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生物活性材料
各种酶类 细菌，真菌，动植物细胞 动植物组织切片 线粒体，叶绿素 抗体，抗原，酶标抗原
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
➢按照其分子识别原理，生物敏感膜可包括:
1. 基于生物催化反应的生物敏感膜 2. 基于生物吸附的生物敏感膜 3. 基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜
➢ 生物活性物质：
•迅速识别被测物质并与之发生化学反应； •具有高特异性和敏感性。
➢ 膜材料：天然，人工
图 7.2.1 生物敏感膜示意图
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
➢按照生物活性材料的不同，生物敏感膜可包括:
生物敏感膜
酶膜 全细胞膜 组织膜 细胞器膜 免疫功能膜
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
以上仅举了固定化酶、固定化细胞的例子； 实际上，根据感受器的不同，可以将生物传感器分成以下几种类型：
◦ 酶传感器——固定化酶； ◦ 微生物传感器——固定化细胞； ◦ 免疫传感器——固定化抗原/抗体； ◦ ……
下面我们从酶传感器开始，进一步为大家介绍上述生物传感器。
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图 7.2.7 共价连接法示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
酶蛋白上可供载体结合的功能基团有以下几种：
（1）酶蛋白N末端的α-氨基或赖氨酸残基的ε-氨基。 （2）酶蛋白C末端的α-羧基、天门冬氨酸残基的β-羧基以及谷
氨酸残基的γ-羧基。 （3）半胱氨酸残基的巯基。 （4）丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基的羟基。 （5）组氨酸残基的咪唑基。 （6）色氨酸残基的吲哚基。 （7）苯丙氨酸和酪氨酸残基的苯环。
固定化活细胞与固定化酶相比有何优越之处？
都以酶的应用为目的，其制备方法也基本相同。固定化活 细胞的制备条件比固定化酶更要温和，其制备方法主要有物理吸 附法和包埋法两种。
固定化活细胞保持了酶的原始状态，酶的稳定性更高，对 污染的抵抗力更强；通常采用微生物细胞，生长力强，细胞多， 反应快。
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原理： LAPS利用调制光从正面或背面对EIS结构
进行光照寻址，通过检测绝缘体表面不同光照 部位的电势变化而实现对溶液中特定离子的浓 度的检测。
优点： 1) 通过光照 LAPS的不同敏感部位， 可实现多 参数测量； 2) 稳定性好； 3) 易于封装； 4) 检测时间短。
半导体
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参考文献：梁卫国等. 光寻址电位传感器的机理研究. 半导体光电, 2001, 22(3):184-187, 210.
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§7-3 酶传感器
➢ 课本上例子（相同原理）：
§7-3 酶传感器
极谱式氧电极（Clark氧电极）原理： Slide 28
实际应用举例：针状酶电极传感器
§7-3 酶传感器
➢ 我们注意到，葡萄糖氧化酶电极、乳酸酶电极等多数酶电极，其反应式：
➢ 其中，都需要分子氧参与氧化还原反应。
那么如果在缺氧，或氧分压不断变化的环境下怎么办呢？
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§7-3 酶传感器
酶传感器的组成和工作原理：
➢ 固定化酶膜：选择性地“识别”被检测的物质，并且催化被“识别”出的 物质发生化学反应； ➢ 变换器：把这一催化反应中底物或产物的变量转换成电信号，进而通过仪 表显示出来。
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图 7.3.1 酶传感器的工作原理
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
§7-3 酶传感器
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
图 7.2.4 酶的固定化方法
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 将生物活性材料封闭在双层滤膜之间
优点： ➢ 操作简单； ➢ 不需要任何化学处理； ➢ 固定生物量大； ➢ 响应速度快； ➢ 重现性好。
制备方法如图所示：
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图 7.2.10 LB膜成膜方法
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
➢ 固定化死细胞——只利用其酶活性； ➢ 固定化活细胞——经固定化后，细胞仍保存活性，能进行正常的生长、 繁殖和新陈代谢，所以称为固定化活细胞或固定化增殖细胞。
§7-2 生物敏感膜与固定化技术 §7-3 酶传感器
第7章 生物传感器
上节内容回顾
生物传感器的基本组成
§7-2
生
敏
二
被测物质
物 敏 生物学反应信息
感 元
电信号
次 仪
感
件
表
膜
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第7章 生物传感器
生
敏
二
被测物质
物 敏 生物学反应信息
感 元
电信号
次 仪
感
件
表
膜
生物学反应： •酶促反应 •免疫学反应 •微生物反应 •受体配体结合反应
生物学反应信息： •离子变化 •质子变化 •气体分压变化
……
传感器元件： •离子选择性电极 •场效应晶体管 •热敏元件
……
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传 ➢ 酶传感器
§7-3
感 ➢ 微生物和组织及细胞传感器
器 ➢ 免疫传感器
第7章 生物传感器
7-2-1 生物敏感膜
➢ 生物传感器的最关键部分；
➢ 载有生物活性物质的膜层；
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
基于敏感膜中的特定酶与底物反应； 在接触生物物质或有机物质后，发生催化反应； 生成的化学产物，其中一种产物可有传感器元件所感知。
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图 7.2.2 基于生物催化反应的生物敏感膜示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
基于生物亲和性物质（抗体-抗原，DNA-RNA等）； 一方固定在膜上作为分子识别元件； 特异性反应引起膜电位变化。
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图 7.2.3 基于生物吸附的生物敏感膜示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-1 生物敏感膜
直接利用具有生物活性的天然生物膜或人工生物膜；
缺点：稳定性较差（酶膜）。
适用范围：微生物和组织膜。
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图 7.2.5 夹心法示意图
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 通过非水溶性载体的物理吸附或 离子结合，使蛋白分子固定。
优点： ➢ 不需要化学试剂； ➢ 对酶活性影响小。
缺点：分子易脱落。固常与其他方法结 合使用，如吸附交联法。
➢酶电极：
在基础电极的敏感面上装有固定化酶膜，当电极插入待测溶液时，酶膜中的 酶发生催化反应产生电极活性物质（如氧，过氧化氢，氨等），引起基础电极电位 变化，转化成电信号，由此测出该酶所催化的反应中反应物或反应产物的浓度。
➢根据酶电极的输出信号方式，可有电流型和电位型两类电极。
• 电流型：由催化反应有关物质的电极反应得到的电流来确定反映物质浓度。 如氧电极，燃料电池型电极，过氧化氢电极等。
必须注意，参加共价结合的氨基酸残基应当是酶催化活性非必需基团，如 若共价结合包括了酶活性中心有关的基团，会导致酶的活力损失。
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§7-2 生物敏感膜与固定化技术
7-2-2 固定化技术
制备方法： ➢ 将酶分子或细胞包埋并固定在 高分子聚合物三维空间网状结构 基质中。
优点： ➢ 一般不产生化学修饰，对分子 活性影响小； ➢ 膜的孔径和形状可以任意控制； ➢ 被包埋物不易渗漏； ➢ 底物分子可在膜中任意扩散。
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图 7.2.4 天然生物膜和人工脂质双分子膜
§7-2 生物敏感膜与固定化技术
➢ 生物敏感膜必须满足一定的性能，才能够达到实用的目的。 生物敏感膜需要满足哪些性能？
➢ 稳定性；可重复使用；能直接进行底物分析；操作简单；使用方便。 怎样才能够使得生物敏感膜满足以上特点？
➢ 生物敏感膜的制备技术——固定化技术
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7.3.2 介体酶电极
§7-3 酶传感器
——以介体（Mediator）取代O2/H2O2在酶反应和电极间进行电子传递。
以二茂铁单羧酸（Fc）电极为例，介绍工作原理：
Fc作为GOD 的氧化剂，在酶反应与电极过 程间迅速传递电子。
这种传感器可以较好地解决前面所述的问 题，而且能降低工作电位，缩短响应时间，提 高酶电极的选择性和重现性。
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参考文献：金利通等. 羧酸二茂铁为介体的生物传感器的研究. 华 东师范大学学报, 1995, 2:60-64.
§7-3 酶传感器
7.3.3 酶敏FET
意义：传感器的微型化 结构：在pH ISFET基础上制备一层GOD膜。（pH ISFET见书249页） 原理： 1）反应式： 2）该反应使酶膜中的pH下降； 3）白蛋白膜为对葡萄糖不敏感的参考膜。
• 电位型：通过测量敏感膜电位来确定与催化反应有关的各种离子浓度。 如氨电极，二氧化碳电极，氢电极等。
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7.3.1 电流型生物传感器基本原理
我们以葡萄糖传感器为例，来 介绍电流型生物传感器的基本原理。
➢ 反应原理：
➢ 反应过程：
1．底物S由液相传质到传感器表面 2．底物S通过透析膜 3．底物S在液相与酶层中进行分配 4．底物S在酶层中传质与反应 5．反应产物粒子通过透析膜进入基础 电极室 6．反应产物粒子在基础电极上发生电 荷转移反应
微生物燃料电池(MFC)是一种以微生物为阳极催化剂，将化学能直接转化成 电能的装置。利用MFC不仅可以直接将水中或者污泥中的有机物降解，而且同时 可以将有机物在微生物代谢过程中产生的电子转化成电流，从而获得电能。