Chapter １生物传感器（Biosensors）☐ 1.1 Generalization（概述）☐ 1.2 Principle （基本原理）☐ 1.3 Classification（分类）☐ 1.4 Application（应用）1.2 生物传感器工作原理被测对象生物敏感膜（分子识别感受器）电信号换能器物理、化学反应化学物质力热光声...图16-1 生物传感器原理图BIOSENSORS1.2 生物传感器原理无论是基于电化学、光学、热学或压电晶体等不同类型的生物传感器，其探头均由两个主要部分组成，一是感应器，它是由对被测定的物质（底物）具有高选择性分子识别功能的膜构成。

二是转换器，它能把膜上进行的生化反应中消耗或生成的化学物质，或产生的光、热等转变成电信号，最后把所得的电信号经过电子技术的处理后，在仪器上显示或记录下来。

换能器（T r a n s d u c e r ）感受器（R e c e p t o r ）= 分析物（Analyte ）溶液（Solution ）选择性膜（Thin selective membrane ）识别元件（Recognition ）生物传感器工作机理测量信号（Measurable Signal ）BIOSENSORS（1）将化学变化转变成电信号酶传感器为例,酶催化特定底物发生化学反应,从而使特定生成物的量有所增减。

用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合,即组成酶传感器.常用转换装置有氧电极、过氧化氢。

（2）将热变化转换成电信号固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化.例如大多数酶反应的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围.这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化,后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中.（3）将光信号转变为电信号例如，过氧化氢酶,能催化过氧化氢/鲁米诺体系发光,因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端,再和光电流测定装置相连,即可测定过氧化氢含量。

还有很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧光。

也可以用这种方法测定底物浓度。

（4）直接产生电信号方式这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用)在电极表面上发生。

根据所得的电流量即可得底物浓度。

有关的几个概念BIOSENSORS◆生物功能物质和分子识别：分子识别过程是分子在特定的条件下通过分子间作用力的协同作用达到相互结合的过程。

“特定的条件”即是指分子要依靠预组织达到互补的状态，“分子间相互作用力”即是指存在于分子之间非共价相互作用，而“协同作用”则是强调了分子需要依靠大环效应或者螯合效应使得各种相互作用之间产生一致的效果。

具有识别能力的生物分子称为生物功能物质。

例如：葡萄糖氧化酶能从多种糖分子的混合溶液中，高选择性地识别出葡萄糖，并把它迅速地氧化为葡萄糖酸内酯。

这种葡萄糖氧化酶即称为生物功能物质。

生物功能物质能够识别相应的生物分子，具有很高的选择性。

生物功能物质和分子识别BIOSENSORS 对底物选择性地结合，避免其它物质干扰。

专一性：锁和钥匙的关系。

这种关系在生物大分子的相互作用中具有普遍性。

锁和钥匙的关系偶氮染料环糊精生物传感器原理BIOSENSORS ◆生物功能物质的固定化●将具有分子识别能力的生物功能物质，如酶、抗原、抗体等，包藏或吸附于某些高分子材料，生物高分子或无机材料，如分子筛内制备成感应器，称为生物功能物质的固定化。

●固定化技术的研究是生物传感器的研究和开发中最为重要的工作。

BIOSENSORS 生物功能物质的固定化方法①直接化学结合法：将电极表面先经过化学处理或修饰，然后将生物功能物质以共价，离子或配位等方式结合固定于电极表面。

②架桥化固定法：用多功能的试剂，如戊二醛与酶蛋白分子相互结合，起着桥梁的作用，从而使酶固定于电极表面，是酶固定化用得比较多的方法。

③高分子载体包埋法：将生物功能物质与合成高分子Nafion(全氟磺酸树脂)或生物高分子丝素蛋白经溶剂混合而使酶包埋其中，制备成具有活性的感应膜，再把它覆盖到转换器即电极的表面，构成生物传感器。

④高分子膜吸附法：先在电极表面上修饰一层合成高分子或生物高分子，然后将生物功能物质吸附到高分子膜上，制备成感应器，再与转换器结合，构成传感器。

⑤电聚合高分子包埋法：将单体和生物功能物质同时混合于电解液内，通电使单体在电极表面电聚合成高分子，与此同时可以将酶包埋于高分子膜内，直接固定于电极表面，构成生物传感器。

⑥分子自组装固定法：在单晶金电极表面，新修饰一层硫醇化合物，这是通过分子间的引力自组装构成的单分子层，然后在通过自组装方法将媒介体和酶一层层地修饰于电极上，构成传感器。

⑦无机材料吸附结合法：利用无机材料如分子筛或氧化铝等的强烈的吸附性，以此作为载体，先将分子筛用聚乙烯调制后固定于电极表面，然后使生物功能物质吸附固定于分子筛膜内，即可构成生物传感器。

⑧碳糊固定法：将酶用石蜡油等溶剂调匀，再加入石墨粉调制成糊状物，填充于玻璃管内制备成碳糊电极。

生物传感器的信号转换器BIOSENSORS 信号转换：目前在生物传感器中研究最多的是电化学生物传感器，其转换器主要有电流型和电位型两类。

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的离子呈选择性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、价廉等优点，因此应用范围很广．离子选择性电极作为生物传感器的信号转换器只是它的一种应用，在生物医学领域也常直接用它测定体液中的一些成分（如H+，K+，Na+，Ca2+等）。

2．氧化还原电极氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一类电位型电极．这里指的主要是零类电极。

大都是基于对于某种离子或气体具有选择性的电极。

①pH 键连：是最简单的电位型生物传感器，可用于任何当化学反应时有pH 变化的体系。

必须有合适的酶固定在pH 电极上。

BIOSENSORS 电位型生物传感器实例电位型生物传感器实例---pH 键连a) 医药学上测定青霉素：b）葡萄糖：c）尿素的测定：BIOSENSORS一种葡萄糖传感器-Glucowatch•Glucose pulled through the skin by charged molecules•The ions migrate to the anode (+) and cathode (-)•Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxide•The reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor2. 氨键连：反应产物为氨的任何反应都可以用氨选择性电极来检测。

a)尿素：尿素酶固定在氨电极的聚丙烯膜上。

b)肌酸酐：肌酸酶固定在氨电极的聚丙烯膜上。

c) 苯丙氨酸:苯丙氨酸胺裂解酶d) 腺苷：腺嘌呤脱氧氨基酶a) 尿素：尿素酶固定在氨电极的聚丙烯膜上。

b) 肌酸酐：肌酸酶固定在氨电极的聚丙烯膜上。

肌酸（Creatine ）肌酸酐(Creatinine)+ NH 3肌酸酶CO(NH 2)2+ 2H +2NH 3+ CO 2尿素酶c) 苯丙氨酸BIOSENSORS + NH 3L-苯丙氨酸(phenylalanine)反式肉桂酸盐（trans-3-phenylacrylic acid ）苯丙氨酸胺裂解酶d) 腺苷：腺苷（Adenosine)+ NH3肌苷(Inosine)腺嘌呤脱氧氨基酶BIOSENSORS3. 二氧化碳连：用二氧化碳选择性气体电极来测定溶液中析出的二氧化碳。

a)尿素：CO(NH 2)2+ 2H +2NH 3+ CO 2b) 草酸：C 2H 2O 4 CO 2 + HCOOHc)地谷新（异羟基洋地黄毒苷原）将地谷新固定在聚苯乙烯珠上，样品地谷新与过氧化酶标记的抗体一起加入，然后络合过的过氧化酶与1，2，3-苯三酚和过氧化氢反应。

H 2O 2+ 1，2，3-苯三酚CO 2电位型生物传感器实例----CO2 连BIOSENSORS草酸脱酸酶过氧化酶BIOSENSORS 电位型生物传感器实例4.碘选择性电极：a)葡萄糖：葡萄糖氧化酶葡萄糖 + O2葡萄糖酸+ H2O2过氧化酶H2O2 + 2 I- + 2 H+I2 + 2 H2O 碘化物电极跟踪着碘化物浓度的减小，而碘化物被过氧化氢所消耗。

b) 雌三醇：H 2O 2 + 2I - +2H +I 2+ 2H 2O 分析I 2电位型生物传感器实例---I -选择性电极BIOSENSORSE （H 2O 2 , I -)E 碘化物电极标记酶抗原+ 样品加入基质⊿E /m V反应机理校正曲线反-17β-雌三醇固定在明胶膜上电位型生物传感器实例----CO2 连BIOSENSORS3.二氧化碳连：用二氧化碳选择性气体电极来测定溶液中析出的二氧化碳。

a)尿素：b) 草酸：c)地谷新（异羟基洋地黄毒苷原）电位型生物传感器实例---I-选择性电极4.碘选择性电极：a)葡萄糖的测定：b) 雌三醇的测定：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。

1.第一种氧化反应模式：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。

目前用得最多的氧电极是电解式的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。

当将氧电极插入含有溶解氧的溶液后，溶液中的O将扩2散，透过透气膜到达铂阴极表面被还原，还原电流值与溶解氧的量有关。

2. 第二种氧化反应模式：媒介体为了替代氧，使用电子转移试剂作为氧化剂。

此电子转移试剂是可逆的，有合适的氧化电位并且它的浓度是可以控制的，为此一般采用过渡金属阳离子和它们的络合物，此类材料通常称为媒介体。

许多媒介体都是基于铁离子或离子的络和物。

最成功的媒介体是二茂铁。

Fe（Ⅲ）+ e-Fe(Ⅱ）BIOSENSORS 媒介体应具备的因素①应能与酶发生反应。

②显示出可逆（即快速）电子转移动力学。

③对再生应有低的超电压。

④与pH值无关。

⑤不管是氧化型还是还原型都是稳定的。

⑥与氧不发生反应。

⑦应是无毒的。

电流型生物传感器BIOSENSORS 3. 第三种模式：直接偶联酶电极利用包含氧化还原核心的酶，使它像电线那样连接到玻璃状碳电极，通过一种氧化还原聚合物在玻璃电极上进行原位聚合使酶固定在玻璃电极上。