酶传感器工作原理图

㈢酶促反应动力学 酶促反应动力学是研究酶反应速度及
各种因素对酶反应速度影响的科学。 主要影响因素包括有：底物浓度、酶
浓度、 pH值、温度、抑制剂与激活剂等。
1
第2页/共110页
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
酶动力学测定的是初速度，是指酶 在反应过程中底物初始浓度被消耗在5% 以内的速度。目的是排除酶反应过程中 出现的各种干扰因素，以便测得准确的 酶反应速度。
产物+H2O2
14
第15页/共110页
基础电极可采用氧、过氧化氢电极， 还可采用近年开发的介体修饰的炭、铂、 钯和金等固体电极或介体修饰电极。
15
第16页/共110页
氧电极：是一个通过测定电解电流来测定 溶液中氧含量的电解池。
工作时，在铂阴极和 Ag阳极之间施加0.6V 的电压。当E=-0.2V时 电极开始电解，产生还 原电流，其还原反应式 为：
12
第13页/共110页
㈠电流型酶电极 电流型酶电极是将酶促反应产生
的物质在电极上发生氧化或还原反应产 生的电流作为测量信号，在一定条件下， 利用测得的电流信号与被测物活度或浓 度的函数关系，来测定样品中某一生物 组分的活度或浓度。
13
第14页/共110页
制作生物传感器最常用的是氧化酶：
底物+O2
第45页/共110页
降低胆固醇的食物： § 含膳食纤维丰富的食物 § VC 与 VE § 饮酒可能使血中的高密度脂蛋白升高，
加强防治高胆固醇血症的作用。葡萄酒较合适， 但必须严格限制摄入量。
第46页/共110页
胆固醇电极是一种用于临床测定 血清胆固醇含量的电流型酶传感器。
胆固醇 H2O 胆固醇脂酶 游离胆固醇 RCOOH 游离胆固醇 O2 胆固醇氧化酶 胆甾烯酮 H2O2

响应机理
电流响应
以壳聚糖为载体将血红蛋白、胆固醇 氧化酶、胆固醇酯酶固定在玻碳电极 表面，在不使用任何电子媒介体的条 件下，利用血红蛋白和电极之间的直 接电子转移，制备成高选择性的全胆 固醇生物传感器，用于测定血清中的 总胆固醇含量。 对胆固醇响应的线 性范围为10~110mg /dL ，检测限为 5mg/dL，响应时间为60 s。
换能器（电极）
O2, H2O2, Pt Pt O2 Pt O2 O2
H2O2, O2 O2, H2O2
Pt O2, H2O2
O2 O2
2 肌酸和肌酸酐电化学传感器 肌 酸 酐 H2O 肌 酸 酐 水 解 酶 肌 酸 肌 酸 H2O 脒 基 肌 酸 水 解 酶 肌 氨 酸 脲 肌 氨 酸 H2OO 2 肌 氨 酸 氧 化 酶 甘 氨 酸 H CH OH2O 2
(1)能够快速地与还原性的酶反应； (2)具有可逆的异相反应动力学行为； (3)生成氧化型介体的过电位低而且与pH无关； (4)它的氧化或还原形态都是稳定的； (5)还原型介体不与氧发生反应； (6)在应用中无毒化作用。
常 见 的 媒 介 体 的 化 学 结 构
图5−11 一些常见的媒介体的化学结构 (a) 四硫富瓦烯(TTF)，(b) 四氰苯醌二甲烷(TCNQ)， (c) 二茂铁，(d) N-甲基苯基吡唑酮鎓(NMP+)，(e) 麦多那蓝
酶的分子识别功能及其反应过程的示意图
酶的固定化
酶电极制备过程中的关键在于酶的固定化，固定化的目的在于保持酶稳 定性的同时，尽可能使酶膜与敏感元件紧密接触，这样酶催化反应的产物可 以很快地被酶敏感元件所感知并产生相应的信号。
酶活性中心
黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD) Horseradish Peroxidase 亚铁血红素（Hemin)

食品添加剂
蔬果表面的化学物
酶传感器在食品检测中的应用
酶传感器在食品检测中的应用包括食品成分、食品添加剂、 有害毒物、残留农药兽药等的测定分析。
酶传感器在食品安全中的应用
酶传感器在食品工业中用于食品成分分 析，主要是葡萄糖的测定，葡萄糖含量是衡 量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。
还可用来分析白酒、苹果 汁、果酱和蜂器
酶传感器
什么是酶传感器？
酶传感器是生物传感器的 一种，是利用生化反应所产生的 或消耗的物质的量，通过电化学 装置转换成电信号，进而选择性 地测定出某种成分的器件。
酶传感器工作原理示意图
把催化反 应中底物 或产物的 变量转换 成电信号
电 信 号
被检测物质
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
酶传感器在监测环境中广泛存在的有机 污染物、无机污染物和重金属等方面的 应用,并对电化学酶传感器的发展方向进 行了展望。
检测土中含磷量
亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂， 用酶传感器可以测定食品中的亚硫酸含量。甚至 还可以测定色素和乳化剂。
可以用乙酰胆碱酯酶类传感器，检测果蔬表面有机磷农药。
磷 污 染
酶传感器在环境安全中的应用
三聚磷酸钠进入环境水体,造成了江 湖水体“富营养化”使水体发臭,藻类大 量生长,蚊蝇孽生,有的地方水系水葫芦 在水面生长厚达1米深,给环境造成危害。
酶传感器的实际应用
血糖仪
食品安全
环境安全
血糖仪
酶传感器在血糖仪中的应用
葡萄糖（被检测物质）经葡萄 糖氧化酶（固定化酶膜）催化氧化 成为葡萄糖内酯同时葡萄糖氧化酶 转化为其还原态。进行一系列的催 化氧化反应，通过血糖仪(变化器)， 将化学信号转为电信号，在屏幕上 显示。

酶传感器响应过程原理(2013-03-18 15:02:57)转载▼标签：杂谈算是一个科普贴，1991年同导师一起写过一个Review（Clin.Chem.真有点不敢相信，居然二十多年了），这个示意图是当时做的，表示葡萄糖氧化酶传感器的表面结构及反应原理。

现在用一个彩色图来帮助回顾传感器响应过程。

这是一个简化的原理图（简单的传感器膜结构,对电极不在同一个膜内，所以膜需要有导电性），只包括主要步骤，每个数字代表一个步骤（或过程）。

步骤1、2、3、4代表主反应路径：（1）溶液本体内的被测分子经浓差扩散（水溶液扩散系数D）到达传感器膜表面（绿色粗箭头），再经浓差扩散经传感器外膜（外膜的扩散系数D1）达到酶层（绿色细箭头，包括在酶层内的扩散系数D2）。

（2）分子与酶反应（红色区域），产生电活性的反应产物过氧化氢和葡萄糖酸。

酶的总活性要求远大于葡萄糖通过外膜的通量，使进入酶层的葡萄糖瞬时转化完毕，达到酶层内的葡萄糖浓度=0.（3）过氧化氢（黄色箭头）分别向内和向外扩散，其扩散通量的分配比取决于过氧化氢在外膜和内膜材料中的溶解度和各自的扩散系数（D1/D3)，向内扩散的部分到达电极表面，发生电极反应。

（4）过氧化氢在电极表面发生电极反应（红色箭头），形成电极电流（紫色箭头）。

电极反应速率必须足够快，使电极表面的过氧化氢浓度等于零。

除主反应路径之外，其它几个构成电化学信号测量回路的因素也同样重要：（5）由于电子交换，负电荷流入电极电路，同时也产生等量正电荷产物氢离子（或其它正离子），使电极表面积累正电荷，此过程形成电位差（电容效应），并降低界面附近的pH值。

并由此产生正负离子的浓差扩散。

正离子向溶液迁移，溶液中的负离子向电极表面迁移。

（6）如果葡萄糖分子在外膜内的扩散系数足够大，会在传感器-溶液界面上产生浓度梯度，进而形成浓度扩散层（两个黑色箭头间距离），使外膜表面的表观浓度小于溶液本体浓度。

扩散层的存在使信号电流受液体扰动的影响。