生物组分的固定化交联法 此方法中需要小心设计生物材料中官能团和支撑基质此方法中需要小心设计生物材料中官能团和支撑基质 之间的键合作用。生物材料氨基酸中的亲核官能团对之间的键合作用。生物材料氨基酸中的亲核官能团对 催化作用不是本质的，而酶在这方面是适合的。催化作用不是本质的，而酶在这方面是适合的。 生物组分的固定化共价法 例如，支撑物上的羧酸基团 与碳化二亚胺发生反应， 然后与生物材料上胺官能团 偶联在支撑物和酶之间形成 一种胺键。

15、 三、三、电化学传感器电化学传感器 电位型传感器 电流型传感器 电导型传感器 场效应晶体管传感器 所以所以 电位测定法的定量关系 2.303 RT nF 对于半电池反应对于半电池反应 Ox + ne = R, 能斯特方程如下：能斯特方程如下： 0 ln Ox R aRT EE nFa 式中，式中，aox和和aR为活度。为活度。 为了计算方便改写为为了计算方便改写为 ： 0 10 2.303log RTOx EE nFR lgEKSOx 一般的， 视为常数，对还原性物质，R通常是金属活度（视为1） 此方程是能斯特方程非常实用的形式此方程是能斯特方程非常实用的形式 将参考电极电位将参考电极电位ER

16、EF和液接电位合并在一起和液接电位合并在一起 n REFlj MM EEEE 池 0 lg n N M M EESM lglg n nn REFlj M M EEEESMKSM 池 0 REF l j KEEE 电位型传感器 如取代参考电极，采用具有相同如取代参考电极，采用具有相同 氧化还原电对半电池，而只是氧化还原电对半电池，而只是OxOx 浓度不同。浓度不同。 E1 = E + SlgOx1 E2 = E + SlgOx2 E = E1-E2 =SlgOx1/Ox2 Ox2为常数为常数 E =常数常数 + SlgOx1 伏特计伏特计 膜膜 RE1RE2 浓差电池示意图 a1a2 电位型传感

17、器离子选择电极 E膜膜 = K + 0.059 lg a1 = K - 0.059 pH试液试液 玻璃膜电位与试样溶液中的玻璃膜电位与试样溶液中的pHpH成线性关系。成线性关系。 式中式中K K 是由玻璃膜电极本身性质决定的常数；是由玻璃膜电极本身性质决定的常数； 膜由疏水材料组成，如PVC,膜吸入液态离子 交换试剂，如氨基霉素（对钾）。为了保持 膜中浓度平稳，需要一个溶于有机溶剂的自 己交换溶液的专用储存器以及参考溶液和内 参比电极。 液膜电极液膜电极 这类离子选择性电极的一些实例是硝酸根、铜离子、 氯离子、高氯酸跟、钾离子等。其中硝酸盐电极广泛用 于测定土壤和水中的硝酸盐。 气体传感器 气

18、体电极主要基于气体电极主要基于pHpH电极，并能够检测在含电极，并能够检测在含 水体系中形成酸或碱溶液的气体。水体系中形成酸或碱溶液的气体。 电极装置中有一个气体可以通过的膜，如右电极装置中有一个气体可以通过的膜，如右 图。膜和氢选择性玻璃电极之间有一内电解图。膜和氢选择性玻璃电极之间有一内电解 质，电解质中含有材料能与气体材料形成缓质，电解质中含有材料能与气体材料形成缓 冲剂，例如对氨电极，使用的是氯化铵，建冲剂，例如对氨电极，使用的是氯化铵，建 立如下平衡立如下平衡 高浓度氯化铵的存在能保持铵离子浓度不变，因此，氨浓度的对数直 接比例于溶液的pH值.类似的还有二氧化硫、二氧化碳、硫化氢电极

19、. 所以 KNH3H+/NH4+ lgNH3=pH+pKalgNH4+ NH3H+ NH4 NH4Cl NH4Cl 电位型生物传感器pH键联 在发生上述反应时在发生上述反应时pHpH值有变化，所以值有变化，所以pHpH值值 测定可以用于监测此反应测定可以用于监测此反应. . 葡萄糖葡萄糖 + O2 + H2O 葡萄糖酸葡萄糖酸 + H2 O2 葡萄糖氧化酶 CO(NH2 )2 + H2O 2NH3 + CO2 尿酶 电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转 换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型 电极相比有以下优点： 电极的输出直接和被测物浓度呈线性关系，不像 电位型电极那样和被测物浓度

20、的对数呈线性关系。 电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相 对误差比电位型电极的小。 电极的灵敏度比电位型电极的高。 电流型传感器 伏安测量法 连续测试通过电池的电流。在连续测试通过电池的电流。在 记录议上描述上测试得到的电记录议上描述上测试得到的电 流对电位数据图此方法称为流对电位数据图此方法称为 伏安图法。最为直观的技术称伏安图法。最为直观的技术称 作线性扫描伏安测定法，如作线性扫描伏安测定法，如 左图。左图。 50.50.50.5 p i2.98 10()(298 ) aOx n anAD c vK 3 50.50.5 2 p i2.68 10(298) Ox nADc vK 对于可

21、逆电子迁移的情况，峰电流可由下面的公式求得对于可逆电子迁移的情况，峰电流可由下面的公式求得 如果逆反应不发生，峰电流的公式可以修正为如果逆反应不发生，峰电流的公式可以修正为 氧电极 有不少酶特别是各种氧化酶在催化 底物反应时要用溶解氧为辅助试剂， 反应中所消耗的氧量就用氧电极来 测定，因此氧电极在生物传感器中 用得很广。 目前用得最多的氧电极是电解式的目前用得最多的氧电极是电解式的Clark氧电极，氧电极，Clark氧电极氧电极 是由铂阴极、是由铂阴极、Ag/AgCl阳极、阳极、KCl电解质和透气膜所构成。电解质和透气膜所构成。 葡萄糖葡萄糖 + O2 + H2O 葡萄糖酸葡萄糖酸 + H2

22、O2 葡萄糖氧化酶 电导测量 电导是电阻的倒数，是量度电流通过溶液的难易电导是电阻的倒数，是量度电流通过溶液的难易 程度的物理量。电导和电阻一样与电池的尺寸有关。程度的物理量。电导和电阻一样与电池的尺寸有关。 例如电池长度为例如电池长度为l, ,横截面为横截面为A， 则电导则电导LA/l, , 为比电导为比电导 为了规范化，对于溶质的质量摩尔浓度得到摩尔电为了规范化，对于溶质的质量摩尔浓度得到摩尔电 导导 /c/c 电导测量十分简单，直接比例于所在溶液中离子的浓度。左上是电导测量十分简单，直接比例于所在溶液中离子的浓度。左上是 电导桥式电路。在传统桥式电路中，电阻电导桥式电路。在传统桥式电路中

23、，电阻R R3 3作为电桥平衡的调节作为电桥平衡的调节 电阻并用一个电池常数将电导转换为电导率。在现代仪器中，电阻并用一个电池常数将电导转换为电导率。在现代仪器中， 这些都已自动化以数字化读数输出的这些都已自动化以数字化读数输出的 电导型传感器 尿素尿素 + 2H2O 2NH4+ + HCO3- 四、光 纤 传 感 器 引引 言言 光导纤维及其应用是光导纤维及其应用是2020世纪世纪7070年代以来世界科学技年代以来世界科学技 术领域最重要的发明之一，它与激光器、光导体、光探术领域最重要的发明之一，它与激光器、光导体、光探 测器一起，构成了光电子学的新领域。光导纤维化学传测器一起，构成了光电子

24、学的新领域。光导纤维化学传 感器和生物传感器是感器和生物传感器是8080年代诞生的一种新的传感技术，年代诞生的一种新的传感技术， 是分析化学近是分析化学近1010多年来的一个重大发展。多年来的一个重大发展。 光导纤维生物传感器又称光极光导纤维生物传感器又称光极 美国美国 fiber optical biosensorfiber optical biosensor 欧洲大陆欧洲大陆 optode;optode;英国英国 optrodeoptrode for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fi

25、bers for optical communication 光导纤维生物传感器的结构光导纤维生物传感器的结构 光导纤维的波导作用及其构形 玻璃（包括硅藻凝胶、硅胶、石英和多孔玻璃玻璃（包括硅藻凝胶、硅胶、石英和多孔玻璃 微球等）、纤维素、琼脂糖、高分子聚合物（包微球等）、纤维素、琼脂糖、高分子聚合物（包 括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、 聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、尼龙等）离聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、尼龙等）离 子交换膜、渗析膜、壳质胺、牛血清蛋白等。子交换膜、渗析膜、壳质胺、牛血清蛋白等。 厚度在厚度在5 5200m200m之间

26、。近年来具有单分子层之间。近年来具有单分子层 结构的人工类脂膜受到很大重视，已用于制备高结构的人工类脂膜受到很大重视，已用于制备高 选择性、快响应的生物传感器。选择性、快响应的生物传感器。 固定分子识别物质的载体固定分子识别物质的载体光学透明物质 光学透明物质 光纤传感器的识别模式 紫外可见光吸收光谱紫外可见光吸收光谱 荧光光谱荧光光谱 化学发光化学发光 光反射全内反射光谱光反射全内反射光谱 光散射光散射 生物催化传感器生物催化传感器 最简单的一种是用固定化酯酶或脂肪酶作成生物催化层最简单的一种是用固定化酯酶或脂肪酶作成生物催化层 进行分子识别，再通过产物的光吸收对底物浓度进行传进行分子识别，

27、再通过产物的光吸收对底物浓度进行传 感，感， 如测量在如测量在404nm波长下的吸收，即可确定对硝基苯磷酸波长下的吸收，即可确定对硝基苯磷酸 的含量，线性范围为的含量，线性范围为0-400mol/L，生物体内许多酶，生物体内许多酶 类和脂肪类物质都可用这类传感器进行测定。类和脂肪类物质都可用这类传感器进行测定。 对硝基苯磷酸酯 0 2 H 碱 性 磷 酸 酶 对硝基苯酚+磷酸 研究最多的当属检测研究最多的当属检测NADH的生物催化传感器的生物催化传感器 乳酸乳酸 + NAD+ 丙酮酸丙酮酸 + NADH 在生物催化层中生成的在生物催化层中生成的NADH也可利用耦合的也可利用耦合的 FMN（黄素

28、单核苷酸）生物发光反应，通过光导纤维（黄素单核苷酸）生物发光反应，通过光导纤维 进行传感。进行传感。 谷氨酸盐谷氨酸盐 + NAD+ 酮式二酸酮式二酸 + NH4+ + NADH NADH + FMN + H+ NAD+ + FMNH2 FMNH2 + RCHO + O2 FMN + RCOOH +h 某些生物催化反应所产生的物质不能直接给出某些生物催化反应所产生的物质不能直接给出 光学信号，需要在生物催化层和光测量之间插光学信号，需要在生物催化层和光测量之间插 入一个起换能作用的化学反应，使其转变为能入一个起换能作用的化学反应，使其转变为能 进行光检测的物质，称为复合光极。如许多酶进行光检测

29、的物质，称为复合光极。如许多酶 催化反应都能消耗或产生质子、氧、二氧化碳催化反应都能消耗或产生质子、氧、二氧化碳 或过氧化氢等或过氧化氢等. 青霉素青霉素G 青霉素青霉素酮酸盐酮酸盐 + H+ 胆固醇胆固醇 + O2 +H2O 胆固烯酮胆固烯酮 +H2O2 L-苏氨酸 苏氨酸 -丁丁酮酸酮酸 + NH3 L-谷氨酸谷氨酸 L-氨基素氨基素 + CO2 生物感受器（生物感受器（biological receptor） 光导纤维免疫传感器光导纤维免疫传感器 酶活性传感器酶活性传感器 这类传感器是将相关酶的底物固定在光纤这类传感器是将相关酶的底物固定在光纤 上，在待测酶的作用下生成的产物可用光吸收上

30、，在待测酶的作用下生成的产物可用光吸收 或进行测定。它主要用于人体内各种水解酶活或进行测定。它主要用于人体内各种水解酶活 性的测定，如脂肪酶、磷酸酯酶、碳酸酯酶、性的测定，如脂肪酶、磷酸酯酶、碳酸酯酶、 酰基转移酶和淀粉酶等，由于底物反应后非固酰基转移酶和淀粉酶等，由于底物反应后非固 定化部分是酸或糖类，因而它在体内不会造成定化部分是酸或糖类，因而它在体内不会造成 对健康地损害。对健康地损害。 五、其他传感器五、其他传感器 压电传感器 18801880年，年，CurieCurie兄弟发现有一种各项异性晶体，即那些不兄弟发现有一种各项异性晶体，即那些不 具有对称中心的晶体，如石英和电石。当这类晶体处于机具有对称中心的晶体，如石英和电石。当这类晶体处于机 械受力状态下会产生电信号，反之，如果电信号施于此类械受力状态下会产生电信号，反之，如果电信号施于此类 晶体，它们会机械变形，因此，