电化学酶生物传感器

1、电化学酶生物传感器电化学酶生物传感器20142014年年5 5月于青岛月于青岛电化学电化学酶传感器的原理酶传感器的原理 电化学酶传感器是由生物酶膜与各种电极如离子选择电极、气敏电极、电化学酶传感器是由生物酶膜与各种电极如离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极等电化学电极组合而成或将酶膜直接固定在基体电极上制氧化还原电极等电化学电极组合而成或将酶膜直接固定在基体电极上制成的生物传感器。根据输出信号的不同酶电极可分为电流型和电位型两成的生物传感器。根据输出信号的不同酶电极可分为电流型和电位型两种类型。种类型。5.2.1 5.2.1 电流型酶传感器电流型酶传感器 电流型酶电极传感器将酶催化反应产生的物

2、质发生电极反应电流型酶电极传感器将酶催化反应产生的物质发生电极反应所产生的电流响应作为测量信号，在一定条件下，利用测得的所产生的电流响应作为测量信号，在一定条件下，利用测得的电流信号与被测物活度或浓度的函数关系，来测定样品中某一电流信号与被测物活度或浓度的函数关系，来测定样品中某一生物组分的活度或浓度。生物组分的活度或浓度。 酶的分子识别功能及其反应过程的示意图酶的分子识别功能及其反应过程的示意图 酶电极制备过程中的关键在于酶的固定化，固定化的目的在于保持酶稳酶电极制备过程中的关键在于酶的固定化，固定化的目的在于保持酶稳定性的同时，尽可能使酶膜与敏感元件紧密接触，这样酶催化反应的产物可定性的同

3、时，尽可能使酶膜与敏感元件紧密接触，这样酶催化反应的产物可以很快地被酶敏感元件所感知并产生相应的信号。以很快地被酶敏感元件所感知并产生相应的信号。 酶的固定化酶的固定化酶活性中心酶活性中心黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD)FAD)Horseradish Peroxidase 亚铁血红素（亚铁血红素（Hemin)Hemin)模拟辣根过氧化物酶（模拟辣根过氧化物酶（G-G-四链体四链体-hemin -hemin 复合物）复合物）5.2.2 5.2.2 酶电极传感器的发酶电极传感器的发展展三代电流型酶传感器基本原理示意图(A)第一代，(B)第二代，(C)第三代 葡萄糖传感器葡萄糖传感器葡萄糖氧化酶葡萄糖氧

4、化酶 （GOx） 血液中的糖称为血糖，绝大多数都是葡血液中的糖称为血糖，绝大多数都是葡萄糖。体内各组织细胞活动所需的能量大部萄糖。体内各组织细胞活动所需的能量大部分来自葡萄糖，所以血糖必须保持一定的水分来自葡萄糖，所以血糖必须保持一定的水平才能维持体内各器官和组织的需要。平才能维持体内各器官和组织的需要。空腹血糖空腹血糖 测定值测定值 7.0 mM 高血糖高血糖 9.0 mM 糖尿糖尿由一种称为Clark型氧电极来制备的，用透气膜将酶包裹固定在氧电极表面。葡萄糖传感器通常使用葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOD），该传感器对葡萄糖具有选择性响应，其检测原理为：第一代葡萄糖传感器

5、第一代葡萄糖传感器检测氧的消耗或过氧化氢的生成 GOD612622612722C H O +O +H OC H O +H O响响 应应机机 理理第二代葡萄糖传感器第二代葡萄糖传感器- -电子媒介体型电子媒介体型电子媒介体电子媒介体是一种具有良好电化学活是一种具有良好电化学活性的相对分子质量小的化合物，它担性的相对分子质量小的化合物，它担负从酶的氧化还原中心到电极表面传负从酶的氧化还原中心到电极表面传递电子的作用。在催化还原过程中，递电子的作用。在催化还原过程中，介体首先与还原性的酶反应，然后扩介体首先与还原性的酶反应，然后扩散到电极表面并进行快速的电子交换散到电极表面并进行快速的电子交换 (1

6、)能够快速地与还原性的酶反应；能够快速地与还原性的酶反应； (2)具有可逆的异相反应动力学行为；具有可逆的异相反应动力学行为； (3)生成氧化型介体的过电位低而且与生成氧化型介体的过电位低而且与pH无关；无关； (4)它的氧化或还原形态都是稳定的；它的氧化或还原形态都是稳定的； (5)还原型介体不与氧发生反应；还原型介体不与氧发生反应； (6)在应用中无毒化作用。在应用中无毒化作用。图图511 一些常见的媒介体的化学结构一些常见的媒介体的化学结构(a)四硫富瓦烯四硫富瓦烯(TTF)，(b) 四氰苯醌二甲烷四氰苯醌二甲烷(TCNQ)，(c) 二茂铁，二茂铁，(d) N-甲基苯基吡唑酮鎓甲基苯基吡

7、唑酮鎓(NMP+)，(e) 麦多那蓝麦多那蓝常见的媒介体的化学结构常见的媒介体的化学结构 2+2+D-glucose + GOX (FAD) gluconolactone + GOD(FADH )GOD(FADH )+2FcGOX (FAD)+2Fc+2H2Fc2Fc +2e测试片测试片第三代葡萄糖传感器第三代葡萄糖传感器-直接电子传递型直接电子传递型22222 +2glucose + GOx(FAD) gluconic acid + GOr(FADH ) GOr(FADH ) + O GOx(FAD) + H O GOx(FAD) + 2e + 2H GOr(FADH ) 三代电化学酶传感器

8、总结三代电化学酶传感器总结- -以葡萄糖检测为例以葡萄糖检测为例检测对象检测对象敏感物质（酶）敏感物质（酶）换能器（电极）换能器（电极）葡萄糖葡萄糖麦芽糖麦芽糖蔗糖蔗糖半乳糖半乳糖乳酸乳酸尿酸尿酸尿素氮尿素氮胆固醇胆固醇磷脂质磷脂质氨基酸氨基酸丙酮酸丙酮酸乙醇乙醇葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶淀粉酶淀粉酶转化酶转化酶+变旋光酶变旋光酶+葡萄糖酶葡萄糖酶半乳糖酶半乳糖酶乳酸氧化酶乳酸氧化酶尿酸酶尿酸酶尿酶尿酶胆固醇氧化酶胆固醇氧化酶磷脂酶磷脂酶氨基酸酶氨基酸酶丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶乙醇氧化酶乙醇氧化酶O2, H2O2, PtPtO2PtO2O2H2O2, O2O2, H2O2PtO2, H2O2O2

9、O2常见的电流型酶电极传感器常见的电流型酶电极传感器 2 肌酸和肌酸酐电化学传感器肌酸和肌酸酐电化学传感器222222H OH OH OOHCHOH O 肌酸酐水解酶脒基肌酸水解酶肌氨酸氧化酶肌酸酐肌酸肌酸肌氨酸脲肌氨酸甘氨酸 图517 肌酸微传感器对肌酸的响应 图516 肌酸和肌酸酐电化学微传感器3. 电流型胆固醇传感器（胆固醇测试仪）电流型胆固醇传感器（胆固醇测试仪） 血清中总胆固醇血清中总胆固醇 (total cholesterol ， TC) 包括游离胆固包括游离胆固醇醇 (free cholesterol ， FC) 和胆固醇酯和胆固醇酯 (cholesterol ester ， C

10、E) 两部分。在血清中以游离态存在的胆固醇约占总胆固两部分。在血清中以游离态存在的胆固醇约占总胆固醇 的醇 的 2 7 % 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 中国正常人血清的总胆固醇量约为中国正常人血清的总胆固醇量约为:3.05.20mmol/L。血。血液中胆固醇含量过高，表示胆固醇代谢可能发生障碍。冠液中胆固醇含量过高，表示胆固醇代谢可能发生障碍。冠状动脉粥样硬化患者的血清胆固醇含量往往偏高。因此临状动脉粥样硬化患者的血清胆固醇含量往往偏高。因此临床化验上测定血清胆固醇含量将有助于诊断某些疾病。床化验上

11、测定血清胆固醇含量将有助于诊断某些疾病。测定胆固醇的原理测定胆固醇的原理4-胆甾烯酮胆甾烯酮 基于蛋白质直接电子转移的全胆固醇传感器基于蛋白质直接电子转移的全胆固醇传感器以壳聚糖为载体将血红蛋白、胆固醇以壳聚糖为载体将血红蛋白、胆固醇氧化酶、胆固醇酯酶固定在玻碳电极氧化酶、胆固醇酯酶固定在玻碳电极表面，在不使用任何电子媒介体的条表面，在不使用任何电子媒介体的条件下，利用血红蛋白和电极之间的直件下，利用血红蛋白和电极之间的直接电子转移，制备成高选择性的全胆接电子转移，制备成高选择性的全胆固醇生物传感器，用于测定血清中的固醇生物传感器，用于测定血清中的总胆固醇含量。总胆固醇含量。 对胆固醇响应的线

12、对胆固醇响应的线性范围为性范围为10110mg /dL ，检测限为，检测限为5 m g / d L ， 响 应 时 间 为， 响 应 时 间 为 6 0 s 。电流响应电流响应响应机理响应机理4. 乳酸电化学传感器乳酸电化学传感器乳酸传感器的制备具体方法如下，先在玻碳电极上滴加一滴用氟聚酯乳酸传感器的制备具体方法如下，先在玻碳电极上滴加一滴用氟聚酯(Nafion)调制的介体四硫富瓦烯调制的介体四硫富瓦烯(TTF)浆液，晾干后再用牛血清白蛋白浆液，晾干后再用牛血清白蛋白和戊二醛将乳酸氧化酶固定在该电极表面修饰层上面，即构成乳酸传和戊二醛将乳酸氧化酶固定在该电极表面修饰层上面，即构成乳酸传感器。其

13、反应如下：感器。其反应如下：2+2+ L-+LOD FAD+LOD FADH LOD FADH + 2TTFLOD FAD + 2TTF + 2H2TTF2e2TTF 乳酸 乳酸氧化酶丙酮酸5. 5. 尿酸电化学传感器尿酸电化学传感器 尿酸是核酸中嘌呤分解代谢的产物，正常值为尿酸是核酸中嘌呤分解代谢的产物，正常值为27mg/dL，尿酸测，尿酸测定对于诊断痛风十分有帮助。通过检测尿酸酶催化反应的反应物和定对于诊断痛风十分有帮助。通过检测尿酸酶催化反应的反应物和生成物，进而可以用来测定尿酸的含量。在分子氧的存在下，尿酸生成物，进而可以用来测定尿酸的含量。在分子氧的存在下，尿酸经尿酸氧化酶氧化成尿囊

14、素、过氧化氢和二氧化碳，反应式如下所经尿酸氧化酶氧化成尿囊素、过氧化氢和二氧化碳，反应式如下所示：示：6. 嘌呤电化学传感器嘌呤电化学传感器各种生物嘌呤如黄嘌呤、次黄嘌呤、肌苷都可以利用电流型酶电各种生物嘌呤如黄嘌呤、次黄嘌呤、肌苷都可以利用电流型酶电极进行检测。例如当鱼死后其组织中的腺嘌呤核苷三磷酸极进行检测。例如当鱼死后其组织中的腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)迅迅速降解为肌苷单磷酸速降解为肌苷单磷酸(IMP)，IMP进一步经酶分解导致了次黄嘌呤进一步经酶分解导致了次黄嘌呤(Hx)积累，因此次黄嘌呤浓度大小可以作为鱼类新鲜程度的指示积累，因此次黄嘌呤浓度大小可以作为鱼类新鲜程度的指示剂。采用电流型传感器检测各种生物嘌呤的酶反应中消耗氧或产剂。采用电流型传感器检测各种生物嘌呤的酶反应中消耗氧或产生 过 氧 化 氢 ， 其 酶 催 化 反 应 式 如 下 所 示 。生 过 氧 化 氢 ， 其 酶 催 化 反 应 式 如 下 所 示 。7. 电流型有机磷农药残留传感器电流型有机磷农药残留传感器Choline Acetate H2O ineAcetylcholAChE2ChO222222AcetylcholineH OAcetateCholineCholineOBetaine aldehydeH OH OO2e2H 1 1）抑制型）抑制型 12 2）抑制型）抑制型 2有