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电化学免疫传感器的发展概述
作者：陈慧连， 陈伟锐， CHEN Hui-lian， CHEN Wei-rui 作者单位：广东省物料实验检测中心,广东 广州,510080
刊名：
广州化工
英文刊名：Guangzhou Chemical Industry
年，卷(期)：2013,41(11)
本文链接：https://www.doczj.com/doc/d614942540.html,/Periodical_gzhg201311022.aspx
第12卷第6期重庆科技学院学报(自然科学版2010年12月 收稿日期:2010-07-20 基金项目:重庆市教委科学技术研究资助项目(KJ101315 作者简介:刘艳(1968-,女,四川乐山人,副教授,研究方向为电化学传感器。 在生命科学研究和医学临床检验中,需对各种各样的生物大分子进行选择性测定。据统计,全世界每年要进行数亿次免疫学和遗传学病理检验。常用的检验小型化分析装置和检测方法,成为目前现代分析化学研究领域的前沿课题。 1962年,Clark 提出将生物和传感器联用的设 想,并制得一种新型分析装置“酶电极”。这为生命科学打开一扇新的大门,酶电极也成为发展最早的一类生物传感器。生物传感器结合具有分子识别作用的生物体成分(酶、微生物、动植物组织切片、抗原和抗体、核酸或生物体本身(细胞、细胞器、组织作为敏感元件与理化换能器,能产生间断的或连续的信号,信号强度与被分析物浓度成比例。 电化学生物传感器是将生物活性材料(敏感元件与电化学换能器(即电化学电极结合起来组成的生物传感器。当前,电化学生物传感器技术已在环境监测、临床检验、食品和药物分析、生化分析[2-4]等研究中有着广泛的应用。本文在此综述电化学生物传感器的工作原理、分类及几个当今研究的热点。 1 电化学生物传感器概述 1.1 电化学生物传感器的原理 电化学生物传感器是将生物活性材料(敏感元
件与电化学换能器(即电化学电极结合起来组成的生物传感器。当电化学池中溶液的化学成分变化时,电极上流过的电流或电极表面与溶液的电势差会随之发生变化,这样通过测定电流或电势的 变化就可以获取溶液成分或相应的化学反应的变化信息。 电化学生物传感器是在上述电化学传感器原理的基础上,以具有生物活性的物质作为识别元件,通过特定反应使被测成分消耗或产生相应化学计量数的电活性物质,从而将被测成分的浓度或活度变化转换成与其相关的电活性物质的浓度变化,并通过电极获取电流或电位信息,最后实现特定物质的检测。如图1所示,这类传感器中使用的生物活性材料包括酶、微生物、细胞、组织、抗体、抗原等等。 图1电化学生物传感器的工作原理 1.2电化学生物传感器的类别 生物传感器主要包括生物敏感膜和换能器两部 分。按照敏感元件所用生物材料的不同,电化学生物传感器分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA 传感器等,其中酶电极由于其高效、专一、反应条件温和且具有化学放大作用而成为电化学生物传感器的研究主流。 按照检测信号的不同,电化学生物传感器可分 我国电化学生物传感器的研究进展 刘 艳 (长江师范学院,重庆408100 摘
工作原理 A氧气传感器 氧气传感器采用隔膜式伽伐尼电池工作原理。这类传感器通常包括具有催化活性的贵重金属阴极，易极化的活泼金属阳极，酸、碱、盐的水溶液、或其它离子导体构成的电解质，密闭外壳，管脚等。氧气传感器的外壳是一个密闭容器并充满电解液，此密闭容器的顶部有一个毛细微孔，允许氧气通过并进入工作电极。此时氧气将在传感器内部被电解，导致传感器内部导电离子浓度发生变化。通过测量流过两电极的电解电流可以准确感知环境中氧气浓度的变化。在适当的范围内，电解电流与氧气浓度呈良好的线性关系。 氧气在传感器中的电化学过程被描述为：当氧气到达工作电极时，立即如反应（1）被还原成氢氧根离子： O2+2H2O+4e→4OH-（1） 这些氢氧根离子通过电解质到达阳极（铅），与铅发生氧化反应（2），生成对应的金属氢氧化物。 2Pb+4OH-→2Pb(OH)2+4e（2） 总电池反应： O2+2Pb+2H2O=2Pb(OH)2（3） 反应生成的电流大小相应地取决于氧气扩散速度，氧气的扩散速度则取决于氧分压和毛细孔孔径的大小。可外接一只已知电阻来测量产生的电势差，这样就可以准确测量出氧气的浓度。 电化学反应中，活泼金属铅参与到氧化反应中被不断消耗和钝化，使传感器具有一定的使
用期限，当所有可利用的活泼金属铅完全被氧化或钝化时，传感器将停止工作。通常氧气传感器的预期使用寿命为1-2年，但也可以通过增加阳极铅的含量或限制接触阳极的氧气量来延长传感器的使用寿命。 B毒性气体传感器 利用待测气体在电解池中工作电极上的电化学氧化过程，通过电子线路将电解池的工作电极和参比电极恒定在一个适当的电位，在该电位下可以发生待测气体的电化学氧化，由于氧在氧化和还原反应时所产生的法拉第电流很小，可以忽略不计，于是待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律。这样，通过测定电流的大小就可以确定待测气体的浓度。 通常，三电极电化学式气体传感器主要由电极、电解液、电解液的保持材料、除去干涉气体的过滤材料、密闭外壳，管脚等零部件组成。 传感器中的电极包括工作电极、参比电极和对电极，是由对被测气体具有催化作用的材料制成。电化学式气体传感器的化学反应系统主要有三个电极组成： W极——用于氧化反应的工作电极； C极——用于还原反应的对电极； R极——可提供恒电位的参比电极； 电化学毒性气体传感器的代表性构造如图2所示。 进入传感器内的气体在工作电极被氧化(大多数的气体)或被还原(举例来说二氧化氮和氯)。反应按化学计量比进行。如一氧化碳在工作电极上的反应： CO+H2O→CO2+2H++2e
收稿:2008年3月, 收修改稿:2008年8月 *深圳大学科研启动基金项目(No. 200818 资助**通讯联系人 e 2mail:yang hp@https://www.doczj.com/doc/d614942540.html,. cn 纳米电化学生物传感器 * 杨海朋 ** 陈仕国李春辉陈东成戈早川 (深圳大学材料学院深圳市特种功能材料重点实验室深圳518060 摘要纳米电化学生物传感器是将纳米材料作为一种新型的生物传感介质, 与特异性分子识别物质如酶、抗原P 抗体、D NA 等相结合, 并以电化学信号为检测信 号的分析器件。本文简要介绍了生物传感器的分类和纳米材料在电化学生物传感器中的应用及其优势, 综述了近年来各类纳米电化学生物传感器在生物检测方面的研究进展, 包括纳米颗粒生物传感器, 纳米管、纳米棒、纳米纤维与纳米线生物传感器, 以及纳米片与纳米阵列生物传感器等。 关键词生物传感器电化学传感器纳米材料生物活性物质固定化 中图分类号:O65711; TP21213 文献标识码:A 文章编号:10052281X(2009 0120210207 Nanomaterials Based Electrochemical Biosensors Y ang Haipeng **
Chen Shiguo Li Chunhui Chen Dongche ng Ge Zaochuan (Shenzhen Key Laboratory of Special Functional M aterials, College of Materials Science and Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China Abstract Biosensors w hich utilize immobilized bioac tive compounds (such as enz ymes, antigen, antibody, D N A, etc. f or the c onversion of the target analytes into electroc he mically detectable products is one of the most widely used detection methods and have become an area of wide ranging research activity. The advances in biocompatible nano technology make it possible to develop ne w biosensors. A variety of biosensors with high sensitivity and excellent reproducibility based on nano technology have been reported in recent years. In this paper, the development of the researches on nano amperometric biosensors, one of the most important branches of biosensors, is revie wed. Nanoscale architectures here involve nano 2particles, nano 2wires and nano 2rods, nano 2sheet, nano 2array, and carbon nanotube, etc. Remarkable sensitivity and stability have been achieved by coupling immobilized bioactive compounds and these nanomaterials. Key words biosensors; electroche mistry sensors; nanomaterials; bioactive compounds; immobiliz ation Contents 1 Introduction to biosensors 2 Nanomaterials based electrochemical biosensors 2. 1 Challenges and developments of biosensors 2. 2 Introduction of nanomaterials 2. 3 Nanomaterials based electrochemical biosensors 2. 3. 1 Nano particles based electrochemical biosensors
电化学生物传感器 生物分子的分析检测对获取生命过程中的化学与生物信息、了解生物分子及其结构与功能的关系、阐述生命活动的机理以及对疾病的有效诊断与治疗都具有十分重要的意义。如何高效、快速、灵敏地检测这些生物分子，是当前生命科学领域中面临的一个十分重要的问题。解决这些问题的关键就在于发展各种新型的分析检测技术。生物传感器的出现为有效地解决这些问题提供了新的工具，为生命科学及其相关领域的研究提供了许多新的方法 1电化学生物传感器的基本结构及工作原理 1.1 基本结构 通常情况下，生物传感器由两个主要部分组成即生物识别元件和信号转换器。生物识别元件是指具有分子识别能力，能与待测物质发生特异性反应的生物活性物质，如酶、抗原、抗体、核酸、细胞、组织等。信号转换器主要功能是将生物识别作用转换为可以检测的信号，目前常用的有电化学、光学、热和质量分析几种方法[1]。其中，电化学方法就是一种最为理想的检测方法。 图1 电化学生物传感器的基本结构 1.2 工作原理 电化学生物传感器采用固体电极作基础电极，将生物敏感分子固定在电极表面，然后通过生物分子间的特异性识别作用，生物敏感分子能选择性地识别目标分子并将目标分子捕获到电极表面，基础电极作为信号传导器将电极表面发生的识别反应信号导出，变成可以测量的电信号，从面实现对分析目标物进行定量或定性分析的目的。 2电化学生物传感器的分类
由各种生物分子(抗体、DNA、酶、微生物或全细胞)与电化学转换器(电流型、电位型、电容型和电导型)组合可构成多种类型的电化学生物传感器，根据固定在电极表面的生物敏感分子的不同，电化学生物传感器可分为电化学免疫传感器、电化学DNA传感器、电化学酶传感器、电化学微生物传感器和电化学组织细胞传感器等。 2.1 电化学免疫传感器 电化学免疫传感器是一种将免疫技术与电化学检测相结合的标记免疫分析方法。它是以抗原．抗体特异性反应为基础，将抗原/抗体反应达到平衡状态后的生物反应信号转换成可测量的电信号并通过基础电极将其导出。当采用电化学检测方法测量时，其信号大小与目标分析物在一定浓度范围内成线性关系，从而实现对目标检测物的分析测定。 根据抗原-抗体间的免疫反应的类型，电化学免疫传感器可分为两种：竞争法和夹心法。竞争法的分析原理是基于标记抗原和非标记抗原共同竞争与抗体的反应[2]。而夹心法则是将捕获抗体、抗原和检测抗体结合在一起，形成一种捕获抗体/抗原/检测抗体的夹心式复合物，也称“三明治”式结合物[3]。 图2 竞争法 图3 夹心法 2.2 DNA生物传感器 DNA生物传感器主要检测的是核酸的杂交反应。电化学DNA传感器的工作原理如图所示，即将单链DNA(ssDNA)探针，固定在电极上，在适当的温度、pH、离子
电化学气体传感器的研究 电化学气体传感器是由膜电极和电解液灌封而成的。气体浓度信号将电解液分解 成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确（可用于ppm级），稳定性好、能够定量检测，但寿命较短（大于等于两年）。它主要适用于 毒性气体的检测，目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。 电化学气体传感器的分类 电化学气体相当一部分的可燃性的、有毒有害气体都有电化学活性，可以被电化学氧 化或者还原。利用这些反应，可以分辨气体成份、检测气体浓度。电化学分很多子类：(1)、原电池型气体传感器(也称：加伏尼电池型气体传感器，也有称燃料电池型气体传感器，也有称自发电池型气体传感器)，他们的原理行同我们用的干电池，只是，电池的碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例，氧在阴极被还原，电子通过电流 表流到阳极，在那里铅金属被氧化。电流的大小与氧气的浓度直接相关。这种传感器 可以有效地检测氧气、二氧化硫、氯气等。 (2)、恒定电位电解池型气体传感器，这种传感器用于检测还原性气体非常有效，它的原理与原电池型传感器不一样，它的电化学反应是在电流强制下发生的，是一种真正 的库仑分析的传感器。这种传感器已经成功地用于：一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体的检测之中，是目前有毒有害的主流传感器。 (3)、浓差电池型气体传感器，具有电化学活性的气体在电化学电池的两侧，会自发形成浓差电动势，电动势的大小与气体的浓度有关，这种传感器的成功实例就是汽车用 氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。 (4)、极限电流型气体传感器，有一种测量氧气浓度的传感器利用电化池中的极限电流与载流子浓度相关的原理制备氧(气)浓度传感器，用于汽车的氧气检测，和钢水中氧 浓度检测。 电化学气体传感器是通过检测电流来检测气体的浓度，分为不需供电的电池式以 及需要供电的可控电位电解式。 基于电化学原理工作的传感器其最简单的一种型式就是两电极系统。其工作电极 和对电极由一薄层电解液隔开并经由一个很小的电阻联通外电路。当气体扩散进入传 感器后，在敏感电极表面进行氧化或还原反应，产生电流并通过外电路流经两个电极。该电流的大小比例于气体的浓度，可通过外电路的负荷电阻予以测量。 为了让反应能够发生，敏感电极的电位必须保持在一个特定的范围内。但气体的浓度 增加时，反应电流也增加，于是导致对电极电位改变（极化）。由于两电极是通过一 个简单的负荷电阻连接起来的，虽然敏感电极的电位也会随着对电极的电位一起变化。如果气体的浓度不断地升高，敏感电极的电位最终有可能移出其允许范围。至此传感 器将不成线性，因此两电极气体传感器检测的上限浓度受到一定限制。
苏州大学研究生考试答卷封面 考试科目：仪器分析考试得分：________________院别：材料与化学化工学部专业：分析化学 学生姓名：饶海英学号：20114209033 授课教师： 考试日期：2012 年 1 月10 日
电化学传感器的应用研究 摘要：随着电分析技术的发展，电化学传感技术越来越成为生命科学、临床诊断和药学研究的重要手段之一。本文主要介绍了电化学发光免疫传感器，电化学DNA传感器、电化学氧传感器、纳米材料电化学传感器的基本概念、原理，以及这些传感器在各领域的应用。 关键词:电化学传感器免疫传感器传感器 电化学传感技术的核心是传感器。传感器能感受(或响应)规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成，是将一种信息能转换成可测量信号(一般指电学信号)的器件。传感器可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三大类。本文以化学传感器尤其是电化学传感器进行研究。 电致化学发光(Electrogenerated chemiluminescence)，也称电化学发光(Electrochemiluminescence)，简称ECL，是通过电极对含有化学发光物质的体系施加一定的电压或通过一定的电流，电极氧化还原产物之间或电极氧化还原产物与体系其它共存物质之间发生化学反应并生成某种不稳定的中间态物质，该物质分解而产生的化学发光现象。电致化学发光技术是电化学与化学发光相结合的检测技术，该技术既集成了发光与电化学分析技术的优点，又具有二者结合产生的可控性、选择性、重现性好、灵敏度高、检测限低及动力学响应范围宽等新优势[ 1~3 ]。 电化学传感器可分为以下几个类型。①吸附型：通过吸附方式将修饰物质结合在电极表面得到的修饰电极为吸附型化学修饰电极。可以制备单分子层和多分
新技术、试剂与设备 电化学免疫传感器及其在临床检验中的应用进展* 贾立永1,郑 磊1,王 前1,干 宁2,Wen Wang3 (1.南方医科大学南方医院,广州510515;2.宁波大学宁波市新型功能材料及其制备科学 国家重点实验室培育基地,浙江315211;3.Queen M ary University of London,E14NS,U nited Kingdom) !关键词? 电化学; 免疫测定; 生物传感技术; 实验室技术和方法 DO I:10.3969/j.issn.1673 4130.2010.11.064 中图分类号:R446.61文献标识码:B文章编号:1673 4130(2010)11 1329 02 电化学免疫传感器将传感技术的高灵敏度和免疫反应的特异性结合起来,把抗原 抗体特异性反应过程中产生的信号通过换能器转变成电信号,从而对抗原或抗体进行定量检测。与传统的检测技术相比较,具有高灵敏度、高特异性、操作简便、分析速度快、价格低廉等优势,且易于实现自动化操作,已经在临床诊断、医疗保健、环境监测、食品安全等领域得到广泛应用,成为传感器领域的研究热点。 电化学免疫传感器的原理 电化学免疫传感器主要是由接受器(r eceptor)、换能器(t ransducer)和电子线路(electro nic contr ol circuit)三部分组成。固定在固相载体上的抗原或抗体构成传感器的敏感膜,即接受器。当样品中含有待测物时,待测物与接受器结合,产生化学量,由换能器将其转化成与分析物浓度有关的电信号,通过电子系统进行处理和显示。 电化学免疫传感器的分类 根据检测信号可分为电位型、电导型、电容型、电流型。其中电流型免疫传感器最为成熟,应用最广泛。 1.电位型 电位型免疫传感器是基于离子选择电极、气敏选择电极原理发展起来的。它是测量电位变化来进行免疫分析的生物传感器,反应过程中的电位变化值与待测物浓度的对数成正比,可直接或间接检测各种抗原、抗体,具有可实时监测、响应时间较快等特点。但是该类型免疫传感器由于不能很好的解决非特异性吸附和背景干扰等问题,灵敏度低,线性范围窄,实际应用有限。 L iang等[1]的研究表明三维立体疏松多孔壳聚糖的应用使电极具有高体表面积、良好的结构稳定性和亲水性,能够为电极表面固定蛋白提供良好的生物相容性环境,有效解决了电位型免疫传感器灵敏度低、线性范围窄等缺点。 2.电导型 电导测量法可大量用于化学系统中,因为许多化学反应都产生或消耗离子体,使溶液的导电能力发生改变,从而改变溶液的总导电率。通常是将一种酶固定在某种贵重金属电极上(如金、银、铜、镍、铬),在电场作用下测量待测物溶液中导电率的变化。Rezaei等[2]制备的人生长激素(hG H)传感器由于灵敏度高(检测限为0.64pg/mL)、线性动态范围宽(3~100pg/mL),可取代对人体有害的放射免疫测定法。 电导法易受待测样品的离子强度与缓冲液电容影响,加之溶液的电阻是由全部离子移动决定的,而且难以克服非特异性吸附问题,因此电导型免疫传感器发展比较缓慢。 3.电容型 电容型免疫传感器是一种建立在双电层理论上的高灵敏度的免疫传感技术。用类似于电容器的物理方程来描述:C=A 0 /de。其中C为界面电容, 0为真空介电常数, 为电极/溶液界面物质介电常数,A是电极与溶液的接触面积,d是界面层厚度。电极/溶液的界面电容能灵敏反应界面物理化学性质的变化。该类型传感器就是基于将抗体固定在电极表面,当抗原抗体在电极表面结合时,界面电容相应地降低,据此进行定量检测。 制作电容型免疫传感器的关键是在金属电极或者半导体上形成电绝缘层。随着L B膜、自组装膜等技术的不断发展和完善[3],能够实现在分子水平上的定向组装,形成高度致密有序的单分子或多分子层,为制备高灵敏的电容型免疫传感器提供了很好的途径。Y ang等[4]首次报道了自组装金纳米单分子层检测沙门氏菌的电容型免疫传感器。 4.电流型 电流型电化学传感器制作简单,敏感度高,价格低廉,已经有商品化的产品。主要原理是利用氧化还原反应在传感器上产生的电流与电极表面的的待测物浓度呈正比,通过测量恒定电压下通过电化学室的电流来对待测物进行定量检测。电流型传感器既可以检测酶标二抗对底物的氧化还原产生的直接电子传递,也可以利用抗原抗体形成的免疫复合物对电子在电极表面的转移的阻滞,测定峰电流改变值来定量检测待测物。 W ang等[5]将F e3O4磁性纳米微粒、壳聚糖、酪氨酸酶按一定的比例混合,滴在玻碳电极表面,利用纳米生物复合膜提供大量固定酶的微环境,可防止酶的泄露,制备了用于酚类物质检测的高灵敏免疫传感器。 电化学免疫传感器在临床诊断中的应用 检测疾病特异性#诊断蛋白?(DP,即抗原/抗体)含量和种类对疾病诊断、病情分析、治疗方案制定和预后具有重要意义。而电化学免疫传感器是一种简便快速检测DP的方法。电化学免疫传感器在临床诊断方面广泛应用于肿瘤标志物、感染性疾病、自身免疫病等疾病的诊断。 1.电化学免疫传感器应用于肿瘤标志物检测 肿瘤标 *基金项目:广东省科技计划资助项目(2008A050200006);广东省科技计划资助项目(2010A0303000006)。 通讯作者,E mail:nflab @https://www.doczj.com/doc/d614942540.html,。
不同电化学气体传感器中所包含的不同成份决定了它可与相应的毒气发生反应;测量头可测量反应所产生的电流并将其转换成气体浓度值（ppm或ppb）。催化传感器在涂有催化剂的小球上“无焰燃烧”可燃性气体;测量头可测量电阻的变化并通过a/d 转换，显示变化相应的读数。一般以爆炸下限作为满量程。 由于电化学型和催化燃烧型测量头相对较低的成本，它们通常被用于“源点”（即泄漏有可能发生的地方）处的测量。因而对泄漏的反应迅速并可连续探测。另外，由于没有可移动部件，所以不会造成机械故障。 但是，这两种类型的传感器也有缺点：一些气体传感器不但对与之相应的气体（即它们按照设计应该反应的气体）反应，而且对其他气体（干扰气体）也发生反应，因此有必要注意在设计和安装过程中避免将这些传感器用在有可能有干扰气体存在的地方。传感器需要定期标定，通常为三个月一次（视不同品牌，工作环境，工作状态等因素的影响）;传感器在使用1到3年后通常需要更换（视不同品牌，工作环境，工作状态等因素的影响）。另外，有些品牌的传感器使用的是电解溶液，这就需要定期填充电解液。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解相关传感器产品的选型，报价，采购，参数，图片，批发等信息，请关注艾驰商城https://www.doczj.com/doc/d614942540.html,。
檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵殝 殝 殝 殝 评述与进展 DOI :10．3724/SP．J．1096．2013．20611 功能性纳米材料在电化学免疫传感器中的应用 王广凤 朱艳红 陈玲 王伦 * （安徽师范大学化学与材料科学学院，芜湖241000） 摘 要新型功能性纳米材料以其诸多优良性质在构建电化学免疫传感器中备受关注，为电化学免疫传感 器的开发和研究开辟了一片广阔天地。纳米材料在电化学免疫传感器方面的应用主要是将纳米材料作为传感器界面的修饰材料、生物分子的固载基质以及信号标记物等。本文就常见的功能性纳米材料在电化学免疫传感器中的应用做一综述。 关键词 功能性纳米材料；电化学免疫传感器；综述 2012-06-14收稿；2012-11-04接受 本文系国家自然科学基金项目（Nos．20901003， 21073001，21005001）资助*E-mail ：wanglun@mail．ahnu．edu．cn 1 引言 纳米技术是一门在1 100nm 空间尺度内操纵原子和分子，对材料进行加工、制造具有特定功能的产品，或对某物质进行研究，掌握其原子和分子的运动规律和特性的崭新高技术学科，它的发展开辟了 人类认识世界的新层次［1］ 。纳米材料是指三维空间尺寸至少有一维处于纳米级（通常为1 100nm ）的材料。纳米材料具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，表现出一系列独特的力学、电学、光学、磁学以及催化性能，拥有“21世纪最有前途的材料”的美誉 ［2，3］ 。纳米技术的兴起为生物电分析化学的发展提供了更为广阔的空间，而生物传感器也成为纳米材料最有前途的应用领域之一［4］ 。新型功 能性纳米材料，由于其特殊的结构层次、较强的吸附能力、良好的定向性能、生物相容性以及结构相容性（酶、抗原、抗体以及生物分子受体具有和纳米材料相似的尺寸约2 20nm ），从而可以提高生物分子（如酶、DNA 等）的固载量、标记生物分子、催化反应、加快电子传递及增大电流信号，为生物电化学传感器的研究和应用提供新途径。 目前，比较成熟的生物电化学传感器技术有：酶传感器、免疫传感器、 DNA 传感器等。电化学免疫传感器是将免疫技术与电化学传感相结合的一种免疫传感器，它既具有电化学传感器的高灵敏度和简 便经济等特点，又具有免疫分析的高选择性、强专一性和低检出限等优点［5］。近年来，电化学免疫传感 器已成为电分析化学在生命科学研究领域中的前沿和热门， 在临床检测、环境检测、食品分析等方面得到了广泛应用 ［6，7］ 。 为了研制高灵敏度、高选择性、低成本和长寿命的电化学免疫传感器，免疫生物敏感膜界面的构建 一直是免疫传感器研究的关键技术之一。纳米材料在电化学免疫传感器方面的应用主要是将纳米材料作为传感器界面的修饰材料、生物分子的固载基质以及信号标记物等。纳米材料作为基底固载生物分子可以增大固载量、提高反应活性；同时，纳米材料标记的抗体（抗原），可保留其生物活性和对应的组分作用，并根据这些纳米材料的电化学检测确定分析物的浓度，使用纳米材料的放大标记物可以大大增加信号，制备超灵敏的电化学免疫传感器。本文主要介绍几种常见的纳米材料如碳材料、金银纳米以及半导体纳米材料在电化学免疫传感器中的研究进展，并展望其应用前景。 第41卷2013年4月 分析化学（FENXI HUAXUE ）评述与进展Chinese Journal of Analytical Chemistry 第4期608 615
电化学气体传感器 氧气传感器 概况 所有的氧气传感器都是自身供电，有限扩散，其金属-空气型电池由空气阴极，阳极和电解液组成。 氧气传感器简单来说是一个密封容器（金属的或塑料的容器），它里面包含有两个电极：阴极是涂有活性催化剂的一片PTFE（聚四氟乙烯），阳极是一个铅块。这个密封容器只在顶部有一个毛细微孔，允许氧气通过进入工作电极。两个电极通过集电器被连接到传感器表面突出的两个引脚，而传感器通过这两个触角被连接到所应用的设备上。传感器内充满电解质溶液，使不同种离子得以在电极之间交换（参见图1）。 Figure 1 - Schematic of oxygen sensor. 进入传感器的氧气的流速取决于传感器顶部的毛细微孔的大小。当氧气到达工作电极时，它立刻被还原释放出氢氧根离子： O2 + 2H2O + 4e-4OH- 这些氢氧根离子通过电解质到达阳极（铅），与铅发生氧化反应，生成对应的金属氧化物。 2Pb + 4OH-2PbO + 2H2O + 4e-
上述两个反应发生生成电流，电流大小相应地取决于氧气反应速度（法拉第定律），可外接一只已知电阻来测量产生的电势差，这样就可以准确测量出氧气的浓度。 电化学反应中，铅极参与到氧化反应中，使得这些传感器具有一定的使用期限，一旦所有可利用的铅完全被氧化，传感器将停止运作。通常氧气传感器的使用寿命为1-2 年，但也可以通过增加阳极铅的含量或限制接触阳极的氧气量来延长传感器的使用寿命。 毛细微孔氧传感器和分压氧传感器 城市技术生产的氧气传感器根据进入传感器的氧气的扩散方式的不同分为两种，一种是在传感器顶部设有一毛细微孔，而另一种设有一层固体薄膜允许气体通过。细孔传感器测量的是氧气浓度，而固体薄膜传感器测量的是氧气的分压。 细孔传感器产生的电流反映的是被测氧气的体积百分比浓度，与气体总压力无关。但当氧气压力瞬间发生变化时，传感器会产生一个瞬间电流，如果没有控制好就会出现问题。同样的问题在传感器受到重复压力脉冲时也会出现，例如进入传感器的气体是抽运式的。对这个现象的解释如下所示： 压力瞬变 当细孔氧气传感器遇到急剧增压或减压，气体将被迫通过细孔栅板（大流量）。气体的增加（或减少）产生了一个瞬变电流信号。一旦情况重新稳定不再有压力脉冲，瞬变即告结束。此类瞬变可以通过仪器报警，这样CityTech就可以努力寻求解决方案以减小压力影响。 所有城市技术的细孔氧气传感器都采用了抗大流量机制，见图2。根本上来说，可以增加一个PTFE 抗大流量薄膜来减弱压力变化带来的瞬变影响。这层薄膜用一个金属盖或塑料盖紧紧固定在细孔上，这个设计可以很大程度上减少信号的瞬间变化影响。 Figure 2 - Bulk Flow Membrane on Capillary Sensor 但某些压力变化产生的瞬变力量超过了这种设计允许的范围，特别是使用抽取式仪器对传感器输送气体的设备。某些泵产生的气体对CiTiceL 氧传感器造成持续的压力脉冲，人为地增强了信号。在这种情况下，有必要在传感器外设计一个气体膨胀室减小对传感器的压力脉冲。 部分分压型氧传感器 毛细微孔控制气体扩散并不是控制氧气进入传感器的唯一方法，我们还可以使用一个非常薄的塑料薄膜覆
系列智能传感器是专门针对气体探测器生产企业推出的新型智能传感器，主要为解决气体探测种类繁多、各品种传感器互不兼容、生产标定复杂、核心器件更换限制等问题。采用我司生产的智能型气体传感器则只需开发一款产品，即可快速响应客户对不同气体种类探测的需求，且生产过程简化，无需重新标定，大幅度降低企业的研发成本、生产成本，产品品质也立即提升到国际一流水准。 该传感器操作方便、测量准确、工作可靠，适用于工业现场或实验室测量等不同的要求。传感器具有电压和串口同时输出特点，方便客户调试及使用。 ■本安电路设计，可带电热拔插操作； ■专业精选、原装进口，兼容红外、电化学、催化、半导体等多种传感器； ■自带温度补偿，出厂精准标定，使用时无需再标定； ■电压和串口同时输出特点，方便客户调试及使用； ■最简化的外围电路，生产简单、操作方便。 传感器安装尺寸 图 接线示意图 传感器外部尺寸图 电化学气体传感器模组说明概述 产品特点 技术参数
2）工作电流：≤50mA (催化≤100mA)； 1）工作电压：DC5V±1%（4－20mA输出的是DC 24V）； 3）测量气体：有毒、可燃气体、挥发性有机物气体；4）安装方式：7脚拔插式； 5）测量范围：0-10000可选(以检测气体而定)；6）检测原理：电化学、红外、催化； 7）测量单位；PPM 、%LEL 、%VOL (以检测气体而定)；8）响应时间：<30s； 9）采样精度：±2%FS ；10 ）预热时间：30s； 11）重复性：±1%FS；12）长期零漂：≤1%FS /年； 13）工作温度：-20～70 ℃；14）工作湿度：10 ～95%RH(无凝露)； 15）存贮温度：-40～70 ℃；15）工作气压：86kPa～106kPa； 17）外壳材质：铝合金；18）输出接口：6PIN； 19）使用寿命：2年以上(以传感器使用寿命为准)；20）质保期： 1年； 21）数字信号格式：数据位：8；停止位：1；校验位：无；22）波特率： 9600； 23）输出信号：0.4-2.0VDC( 常规)、0-1.6VDC 、0-4VDC 、0-5VDC电压信号或4-20mA电流信号可选； 24）外型尺寸：Φ33.5*31mm(引脚除外)； 引脚定义 序号名称说明 1 GND 地 2 Vout 电压输出 3 Iout 电流输出 4 TX/A 串口发送或485A 5 RX/B 串口接收或485B 6 24V/5V 电源输入 传感器底视图 传感器通讯协议说明 1、异步串行通信参数： 始位：1 数据位：8 停止位：1 校验：无波特率：9600 2、帧格式：（详见下文）
目录 1. 电化学生物传感器简介 (2) 1.1 电化学生物传感器的原理 (2) 1.2 电化学生物传感器的发展 (3) ２.电化学生物传感器分类.... 错误！未定义书签。 2.1电化学免疫传感器 .......................................... 错误！未定义书签。 2.2电化学适体传感器 (5) 2.3电化学DNA传感器 (5) 3.信号放大技术在电化学生物传感器中的应用错误！ 未定义书签。 3.1酶催化信号放大技术在电化学生物传感器中的应用错误！未定义书签。 3.2纳米粒子信号放大技术在电化学生物传感器中的应用 3.3 链式反应信号放大技术在电化学生物传感器中的应用 4. 电化学生物传感器研究新进展 (8) 参考文献及英文摘要与关键词. 错误！未定义书签。
电化学生物传感器的研究 摘要本文介绍了电化学生物传感器的发展状况和最新研究方向，综述了近年来电化学生物传感器检测技术的原理和分类，以及信号放大策略在电化学生物传感器中的应用，并概括了电化学生物传感器检测技术的新进展。 关键词电化学生物传感器免疫适体 DNA 信号放大 电化学生物传感器(Electrochemical biosensor)是将生物活性物质如酶、抗原/抗体、DNA、适体等作为分子识别物质固定在电极上,以电化学信号为检测信号的分析器件。电化学生物传感器以其选择性好、灵敏度高、响应快、操作简便、可实现在线、活体分析等特点,在分析化学的研究中起着越来越重要的地位,已广泛用于生命科学、环境分析、药物分析等领域。 1.电化学生物传感器简介 1.1 电化学生物传感器的原理 电化学生物传感器是指由生物体成分（酶、抗原、抗体、激素等）或生物体本身（细胞、细胞器、组织等）作为敏感元件，电极（固体电极、离子选择性电极、气敏电极等）作为转换元件，以电势或电流为特征检测信号的传感器。其原理结构[9]如下图 1 所示。 图1 电化学生物传感器的基本构成示意图 1.2 电化学生物传感器的发展 电化学生物传感器的应用广范，它已经渗透到医药领域、食品卫生、环境检测等生活实践中去，只要应用有：细茵及病毒感染类疾病诊断[24]，基因诊断[25，26]，药物分析[27]，DNA 损伤研究[28]等。由此可见，电化学生物传感器的研究对临床医学和遗传工程的研究具有深远的意义和应用价值。 ２.电化学生物传感器分类 2.1 电化学免疫传感器
酶电化学生物传感器 摘要 生物电化学传感器是生物传感器中研究最早、种类最多的一个分支，它具有专一、高效。简便、快速的优点，已应用于生物、医学及工业分析等方面。目前，生物传感器正进入全面深入研究开发的时期，各种微型化、集成化、智能化、实用化的生物传感器与系统越来越多。本文就酶电化学生物传感器特点基本结构、原理及其应用展开综述。 关键词： 生物传感器应用结构酶生物传感器 正文： 自1962年Clark等人提出把酶与电极结合来测定酶底物的设想后. 1967年Updike和Hicks 研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶电极，用于定量检测血清中葡萄糖含量。此后，酶生物传感器引起了各领域科学家的高度重视和广泛研究，得到了迅速发展。酶生物传感器是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应所产生的与目标物浓度成比例关系的可测信号，实现对目标物定量测定的分析仪器.与传统分析方法相比，酶生物传感辑是由固定化的生物敏感膜和与之密切结合的换能系统组成，它把固化酶和电化学传感器结合在一起，因而具有独特的优点：(1)它既有不榕性酶体系的优点，又具有电化学电极的高灵敏度。(2) 由于酶的专属反应性，使其具有高的选择性，能够直接在复杂试样中进行测定.因此，酶生物传感器在生物传感器领域中占有非常重要的地位. 酶生物传感器的基本结构单元是由物质识别元件(固定化酶膜)和信号转换器(基体电极)组成.当酶膜上发生酶促反应时，产生的电活性物质由基体电极对其响应.基体电极的作用是使化学信号转变为电信号，从而加以检测，基体电极可采用碳质电极(石噩电板、玻碳电极、碳棚电极)、R 电极及相应的修饰电极。 当酶电极漫入被测溶液，待测底物进入酶层的内部并参与反应，大部分酶反应都会产生或消耗一种可植电极测定的物质，当反应达到稳态时，电活性物质的浓度可以通过电位或电流模式进行测定。因此，酶生物传感器可分为电位型和电流型两类传感器。电位型传感辑是指酶电极与参比电极间输出的电位信号，它与被测物质之间服从能斯特关系。而电流型传感器是以酶促反应所引起的物质量的变化转变成电流信号输出，输出电流大小直接与底物浓度有关。电流型传感器与电位型传感器相比较具有更简单、直观的效果。 其发展也是经历了许多代的更替。第一代酶生物传感器是以氧为中继体的电催化。其缺点(1)响应信号与氧分压或溶解氧关系较大，溶解氧的变化可能引起电极响应的波动；(2) 由于氧的糟解度有限，当溶解氧贫乏时，难以对高含量底物进行测定；(3) 当由酶促反应产生的过氧化氢以足够高的浓度存在时，可能会使很多酶去活化；(4) 需采用较正的电位，抗坏血酸和尿酸等电活性物质也会披氧化，产生干扰信号。 第二代酶生物传感器（电子媒介体型）为了改进第一代酶生物传感器的缺点，现在普遍采用的是第二代酶生物传感器，即介体型酶生物传盛器。第二代生物传感器采用了含有电子媒介体的化学修饰层.此化学修饰层不仅能促进电子传递过程，使得响应的线性范围拓宽，电极的工作电位降低，同时，噪声、背景电流及干扰信号均小，且由于排除了过氧化氢，使得酶生物传感器的工作寿命延长.电子媒介体在近十年以来得到迅速发展，使用的媒介体种类也越不越多。 第三代酶生物传感器（直接电子传递型）是酶与电极间进行直接电子传递，是生物传感器构造中的理想手段.这种传感器与氧或其它电子受体无关，无需媒介体，即所谓无媒介体传感器，但由于酶分子的电活性中心深埋在分子的内部，且在电极表面吸附后易发生变形，使得酶与电极间难以进行直接电子转移，因此采用这种方法制作生物传感器有一定难度.。到目前为止，只发现辣根过氧化物酶、葡萄糖氧化酶、醋氨酸酶、细胞色素C过氧化物酶、
一、NDIR红外气体传感器的基本概述 1.简介 NDIR红外气体传感器用一个广谱的光源作为红外传感器的光源，光线穿过光路中的被测气体，透过窄带滤波片，到达红外探测器。其工作原理是基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系（朗伯-比尔Lambert-Beer定律）鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。其主要由红外光源、光路、红外探测器、电路和软件算法组成的光学传感器，主要用于测化合物，例如：CH4、CO2、N2O、CO、SO2、NH3、乙醇、苯等，并包含绝大多数有机物。 2.原理 由于各种物质分子内部结构的不同，就决定了它们对不同波长光线的选择吸收，即物质只能吸收一定波长的光。物质对一定波长光的吸收关系服从朗伯—比尔(Lambert2Beer)吸收定律。下图为NDIR红外气体分析原理图：以CO2分析为例，红外光源发射出1～20μm的红外光，通过一定长度的气室吸后，经过一个4.26μm波长的窄带滤光片后，由红外传感器监测透过4.26μm波长红外光的强度，以此表示CO2气体的浓度。 3.分类 1）根据红外探测器的通道数，可以划分为单通道NDIR气体传感器和双通道NDIR气体传感器。单通道就是在红外探测器内部集成了一个敏感元件以及窄带滤波镜片；双通道就是在单通道的基础上，集成了一个参考通道。我公司红外传感器产品皆为双通道类型，长期稳定性更好，受环境温度影响小。 2）根据探测气体种类，可以划分为单一气体和复合气体传感器。目前市场上绝大部分NDIR
气体传感器都是针对单一气体组分进行测量的，技术比较成熟，应用也比较广泛。 4.应用 红外线气体分析器主要应用领域： 1)石油、化工、发电厂、冶金焦碳等工业过程控制； 2)大气及污染源排放监测等环保领域； 3)饭店、大型会议中心等公共场所的空气监测； 4)农业、医疗卫生和科研等领域； 例如：（1）合成氨流程的醇化塔进（出）口，用红外气体分析器分析CO和CO2；（2）甲醇生产流程的脱碳工段，用红外气体分析器分析CO和CO2；（3）环保排放监测，用红外气体分析器分析SO2和NOx。 5.应用注意事项 1)供电电压超过规定工作电压将导致传感器永久性损坏； 2)电压低于规定工作电压传感器将不能正常工作。 3)长期处于高温、潮湿环境； 4)处于强电磁场环境； 5)电磁场对传感器输出紊乱信号的影响 6)高温环境对气体探测器造成涂覆材料熔化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化等问题 7)粉尘、潮湿环境。此环境对气体探测器造成短路的影响。在此环境条件下应选用密闭性很高的气体探测器 8)潮湿、酸性对气体探测器造成弹性体受损或产生短路等影响 6.发展趋势 红外气体传感器及仪器适用于监测各种易燃易爆、二氧化碳气体，具有精度高、选择性好、可靠性高、不中毒、不依赖于氧气、受环境干扰因素较小、寿命长等显著优点。这些优点将导致电化学、红外原理的气体检测仪器占领更广泛的行业高端市场，并在未来逐步成为市场主流。 7.NDIR的技术路线分为两条： 1)向低分辩率、长波长、多气种方向发展，主要市场是分析仪表。 2)向小体积，低成本方向发展，主要市场是室内空气质量IAQ检测，气种包含CO2和碳氢HC类气体，全球销量约几百万只。