电化学生物传感器

1、电化学生物传感器什么是生物传感器？ 生物传感器一般以生物活性物质（例如酶，细胞，抗体，核酸适配体等）为生物功能性敏感基元，并将其固定在信号转换器上，当加入目标物之后通过信号转换器转化为相应光学，热学，电学等信号的检测器。生物传感器的发展历程20世纪60年代酶法分析：专一性强、灵敏度高、操作简便，但是测定周期长。离子选择电极( ion selective electrode, ISE)：操作简单，无需对样品进行欲处理无试剂分析(non-reagental analysis)，但是只能检测无机离子1956 Leland C. Clark Jnr 隔离式氧电极1962 Leland C. Clark

2、 Jnr 酶传感器( enzyme transducer)1967 S. J. Updike 葡萄糖酶电极1975 Yellow Springs Instrument(YSI) 葡萄糖测定仪1975 C. Divis 用完整活细胞取代纯酶制作传感器1977 GA. Rechnitz 用粪便链球菌完整活细胞与氨敏电极组合成测精氨酸的微生物电极1977 Iso Karube和J. Janata 测BOD的微生物传感器和测抗原的免疫传感器l随后出现了细胞器传感器、细胞传感器和组织切片传感器l20世纪70年代中期到80年代，生物技术、生物电子和微电子学不断地渗透、融合，致使生物传感器不再局限于生物反应

3、的电化学过程，而是根据生物学反应中产生的各种信息(如光效应、热效应、场效应和质量变化等)了设计各种精密的探测装置。l1974 K. Mosbach 热生物传感器l1974 Janata 酶场效应晶体管l1980 D. W. Lubbers 和N. Optiz酶光纤传感器l1983 Giulbault 压电晶体酶传感器l1976 A. H. Clemens等报道了以葡萄糖酶电极为基础的第一个人工肾脏，随后被Miles公司开发成生命稳定系统Biostator，用于重症糖尿病人床边监护。l1983 B.Liedberg利用表面等离子激元共振(Surface Plasmon Resonance)方法，

4、能够适时的对生物亲和反应进行检测，在次基础上，瑞典Pharmacia公司在1990年推出商用仪器BIAcore，成为目前研究生物分子之间互相作用最优秀的实验工具。l1984 A.E.G. Cass 首次建立了介体酶电极方法,利用化学介体戊二醛取代分子氧作为氧化还原酶酶促反应的电子受体,促成了1987年美国MediSene 公司开发成功印刷酶电极.电化学生物传感器 电化学生物传感器作为最早问世的一类生物传感器主要是采用固体电极作为基础电极，将生物活性作为分子识别物固定在电极表面，然后通过生物分子间的特异性识别作用，使目标分子捕获到电极表面，基础电极将浓度信号转换成电势，电流，电阻或电容等可测量的

5、电信号作为响应信号，从而实现对目标分析物的定量或者定性分析。 电化学生物传感器优点：灵敏度高，易微型化，能在复杂体系样品中进行检测等优势，已广泛应用于医疗保健，食品工业，农业和环境监测等领域。电化学生物传感器的基本组成和原理组成：生物识别元件，信号转换器，数据分析仪二、电化学生物传感器的信号转换器 离子选择电极 电位型电极 氧化还原电极电化学电极 电流型电极 氧电极1、电位型电极 离子选择电极 离子选择电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈选择性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、价廉等优点。在生物医学领域常直接用它测定体液中的一些成分（例如H+，K+，Na+，Ca2+等）。 氧化还原电极氧化还原电

6、极是不同于离子选择电极的另一类电位型电极。这里指的主要是零类电极。2、电流型电极 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。 氧电极 有不少酶特别是各种氧化酶和加氧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。此外，在微生物电极、免疫电极等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器，因此氧电极在生物传感器中用得很广。

7、目前用得最多的氧电极是电解式的Clark氧电极，Clark氧电极是由铂阴极、Ag/AgCl阳极、KCl电解质和透气膜所构成。Xiaoping Liu,Oihui Liu.Nitric Oxide.2005,13(1):6877 三、电化学生物传感器的分类（根据敏感物质分类） 电化学免疫传感器 电化学酶传感器 电化学DNA传感器 电化学微生物传感器 电化学组织和细胞传感器（一）电化学免疫传感器 是一种将电化学分析方法与免疫学技术相结合而发展出来的具有快速、灵敏、选择性高、操作简便等特点的生物传感器。 根据2001年的对生物传感器分类标准,电化学免疫传感器是基于抗原 抗体反应的,可进行特异性的定量

8、或半定量分析的自给式的集成器件,其中抗原/抗体是分子识别元件,且与电化学传感元件直接接触,并通过传感元件把某种或者某类化学物质浓度信号转变为相应的电信号。 根据检测信号的不同,电化学免疫传感器可分为电位型、电流型、电导型和电容型。电位型免疫传感器 原理 利用抗原或抗体在水溶液中两性解离本身带电的特性,将其中一种固定在电极表面或膜上,当另一种与之结合形成抗原抗体复合物时,原有的膜电荷密度将发生改变,从而引起膜的Donnan 电位和离子迁移的变化,最终导致膜电位改变。原理：先通过聚氯乙烯膜把抗体固定在金属电极上，然后用相应的抗原与之特异性结合抗体膜中的离子迁移移率随之发生变化，从而使电极上的膜电位

9、也相应发生改变。膜电位的变化与待测物浓度之间存在对数关系结合抗体的膜参比电极电导型免疫传感器电导型免疫传感器原理 化学反应产生或消耗的离子,能使溶液的导电能力发生改变。应用1996年 Yagiuda用电导法测定了尿中的吗啡.(Yagiuda K,Hemmi A , Ito S , et al . Development of conductivity- based immunosensor for sensitive detection of methamphetamine (stimulant drug) in human urineJ .Biosens Bioelectrion ,1996

10、 ,11 (8) :703-707.)2001年 Diiksma 用交流阻抗法测定了干扰素,下限达到0.02 fg/ ml。(Diiksma M, Kamp B , Hoogvliet J C , et al . Development of an electrochemical immunosensor for direct detection of interferon- at the attomolar level J . Anal Chem,2001 ,73 (3) :901-907)电导法易受被测样品离子强度和缓冲液容积的影响,并且难以克服非特异吸附电容型免疫传感器电容型免疫传感器

11、其信号转换器由一对处于流体环境的导电体组成。识别分子固定在电极上,相关检测物及液体的移动引起介电常数的改变,导致电容的变化。可以用于实时检测免疫反应 此类传感器的报道甚少。酶联免疫吸附测定法 测量时，抗原（抗体）先结合在固相载体上，但仍保留其免疫活性，然后加一种抗体（抗原）与酶结合成的偶联物（标记物），此偶联物仍保留其原免疫活性与酶活性，当偶联物与固相载体上的抗原（抗体）反应结合后，再加上酶的相应底物，即起催化水解或氧化还原反应而呈颜色。其所生成的颜色深浅与欲测的抗原（抗体）含量成正比。 （二）电化学酶传感器原理：首先将酶固定在电极上，然后在酶的催化作用下，生物分子发生化学变化，通过信号转换器

12、记录变化从而间接测定出待测物的浓度。电化学酶传感器的发展阶段 第一代酶传感器：以自然界存在的氧作为媒介体来沟通酶与电极之间的电子通道，将酶反应底物的减少或产物的生成作为响应信号 第二代酶传感器：采用氧化还原电子媒介体在酶的氧化还原活性中心与电极之间传递电子，通过检测媒介体的信号变化来反应底物浓度的变化 第三代酶传感器：以酶的氧化还原活性中心直接和电极表面交换电子的酶电极传感器，这种传感器不需要加入其它试剂，利用酶自身与电极之间直接产生电子转移。1、酶的固定化技术 惰性载体惰性载体物理吸附法物理吸附法 离子载体离子载体交换法交换法 活化载体活化载体共价结合法共价结合法 物理包埋法物理包埋法乔丽娜

13、,周在德.化学研究与应用.2005,17(6):299302物理吸附法酶分子通过极性键、氢键、疏水力或电子相互作用等吸 附于不溶性载体上。常用的载体有：多孔玻璃、活性炭、氧化铝、石英砂、纤维素酯、葡聚糖、琼脂精、聚氯乙烯、聚苯乙烯已用此法固定化的酶如： 脂肪酶、D葡萄糖苷酶、过氧化物酶等 交换法 选用具有离子交换剂的载体，在适宜的pH下，使酶分子与离子交换剂通过离子键结合起来，形成固定化酶。 常用的带有离子交换剂的载体如下： DEAE一纤维素、TEAE一纤维素、 AE纤维素、CM纤维素、 DEAE一葡萄糖、肌酸激酶共价结合法 物理包埋法 将酶分子包埋在凝胶的细微格子里制成固定化。 常用的凝胶有

14、：聚丙烯酸胺、淀粉、明胶、聚乙烯醇、海藻酸钙、硅树脂 用凝胶包埋法制备的固定化酶如：木瓜蛋白酶、纤维素酶、乳酸脱氢酶2、酶传感器应用 葡萄糖传感器 乙醇传感器 脲电极葡萄糖传感器 由酶膜和Clark氧电极或过氧化氢电极组成。在葡萄糖氧化酶（GOD）的催化作用下，葡萄糖（C6H12O6）发生氧化反应，消耗氧气（O2）生成葡萄糖酸内酯（C6H10O6）和过氧化氢（H2O2）。GOD被半透膜通过物理吸附的方法固定在靠近铂电极的表面，其活性依赖于其周围的氧浓度。葡萄糖与GOD反应，生成两个电子和两个质子。被氧及电子质子包围的还原态GOD经过反应后，生成过氧化氢及氧化态GOD，GOD回到最初的状态并可与

15、更多的葡萄糖反应。葡萄糖浓度越高，消耗的氧越多，生成的过氧化氢越多。葡萄糖浓度越少，则相反。因此，氧的消耗及过氧化氢的生成都可以被铂电极所检测，并可以作为测量葡萄糖测定的方法。乙醇电极C2H5OH+NAD+ C2H5O+NADHADHNADH NAD+2e-+H+乙醇在乙醇脱氢酶（ADH）存在下与辅酶烟碱腺嘌呤二核苷（NAD）的酶反应。将ADH和NAD+共同固定在各种碳或铂的阳极上，研制出无需试剂的传感器，以实现目标物质的检测。NAD+可以通过NADH的电化学氧化实现再生，测定产生的阳极电流脲电极Urea + 2H2O 2NH4+2HCO3-脲 酶产生的2NH4+为阳离子电极感应。原理：电极由

16、掺有脲酶的凝胶包裹的铵离子选择性电极组成。产生的铵离子在30-60s后达到稳态并由铵离子选择性电极检出。另外相应的质子浓度的变化也可通过玻璃PH电极或其他pH敏感电极检测（三）DNA电化学传感器电化学DNA生物传感器是今年来发展起来的一种新型的生物传感器，它将目标DNA的存在转换为响应信号，因为本身具有易操作，灵敏度高，成本低并能兼容其他仪器的特点，因而发展非常迅速。原理：首先将单链DNA探针固定在电极上，在适当的PH，温度，离子强度下，电极表面的DNA能与靶序列选择性地杂交，导致电极表面结构发生改变。电化学生物传感器主要用于检测核酸杂交反应。在DNA电化学生物传感器的设计当中，提高靶序列杂交的特异性和敏感性，一直是核酸检测工作者的研究主题Electrochemical detection of thrombin based on aptamer andferrocenylhexanethiol