電化學生物傳感器

1、電化學生物傳感器第1頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四一、什么是生物傳感器？生物傳感器(Biosensor)是指用固定化的生物體成分或生物體本身作為敏感元件的傳感器，是一種將生物化學反應能轉(zhuǎn)換成電信號的分析測試裝置。第2頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四電化學生物傳感器的基本組成敏感元件（分子識別元件）和信號轉(zhuǎn)換器件第3頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四二、電化學生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器 離子選擇電極 電位型電極 氧化還原電極電化學電極 電流型電極 氧電極第4頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四1、電位型電極

2、離子選擇電極 離子選擇電極是一類對特定的陽離子或陰離子呈選擇性響應的電極，具有快速、靈敏、可靠、價廉等優(yōu)點。在生物醫(yī)學領(lǐng)域常直接用它測定體液中的一些成分（例如H+，K+，Na+，Ca2+等）。 氧化還原電極氧化還原電極是不同于離子選擇電極的另一類電位型電極。這里指的主要是零類電極。第5頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四2、電流型電極 電化學生物傳感器中采用電流型電極為信號轉(zhuǎn)換器的趨勢日益增加，這是因為這類電極和電位型電極相比有以下優(yōu)點： 電極的輸出直接和被測物濃度呈線性關(guān)系，不像 電位型電極那樣和被測物濃度的對數(shù)呈線性關(guān)系。 電極輸出值的讀數(shù)誤差所對應的待測物濃度的相 對

3、誤差比電位型電極的小。 電極的靈敏度比電位型電極的高。 第6頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四氧電極 有不少酶特別是各種氧化酶和加氧酶在催化底物反應時要用溶解氧為輔助試劑，反應中所消耗的氧量就用氧電極來測定。此外，在微生物電極、免疫電極等生物傳感器中也常用氧電極作為信號轉(zhuǎn)換器，因此氧電極在生物傳感器中用得很廣。 目前用得最多的氧電極是電解式的Clark氧電極，Clark氧電極是由鉑陰極、Ag/AgCl陽極、KCl電解質(zhì)和透氣膜所構(gòu)成。Xiaoping Liu,Oihui Liu.Nitric Oxide.2005,13(1):6877 第7頁，共26頁，2022年，5月2

4、0日，19點7分，星期四 第8頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四三、電化學生物傳感器的分類（根據(jù)敏感物質(zhì)分類）酶傳感器免疫傳感器組織傳感器、細胞傳感器等第9頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四 （一）酶傳感器酶電極電化學電極頂端緊貼一層酶膜朱建中,周衍.傳感器世界.1997,4:18 第10頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四1、酶的固定化技術(shù)惰性載體物理吸附法離子載體交換法活化載體共價結(jié)合法物理包埋法喬麗娜,周在德.化學研究與應用.2005,17(6):299302第11頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四物理

5、吸附法酶分子通過極性鍵、氫鍵、疏水力或電子相互作用等吸 附于不溶性載體上。常用的載體有：多孔玻璃、活性炭、氧化鋁、石英砂、纖維素酯、葡聚糖、瓊脂精、聚氯乙烯、聚苯乙烯已用此法固定化的酶如： 脂肪酶、D葡萄糖苷酶、過氧化物酶等 交換法 選用具有離子交換劑的載體，在適宜的pH下，使酶分子與離子交換劑通過離子鍵結(jié)合起來，形成固定化酶。 常用的帶有離子交換劑的載體如下： DEAE一纖維素、TEAE一纖維素、 AE纖維素、CM纖維素、 DEAE一葡萄糖、肌酸激酶第12頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四共價結(jié)合法a .重氮 b.迭氮 c.鹵化氰 d.縮合e.烷基化法 物理包埋法 將酶

6、分子包埋在凝膠的細微格子里制成固定化。 常用的凝膠有：聚丙烯酸胺、淀粉、明膠、聚乙烯醇、海藻酸鈣、硅樹脂 用凝膠包埋法制備的固定化酶如：木瓜蛋白酶、纖維素酶、乳酸脫氫酶第13頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四2、酶傳感器應用（1）葡萄糖傳感器大腸桿菌改良型葡萄糖傳感器MWCNTs-HRP葡萄糖傳感器檢測血清中葡萄糖濃度第14頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四大腸桿菌改良型葡萄糖傳感器利用大腸桿菌中的葡萄糖脫氫酶(mGDH)對氧分子的不敏感性而降低干擾。此傳感器把大腸桿菌細胞固定在附有苯醌的石墨電極上，中間夾有一層透析膜。檢測葡萄糖濃度達0.2-10

7、mM ，響應時間在2min左右，此葡萄糖傳感器用EDTA處理后可再度使用。Ito Y, Yamazaki S,Biosens Bioelectron.2002 , 17(11-12):993-8第15頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四MWCNTs-HRP葡萄糖傳感器施加電壓為-300mv時，可避免抗壞血酸、尿酸等干擾，對葡萄糖在GOD作用下生成的過氧化氫有高的靈敏度。MWCNTs和HRP混合物固定在電極上，制成MWCNTs-HRP改進型電極。檢測限達1.0 x 10(-7) mol/L,還可在線檢測葡萄糖。Yamamoto K , Shi G . Analyst . 20

8、03 ,128(3):249-54第16頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四檢測血清中葡萄糖濃度在普通葡萄糖電極上加一層多功能膜，使測量不受血液中其它金屬離子以及抗壞血酸、尿酸等干擾物質(zhì)的影響。此多功能膜為磷酸膽堿，甲基丙稀酰胺和纖維素的聚合物。檢測血清中葡萄糖濃度達5-650 mg/dl，響應時間小于60s，有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。 Chen CY , Ishihara K.Biomed Microdevices.1998 , 1(2):155-66第17頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四（2）脲電極Urea + 2H2O 2NH4+2HCO3-脲

9、酶產(chǎn)生的2NH4+為陽離子電極感應。此外還有：氨基酸電極醇電極尿酸電極乳酸電極青霉素電極亞硝酸離子電極：菠菜亞硝酸還原酶產(chǎn)生NH3第18頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四（二）免疫傳感器基本原理 采用抗原與抗體的特異反應將待測物與酶連接，然后通過酶與底物產(chǎn)生顏色反應，用于定量測定。在這種測定方法中有3種必要的試劑： 固相的抗原或抗體（免疫吸附劑） 酶標記的抗原或抗體（標記物） 酶作用的底物（顯色劑）第19頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四酶聯(lián)免疫吸附測定法 測量時，抗原（抗體）先結(jié)合在固相載體上，但仍保留其免疫活性，然后加一種抗體（抗原）與酶結(jié)合成的

10、偶聯(lián)物（標記物），此偶聯(lián)物仍保留其原免疫活性與酶活性，當偶聯(lián)物與固相載體上的抗原（抗體）反應結(jié)合后，再加上酶的相應底物，即起催化水解或氧化還原反應而呈顏色。其所生成的顏色深淺與欲測的抗原（抗體）含量成正比。第20頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四1、雙抗體夾心法此法適用于檢驗各種蛋白質(zhì)等大分子抗原2、間接法間接法是檢測抗體最常用的方法，其原理為利用酶標記的抗體檢測已與固相結(jié)合的受檢抗體，故稱為間接法。3、競爭法競爭法可用于抗原和半抗原的定量測定，也可用于測定抗體。第21頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四酶聯(lián)免疫吸附測定法臨床應用酶電極在40nL的微池

11、中檢測D-Dimer濃度應用于臨床試驗。檢測到D-Dimer濃度范圍為0.1 100 nM ，撫育時間從幾小時減少到5分鐘。利用抗原抗體反應前后電位的變化檢測B型肝炎抗原。檢測濃度范圍為4-800 ng/ml，檢測限達1.3 ng/ml。此方法比常規(guī)檢測更加直接，快速，簡單。Rossier JS, Girault HH. Lab on a Chip. 2001,1(2)：153 - 157Tang DP, Yuan R .Anal Biochem. 2004,333(2):345-50第22頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四（三）細胞傳感器 以動植物細胞作為生物敏感膜的電

12、化學傳感器稱為細胞電極，此系酶電極的衍生型電極。動植物細胞中的酶是反應的催化劑。 與酶電極比較，細胞電極具有如下優(yōu)點： 1.酶活性較離析酶高。 2.酶的穩(wěn)定性增大。 3.材料易于獲得。第23頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四細胞傳感器的應用 細胞傳感器可用于診斷早期癌癥，用人類臍靜脈內(nèi)皮細胞通過三乙酸纖維素膜固定在離子選擇性電極上作為傳感器，腫瘤細胞中VEGF刺激細胞使電極電位發(fā)生變化從而測得VEGF濃度來診斷癌癥。 May KM, Vogt A.Anal Bioanal Chem. 2005,382(4):1010-6第24頁，共26頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四生物傳感器的特點 專一性好，靈敏度高 體積小，可連續(xù)