本-第三章-生物电测量电极与生物传感器

第三章生物电测量电极

与生物传感器张麒上海大学通信与信息工程学院3.1生物电测量电极生物电测量电极(electrode)电极：经过一定处理的金属板或金属丝等金属材料用电极引导生物电信号时，与电极直接接触的是电解质溶液导电膏人体汗液组织液（电极插入皮下时）将生物体电化学活动而产生的离子电位

转化成电子测量系统的电位在电极-电解质表面：离子导电转化为电子导电金属-电解质溶液界面(双电层界面)“广义”电极：由金属浸在含该金属离子的电解质溶液中，所构成的体系半电池：一个导电体(如金属)同离子导体(如电解质溶液)连接构成的系统分类：宏电极：测量较大部位的电位体表电极：湿电极、干电极(按是否用导电膏)体内电极：皮下电极、植入电极微电极:尖端0.05-10um，测量细胞内、外电位电极的极化和极化电位平衡电位极化电极与电解质溶液的双电层界面在有电流通过时，界面电位由原有平衡电位变为新的电位，该极化电位与通过的电流密度有关极化现象：有电流通过时的电极电位与平衡电位的偏离两个电位的偏差：极化电压或超电压极化现象的测试装置电极极化阻碍电流进入生物体组织器官，因此使用电极做电刺激时，极化是不利因素在放大器的输入端产生直流偏置，使放大器输出饱和而引起失真因此在实际应用中应尽量设法减小电极极化如采用交流电代替直流电极化电极存在极化电压（超电压）的电极Ag、Pt、Au等憜性金属制作的电极

电极本身难被氧化和分解金属电极和电解质溶液界面形成双电层，其性能与电容器性能相似非极化电极不存在极化电压（超电压）的电极“理想性能”实际情况：尽量接近这种电极性能如Ag/Agcl电极、甘汞电极常用的Ag/Agcl电极表面镀有AgCl的银板或银丝放在含Cl-离子溶液中制作方法电解法烧结法消耗AgCl层，使电极变薄生成AgCl，使电极变厚AgCl对光敏感，电极应保存在暗处电极材料对生物组织有害，故只能用于体外，而非体内比其它电极稳定，

极化电位很小电噪声小

在生物电测量中具有独特优点，应用广泛电极的电学特性电极-电解质溶液界面存

在双电层，其特性用电

容等效电容C和双电层间的漏电

阻R1描述电容特性R2为电解质溶液的电阻各种电极的阻抗特性阻抗在低频时比高频时大得多10-100Hz之间，各种电极呈现电阻性，曲线平坦电极面积大时，阻抗低常用生物电测量电极体表电极针电极插入表皮层的测量电极（不锈钢或贵金属材料制针形)绝缘干电极（绝缘膜电极)不使用导电膏采用电容耦合信号的原理电极与人体接触面上有一层很薄的绝缘膜把电极与人体隔开(避免了极化现象)人体与电极形成电容，人体与电容片分别是电容的两个极片很薄且阻抗极高的氧化膜微电极尖端为圆锥形0.05-10um按材料分类金属微电极填充电解质溶液的玻璃微电极玻璃微电极的结构和简化等效电路例：玻璃微电极的频响特性已知：电极头直径d1=1.5um电极头腔内直径d2=1um颈长L=3mm电解质溶液电阻率ρ=2

Ω·cm玻璃的介电常数ε=1.82;ε0=8.85*10-12F/m求：电极的电阻与电容高频截止频率

玻璃微电极的负电容补偿电路3.2生物传感器由固定化的生物物质与适当的换能器组成的传感系统具有特异识别生物分子的能力,

能检测生物分子与分析物之间的相互作用，

用于微量物质的检测酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等生物传感器基本结构生物传感器将生物物质固定在高分子膜等固体载体上被识别的生物分子作用于生物功能性膜(生物传感膜)时，将会发生物理/化学变化换能器将此信号转换到电信号，从而检测出特测物质具有分子别功能的敏感元件需经固定化处理换能器作用：将化学物质的变化转换为可测量的电信号换能器类型各种电极：氧电极、氨电极、CO2电极、pH电极。。光电转换器（光电倍增管）热电转换器（热敏电阻）半导体ISFET（离子敏感性场效应晶体管）检测离子浓度变化生物传感器的类型按敏感物质分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器按换能器分电极型、测热型、发光型、半导体、测场型生物传感器的优点特异性高、敏感性高稳定性好成本低廉体积小能在体进行快速实时的连续检测一般不需要样品的预处理，样品用量少，响应快固定化敏感材料可以反复多次使用电化学生物传感器例:电流型葡萄糖生物传感器用一薄层葡萄糖氧化酶覆盖在氧电极表面，通过氧电极检测溶液中溶解氧的消耗量可以间接测定葡萄糖的含量反应式GOD(FAD)+葡萄糖

GOD(FADH2)+葡萄糖酸内酯GOD(FADH2)+

O2

GOD(FAD)+H2O2总反应式

葡萄糖+

O2

葡萄糖酸内酯+H2O2葡萄糖氧化酶的氧化态葡萄糖氧化酶的还原态GODO2在GAD催化下氧化葡萄糖，生成H2O2用两种方法获取电信号测量反应物O2的减少

即用氧电极测量溶液中溶解氧的变化

缺点：空气中O2的变化也会导致溶液中溶解氧浓度的变化测量反应产物H2O2产生量

Pt作阳极，Ag作阻极，测定H2O2产生量热效应生物传感器当固定化的生物物质与被测特定生物物质作用时，常伴有热的变化，即产生热效应若催化反应放出的热量全部用于反应系统温度的升高，则有温度变化与产物浓度呈线性关系，反应物质的浓度得以测量光电效应生物传感器利用固定化生物物质与被测定特定生物物质作用时，产生光学现象的变化，再将光信号转为电信号例:光学DNA生物传感器

组成：固定有已知的核苷酸序列的单链DNA(ssDNA探针)换能器ssDNA与待测样品的靶DNA杂交，形成双链DNA，杂交产生的光学变化由换能器实现转换任务光纤DNA生物传感器将ssDNA探针进行荧光标记，并固定在um级的光纤末端上光纤的另一端耦合到荧