電化學(xué)生物傳感器

電化學(xué)生物傳感器第1頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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(xué)反應(yīng)能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的分析測試裝置。第2頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月電化學(xué)生物傳感器的基本組成

敏感元件（分子識(shí)別元件）和信號(hào)轉(zhuǎn)換器件第3頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月二、電化學(xué)生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器

離子選擇電極電位型電極氧化還原電極電化學(xué)電極

電流型電極氧電極第4頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1、電位型電極

離子選擇電極離子選擇電極是一類對(duì)特定的陽離子或陰離子呈選擇性響應(yīng)的電極，具有快速、靈敏、可靠、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)。在生物醫(yī)學(xué)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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2、電流型電極

電化學(xué)生物傳感器中采用電流型電極為信號(hào)轉(zhuǎn)換器的趨勢日益增加，這是因?yàn)檫@類電極和電位型電極相比有以下優(yōu)點(diǎn)：①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(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。②電極輸出值的讀數(shù)誤差所對(duì)應(yīng)的待測物濃度的相對(duì)誤差比電位型電極的小。③電極的靈敏度比電位型電極的高。第6頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月氧電極

有不少酶特別是各種氧化酶和加氧酶在催化底物反應(yīng)時(shí)要用溶解氧為輔助試劑，反應(yīng)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(hào)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。XiaopingLiu,OihuiLiu.NitricOxide.2005,13(1):68~77

第7頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

第8頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月三、電化學(xué)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(xì)胞傳感器等第9頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）酶傳感器

酶電極電化學(xué)電極頂端緊貼一層酶膜朱建中,周衍.傳感器世界.1997,4:1~8

第10頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jià)結(jié)合法物理包埋法喬麗娜,周在德.化學(xué)研究與應(yīng)用.2005,17(6):299~302第11頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月物理吸附法

酶分子通過極性鍵、氫鍵、疏水力或π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、α－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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月共價(jià)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分子包埋在凝膠的細(xì)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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2、酶傳感器應(yīng)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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月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(duì)氧分子的不敏感性而降低干擾。此傳感器把大腸桿菌細(xì)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(dá)0.2-10mM，響應(yīng)時(shí)間在2min左右，此葡萄糖傳感器用EDTA處理后可再度使用。ItoY,Yamazaki

S,BiosensBioelectron.2002,17(11-12):993-8第15頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月MWCNTs-HRP葡萄糖傳感器施加電壓為-300mv時(shí)，可避免抗壞血酸、尿酸等干擾，對(duì)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(jìn)型電極。檢測限達(dá)1.0x10(-7)mol/L,還可在線檢測葡萄糖。YamamotoK,ShiG.Analyst.2003,128(3):249-54第16頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月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(dá)5-650mg/dl，響應(yīng)時(shí)間小于60s，有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。ChenCY,IshiharaK.BiomedMicrodevices.1998

,1(2):155-66第17頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）脲電極Urea+2H2O 2NH4++2HCO3-脲酶產(chǎn)生的2NH4+為陽離子電極感應(yīng)。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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）免疫傳感器基本原理采用抗原與抗體的特異反應(yīng)將待測物與酶連接，然后通過酶與底物產(chǎn)生顏色反應(yīng)，用于定量測定。在這種測定方法中有3種必要的試劑：①固相的抗原或抗體（免疫吸附劑）②酶標(biāo)記的抗原或抗體（標(biāo)記物）③酶作用的底物（顯色劑）第19頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月酶聯(lián)免疫吸附測定法測量時(shí)，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)合成的偶聯(lián)物（標(biāo)記物），此偶聯(lián)物仍保留其原免疫活性與酶活性，當(dāng)偶聯(lián)物與固相載體上的抗原（抗體）反應(yīng)結(jié)合后，再加上酶的相應(yīng)底物，即起催化水解或氧化還原反應(yīng)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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1、雙抗體夾心法此法適用于檢驗(yàn)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(biāo)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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月酶聯(lián)免疫吸附測定法臨床應(yīng)用酶電極在40nL的微池中檢測D-Dimer濃度應(yīng)用于臨床試驗(yàn)。檢測到D-Dimer濃度范圍為0.1－100nM，撫育時(shí)間從幾小時(shí)減少到5分鐘。利用抗原抗體反應(yīng)前后電位的變化檢測B型肝炎抗原。檢測濃度范圍為4-800ng/ml，檢測限達(dá)1.3ng/ml。此方法比常規(guī)檢測更加直接，快速，簡單。RossierJS,GiraultHH.

LabonaChip.2001,

1(2)：153-157TangDP,YuanR.AnalBiochem.2004,333(2):345-50第22頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）細(xì)胞傳感器

以動(dòng)植物細(xì)胞作為生物敏感膜的電化學(xué)傳感器稱為細(xì)胞電極，此系酶電極的衍生型電極。動(dòng)植物細(xì)胞中的酶是反應(yīng)的催化劑。與酶電極比較，細(xì)胞電極具有如下優(yōu)點(diǎn)：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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月細(xì)胞傳感器的應(yīng)用細(xì)胞傳感器可用于診斷早期癌癥，用人類臍靜脈內(nèi)皮細(xì)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(xì)胞中VEGF刺激細(xì)胞使電極電位發(fā)生變化從而測得VEGF濃度來診斷癌癥。MayKM,VogtA.AnalBioanalChem.2005,382(4):1010-6第24頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月生物傳感器的特點(diǎn)

專一性好，靈敏度高