化學(xué)與生物傳感器 (2)

1、關(guān)于化學(xué)與生物傳感器 (2)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第一頁，共57頁 傳感器是一種選擇性地、連續(xù)地和可逆地感受某傳感器是一種選擇性地、連續(xù)地和可逆地感受某一物理量或化學(xué)量或生物量的裝置。一物理量或化學(xué)量或生物量的裝置。傳感器是什傳感器是什么東西呀？么東西呀？一、概述一、概述現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二頁，共57頁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖樣品樣品識別元件識別元件換能器換能器測量裝置測量裝置傳導(dǎo)器傳導(dǎo)器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三頁，共57頁圖示鼻子類似為傳感器圖示鼻子類似為傳感器 嗅覺膜生物識別元件嗅覺膜生物識別元件 神經(jīng)細(xì)胞轉(zhuǎn)換器神經(jīng)細(xì)胞轉(zhuǎn)換器 神經(jīng)纖維傳導(dǎo)器神經(jīng)纖維傳導(dǎo)器 大腦測量元件大腦測量元件現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四頁，共

2、57頁識別元件 對某種或某類分析物產(chǎn)生選擇性響應(yīng)?；瘜W(xué)量換能器 將某種可以觀察到的變化轉(zhuǎn)化為可測量的信號。傳導(dǎo)器 施加一種可計量的作用后整個裝置以該部分元件來運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)。電信號或光信號檢測器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五頁，共57頁傳感器傳感器分類 物理傳感器物理傳感器 用以測量物理量，如長度、重量、溫度、壓力和電用以測量物理量，如長度、重量、溫度、壓力和電性能。性能。 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 是通過某種化學(xué)反應(yīng)以選擇性方式對特定的待測分析是通過某種化學(xué)反應(yīng)以選擇性方式對特定的待測分析物質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)從而對分析物進(jìn)行定性或定量測定。物質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)從而對分析物進(jìn)行定性或定量測定。 生物傳感器生物傳感器 實際上是化學(xué)傳感

3、器的子系統(tǒng)，但也常冠以其名單獨(dú)實際上是化學(xué)傳感器的子系統(tǒng)，但也常冠以其名單獨(dú)作為專題考慮。采用某種生物敏感元件與換能器相連。作為專題考慮。采用某種生物敏感元件與換能器相連。與普通的化學(xué)傳感器不同的關(guān)鍵在于其識別元件在性質(zhì)與普通的化學(xué)傳感器不同的關(guān)鍵在于其識別元件在性質(zhì)上是生物質(zhì)。上是生物質(zhì)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六頁，共57頁化學(xué)與生物傳感器化學(xué)與生物傳感器分類 電化學(xué)傳感器電化學(xué)傳感器 電位測定、伏安測定、電導(dǎo)測定等。電位測定、伏安測定、電導(dǎo)測定等。 光學(xué)傳感器光學(xué)傳感器 吸收光譜、熒光光譜、化學(xué)發(fā)光等。吸收光譜、熒光光譜、化學(xué)發(fā)光等。 壓電傳感器壓電傳感器 熱傳感器熱傳感器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七頁，共5

4、7頁核心元件敏感元件核心元件敏感元件傳感器識別分析物的核心部件傳感器識別分析物的核心部件現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八頁，共57頁二、二、識別分析物的敏感模式識別分析物的敏感模式 離子的識別離子的識別 分子的識別分子的識別 生物的識別生物的識別現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九頁，共57頁離子識別離子識別 離子選擇性電極離子選擇性電極離子選擇性電極又稱膜電極。離子選擇性電極又稱膜電極。 特點(diǎn)：僅對溶液中特定離子有選擇性響應(yīng)特點(diǎn)：僅對溶液中特定離子有選擇性響應(yīng) 膜電極的關(guān)鍵：是一個稱為選擇膜的敏感元件。膜電極的關(guān)鍵：是一個稱為選擇膜的敏感元件。 敏感元件：單晶、混晶、液膜、功能膜及生物膜等構(gòu)成敏感元件：單晶、混晶、液膜、功能膜

5、及生物膜等構(gòu)成現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十頁，共57頁氟離子選擇電極 結(jié)構(gòu)：右圖結(jié)構(gòu)：右圖 敏感膜：敏感膜：(氟化鑭單晶氟化鑭單晶) 摻有摻有EuF2 的的LaF3單晶切片；單晶切片； 內(nèi)參比電極：內(nèi)參比電極：Ag-AgCl電極電極(管內(nèi)管內(nèi))。 內(nèi)參比溶液：內(nèi)參比溶液：0.1mol/L的的NaCl和和0.10.01mol/L的的NaF混合溶混合溶液（液（F-用來控制膜內(nèi)表面的電位，用來控制膜內(nèi)表面的電位，Cl-用以固定內(nèi)參比電極的電位用以固定內(nèi)參比電極的電位）。）。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十一頁，共57頁 LaF LaF3 3的晶格中有空穴，在晶格上的的晶格中有空穴，在晶格上的F F-可以移可以移入晶格鄰近的空穴

6、而導(dǎo)電。對于一定的晶體膜，離入晶格鄰近的空穴而導(dǎo)電。對于一定的晶體膜，離子的大小、形狀和電荷決定其是否能夠進(jìn)入晶體膜子的大小、形狀和電荷決定其是否能夠進(jìn)入晶體膜內(nèi)，故膜電極一般都具有較高的離子選擇性。內(nèi)，故膜電極一般都具有較高的離子選擇性。 當(dāng)氟電極插入到當(dāng)氟電極插入到F F- -溶液中時，溶液中時，F(xiàn) F- -在晶體膜表面在晶體膜表面進(jìn)行交換。進(jìn)行交換?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十二頁，共57頁分子的識別分子的識別化學(xué)識別試劑化學(xué)識別試劑熱力學(xué)熱力學(xué)- -絡(luò)合物絡(luò)合物形成形成 熱力學(xué)控制反應(yīng)物與產(chǎn)物之間的平衡常數(shù)，如熱力學(xué)控制反應(yīng)物與產(chǎn)物之間的平衡常數(shù)，如果對一種分析物配位體絡(luò)合物的平衡常數(shù)較高，而果對

7、一種分析物配位體絡(luò)合物的平衡常數(shù)較高，而對另一種分析物的配位絡(luò)合物的平衡常數(shù)較低就形對另一種分析物的配位絡(luò)合物的平衡常數(shù)較低就形成了選擇性方法的基礎(chǔ)。成了選擇性方法的基礎(chǔ)。 Mn L MLnK MLn/MLn現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十三頁，共57頁 基于此原理的金屬離子敏感光化學(xué)傳感器，如鋅，基于此原理的金屬離子敏感光化學(xué)傳感器，如鋅，這樣的傳感器如下圖。將這樣的傳感器如下圖。將PAR(HL)固定在聚氯乙稀膜固定在聚氯乙稀膜中，絡(luò)合物顏色的強(qiáng)度與鋅的量有關(guān)，也與氫離子活度中，絡(luò)合物顏色的強(qiáng)度與鋅的量有關(guān)，也與氫離子活度的平方有關(guān)。待測樣品溶液是由鋅與纖維素的共價鍵合的平方有關(guān)。待測樣品溶液是由鋅與纖維素

8、的共價鍵合制成。制成。 Zn22HL ZnL2（red）2H+Zn2+2H+分析質(zhì)溶液膜現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十四頁，共57頁 動力學(xué)動力學(xué)- -催化效應(yīng)：動力學(xué)選擇性催化效應(yīng)：動力學(xué)選擇性 化學(xué)反應(yīng)速率有時可以用來控制選擇性。電極經(jīng)修飾后可降化學(xué)反應(yīng)速率有時可以用來控制選擇性。電極經(jīng)修飾后可降低活化超電壓，從而有效地加快反應(yīng)速率，減少干擾并能降低活化超電壓，從而有效地加快反應(yīng)速率，減少干擾并能降低檢測極限。低檢測極限。 其中的一個實例是再涂有其中的一個實例是再涂有Os(byp)2(PVP)10ClCl 的電極上分的電極上分析鐵離子，這種物質(zhì)起到電極和分析質(zhì)溶液之間的一種電子析鐵離子，這種物質(zhì)起到電極

9、和分析質(zhì)溶液之間的一種電子梭子作用，這類似與生物傳感器中所應(yīng)用的媒介體，它加快梭子作用，這類似與生物傳感器中所應(yīng)用的媒介體，它加快了酶和電極間的電子轉(zhuǎn)移，其機(jī)理如下：了酶和電極間的電子轉(zhuǎn)移，其機(jī)理如下：分子尺寸分子尺寸 分子篩以非常簡單地方法在大分子和小分子之間進(jìn)行選擇。分子篩以非常簡單地方法在大分子和小分子之間進(jìn)行選擇。 A B+e B+Y A+Z現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十五頁，共57頁分子的識別分子的識別光譜識別光譜識別紅外光譜紅外光譜 IR紫外光譜紫外光譜 UV核磁共振核磁共振 NMS質(zhì)質(zhì) 譜譜 MS現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十六頁，共57頁 酶催化識別反應(yīng)酶催化識別反應(yīng) 抗體抗體- -抗原免疫反應(yīng)抗原免疫反

10、應(yīng) DNA雜交雜交 信息分子與受體識別反應(yīng)信息分子與受體識別反應(yīng)分子的識別分子的識別生物試劑識別生物試劑識別現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十七頁，共57頁酶催化識別反應(yīng)酶催化識別反應(yīng)葡萄糖葡萄糖 + O2 + H2O 葡萄糖酸葡萄糖酸 + H2 O2葡萄糖氧化葡萄糖氧化酶酶 酶 組織材料 微生物 線粒體現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十八頁，共57頁抗體抗體- -抗原免疫反應(yīng)抗原免疫反應(yīng) Ag + Ab = Ag-Ab現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十九頁，共57頁DNA雜交雜交 由于核酸成分之間有特定堿基配對進(jìn)而產(chǎn)生遺傳密碼，由于核酸成分之間有特定堿基配對進(jìn)而產(chǎn)生遺傳密碼，這種遺傳密碼決定了所有生命細(xì)胞的再現(xiàn)特性，從而這種遺傳密碼決定了所有生

11、命細(xì)胞的再現(xiàn)特性，從而能確定一類物質(zhì)中的個別物質(zhì)的遺傳特性能確定一類物質(zhì)中的個別物質(zhì)的遺傳特性. . DNADNA探測試劑能用于檢查遺傳疾病、癌癥和病毒傳探測試劑能用于檢查遺傳疾病、癌癥和病毒傳染病。染病。DNADNA鑒定通常包括有加入體系標(biāo)記的鑒定通常包括有加入體系標(biāo)記的DNADNA，此，此標(biāo)記可以是放射活性的、可光測的、酶或電活性等標(biāo)記可以是放射活性的、可光測的、酶或電活性等. .現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十頁，共57頁生物組分的固定化吸附法許多物質(zhì)在其表面都能吸附酶，例如，氧化鋁、活性炭、黏許多物質(zhì)在其表面都能吸附酶，例如，氧化鋁、活性炭、黏土、纖維素、高嶺土、硅膠、玻璃和膠原蛋白。此技術(shù)不需土、

12、纖維素、高嶺土、硅膠、玻璃和膠原蛋白。此技術(shù)不需要試劑，但需要提純步驟，并且對酶只有較小的破壞作用。要試劑，但需要提純步驟，并且對酶只有較小的破壞作用。 一般有兩種形式：物理吸附一般有兩種形式：物理吸附V.S.V.S. 化學(xué)吸附化學(xué)吸附 這是最簡單的方法，包含最少的準(zhǔn)備過程，但是鍵聯(lián)比較這是最簡單的方法，包含最少的準(zhǔn)備過程，但是鍵聯(lián)比較弱。適于短期研究。弱。適于短期研究?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十一頁，共57頁最早期用于生物傳感器的一種方法，此技術(shù)將生物材料固定在最早期用于生物傳感器的一種方法，此技術(shù)將生物材料固定在惰性膜后面，這樣使生物材料與轉(zhuǎn)換器之間緊密接觸，采用此惰性膜后面，這樣使生物材料與轉(zhuǎn)換

13、器之間緊密接觸，采用此方法不會影響酶的可靠性，并能防止污染和生物降解。方法不會影響酶的可靠性，并能防止污染和生物降解。 對于溫度、對于溫度、pHpH值、離子強(qiáng)度和化學(xué)組成的變化也是穩(wěn)定值、離子強(qiáng)度和化學(xué)組成的變化也是穩(wěn)定的。的。 但是，此體系對某些材料，例如小分子包括各種氣體和但是，此體系對某些材料，例如小分子包括各種氣體和電子是可以穿透的。電子是可以穿透的。生物組分的固定化微囊包封法現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十二頁，共57頁 生物材料與一種單體溶液混合，然后進(jìn)行生物材料與一種單體溶液混合，然后進(jìn)行聚合生成凝膠將生物材料夾在里面。聚合生成凝膠將生物材料夾在里面。 通常應(yīng)用的凝膠是聚丙稀酰胺。通常應(yīng)用的凝

14、膠是聚丙稀酰胺。生物組分的固定化截留法現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十三頁，共57頁 生物材料與固體支撐物或與其他支撐材料，生物材料與固體支撐物或與其他支撐材料，像凝膠發(fā)生化學(xué)鍵聯(lián)。雙官能試劑，如戊二像凝膠發(fā)生化學(xué)鍵聯(lián)。雙官能試劑，如戊二醛，可以用于此技術(shù)。醛，可以用于此技術(shù)。 但對于生物材料來說此技術(shù)對某些擴(kuò)散存在但對于生物材料來說此技術(shù)對某些擴(kuò)散存在限制。限制。 對生物材料也有危害。對生物材料也有危害。 另外，體系的機(jī)械強(qiáng)度不良。另外，體系的機(jī)械強(qiáng)度不良。生物組分的固定化交聯(lián)法現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十四頁，共57頁此方法中需要小心設(shè)計生物材料中官能團(tuán)和支撐基質(zhì)之此方法中需要小心設(shè)計生物材料中官能團(tuán)和支撐基質(zhì)之

15、間的鍵合作用。生物材料氨基酸中的親核官能團(tuán)對催化間的鍵合作用。生物材料氨基酸中的親核官能團(tuán)對催化作用不是本質(zhì)的，而酶在這方面是適合的。作用不是本質(zhì)的，而酶在這方面是適合的。生物組分的固定化共價法例如，支撐物上的羧酸基團(tuán)與碳化二亞胺發(fā)生反應(yīng)，然后與生物材料上胺官能團(tuán)偶聯(lián)在支撐物和酶之間形成一種胺鍵?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十五頁，共57頁三、三、電化學(xué)傳感器電化學(xué)傳感器 電位型傳感器 電流型傳感器 電導(dǎo)型傳感器 場效應(yīng)晶體管傳感器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十六頁，共57頁所以所以 電位測定法的定量關(guān)系2.303RTnF對于半電池反應(yīng)對于半電池反應(yīng) Ox + ne = R, 能斯特方程如下：能斯特方程如下： 0ln

16、OxRaRTEEnFa式中，式中，aox和和aR為活度。為活度。 為了計算方便改寫為為了計算方便改寫為 ： 0102.303logRTOxEEnFRlgEKSOx一般的， 視為常數(shù)，對還原性物質(zhì)，R通常是金屬活度（視為1） 此方程是能斯特方程非常實用的形式此方程是能斯特方程非常實用的形式 將參考電極電位將參考電極電位EREF和液接電位合并在一起和液接電位合并在一起nREFljMMEEEE池0lgnNM MEESMlglgnnnREFljM MEEEESMKSM池0REFl jKEEE電位型傳感器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十七頁，共57頁 如取代參考電極，采用具有相同如取代參考電極，采用具有相同氧化還原電

17、對半電池，而只是氧化還原電對半電池，而只是OxOx濃度不同。濃度不同。 E1 = E + SlgOx1 E2 = E + SlgOx2 E = E1-E2 =SlgOx1/Ox2 Ox2為常數(shù)為常數(shù) E =常數(shù)常數(shù) + SlgOx1伏特計伏特計膜膜RE1RE2濃差電池示意圖a1a2現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十八頁，共57頁電位型傳感器離子選擇電極E膜膜 = K + 0.059 lg a1 = K - 0.059 pH試液試液玻璃膜電位與試樣溶液中的玻璃膜電位與試樣溶液中的pHpH成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。式中式中K K 是由玻璃膜電極本身性質(zhì)決定的常數(shù)；是由玻璃膜電極本身性質(zhì)決定的常數(shù)；現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十

18、九頁，共57頁 膜由疏水材料組成，如PVC,膜吸入液態(tài)離子交換試劑，如氨基霉素（對鉀）。為了保持膜中濃度平穩(wěn)，需要一個溶于有機(jī)溶劑的自己交換溶液的專用儲存器以及參考溶液和內(nèi)參比電極。 液膜電極液膜電極 這類離子選擇性電極的一些實例是硝酸根、銅離子、氯離子、高氯酸跟、鉀離子等。其中硝酸鹽電極廣泛用于測定土壤和水中的硝酸鹽?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十頁，共57頁氣體傳感器氣體電極主要基于氣體電極主要基于pHpH電極，并能夠檢測在含水體電極，并能夠檢測在含水體系中形成酸或堿溶液的氣體。系中形成酸或堿溶液的氣體。電極裝置中有一個氣體可以通過的膜，如右圖。膜和氫電極裝置中有一個氣體可以通過的膜，如右圖。膜和氫選

19、擇性玻璃電極之間有一內(nèi)電解質(zhì)，電解質(zhì)中含有材料選擇性玻璃電極之間有一內(nèi)電解質(zhì)，電解質(zhì)中含有材料能與氣體材料形成緩沖劑，例如對氨電極，使用的是氯能與氣體材料形成緩沖劑，例如對氨電極，使用的是氯化銨，建立如下平衡化銨，建立如下平衡 高濃度氯化銨的存在能保持銨離子濃度不變，因此，氨濃度的對數(shù)直接比例于溶液的pH值.類似的還有二氧化硫、二氧化碳、硫化氫電極.所以KNH3H+/NH4+lgNH3=pH+pKalgNH4+NH3H+ NH4NH4Cl NH4Cl現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十一頁，共57頁電位型生物傳感器pH鍵聯(lián) 在發(fā)生上述反應(yīng)時在發(fā)生上述反應(yīng)時pHpH值有變化，所以值有變化，所以pHpH值測值測定可

20、以用于監(jiān)測此反應(yīng)定可以用于監(jiān)測此反應(yīng). .葡萄糖葡萄糖 + O2 + H2O 葡萄糖酸葡萄糖酸 + H2 O2 葡萄糖氧化酶 CO(NH2 )2 + H2O 2NH3 + CO2 尿酶現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十二頁，共57頁 電化學(xué)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(diǎn)： 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(yīng)的待測物濃度的相 對誤差比電位型電極的小。 電極的靈敏度比電位型電極的高。電流型傳感器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十三頁，共57頁伏安測量法 連續(xù)測試通過電池的電流。在記錄

21、議連續(xù)測試通過電池的電流。在記錄議上描述上測試得到的電流對電位數(shù)據(jù)上描述上測試得到的電流對電位數(shù)據(jù)圖此方法稱為伏安圖法。最為直觀圖此方法稱為伏安圖法。最為直觀的技術(shù)稱作線性掃描伏安測定法，的技術(shù)稱作線性掃描伏安測定法，如左圖。如左圖。50.50.50.5pi2.98 10()(298 )aOxn anAD c vK350.50.52pi2.68 10(298)OxnADc vK對于可逆電子遷移的情況，峰電流可由下面的公式求得對于可逆電子遷移的情況，峰電流可由下面的公式求得 如果逆反應(yīng)不發(fā)生，峰電流的公式可以修正為如果逆反應(yīng)不發(fā)生，峰電流的公式可以修正為 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十四頁，共57頁氧電極

22、有不少酶特別是各種氧化酶在催化底物反應(yīng)時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，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目前用得最多的氧電極是電解式的Clark氧電極，氧電極，Clark氧電極是由鉑氧電極是由鉑陰極、陰極、Ag/AgCl陽極、陽極、KCl電解質(zhì)和透氣膜所構(gòu)成。電解質(zhì)和透氣膜所構(gòu)成。葡萄糖葡萄糖 + O2 + H2O 葡萄糖酸葡萄糖酸 + H2 O2 葡萄糖氧化酶現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十五頁，共57頁電導(dǎo)測量 電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)，是量度電流通過溶液的難易程度電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)，是量度電流通過溶液的難易程度的物理量。電導(dǎo)和電阻一樣與電池的尺寸有關(guān)。例

23、如的物理量。電導(dǎo)和電阻一樣與電池的尺寸有關(guān)。例如電池長度為電池長度為l, ,橫截面為橫截面為A， 則電導(dǎo)則電導(dǎo)LA/l, , 為比電導(dǎo)為比電導(dǎo) 為了規(guī)范化，對于溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度得到摩爾電導(dǎo)為了規(guī)范化，對于溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度得到摩爾電導(dǎo) /c/c 電導(dǎo)測量十分簡單，直接比例于所在溶液中離子的濃度。左上是電導(dǎo)橋式電路電導(dǎo)測量十分簡單，直接比例于所在溶液中離子的濃度。左上是電導(dǎo)橋式電路。在傳統(tǒng)橋式電路中，電阻。在傳統(tǒng)橋式電路中，電阻R R3 3作為電橋平衡的調(diào)節(jié)電阻并用一個電池常作為電橋平衡的調(diào)節(jié)電阻并用一個電池常數(shù)將電導(dǎo)轉(zhuǎn)換為電導(dǎo)率。在現(xiàn)代儀器中，這些都已自動化以數(shù)字化數(shù)將電導(dǎo)轉(zhuǎn)換為電導(dǎo)率。在現(xiàn)

24、代儀器中，這些都已自動化以數(shù)字化讀數(shù)輸出的讀數(shù)輸出的電導(dǎo)型傳感器尿素尿素 + 2H2O 2NH4+ + HCO3-現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十六頁，共57頁四、光 纖 傳 感 器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十七頁，共57頁引引 言言 光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用是光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用是2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代以來世界科學(xué)技術(shù)年代以來世界科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域最重要的發(fā)明之一，它與激光器、光導(dǎo)體、光探測領(lǐng)域最重要的發(fā)明之一，它與激光器、光導(dǎo)體、光探測器一起，構(gòu)成了光電子學(xué)的新領(lǐng)域。光導(dǎo)纖維化學(xué)傳感器一起，構(gòu)成了光電子學(xué)的新領(lǐng)域。光導(dǎo)纖維化學(xué)傳感器和生物傳感器是器和生物傳感器是8080年代誕生的一種新的傳感技術(shù)，是年代誕生的一種新的傳感技術(shù)

25、，是分析化學(xué)近分析化學(xué)近1010多年來的一個重大發(fā)展。多年來的一個重大發(fā)展。 光導(dǎo)纖維生物傳感器又稱光極光導(dǎo)纖維生物傳感器又稱光極 美國美國 fiber optical biosensorfiber optical biosensor 歐洲大陸歐洲大陸 optode;optode;英國英國 optrodeoptrodefor groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十八頁，共57頁光導(dǎo)纖維生物傳感器的結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維生物傳

26、感器的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十九頁，共57頁光導(dǎo)纖維的波導(dǎo)作用及其構(gòu)形 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十頁，共57頁 玻璃（包括硅藻凝膠、硅膠、石英和多孔玻璃微玻璃（包括硅藻凝膠、硅膠、石英和多孔玻璃微球等）、纖維素、瓊脂糖、高分子聚合物（包括聚乙球等）、纖維素、瓊脂糖、高分子聚合物（包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、尼龍等）離子交換膜、滲析聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、尼龍等）離子交換膜、滲析膜、殼質(zhì)胺、牛血清蛋白等。膜、殼質(zhì)胺、牛血清蛋白等。 厚度在厚度在5 5200m200m之間。近年來具有單分子層結(jié)之間。近年來具有單分子層

27、結(jié)構(gòu)的人工類脂膜受到很大重視，已用于制備高選擇性、構(gòu)的人工類脂膜受到很大重視，已用于制備高選擇性、快響應(yīng)的生物傳感器?？祉憫?yīng)的生物傳感器。固定分子識別物質(zhì)的載體固定分子識別物質(zhì)的載體光學(xué)透明物質(zhì)光學(xué)透明物質(zhì)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十一頁，共57頁光纖傳感器的識別模式 紫外可見光吸收光譜紫外可見光吸收光譜 熒光光譜熒光光譜 化學(xué)發(fā)光化學(xué)發(fā)光 光反射全內(nèi)反射光譜光反射全內(nèi)反射光譜 光散射光散射現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十二頁，共57頁生物催化傳感器生物催化傳感器 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十三頁，共57頁最簡單的一種是用固定化酯酶或脂肪酶作成生物催化層進(jìn)行最簡單的一種是用固定化酯酶或脂肪酶作成生物催化層進(jìn)行分子識別，再通過產(chǎn)

28、物的光吸收對底物濃度進(jìn)行傳感，分子識別，再通過產(chǎn)物的光吸收對底物濃度進(jìn)行傳感，如測量在如測量在404nm波長下的吸收，即可確定對硝基苯磷酸的含波長下的吸收，即可確定對硝基苯磷酸的含量，線性范圍為量，線性范圍為0-400mol/L，生物體內(nèi)許多酶類和脂，生物體內(nèi)許多酶類和脂肪類物質(zhì)都可用這類傳感器進(jìn)行測定。肪類物質(zhì)都可用這類傳感器進(jìn)行測定。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十四頁，共57頁 研究最多的當(dāng)屬檢測研究最多的當(dāng)屬檢測NADH的生物催化傳感器的生物催化傳感器 乳酸乳酸 + NAD+ 丙酮酸丙酮酸 + NADH 在生物催化層中生成的在生物催化層中生成的NADH也可利用耦合的也可利用耦合的FMN（黃素單核苷

29、酸）生物發(fā)光反應(yīng)，通過光導(dǎo)纖維進(jìn)行傳（黃素單核苷酸）生物發(fā)光反應(yīng)，通過光導(dǎo)纖維進(jìn)行傳感。感。 谷氨酸鹽谷氨酸鹽 + NAD+ 酮式二酸酮式二酸 + NH4+ + NADH NADH + FMN + H+ NAD+ + FMNH2 FMNH2 + RCHO + O2 FMN + RCOOH +h 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十五頁，共57頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十六頁，共57頁 某些生物催化反應(yīng)所產(chǎn)生的物質(zhì)不能直接給出某些生物催化反應(yīng)所產(chǎn)生的物質(zhì)不能直接給出光學(xué)信號，需要在生物催化層和光測量之間插光學(xué)信號，需要在生物催化層和光測量之間插入一個起換能作用的化學(xué)反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槟苋胍粋€起換能作用的化學(xué)反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

30、能進(jìn)行光檢測的物質(zhì)，稱為復(fù)合光極。如許多酶進(jìn)行光檢測的物質(zhì)，稱為復(fù)合光極。如許多酶催化反應(yīng)都能消耗或產(chǎn)生質(zhì)子、氧、二氧化碳催化反應(yīng)都能消耗或產(chǎn)生質(zhì)子、氧、二氧化碳或過氧化氫等或過氧化氫等. 青霉素青霉素G 青霉素青霉素酮酸鹽酮酸鹽 + H+ 膽固醇膽固醇 + O2 +H2O 膽固烯酮膽固烯酮 +H2O2 L-蘇氨酸蘇氨酸 -丁丁酮酸酮酸 + NH3 L-谷氨酸谷氨酸 L-氨基素氨基素 + CO2現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十七頁，共57頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十八頁，共57頁生物感受器（生物感受器（biological receptor） 光導(dǎo)纖維免疫傳感器光導(dǎo)纖維免疫傳感器 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十九頁，共57頁現(xiàn)

31、在學(xué)習(xí)的是第五十頁，共57頁 酶活性傳感器酶活性傳感器 這類傳感器是將相關(guān)酶的底物固定在光纖這類傳感器是將相關(guān)酶的底物固定在光纖上，在待測酶的作用下生成的產(chǎn)物可用光吸收上，在待測酶的作用下生成的產(chǎn)物可用光吸收或進(jìn)行測定。它主要用于人體內(nèi)各種水解酶活或進(jìn)行測定。它主要用于人體內(nèi)各種水解酶活性的測定，如脂肪酶、磷酸酯酶、碳酸酯酶、性的測定，如脂肪酶、磷酸酯酶、碳酸酯酶、?；D(zhuǎn)移酶和淀粉酶等，由于底物反應(yīng)后非固?；D(zhuǎn)移酶和淀粉酶等，由于底物反應(yīng)后非固定化部分是酸或糖類，因而它在體內(nèi)不會造成定化部分是酸或糖類，因而它在體內(nèi)不會造成對健康地?fù)p害。對健康地?fù)p害。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十一頁，共57頁五、其他傳感器五、其他傳感器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十二頁，共57頁壓電傳感器 18801880年，年，CurieCurie兄弟發(fā)現(xiàn)有一種各項異性晶體，即那些不具有對兄弟發(fā)現(xiàn)有一種各項異性晶體，即那些不具有對稱中心的晶體，如石英和電石。當(dāng)這類晶體處于機(jī)械受力狀態(tài)下稱中心的晶體，如石英和電石。當(dāng)這類晶體處于機(jī)械受力狀態(tài)下會產(chǎn)生電信號，反之，如果電信號施于此類晶體，它們會機(jī)械變會產(chǎn)生電信號，反之，如果電信號施于此類晶體，