生物分子传感器

第三节生物分子传感器。

近年来，生物分子传感器在电分析化学、临床化学、微电子学、生物医学、生命科学带领域深受重视。

从1962年clark和Ly。

ns最先提出生物传感器至今已有别余午的历史，在最初的巧年时间内、生物分子传感器主要以研制酶电极等电化学生物传感器为主。

这期间，生物电极的研究和生产均有了长足的发展，但与最近的20年相比、无论在研究的规模、投入力量、重视程度、涉及的学科范围以及对应用前景的认识等方面都相差甚远，是无法比拟的。

进入80年代后，由于生命科学得到人类极大重视，生物分子传感器的研究和开发呈现出突K猛进的局面。

西方发达的工业国家以及不少发展中国家都投入巨大的人力和物力研究生命科学及其获取生命信息的生物分子传感器。

仅日本就右5个管理部门和50多个公司从事生物传感器的研究。

欧洲把生物传感器的研究列为尤里卡计划。

美国各大学均有该方面的研究机构。

这种研究的新高潮的形成，说明各国都充分认识到生物传感器在微电子学、生物医学、生命科学研究中的重要地位。

作者认为作为一本传感器方面的教科书、有责任为之服务和推动这一研究高潮的进一步发展，为此，编写了此节内容。

一、生物分子传感器的基本结构与工作原理1．生物分子传感器的定久早在本世纪40年代、就开始用酶作为分析试剂来检测特定物质。

众所周知，酶是能选择性地催化特定物质反应的蛋白质，具有良好的分子识别作用。

酶首先被选为对有机物呈特异响应酌传感器的敏感材料。

1962年cIark最先提出利用酶的这种特异性，把它和电极组合起来，用以测定酶的底物。

1967年updike和HIcks，根据clark的设想，并采用厂生物技术中的酝固定化技术，把葡萄糖氧化酌〔GoD)固定在硫水膜上，再和氧电极结合、组装成厂第一个酶电极(传感器)一一葡萄糖电极。

生物体内除了酶以外，还有其他具有分子识别作用的物质，例如，抗体、抗原、激素等，把它们固定在膜上也能作传感器的敏感元件。

此外，固定化的细胞、细胞体(器)及动、植物组织的切片也有类似作用。

人们把这类用固定化的生物体成分：配、抗原、抗体、激素等，或生物体本身：细胞、细胞体〔器)、组织作为敏感元件的传感器称为生物分子传感器或简称生物传感器。

2．生物传感器基本结构生物传感器通常将生物物质固定在高分子膜等固体载体上，被识别的生物分子作用于生物功能性人工膜(生物传感器)时，将会产生变化的信号〔电位、热、光等)输出。

然后，采用电化学反应测量、热测量、光测量等方法测量输出信号。

因此，生物传感器的基本结构可用图12—28形象地表示。

图12—28 生物传感器的基本结构3．生物传感器的工作原理及类型生物传感器是经30多年的研究而发展起来的一种新型传感器，它只有在各种生物分子敏感材料发现后才能产生。

发展到今天，已经商品化或正在研究的生物传感器，从工作原理上来看，大致有如下几种：([)将化学变化转变成电信号目前绝大部分生物传感器的工作原理均属此类。

现以酶传感器为例加以说明。

酶能催化持定物质发生反应．从而使特定物质的量有所增减。

用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化的酶相辊合，即组成酶传感器。

常用的这类信号转换装置有酗nrk型氧电极、过氧化氢电极、氢离子电极、其他离子电极、氨气敏电极、co，气敏电极、离子敏场效应晶体管等。

除酶以外，用固定化细胞．特别是微生物细胞、固定化细胞器、同样可以组成相应的传感器，其工作原理与酶相似。

生物传感器这种工作原理可由图12—29所示。

图12--29 将化学变化转换成电信号的生物传感器(2)将热变化转换为电信号当固定化的生物材料与相应的被测物作用时，常伴有热的变化，即产生热效应。

然后．利书热敏元件，如热敏电阻、转换为电阻等物理量的变化。

图12—30就是这类生物传感器的工作原理。

例如大多数酶反应均有热变化，一般在25~100kJ／mol的范围。

图12—30 热效灾生物件感器(3)将光效应5f变为电信号有些生物物质，如过氧化氢两，能催化过氧化氢／鲁米诺体系发光，因此，如能将过氧化氢酶膜附着在光纤或光镀二极管等光敏元件的前端，再用光电流检测装置，即可测定过氧化氢的含量。

许多酌反应都伴有过氧化氢的产生，又如葡萄糖氧化酶(GOD)在催化葡萄糖氧化时也产生过氧化氢。

因此把GoD和过氧化氢酶一起做成复合两膜，则可利用上述方法测定葡萄糖。

除酶传感器外，也可依据上述原理组成两标免疫传感器，(4)直接产生电信号上述三种原理的生物传感器，都是将分子识别无件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应，所产生的化学或物理变化量通过信号转换器变为电信号进行钡US的．这些方式称为间接测量方式*另有一种方式可使酶反应伴随有电子转移、微生细胞的氧化直接或通过电子传送体作用在电极表面上直接产生电信号，因此称为直接测量方式。

例如Gasn等入提出一种测定葡萄糖的传感器，它是用二茂络铁的电子传送体，使GoD的氧化还原反应按如下进行：G十GODcM—GL十GOD，MGOD加十2Fe凹。

R十?GOD帜2Fe9。

R；＝i 2F即P*R十十2e—其中G，GL代表葡萄搪和葡萄糖酸内配；GOD‘m，GOD毗为氧化型和还原型GOD；FeM。

R，Pe c：p．R”为还原型和氧化型的二茂络铁。

葡萄糖被GOD氧化的同时．GOD被还原成GoDnM氧化型的电子传送体Fc c p＼R‘可将GODM再氧化成GODcM使之再生；同时它本身被还原成Fe”。

R，后者又在阳极上电化学氧化生成Fe。

R’，所得的氧化电流可用于测定葡萄糖。

又如利用微生物细胞直接或通过电子传送体在铂阳极上的氧化产生电流，利用这一过程现己研制成了测定菌数的传感器等。

随着科学技术的发展，基于新的原理的生物传感器将不断涌现，这是毫无疑间的。

总之，生物传感器种类较多，内容较为广深，是一大类很有发展前途的传感器。

直到今天、生物传感5S大功5T仆仓加下几种‘二、酶传感器及其应用酶是生物体内具有催化作用的话性蛋白质，早在1962年就得以证实。

5umer首先制衍酶晶体，并经水解最终获得了氨基酸，从而证实了两的本质是蛋白质。

与其他蛋白质一样。

具食特异的催化功能，因此，酶被称为生物催化剂。

酶的理化性质即为蛋白质的理化性质。

酶蛋白届两性电解质，在等电位点易发生聚沉．在电场中则发生电泳。

酶是大分子化食物．分子量从—·万到几[‘万。

菌可分为单纯蛋白酶和结合蛋白酶两大类。

单纯蛋白酶除蛋白顶以外不合其他成分．如胃蛋白酶、胰蛋白酶和腮酶等。

结合蛋白酶是由蛋白和非蛋白两部分组成。

两者结合得牢固的则称为辅基，如细胞色素氧化酶中的铁吟附部分(即为铁叶咐的辅笨)等；两者结合不牢的则称为辅酣，如烟酰胺腺膘吟二核育酸(NAD，辅两1)和烟酰胺腺膘吟二核苦政磷酸(NADP，辅酶H)，两者均称为脱氢酶的辅酶。

由于两在生物体内具有催化作用，它在生命活动中起着极为重要的作用。

它参加新陈代谢过程中的所有生化反应，并以极高的速度和明显的方向性维持生命的代谢活动，包括峰长、发育、繁殖与运动，可以说没有萌就没有生命。

目前已鉴定出的酶有2000余种、酶与一船催化剂相同。

在相对浓度较低时，仅能影响化学反应的速度，而不改变反应的平衡点．反应前后不发生明显改变；但酶又不同于一般催化剂，酶的催化效率比一般催化剂要高10‘一10’’倍。

菌摧化反应所需要的条件较为温和，在常温、常压、近中性条件下均可进行。

而这一特性也反映在工业上，若渊k酶试催化，则需要在300个大气压，；ooc温度的条件下方可进行。

菌的催化具有高度的专一性，即一种酶只能作用于一种或一类物质，产生一定的产物，即特异催化功能。

正因为酶有如此的特性．才被用作对某种物质的敏感材料，而制造成传感器。

1．酶传感器的结构酶传感器主要由固定化的曲膜与电化学电极系统复合而成。

它既有酶的分子识别功能和选样催化功能，又具有电化学电极响应快、操作简便的优点。

其结构如图12—3l所示。

图12—31 酶传感器的结构在传感器的化学电极的敏感面上组装固定化酶膜．当菌膜接触待测物质时，该膜列待测物质的基质(酶可以与之产生催化反应的物质)作出响应，催化它的固有反应，结果足与此反应的有关物质明显增加或减少，该变化再转换为电极中的电流或电位的变化．此种装置就是图(d)所示的密接型的酶传感器。

图(6)所示的酌传感器为分离型酶传感器，也称为汲流偶联型酶传感器。

它是持固定化酶充填在反应柱内，待测物质流经反应柱时，发生酌催化反应．随后产物再流经电极表面，引起响应。

一般在酶膜外再加一层尼龙布或半透膜的保护层，以防止酶的流失。

2．酶伶感器的分类酶传感器按照所测电极的参数的不同，一般可分为电位型和电流型两大类(1)电位型酶传感器这种酶传感器输出的是电位信号．该信号与持浏物的浓度之间遵守能斯特关系。

它所使用的信号转换器有离子选择型和氧化还原型电极。

电位型酶传感器的响应时间、检测下限等性能均与基础电极的性能密切相关。

电位型酶传感器的适用范围在10‘一10☆m。

1／t‘，有的可扩展到10“一10—smol儿，这取决于待测物质在水中的溶解度和基础电极的检测下限。

电位型酶传感器随着使用时间的增加．其检测范围变窄．斜率降低．响应时间增长。

因此、使用到指标规定的时间就必须更换新的传感器。

(2)电流型酝传感器该类传感器输出信号为电流。

其结构与电位型酶传感器相似．也是将固定化酶膜和基础电极组合而成。

电流型酶传感器所用的基础电极为口ark氧电极、H：02电极及燃料电池型电极等。

它们将曲催化反应所引起的物质量的变化转变成电流信号输出，输出电流的大小宜接与待测物质浓度呈线性关系。

3．醋传感器的响应机理人们已经提出了不同的数学模型，来说明上述两类酶传感器的响应机理，以寻找出设计酶传感器的理论依据。

下面先对电位型酶传感器的响应机理加以说明。

图12—32 酶电极工作过程曲传感器助工作过程可用图12—32表示。

根据此结构可知，基础电极的外部活性表面为o(加基础电极是气敏电极，则指透气膜的外表面)，它与一个很薄酶层0L紧密相接。

固定化油层的外表面暴露在被测液中，后者通常是处于充分搅拌下，以尽量减小其浓度梯度。

若酶层基质的机械强度较差，则在其外侧再加一个能透过底物相辅助试剂的薄膜LL’。

底物在被测过程中一般路经历如下步骤：(1)底物j由溶液传输至电极表面LJ(2)5在酶层与溶液之间进行分配；(3)5在酶层中传输与反庇；警＝警co(4)产生物J)传输至基础电极上铰检测。

显然，影响上述步骤的任何因素都有可能引起响应特性的变化。

在理想酌情况下．如产生物在基础电极上呐应很快，外部保护膜LLf相当的薄．本体溶液又经过充分混合，则酶层中的反应和扩散是过程的控制步骤，曲反应遵循Michnel，s—Men记n动力学。

酶层小(o＜?＜L)5和P的浓度分布可由反应速度和扩散方程确定：其中of和DP一分Slj是底物和产生物在酶层中的扩散系数L—一酶层厚度；LE]——酶浓度；久：和尺M一—分别为酶的反应速度常数和M沁haelis常数。