分析化学073电位分析法及双指示电极省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

8.3生物传感器(Biosensor)一概述1定义传传感感器器能感受(或响应)一个信息并变换成可测量信号(普通指电学量)器件。生物传感器生物传感器将生物体成份（酶、抗原、抗将生物体成份（酶、抗原、抗体、体、DNA、激素）或生物体本身（细胞、细、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）固定化在一器件上作为敏感元胞器、组织）固定化在一器件上作为敏感元件传感器称为生物传感器。件传感器称为生物传感器。第1页2.生物传感器基本组成 敏感元件（分子识别元件）和信号转换敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件器件第2页3.3.生物传感器工作原理生物传感器工作原理（1）将化学信号转变成电信号已经研究大部分生物传感器工作原理均属这种类型。比如酶传感器，酶催化特定底物发生反应，从而产生一个新可供测量物质，用能把这种物质量转变为电信号装置和固定化酶相耦合，即称为酶传感器酶传感器。第3页（2）将热能改变转换为电信号（3）将光效应转换为电信号（4）直接产生电信号第4页4.生物传感器分类(1).依据生物传感器输出 信号方式分类a生物亲合型传感器被测物质与分子识别元件上敏感物质含有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引发敏感材料分子结构和/或固定介质发生改变。比如：电荷温度光学性质等改变。反应式可表示为：S（底物）+R（受体）=SR第5页b代谢型或催化型传感器代谢型或催化型传感器另一类是底物（被测物）与分子识别元件上敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物消耗或产物增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型传感器，其反应形式可表示为S（底物）R（受体）=SRP（生成物）第6页(2).依据生物传感器中分子识别 元件上敏感物质分类生物传感器中分子识别元件上所用敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等。依据所用敏感物质可将生物传感器分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器、基因传感器等。第7页（3）.依据生物传感器信号 转换器分类生物传感器信号转换器有：电化学电极、离子敏场效应晶体管、热敏电阻、光电转换器等据此又将生物传感器分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生传感器、测声型生物传感器等第8页以上后两种分类方法之间还可相互交叉，因而生物传感器类别就愈加增多，比如酶传感器又分为酶电极、酶热敏电阻、酶FET、酶光极等上面介绍各种名称都是类别名称，每一类又都包含许各种详细生物传感器，比如，仅酶电极一类，依据所用酶不一样就有几十种，如葡萄糖电极、尿素电极、尿酸电极、胆固醇电极、乳酸电极、丙酮酸电极等等就是葡萄糖电极也并非只有一个，有用pH电极或碘离子电极作为转换器电位型葡萄糖电极，有用氧电极或过氧化氢电极作为转换器电流型葡萄糖电极等实际上还可再细分。总之，生物传感器是传感器中类别较多、内容较广一大类传感器，伴随科学技术不停发展，它所包含内容也必将更为丰富为醒目起见，现将生物传感器分类示于图中第9页第10页5.5.生物传感器特点生物传感器特点(1)(1)生生物物传传感感器器是是由由选选择择性性好好主主体体材材料料组组成成分分子子一一识识别别元元件件，所所以以，普普通通不不需需进进行行样样品品预预处处理理，它它利利用用优优异异选选择择性性把把样样品品中中被被测测组组分分分分离离和和检检测测统统一一为为一一体体测测定定时时普普通通不不需需另另加加其其它它试剂试剂 (2)(2)因为它体积小、能够实现连续在位监测因为它体积小、能够实现连续在位监测 (3)(3)响响应应快快、样样品品用用量量少少，且且因因为为敏敏感感材材料料是是固固定化，能够重复屡次使用。定化，能够重复屡次使用。(4)(4)传传感感器器连连同同测测定定仪仪成成本本远远低低于于大大型型分分析析仪仪器器，因而便于推广普及。因而便于推广普及。第11页二.生物传感器信号转换生物传感器中信号转换器是将分子识别元件进行识别时所产生化学或物理改变转换成可用信号装置生物传感器信号转换器已经有许各种，其中到当前为止用得最多且比较成熟是电化学电极，用它组成生物传感器称为电化学生物传感器电化学电极可用作生物传感器信号转换器电化学电极，普通能够分为两种类型。电位型电极电位型电极和电流型电极和电流型电极第12页电位型电极电位型电极1离子选择电极离子选择性电极是一类对特定阳离子或阴离子呈选择性响应电极，含有快速、灵敏、可靠、价廉等优点，所以应用范围很广离子选择性电极作为生物传感器信号转换器只是它一个应用，在生物医学领域也常直接用它测定体液中一些成份（如H+，K+，Na+，Ca2+等）。第13页2氧化还原电极氧化还原电极是不一样于离子选择电极另一类电位型电极这里指主要是零类电极。第14页电流型电极电化学生物传感器中采取电流型电极为信号转换器趋势日益增加，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对数呈线性关系（2）电极输出值读数误差所对应待测物浓度相对误差比电位型电极小（3）电极灵敏度比电位型电极高第15页氧电极 有不少酶尤其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，反应中所消耗氧量就用氧电极来测定另外，在微生物电极、免疫电极等生物传感器中也惯用氧电极作为信号转换器，所以氧电极在生物传感器中用得很广。当前用得最多氧电极是电解式Clark氧电极，Clark氧电极是由铂阴极、Ag/AgCl阳极、KCl电解质和透气膜所组成。由图可见，Clark氧电极是个复合电极工作时在铂阴极和Ag/AgCl阳极之间施加06V电压，铂阴极电位为一O6V。通常铂阴极是个微小电极（d约002mm），以下所述。此电极无需过大氧电极前端透气膜是只允许气体透过薄膜（聚四氯乙烯膜、聚酯膜、聚氯乙烯膜、聚丙烯膜、火棉胶膜及硅橡胶膜等）它能够预防因溶液中离子或分子抵达阴极表面还原而干扰测定所以当将氧电极插入含有溶解氧溶液后，溶液中O2将扩散，透过透气膜抵达铂阴极表面被还原，还原电流值与溶解氧量相关第16页.离子敏场效应晶体管离子敏场效应晶体管 伴随医学研究进展以及临床诊疗工作需要，对传感一器要求有了新发展希望传感器能含有以下特点：（l）小型化，便于携带，易于使用，非专业人员也能操作（2）响应快，可应用于微小区域，象生物细胞内成份测定（3）能同时完成各种成份测定（4）能够直接连接在计算机输入端（5）输出阻抗低，可防止外界感应以及下级电路干扰因为绝缘栅场效应管应用，制造含有以上特点离子敏感元件及生物敏感元件已成为现实第17页敏场效应晶体管结构和工作原理因为电化学理论和半导体理论相互渗透。所以因为电化学理论和半导体理论相互渗透。所以出现了一类能够对离子或分子敏感半导体器件，并出现了一类能够对离子或分子敏感半导体器件，并称之为化学敏感半导体器件。其中对离子敏传感器称之为化学敏感半导体器件。其中对离子敏传感器件研究结果较多离子敏场效应晶体管，即件研究结果较多离子敏场效应晶体管，即ISFET，它与惯用绝缘栅型场效应晶体管结构相同不过，它与惯用绝缘栅型场效应晶体管结构相同不过在输入栅极做了一些改进，以能与特定化学物质反在输入栅极做了一些改进，以能与特定化学物质反应，产生电位敏感膜取代金属极让敏感膜直接与应，产生电位敏感膜取代金属极让敏感膜直接与溶液接触，因为敏感膜对溶液中离子有选择作用，溶液接触，因为敏感膜对溶液中离子有选择作用，从而调制从而调制ISFET漏电流改变，利用这个特征就能检漏电流改变，利用这个特征就能检测一溶液中离子活度测一溶液中离子活度第18页Ion-sensitivefield-effecttransistor(ISFET)Metal-oxide(MOFET)第19页第20页第21页第22页三.敏感器件（分子识别元件）1酶（Enzyme）及酶电极(1).酶催化特征酶酶是是生生物物体体内内产产生生并并含含有有催催化化活活性性一一类类蛋蛋白白质质。这类蛋白质表现出特异催化功效，所以，酶被称为生物催化剂酶在生命活动中起着极为主要作用，它们参加新陈代一谢过程中全部生化反应，并以极高速度和显著方向性维持生命代谢活动，包含生长、发育、繁殖与运动能够说，没有酶生命将不复存在当前已判定出酶有余种，其中二分之一左右已达均一纯度，100余种已能制得晶体。酶与普通催化剂相同，在相对浓度较低时，仅能影响化学反应速度，而不改变反应平衡点，反应前后其组成与质量均不发生显著改变第23页酶与普通催化剂不一样点以下：(1).酶催化效率比普通催化剂高1061O13倍。(2).酶催化反应条件较为温和，在常温常压近中性条件下即可进行.(3).酶催化含有高度专一性.第24页1).立体化学专一性它又可分为：立体化学专一性它又可分为：（a）光光学学专专一一性性所谓光学专一性是指一个酶只能催化一对镜像异构体之一，对另一异构体则不起催化作用如精氨酸酶只催化L一精氨酸水解产生L一乌氨酸和尿素，对D一精氨酸则无效（b）几几何何专专一一性性所谓几何专一性是指酶只能作用顺式或反式异构体中某一个如延胡索酸是一个反式丁烯二酸，而马来酸则为顺式丁烯二酸延胡索酸酶只能催化延胡索酸水解产生苹果酸，而不作用于马来酸第25页2）非立体化学专一性）非立体化学专一性非立体化学专一性可依据酶对底物三种组成部分选程度不一样分为三类：(a).键专一性键专一性(b).基团专一性基团专一性(c).绝对专一性绝对专一性含有绝对专一性酶要求底物键及A与B严格地适宜，不然不起催化作用绝对专一性经典例证是脲酶，且只能催化尿素水解，对尿素衍生物则无催化作用.第26页(2).酶本质和分类酶是一类有催化活性蛋白质.酶可分为单纯蛋白酶与结合蛋白酶两大类单纯蛋白酶除蛋白质以外不含其它成份如胃蛋白酶、胰蛋白酶和脲酶等结合蛋白酶是由蛋白和非蛋白两部分所组成非蛋白部分若与酶蛋白结合牢靠，不易分离则称辅基辅基如细胞色素氧化酶中铁卟啉部分，用透析法不能将其与酶蛋白部分分开，故称铁卟啉部分为辅基若非蛋白部分与酶蛋白结合不牢，易于分开，在溶液中呈离解平衡状态，则称为为辅酶辅酶常见辅酶有烟酰胺腺瞟吟二核苷酸（NAD，辅酶）和烟酰胺腺瞟吟二核昔酸磷酸（NADP，辅酶），二者均称为脱氢酶辅酶辅基与辅酶多为维生素或一些金属（Cu、Fe、Mg、Zn、Co、Mn、Mo等）配合物。第27页(3).酶活力单位（酶单位）1 1）标准酶单位）标准酶单位国际生物化学协会酶委员会要求了酶单位标准形式为：一个酶单位（一个酶单位（U）是在特定）是在特定条件下条件下lmin内催化形成内催化形成1mol产物酶量（或产物酶量（或转化转化1mo1底物酶量）底物酶量）特定条件普通是指选定条件，如温度为25，30，37，最适pH,底物为饱和溶液第28页2 2）酶）酶比活力比活力每毫克蛋白质所含某酶活力单位数称某酶比活力3 3）酶浓度每毫升酶蛋白溶液所含某酶活力单位数称某酶浓度一定重量或一定体积酶制剂所含有酶活力单位数叫做总活力在酶提纯过程中，总活力逐步下降，比活力逐步提升第29页4 4）转换值）转换值也称分子活力或摩尔活力摩尔活力摩尔活力摩尔活力其定义是1摩尔酶在最适条件下，1min内所转化底物摩尔数转化值单位为min-1转换值倒数是一个催化循环所需要时间(4).酶固定化技术酶固定化技术固定化酶使酶利用率、稳定性与机械强度等方面均较可溶性酶有所提升，使用固定化酶为酶电极制备提供了良好条件第30页1.惰性载体物理吸附法此法是酶分子经过极性键、氢键、疏水力或电子相互作用等吸附于不溶性载体上惯用载体有：多孔玻璃、活性炭、氧化铝、石英砂、纤维素酯（包含硝酸纤维素、醋酸纤维素）、葡聚糖、琼脂精、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，已用此法固定化酶如：脂肪酶、D葡萄糖苷酶、过氧化物酶等第31页2.2.离子载体离子载体交换法交换法选取含有离子交换剂载体，在适宜pH下，使酶分子与离子交换剂经过离子键结合起来，形成固定化酶惯用带有离子交换剂载体以下DEAE一纤维素、TEAE一纤维素、AE纤维素、CM纤维素、DEAE一葡萄糖、肌酸激酶等3 3活化载体活化载体共价结正当共价结正当a.重氮法b.迭氮法c.卤化氰法d.缩正当e.烷基化法第32页第33页4.4.物理包埋法物理包埋法此法是将酶分子包埋在凝胶细微格子里制成固定化.惯用凝胶有：聚丙烯酸胺、淀粉、明胶、聚乙烯醇、海藻酸钙、桂树脂等用凝胶包埋法制备固定化酶如：木瓜蛋白酶、纤维素酶、乳酸脱氢酶等第34页2.电化学免疫传感器(Immunosensor)第35页免疫学基本概念免疫学基本概念1.抗体（抗体（antibody）和抗原（）和抗原（antigen）抗体是一个免疫球蛋白免疫球蛋白有5种，分别命名为IgG，IgA，IgM，IgD和和IgE，无脊椎动物不产生免疫球蛋白鱼有IgM,两栖类有IgM和IgG.除人类有5种免疫球蛋白外，大多数哺乳动物只有IgG，IgA,IgM和IgE四种免疫球蛋白第36页抗抗原原是是一一个个进进入入机机体体后后能能刺刺激激机机体体产产生生免免疫疫反反应应物物质质它它可可能能是是生生物物体体（如如各各种种微微生生物物），也也可可能能是是非非生生物物体体（如如各各种种异异类类蛋蛋白白、多多糖糖等等）.通常，分子量大于10000，而且含有一定结构（如苯环或杂环等结构）物质均可成为抗原性物质，都能有效地诱发产生抗体有些分子量较小物质，如一些药品和激素在动物体内并不产生抗体但将这种小分子量物质用化学法结合到某种载体（通常是大分子蛋白质）上，再用这种结合物可诱发产生抗体通常把这么一些小分子量物质称为半抗原用半抗原结合物诱发产生抗体，其中有些是抗这个半抗原抗体，可与其半抗原结合，其结合常数有时高达1011由此可见，若待测物是含有特定结构大分子蛋白质，可直接用来制备抗体；若为分子量较小半抗原，则需将它进行化学修饰结合到大分子载体上才能诱发产生抗半抗原抗体。第37页第38页第39页3.组织传感器组织传感器以动植物组织薄片材料作为生物敏感以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜电化学传感器称为组织电极，此系酶膜电化学传感器称为组织电极，此系酶电极衍生型电极动植物组织中酶是反电极衍生型电极动植物组织中酶是反应催化剂与酶电极比较，组织电极含应催化剂与酶电极比较，组织电极含有以下优点：有以下优点：1.酶活性较离析酶高酶活性较离析酶高.2.酶稳定性增大酶稳定性增大.3.材料易于取得材料易于取得.第40页肝组织电极研究及应用肝组织电极研究及应用动物肝组织中含有丰富H2O2酶，可与氧电极组成测定H2O2及其它过氧化物组织电极1981年Mascini等研究了数种哺乳动物和其它动物（鸟、鱼、龟）肝组织电极，翌年，报道了基于牛肝组织H2O2电极第41页牛肝牛肝-H-H2 2O O2 2电极电极取01mm厚牛肝一片，覆盖子氧电极特氟隆膜上，用“O”型橡皮圈固定，即成牛肝组织电极在pH680缓冲液中，使电极与空气中氧平衡，然后加入底物，底物为浓度大于1O-5molLH2O2溶液反应产生氧气抵达氧电极特氟隆膜时，使电极输出增加在110-4mol/L底物浓度时，15min即可取得稳定电流，如图所表示：第42页若 向 溶液中通以氮气，以降低氧溶解度，降低空气平衡溶液中氧残余电流（约10A）至十分之几微安，检测下限可降低至1X10-5molL，相关系数：R=0 997（n9）第43页植物组织膜电极结构图解a一水瓜,b一果皮,c-中果皮,d-内果皮1-中果皮组织薄片2-固定化骨架3-透气健,4-垫圈5-内电解质6-复合PH电极7-塑料电极体3-7为二氧化碳气敏电极结构第44页4.电化学DNA(基因)传感器第45页第46页第47页