电化学生物传感器

电化学生物传感器第1页，共26页，2023年，2月20日，星期一一、什么是生物传感器？生物传感器(Biosensor)是指用固定化的生物体成分或生物体本身作为敏感元件的传感器，是一种将生物化学反应能转换成电信号的分析测试装置。第2页，共26页，2023年，2月20日，星期一电化学生物传感器的基本组成

敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件第3页，共26页，2023年，2月20日，星期一二、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

电流型电极氧电极第4页，共26页，2023年，2月20日，星期一1、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。第5页，共26页，2023年，2月20日，星期一2、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：①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。②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。③电极的灵敏度比电位型电极的高。第6页，共26页，2023年，2月20日，星期一氧电极

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。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。XiaopingLiu,OihuiLiu.NitricOxide.2005,13(1):68~77

第7页，共26页，2023年，2月20日，星期一

第8页，共26页，2023年，2月20日，星期一三、电化学生物传感器的分类

（根据敏感物质分类）酶传感器免疫传感器组织传感器、细胞传感器等第9页，共26页，2023年，2月20日，星期一（一）酶传感器

酶电极电化学电极顶端紧贴一层酶膜朱建中,周衍.传感器世界.1997,4:1~8

第10页，共26页，2023年，2月20日，星期一1、酶的固定化技术惰性载体——物理吸附法离子载体—交换法活化载体—共价结合法物理包埋法乔丽娜,周在德.化学研究与应用.2005,17(6):299~302第11页，共26页，2023年，2月20日，星期一物理吸附法

酶分子通过极性键、氢键、疏水力或π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、α－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、肌酸激酶第12页，共26页，2023年，2月20日，星期一共价结合法

a.重氮b.迭氮c.卤化氰d.缩合

e.烷基化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：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、乳酸脱氢酶第13页，共26页，2023年，2月20日，星期一2、酶传感器应用（1）葡萄糖传感器大肠杆菌改良型葡萄糖传感器MWCNTs-HRP葡萄糖传感器检测血清中葡萄糖浓度第14页，共26页，2023年，2月20日，星期一大肠杆菌改良型葡萄糖传感器利用大肠杆菌中的葡萄糖脱氢酶(mGDH)对氧分子的不敏感性而降低干扰。此传感器把大肠杆菌细胞固定在附有苯醌的石墨电极上，中间夹有一层透析膜。检测葡萄糖浓度达0.2-10mM，响应时间在2min左右，此葡萄糖传感器用EDTA处理后可再度使用。ItoY,Yamazaki

S,BiosensBioelectron.2002,17(11-12):993-8第15页，共26页，2023年，2月20日，星期一MWCNTs-HRP葡萄糖传感器施加电压为-300mv时，可避免抗坏血酸、尿酸等干扰，对葡萄糖在GOD作用下生成的过氧化氢有高的灵敏度。MWCNTs和HRP混合物固定在电极上，制成MWCNTs-HRP改进型电极。检测限达1.0x10(-7)mol/L,还可在线检测葡萄糖。YamamotoK,ShiG.Analyst.2003,128(3):249-54第16页，共26页，2023年，2月20日，星期一检测血清中葡萄糖浓度在普通葡萄糖电极上加一层多功能膜，使测量不受血液中其它金属离子以及抗坏血酸、尿酸等干扰物质的影响。此多功能膜为磷酸胆碱，甲基丙稀酰胺和纤维素的聚合物。检测血清中葡萄糖浓度达5-650mg/dl，响应时间小于60s，有很好的重现性和稳定性。ChenCY,IshiharaK.BiomedMicrodevices.1998

,1(2):155-66第17页，共26页，2023年，2月20日，星期一（2）脲电极Urea+2H2O 2NH4++2HCO3-脲酶产生的2NH4+为阳离子电极感应。此外还有： 氨基酸电极 醇电极 尿酸电极 乳酸电极 青霉素电极 亚硝酸离子电极：菠菜亚硝酸还原酶产生NH3第18页，共26页，2023年，2月20日，星期一（二）免疫传感器基本原理采用抗原与抗体的特异反应将待测物与酶连接，然后通过酶与底物产生颜色反应，用于定量测定。在这种测定方法中有3种必要的试剂：①固相的抗原或抗体（免疫吸附剂）②酶标记的抗原或抗体（标记物）③酶作用的底物（显色剂）第19页，共26页，2023年，2月20日，星期一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。第20页，共26页，2023年，2月20日，星期一1、双抗体夹心法此法适用于检验各种蛋白质等大分子抗原2、间接法间接法是检测抗体最常用的方法，其原理为利用酶标记的抗体检测已与固相结合的受检抗体，故称为间接法。3、竞争法竞争法可用于抗原和半抗原的定量测定，也可用于测定抗体。第21页，共26页，2023年，2月20日，星期一酶联免疫吸附测定法临床应用酶电极在40nL的微池中检测D-Dimer浓度应用于临床试验。检测到D-Dimer浓度范围为0.1－100nM，抚育时间从几小时减少到5分钟。利用抗原抗体反应前后电位的变化检测B型肝炎抗原。检测浓度范围为4-800ng/ml，检测限达1.3ng/ml。此方法比常规检测更加直接，快速，简单。RossierJS,GiraultHH.

LabonaChip.2001,

1(2)：153-157TangDP,YuanR.AnalBiochem.2004,333(2):345-50第22页，共26页，2023年，2月20日，星期一（三）细胞传感器

以动植物细胞作为生物敏感膜的电化学传感器称为细胞电极，此系酶电极的衍生型电极。动植物细胞中的酶是反应的催化剂。与酶电极比较，细胞电极具有如下优点：1.酶活性较离析酶高。2.酶的稳定性增大。3.材料易于获得。第23页，共26页，2023年，2月20日，星期一细胞传感器的应用细胞传感器可用于诊断早期癌症，用人类脐静脉内皮细胞通过三乙酸纤维素膜固定在离子选择性电极上作为传感器，肿瘤细胞中VEGF刺激细胞使电极电位发生变化从而测得VEGF浓度来诊断癌症。MayKM,VogtA.AnalBioanalChem.2005,382(4):1010-6第24页，共26页，2023年，2月20日，星期一生物传感器的特点

专一性好，灵敏度高