電化學(xué)酶生物傳感器課件

【5A文】電化學(xué)酶生物傳感器【5A文】電化學(xué)酶生物傳感器1電化學(xué)酶傳感器的原理

電化學(xué)酶傳感器是由生物酶膜與各種電極如離子選擇電極、氣敏電極、氧化還原電極等電化學(xué)電極組合而成或?qū)⒚改ぶ苯庸潭ㄔ诨w電極上制成的生物傳感器。根據(jù)輸出信號(hào)的不同酶電極可分為電流型和電位型兩種類型。電化學(xué)酶傳感器的原理電化學(xué)酶傳感器是由生物酶膜與各種電極如25.2.1電流型酶傳感器

電流型酶電極傳感器將酶催化反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)發(fā)生電極反應(yīng)所產(chǎn)生的電流響應(yīng)作為測量信號(hào)，在一定條件下，利用測得的電流信號(hào)與被測物活度或濃度的函數(shù)關(guān)系，來測定樣品中某一生物組分的活度或濃度。酶的分子識(shí)別功能及其反應(yīng)過程的示意圖

5.2.1電流型酶傳感器電流型酶電極傳感器將酶催3

酶電極制備過程中的關(guān)鍵在于酶的固定化，固定化的目的在于保持酶穩(wěn)定性的同時(shí)，盡可能使酶膜與敏感元件緊密接觸，這樣酶催化反應(yīng)的產(chǎn)物可以很快地被酶敏感元件所感知并產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)。酶的固定化酶電極制備過程中的關(guān)鍵在于酶的固定化，固定化的目4酶活性中心黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD)HorseradishPeroxidase亞鐵血紅素（Hemin)酶活性中心黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD)Horseradish5模擬辣根過氧化物酶（G-四鏈體-hemin復(fù)合物）模擬辣根過氧化物酶（G-四鏈體-hemin復(fù)合物）65.2.2酶電極傳感器的發(fā)展三代電流型酶傳感器基本原理示意圖(A)第一代，(B)第二代，(C)第三代5.2.2酶電極傳感器的發(fā)展三代電流型酶傳感器基本原理7葡萄糖傳感器葡萄糖氧化酶（GOx）

血液中的糖稱為血糖，絕大多數(shù)都是葡萄糖。體內(nèi)各組織細(xì)胞活動(dòng)所需的能量大部分來自葡萄糖，所以血糖必須保持一定的水平才能維持體內(nèi)各器官和組織的需要?？崭寡菧y定值

<2.8mM低血糖3.9~6.1mM正常>7.0mM高血糖>9.0mM糖尿葡萄糖傳感器葡萄糖氧化酶血液中的糖稱為血糖，絕8由一種稱為Clark型氧電極來制備的，用透氣膜將酶包裹固定在氧電極表面。葡萄糖傳感器通常使用葡萄糖氧化酶（glucoseoxidase，GOD），該傳感器對(duì)葡萄糖具有選擇性響應(yīng)，其檢測原理為：第一代葡萄糖傳感器檢測氧的消耗或過氧化氫的生成響應(yīng)機(jī)理由一種稱為Clark型氧電極來制備的，用透氣膜將酶包裹固定在9第二代葡萄糖傳感器-電子媒介體型電子媒介體是一種具有良好電化學(xué)活性的相對(duì)分子質(zhì)量小的化合物，它擔(dān)負(fù)從酶的氧化還原中心到電極表面?zhèn)鬟f電子的作用。在催化還原過程中，介體首先與還原性的酶反應(yīng)，然后擴(kuò)散到電極表面并進(jìn)行快速的電子交換

(1)能夠快速地與還原性的酶反應(yīng)；

(2)具有可逆的異相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)行為；

(3)生成氧化型介體的過電位低而且與pH無關(guān)；

(4)它的氧化或還原形態(tài)都是穩(wěn)定的；

(5)還原型介體不與氧發(fā)生反應(yīng)；

(6)在應(yīng)用中無毒化作用。第二代葡萄糖傳感器-電子媒介體型電子媒介體是一種具有良好電化10圖5?11一些常見的媒介體的化學(xué)結(jié)構(gòu)四硫富瓦烯(TTF)，(b)四氰苯醌二甲烷(TCNQ)，(c)二茂鐵，(d)N-甲基苯基吡唑酮鎓(NMP+)，(e)麥多那藍(lán)常見的媒介體的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖5?11一些常見的媒介體的化學(xué)結(jié)構(gòu)常見的媒介體的化學(xué)11測試片測試片12第三代葡萄糖傳感器----直接電子傳遞型第三代葡萄糖傳感器----直接電子傳遞型13電化學(xué)酶生物傳感器課件14三代電化學(xué)酶傳感器總結(jié)-以葡萄糖檢測為例三代電化學(xué)酶傳感器總結(jié)-以葡萄糖檢測為例15檢測對(duì)象敏感物質(zhì)（酶）換能器（電極）葡萄糖麥芽糖蔗糖半乳糖乳酸尿酸尿素氮膽固醇磷脂質(zhì)氨基酸丙酮酸乙醇葡萄糖氧化酶淀粉酶轉(zhuǎn)化酶+變旋光酶+葡萄糖酶半乳糖酶乳酸氧化酶尿酸酶尿酶膽固醇氧化酶磷脂酶氨基酸酶丙酮酸脫氫酶乙醇氧化酶O2,H2O2,PtPtO2PtO2O2H2O2,O2O2,H2O2PtO2,H2O2O2O2常見的電流型酶電極傳感器

檢測對(duì)象敏感物質(zhì)（酶）換能器（電極）葡萄糖葡萄糖氧化酶O2,16電化學(xué)酶生物傳感器課件172肌酸和肌酸酐電化學(xué)傳感器

圖5?17肌酸微傳感器對(duì)肌酸的響應(yīng)

圖5?16肌酸和肌酸酐電化學(xué)微傳感器2肌酸和肌酸酐電化學(xué)傳感器圖5?17肌酸微傳感器對(duì)183.電流型膽固醇傳感器（膽固醇測試儀）膽固醇

血清中總膽固醇(totalcholesterol，TC)包括游離膽固醇(freecholesterol，F(xiàn)C)和膽固醇酯(cholesterolester，CE)兩部分。在血清中以游離態(tài)存在的膽固醇約占總膽固醇的27%。。。。。。。。。。。。。。。。中國正常人血清的總膽固醇量約為:3.0~5.20mmol/L。血液中膽固醇含量過高，表示膽固醇代謝可能發(fā)生障礙。冠狀動(dòng)脈粥樣硬化患者的血清膽固醇含量往往偏高。因此臨床化驗(yàn)上測定血清膽固醇含量將有助于診斷某些疾病。3.電流型膽固醇傳感器（膽固醇測試儀）膽固醇血19測定膽固醇的原理膽固醇酯酶膽固醇氧化酶4-膽甾烯酮

測定膽固醇的原理膽固醇膽固醇氧化酶4-膽甾烯酮20基于蛋白質(zhì)直接電子轉(zhuǎn)移的全膽固醇傳感器以殼聚糖為載體將血紅蛋白、膽固醇氧化酶、膽固醇酯酶固定在玻碳電極表面，在不使用任何電子媒介體的條件下，利用血紅蛋白和電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移，制備成高選擇性的全膽固醇生物傳感器，用于測定血清中的總膽固醇含量。對(duì)膽固醇響應(yīng)的線性范圍為10~110mg/dL，檢測限為5mg/dL，響應(yīng)時(shí)間為60s。電流響應(yīng)響應(yīng)機(jī)理基于蛋白質(zhì)直接電子轉(zhuǎn)移的全膽固醇傳感器以殼聚糖為載體將血紅蛋214.乳酸電化學(xué)傳感器4.乳酸電化學(xué)傳感器22乳酸傳感器的制備具體方法如下，先在玻碳電極上滴加一滴用氟聚酯(Nafion)調(diào)制的介體四硫富瓦烯(TTF)漿液，晾干后再用牛血清白蛋白和戊二醛將乳酸氧化酶固定在該電極表面修飾層上面，即構(gòu)成乳酸傳感器。其反應(yīng)如下：乳酸傳感器的制備具體方法如下，先在玻碳電極上滴加一滴用氟聚酯235.尿酸電化學(xué)傳感器

尿酸是核酸中嘌呤分解代謝的產(chǎn)物，正常值為2~7mg/dL，尿酸測定對(duì)于診斷痛風(fēng)十分有幫助。通過檢測尿酸酶催化反應(yīng)的反應(yīng)物和生成物，進(jìn)而可以用來測定尿酸的含量。在分子氧的存在下，尿酸經(jīng)尿酸氧化酶氧化成尿囊素、過氧化氫和二氧化碳，反應(yīng)式如下所示：5.尿酸電化學(xué)傳感器尿酸是核酸中嘌呤分解代謝的產(chǎn)物246.嘌呤電化學(xué)傳感器各種生物嘌呤如黃嘌呤、次黃嘌呤、肌苷都可以利用電流型酶電極進(jìn)行檢測。例如當(dāng)魚死后其組織中的腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)迅速降解為肌苷單磷酸(IMP)，IMP進(jìn)一步經(jīng)酶分解導(dǎo)致了次黃嘌呤(Hx)積累，因此次黃嘌呤濃度大小可以作為魚類新鮮程度的指示劑。采用電流型傳感器檢測各種生物嘌呤的酶反應(yīng)中消耗氧或產(chǎn)生過氧化氫，其酶催化反應(yīng)式如下所示。6.嘌呤電化學(xué)傳感器各種生物嘌呤如黃嘌呤、次黃嘌呤、肌苷都257.電流型有機(jī)磷農(nóng)藥殘留傳感器1）抑制型12）抑制型2有機(jī)磷農(nóng)藥iΔiΔi有機(jī)磷農(nóng)藥7.電流型有機(jī)磷農(nóng)藥殘留傳感器1）抑制型12）抑制型2263）直接型–?–OH–OPH3）直接型–?–OH–OPH278.HIV–1型蛋白酶電化學(xué)傳感器

A.傳感器在(a)40nM,(b)60nM，?100nMHIV－1型蛋白酶及(d)未修飾金電極在100nM蛋白酶溶液中的循環(huán)伏安圖;B.電位與蛋白酶濃度的關(guān)系；C.峰電流密度與蛋白酶濃度的關(guān)系8.HIV–1型蛋白酶電化學(xué)傳感器A.傳感器在(a)28【5A文】電化學(xué)酶生物傳感器【5A文】電化學(xué)酶生物傳感器29電化學(xué)酶傳感器的原理

電化學(xué)酶傳感器是由生物酶膜與各種電極如離子選擇電極、氣敏電極、氧化還原電極等電化學(xué)電極組合而成或?qū)⒚改ぶ苯庸潭ㄔ诨w電極上制成的生物傳感器。根據(jù)輸出信號(hào)的不同酶電極可分為電流型和電位型兩種類型。電化學(xué)酶傳感器的原理電化學(xué)酶傳感器是由生物酶膜與各種電極如305.2.1電流型酶傳感器

電流型酶電極傳感器將酶催化反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)發(fā)生電極反應(yīng)所產(chǎn)生的電流響應(yīng)作為測量信號(hào)，在一定條件下，利用測得的電流信號(hào)與被測物活度或濃度的函數(shù)關(guān)系，來測定樣品中某一生物組分的活度或濃度。酶的分子識(shí)別功能及其反應(yīng)過程的示意圖

5.2.1電流型酶傳感器電流型酶電極傳感器將酶催31

酶電極制備過程中的關(guān)鍵在于酶的固定化，固定化的目的在于保持酶穩(wěn)定性的同時(shí)，盡可能使酶膜與敏感元件緊密接觸，這樣酶催化反應(yīng)的產(chǎn)物可以很快地被酶敏感元件所感知并產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)。酶的固定化酶電極制備過程中的關(guān)鍵在于酶的固定化，固定化的目32酶活性中心黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD)HorseradishPeroxidase亞鐵血紅素（Hemin)酶活性中心黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD)Horseradish33模擬辣根過氧化物酶（G-四鏈體-hemin復(fù)合物）模擬辣根過氧化物酶（G-四鏈體-hemin復(fù)合物）345.2.2酶電極傳感器的發(fā)展三代電流型酶傳感器基本原理示意圖(A)第一代，(B)第二代，(C)第三代5.2.2酶電極傳感器的發(fā)展三代電流型酶傳感器基本原理35葡萄糖傳感器葡萄糖氧化酶（GOx）

血液中的糖稱為血糖，絕大多數(shù)都是葡萄糖。體內(nèi)各組織細(xì)胞活動(dòng)所需的能量大部分來自葡萄糖，所以血糖必須保持一定的水平才能維持體內(nèi)各器官和組織的需要。空腹血糖測定值

<2.8mM低血糖3.9~6.1mM正常>7.0mM高血糖>9.0mM糖尿葡萄糖傳感器葡萄糖氧化酶血液中的糖稱為血糖，絕36由一種稱為Clark型氧電極來制備的，用透氣膜將酶包裹固定在氧電極表面。葡萄糖傳感器通常使用葡萄糖氧化酶（glucoseoxidase，GOD），該傳感器對(duì)葡萄糖具有選擇性響應(yīng)，其檢測原理為：第一代葡萄糖傳感器檢測氧的消耗或過氧化氫的生成響應(yīng)機(jī)理由一種稱為Clark型氧電極來制備的，用透氣膜將酶包裹固定在37第二代葡萄糖傳感器-電子媒介體型電子媒介體是一種具有良好電化學(xué)活性的相對(duì)分子質(zhì)量小的化合物，它擔(dān)負(fù)從酶的氧化還原中心到電極表面?zhèn)鬟f電子的作用。在催化還原過程中，介體首先與還原性的酶反應(yīng)，然后擴(kuò)散到電極表面并進(jìn)行快速的電子交換

(1)能夠快速地與還原性的酶反應(yīng)；

(2)具有可逆的異相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)行為；

(3)生成氧化型介體的過電位低而且與pH無關(guān)；

(4)它的氧化或還原形態(tài)都是穩(wěn)定的；

(5)還原型介體不與氧發(fā)生反應(yīng)；

(6)在應(yīng)用中無毒化作用。第二代葡萄糖傳感器-電子媒介體型電子媒介體是一種具有良好電化38圖5?11一些常見的媒介體的化學(xué)結(jié)構(gòu)四硫富瓦烯(TTF)，(b)四氰苯醌二甲烷(TCNQ)，(c)二茂鐵，(d)N-甲基苯基吡唑酮鎓(NMP+)，(e)麥多那藍(lán)常見的媒介體的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖5?11一些常見的媒介體的化學(xué)結(jié)構(gòu)常見的媒介體的化學(xué)39測試片測試片40第三代葡萄糖傳感器----直接電子傳遞型第三代葡萄糖傳感器----直接電子傳遞型41電化學(xué)酶生物傳感器課件42三代電化學(xué)酶傳感器總結(jié)-以葡萄糖檢測為例三代電化學(xué)酶傳感器總結(jié)-以葡萄糖檢測為例43檢測對(duì)象敏感物質(zhì)（酶）換能器（電極）葡萄糖麥芽糖蔗糖半乳糖乳酸尿酸尿素氮膽固醇磷脂質(zhì)氨基酸丙酮酸乙醇葡萄糖氧化酶淀粉酶轉(zhuǎn)化酶+變旋光酶+葡萄糖酶半乳糖酶乳酸氧化酶尿酸酶尿酶膽固醇氧化酶磷脂酶氨基酸酶丙酮酸脫氫酶乙醇氧化酶O2,H2O2,PtPtO2PtO2O2H2O2,O2O2,H2O2PtO2,H2O2O2O2常見的電流型酶電極傳感器

檢測對(duì)象敏感物質(zhì)（酶）換能器（電極）葡萄糖葡萄糖氧化酶O2,44電化學(xué)酶生物傳感器課件452肌酸和肌酸酐電化學(xué)傳感器

圖5?17肌酸微傳感器對(duì)肌酸的響應(yīng)

圖5?16肌酸和肌酸酐電化學(xué)微傳感器2肌酸和肌酸酐電化學(xué)傳感器圖5?17肌酸微傳感器對(duì)463.電流型膽固醇傳感器（膽固醇測試儀）膽固醇

血清中總膽固醇(totalcholesterol，TC)包括游離膽固醇(freecholesterol，F(xiàn)C)和膽固醇酯(cholesterolester，CE)兩部分。在血清中以游離態(tài)存在的膽固醇約占總膽固醇的27%。。。。。。。。。。。。。。。。中國正常人血清的總膽固醇量約為:3.0~5.20mmol/L。血液中膽固醇含量過高，表示膽固醇代謝可能發(fā)生障礙。冠狀動(dòng)脈粥樣硬化患者的血清膽固醇含量往往偏高。因此臨床化驗(yàn)上測定血清膽固醇含量將有助于診斷某些疾病。3.電流型膽固醇傳感器（膽固醇測試儀）膽固醇血47測定膽固醇的原理膽固醇酯酶膽固醇氧化酶4-膽甾烯酮

測定膽固醇的原理膽固醇膽固醇氧化酶4-膽甾烯酮48基于蛋白質(zhì)直接電子轉(zhuǎn)移的全膽固醇傳感器以殼聚糖為載體將血紅蛋白、膽固醇氧化酶、膽固醇酯酶固定在玻碳電極表面，在不使用任何電子媒介體的條件下，利用血紅蛋白和電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移，制備成高選擇性的全膽固醇生物傳感器，用于測定血清中的總膽固醇含量。對(duì)膽固醇響應(yīng)的線性范圍為10~110mg/dL，檢測限為5mg/dL，響應(yīng)時(shí)間為60s。電流響應(yīng)響應(yīng)機(jī)理基于蛋白質(zhì)直接電子轉(zhuǎn)移的全膽固醇傳感器以殼聚糖為載體將血紅蛋494.乳酸電化學(xué)傳感器4.乳酸電化學(xué)傳感器50乳酸傳感器的制備具體方法如下，先在玻碳電極上滴加一滴用氟聚酯(Nafion)調(diào)制的介體四硫富瓦烯(TTF)漿液，晾干后再用牛血清白蛋白和戊二醛將乳酸氧化酶固定在該電極表面修飾層上面，即構(gòu)成乳酸傳感器。其反應(yīng)如下：乳酸傳感器的制備具體方法如下，先在玻碳電極上滴加一滴用氟聚酯515.尿