电化学酶生物传感器省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

电化学酶生物传感器电化学酶生物传感器5月于青岛第1页电化学电化学酶传感器原理酶传感器原理 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生物传感器。依据输出信号不一样酶电极可分为电流型和电位型两种成生物传感器。依据输出信号不一样酶电极可分为电流型和电位型两种类型。类型。第2页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物质发生电极反应所产电流型酶电极传感器将酶催化反应产生物质发生电极反应所产生电流响应作为测量信号，在一定条件下，利用测得电流信号与生电流响应作为测量信号，在一定条件下，利用测得电流信号与被测物活度或浓度函数关系，来测定样品中某一生物组分活度或被测物活度或浓度函数关系，来测定样品中某一生物组分活度或浓度。浓度。酶分子识别功效及其反应过程示意图酶分子识别功效及其反应过程示意图 第3页 酶电极制备过程中关键在于酶固定化，固定化目标在于保持酶稳定性同酶电极制备过程中关键在于酶固定化，固定化目标在于保持酶稳定性同时，尽可能使酶膜与敏感元件紧密接触，这么酶催化反应产物能够很快地被时，尽可能使酶膜与敏感元件紧密接触，这么酶催化反应产物能够很快地被酶敏感元件所感知并产生对应信号。酶敏感元件所感知并产生对应信号。酶固定化酶固定化第4页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)第5页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）第6页5.2.2 5.2.2 酶电极传感器发展酶电极传感器发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 第7页葡萄糖传感器葡萄糖传感器葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶 （GOx）血液中糖称为血糖，绝大多数都是葡萄血液中糖称为血糖，绝大多数都是葡萄糖。体内各组织细胞活动所需能量大部分来糖。体内各组织细胞活动所需能量大部分来自葡萄糖，所以血糖必须保持一定水平才能自葡萄糖，所以血糖必须保持一定水平才能维持体内各器官和组织需要。维持体内各器官和组织需要。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 糖尿糖尿第8页由一个称为Clark型氧电极来制备，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），该传感器对葡萄糖含有选择性响应，其检测原理为：第一代葡萄糖传感器第一代葡萄糖传感器检测氧消耗或过氧化氢生成响响 应应机机 理理第9页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个含有良好电化学活是一个含有良好电化学活性相对分子质量小化合物，它担负从性相对分子质量小化合物，它担负从酶氧化还原中心到电极表面传递电子酶氧化还原中心到电极表面传递电子作用。在催化还原过程中，介体首先作用。在催化还原过程中，介体首先与还原性酶反应，然后扩散到电极表与还原性酶反应，然后扩散到电极表面并进行快速电子交换面并进行快速电子交换 (1)能够快速地与还原性酶反应；能够快速地与还原性酶反应；(2)含有可逆异相反应动力学行为；含有可逆异相反应动力学行为；(3)生成氧化型介体过电位低而且与生成氧化型介体过电位低而且与pH无关；无关；(4)它氧化或还原形态都是稳定；它氧化或还原形态都是稳定；(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。第10页图图511 一些常见媒介体化学结构一些常见媒介体化学结构(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唑酮鎓(NMP+)，(e)麦多那蓝麦多那蓝常常见见媒媒介介体体化化学学结结构构第11页测试片测试片第12页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第13页第14页三代电化学酶传感器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第15页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,H2O2O2O2常见电流型酶电极传感器常见电流型酶电极传感器 第16页第17页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 图517 肌酸微传感器对肌酸响应 图516 肌酸和肌酸酐电化学微传感器第18页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）胆胆胆胆 固固固固 醇醇醇醇 血血清清中中总总胆胆固固醇醇(total cholesterol，TC)包包含含游游离离胆胆固固醇醇(free cholesterol，FC)和和胆胆固固醇醇酯酯(cholesterol ester，CE)两两部部分分。在在血血清清中中以以游游离离态态存存在在胆胆固固醇醇约约占占总总胆胆固固醇醇2 7%。中中国国正正常常人人血血清清总总胆胆固固醇醇量量约约为为:3.05.20mmol/L。血血液液中中胆胆固固醇醇含含量量过过高高，表表示示胆胆固固醇醇代代谢谢可可能能发发生生障障碍碍。冠冠状状动动脉脉粥粥样样硬硬化化患患者者血血清清胆胆固固醇醇含含量量往往往往偏偏高高。所所以以临临床床化化验验上上测测定定血血清清胆胆固固醇醇含含量量将将有有利利于于诊诊疗疗一一些些疾疾病病。第19页测定胆固醇原理测定胆固醇原理胆胆胆胆 固固固固 醇醇醇醇 酯酯酯酯 酶酶酶酶胆固醇胆固醇胆固醇胆固醇氧化酶氧化酶氧化酶氧化酶4-胆甾烯酮胆甾烯酮 第20页基于蛋白质直接电子转移全胆固醇传感器基于蛋白质直接电子转移全胆固醇传感器以以壳壳聚聚糖糖为为载载体体将将血血红红蛋蛋白白、胆胆固固醇醇氧氧化化酶酶、胆胆固固醇醇酯酯酶酶固固定定在在玻玻碳碳电电极极表表面面，在在不不使使用用任任何何电电子子媒媒介介体体条条件件下下，利利用用血血红红蛋蛋白白和和电电极极之之间间直直接接电电子子转转移移，制制备备成成高高选选择择性性全全胆胆固固醇醇生生物物传传感感器器，用用于于测测定定血血清清中中总总胆胆固固醇醇含含量量。对对胆胆固固醇醇响响应应线线性性范范围围为为10110mg/dL，检检测测限限为为5mg/dL，响响应应时时间间为为6 0 s。电流响应电流响应响应机理响应机理第21页4.乳酸电化学传感器乳酸电化学传感器第22页乳酸传感器制备详细方法以下，先在玻碳电极上滴加一滴用氟聚酯乳酸传感器制备详细方法以下，先在玻碳电极上滴加一滴用氟聚酯(Nafion)调制介体四硫富瓦烯调制介体四硫富瓦烯(TTF)浆液，晾干后再用牛血清白蛋白和浆液，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，即组成乳酸传感戊二醛将乳酸氧化酶固定在该电极表面修饰层上面，即组成乳酸传感器。其反应以下：器。其反应以下：第23页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产物，正常值为尿酸是核酸中嘌呤分解代谢产物，正常值为27mg/dL，尿酸测定，尿酸测定对于诊疗痛风十分有帮助。经过检测尿酸酶催化反应反应物和生成对于诊疗痛风十分有帮助。经过检测尿酸酶催化反应反应物和生成物，进而能够用来测定尿酸含量。在分子氧存在下，尿酸经尿酸氧物，进而能够用来测定尿酸含量。在分子氧存在下，尿酸经尿酸氧化酶氧化成尿囊素、过氧化氢和二氧化碳，反应式以下所表示：化酶氧化成尿囊素、过氧化氢和二氧化碳，反应式以下所表示：第24页6.嘌呤电化学传感器嘌呤电化学传感器各各种种生生物物嘌嘌呤呤如如黄黄嘌嘌呤呤、次次黄黄嘌嘌呤呤、肌肌苷苷都都能能够够利利用用电电流流型型酶酶电电极极进进行行检检测测。比比如如当当鱼鱼死死后后其其组组织织中中腺腺嘌嘌呤呤核核苷苷三三磷磷酸酸(ATP)快快速速降降解解为为肌肌苷苷单单磷磷酸酸(IMP)，IMP深深入入经经酶酶分分解解造造成成了了次次黄黄嘌嘌呤呤(Hx)积积累累，所所以以次次黄黄嘌嘌呤呤浓浓度度大大小小能能够够作作为为鱼鱼类类新新鲜鲜程程度度指指示示剂剂。采采取取电电流流型型传传感感器器检检测测各各种种生生物物嘌嘌呤呤酶酶反反应应中中消消耗耗氧氧或或产产生生过过氧氧化化氢氢，其其酶酶催催化化反反应应式式以以下下所所表表示示。第25页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1 1）抑制型）抑制型 12 2）抑制型）抑制型 2有机磷农药有机磷农药iii有机磷农药有机磷农药第26页3 3）直接型）直接型 OHOPH第27页8.HIV1型蛋白酶电化学传感器型蛋白酶电化学传感器 A.传传感感器器在在(a)40 nM,(b)60 nM，100 nM HIV1型型 蛋蛋 白白 酶酶 及及 (d)未未修修饰饰金金电电极极在在100 nM蛋蛋白白酶酶溶溶液液中中循循环环伏伏安安图图;B.电位与蛋白酶浓度电位与蛋白酶浓度关系；关系；C.峰电流密度与蛋白峰电流密度与蛋白酶浓度关系酶浓度关系第28页