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1、电化学生物传感器,一、什么是生物传感器？,生物传感器(Biosensor)是指用固定化的生物体成分或生物体本身作为敏感元件的传感器，是一种将生物化学反应能转换成电信号的分析测试装置。,电化学生物传感器的基本组成敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件,二、电化学生物传感器的信号转换器,离子选择电极 电位型电极 氧化还原电极电化学电极 电流型电极 氧电极,1、电位型电极,离子选择电极 离子选择电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈选择性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、价廉等优点。在生物医学领域常直接用它测定体液中的一些成分（例如H+，K+，Na+，Ca2+等）。氧化还原电极氧化还原电极是不同于离子选
2、择电极的另一类电位型电极。这里指的主要是零类电极。,2、电流型电极,电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型电极相比有以下优点：电极的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的对数呈线性关系。电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相 对误差比电位型电极的小。电极的灵敏度比电位型电极的高。,氧电极,有不少酶特别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，反应中所消耗的氧量就用氧电极来测定。此外，在微生物电极、免疫电极等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器，因此氧电极在生物传感器中用得很广。目前用得最多的氧电极是
3、电解式的Clark氧电极，Clark氧电极是由铂阴极、Ag/AgCl阳极、KCl电解质和透气膜所构成。,Xiaoping Liu,Oihui Liu.Nitric Oxide.2005,13(1):6877,三、电化学生物传感器的分类（根据敏感物质分类）,酶传感器免疫传感器组织传感器、细胞传感器等,（一）酶传感器酶电极电化学电极顶端紧贴一层酶膜,朱建中,周衍.传感器世界.1997,4:18,1、酶的固定化技术,惰性载体物理吸附法离子载体交换法活化载体共价结合法物理包埋法,乔丽娜,周在德.化学研究与应用.2005,17(6):299302,物理吸附法酶分子通过极性键、氢键、疏水力或电子相互作用等
4、吸 附于不溶性载体上。常用的载体有：多孔玻璃、活性炭、氧化铝、石英砂、纤维素酯、葡聚糖、琼脂精、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、过氧化物酶等,交换法 选用具有离子交换剂的载体，在适宜的pH下，使酶分子与离子交换剂通过离子键结合起来，形成固定化酶。常用的带有离子交换剂的载体如下：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,共价结合法a.重氮 b.迭氮 c.卤化氰 d.缩合e.烷基化法,物理包埋法 将酶分子包埋在凝胶的细微格子里制成固定化。常用的凝胶有：聚丙烯酸胺、淀粉、明胶、聚乙烯醇、海藻酸钙、硅树脂 用凝胶包埋法制备的固
5、定化酶如：木瓜蛋白酶、纤维素酶、乳酸脱氢酶,2、酶传感器应用,（1）葡萄糖传感器大肠杆菌改良型葡萄糖传感器MWCNTs-HRP葡萄糖传感器检测血清中葡萄糖浓度,大肠杆菌改良型葡萄糖传感器,利用大肠杆菌中的葡萄糖脱氢酶(mGDH)对氧分子的不敏感性而降低干扰。此传感器把大肠杆菌细胞固定在附有苯醌的石墨电极上，中间夹有一层透析膜。检测葡萄糖浓度达0.2-10 mM，响应时间在2min左右，此葡萄糖传感器用EDTA处理后可再度使用。,Ito Y,Yamazaki S,Biosens Bioelectron.2002,17(11-12):993-8,MWCNTs-HRP葡萄糖传感器,施加电压为-300
6、mv时，可避免抗坏血酸、尿酸等干扰，对葡萄糖在GOD作用下生成的过氧化氢有高的灵敏度。MWCNTs和HRP混合物固定在电极上，制成MWCNTs-HRP改进型电极。检测限达1.0 x 10(-7)mol/L,还可在线检测葡萄糖。,Yamamoto K,Shi G.Analyst.2003,128(3):249-54,检测血清中葡萄糖浓度,在普通葡萄糖电极上加一层多功能膜，使测量不受血液中其它金属离子以及抗坏血酸、尿酸等干扰物质的影响。此多功能膜为磷酸胆碱，甲基丙稀酰胺和纤维素的聚合物。检测血清中葡萄糖浓度达5-650 mg/dl，响应时间小于60s，有很好的重现性和稳定性。,Chen CY,Is
7、hihara K.Biomed Microdevices.1998,1(2):155-66,（2）脲电极,Urea+2H2O 2NH4+2HCO3-,脲 酶,产生的2NH4+为阳离子电极感应。,此外还有：氨基酸电极醇电极尿酸电极乳酸电极青霉素电极亚硝酸离子电极：菠菜亚硝酸还原酶产生NH3,（二）免疫传感器,基本原理 采用抗原与抗体的特异反应将待测物与酶连接，然后通过酶与底物产生颜色反应，用于定量测定。在这种测定方法中有3种必要的试剂：固相的抗原或抗体（免疫吸附剂）酶标记的抗原或抗体（标记物）酶作用的底物（显色剂）,酶联免疫吸附测定法,测量时，抗原（抗体）先结合在固相载体上，但仍保留其免疫活性，
8、然后加一种抗体（抗原）与酶结合成的偶联物（标记物），此偶联物仍保留其原免疫活性与酶活性，当偶联物与固相载体上的抗原（抗体）反应结合后，再加上酶的相应底物，即起催化水解或氧化还原反应而呈颜色。其所生成的颜色深浅与欲测的抗原（抗体）含量成正比。,1、双抗体夹心法此法适用于检验各种蛋白质等大分子抗原,2、间接法间接法是检测抗体最常用的方法，其原理为利用酶标记的抗体检测已与固相结合的受检抗体，故称为间接法。,3、竞争法竞争法可用于抗原和半抗原的定量测定，也可用于测定抗体。,酶联免疫吸附测定法临床应用,酶电极在40nL的微池中检测D-Dimer浓度应用于临床试验。检测到D-Dimer浓度范围为0.1 1
9、00 nM，抚育时间从几小时减少到5分钟。利用抗原抗体反应前后电位的变化检测B型肝炎抗原。检测浓度范围为4-800 ng/ml，检测限达1.3 ng/ml。此方法比常规检测更加直接，快速，简单。,Rossier JS,Girault HH.Lab on a Chip.2001,1(2)：153-157,Tang DP,Yuan R.Anal Biochem.2004,333(2):345-50,（三）细胞传感器,以动植物细胞作为生物敏感膜的电化学传感器称为细胞电极，此系酶电极的衍生型电极。动植物细胞中的酶是反应的催化剂。与酶电极比较，细胞电极具有如下优点：1.酶活性较离析酶高。2.酶的稳定性增
10、大。3.材料易于获得。,细胞传感器的应用,细胞传感器可用于诊断早期癌症，用人类脐静脉内皮细胞通过三乙酸纤维素膜固定在离子选择性电极上作为传感器，肿瘤细胞中VEGF刺激细胞使电极电位发生变化从而测得VEGF浓度来诊断癌症。,May KM,Vogt A.Anal Bioanal Chem.2005,382(4):1010-6,生物传感器的特点 专一性好，灵敏度高 体积小，可连续的在线、在位、在体监测 响应快、样品用量小，可以反复多次使用 易于实现多组分的同时测定 成本远低于大型分析仪器，便于推广普及,展望 随着一些关键技术的进一步完善，随着人们对生物体认识的不断深入，随着各学科的不断发展，生物传感器必将在未来会有更大的作为。,谢 谢,
