第四章 酶生物传感器
电化学酶生物传感器
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)
酶传感器
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。
酶生物传感器
酶生物传感器得应用进展摘要：酶生物传感器就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得反应所产生得与目标物浓度成比例关系得可测信号,实现对目标物定量测定得分析仪器。
与传统分析方法相比,酶生物传感器具有独特得优点:选择性高、反复多次使用、响应快、体积小、可实现在线监测、成本低，便于推广普及。
本文主要论述生物酶传感器得特征、发展及酶传感器中应用得新技术。
关键词：酶生物传感器;进展;应用新技术1概述生物传感器(Biosensor)就是一类特殊得化学传感器,通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间得反应,然后将反应得程度用离散或连续得信号表达出来,从而得出被测物得浓度[1]。
自1962年Clark[2]等人提出把酶与电极结合来测定酶底物得设想后，1967年Updike与Hicks[3]研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶电极[2]，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得高度重视与广泛研究，得到了迅速发展、酶生物传感器就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得反应所产生得与目标物浓度成比例关系得可测信号，实现对目标物定量测定得分析仪器、与传统分析方法相比，酶生物传感辑就是由固定化得生物敏感膜与与之密切结合得换能系统组成，它把固化酶与电化学传感器结合在一起，因而具有独特得优点：(1)它既有不溶性酶体系得优点，又具有电化学电极得高灵敏度;(2)由于酶得专属反应性，使其具有高得选择性，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得地位、生物传感器具有多样性、无试剂分析、操作简便、灵敏、快速、价廉、可重复连续使用等特点,已在食品发酵工业、临床医学、环境监测、军事科学等领域展现出十分广阔得应用前景[4-9]。
2酶生物传感器得基本结构酶生物传感器得基本结构单元就是由物质识别元件(固定化酶膜)与信号转换器(基体电极)组成、当酶膜上发生酶促反应时，产生得电活性物质由基体电极对其响应、基体电极得作用就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电极及相应得修饰电极、3酶生物传感器得分类生物传感器按换能方式可分为电化学生物传感器与光化学生物传感器2种。
酶生物传感器
酶生物传感器湖 南 大 学生物学院生物医学工程彭健S132220018主要内容三、酶生物传感器中酶的固定技术三、酶生物传感器中酶的固定技术一、酶生物传感器概述二、酶生物传感器的特点及工作原理四、酶生物传感器的应用五、酶生物传感器的总结与展望一、酶生物传感器概述（1）发展背景自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Updick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。
2、酶生物传感器的定义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。
3、酶生物传感器的优点与传统分析方法相比, 酶生物传感器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）它既有不溶性酶体系的优点, 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。
4、酶生物传感器的甚本结构及工作原理基本结构酶生物传感器的基本结构单元（1）由物质识别元件(固定化酶膜)（2）信号转换器(基体电极)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, 从而加以检侧, 基体电极可采用碳质电极(石墨电极、玻碳电极、碳栩电极)、Pt 电极及相应的修饰电极。
工作原理当酶电极浸入被测溶液, 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被电极侧定的物质, 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侧定。
（1）电位型传感器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。
酶生物传感器讲述讲解
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
,实现对目标物定量测定的分析仪器。与传
,酶生物传感器具有独特的优点:选择性高、 反复多
响应快、体积小、可实现在线监测、成本低，便于推广普及。
酶生物传感器;进展;应用新技术
概述
(Biosensor)是一类特殊的化学传感器,通过各种物理、
,然后将反应的
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龚毅,叶蕾,陈洪渊,等.锇-聚乙烯吲哚配合物修饰电极对肾上腺
(β-CDP)为主体,电子媒介体二茂铁为客体,形成稳定的
,制成了葡萄糖、乳糖生物传感器。再如朱邦尚等[10]以电子媒
1,1-二甲基二茂铁为客体与β-CDP形成稳定的主客体包络物。
如马全红等[12]以二茂铁为电子
,将含有丰富酪氨酸酶的蘑菇组织肉浆固定在二茂铁(PVC膜)
L-酪氨酸的线性响应范围为2.0
:在导电单体成膜之前,探讨在合适条件下,向底液中加入改
,通过电化学法有效地控制电极上导电复合材
生物传感器原理
生物传感器原理生物传感器是一种能够检测生物体内特定生物分子或化学物质的装置，它可以将生物学信号转化为可测量的电信号。
生物传感器在医学诊断、食品安全检测、环境监测等领域具有重要的应用价值。
本文将介绍生物传感器的原理及其在生物医学领域中的应用。
生物传感器的原理主要包括生物识别元件和信号转换元件两部分。
生物识别元件是用于识别目标生物分子的部分，常见的生物识别元件包括酶、抗体、核酸等。
当目标生物分子与生物识别元件结合时，会发生一系列特定的生物化学反应，产生相应的信号。
信号转换元件则是将生物识别元件产生的生物学信号转化为可测量的电信号的部分，常见的信号转换元件包括电化学传感器、光学传感器等。
在生物传感器中，生物识别元件起着关键的作用。
以酶传感器为例，酶在生物识别元件中起着催化作用，当目标物质与酶结合时，会引发酶催化反应，产生可测量的信号。
而在抗体传感器中，抗体与特定抗原结合后，会发生免疫反应，产生特定的信号。
生物识别元件的选择对于生物传感器的灵敏度和特异性具有重要影响。
信号转换元件则是将生物学信号转化为可测量的电信号的关键部分。
电化学传感器是一种常见的信号转换元件，它利用电化学方法将生物学信号转化为电信号。
当生物识别元件与目标生物分子结合后，会引发电化学反应，产生电流或电压信号，通过测量这些信号的变化，可以实现对目标生物分子的检测。
生物传感器在生物医学领域中具有广泛的应用。
例如，血糖监测仪就是一种常见的生物传感器，它利用葡萄糖氧化酶作为生物识别元件，将血液中的葡萄糖转化为可测量的电信号，实现对血糖浓度的监测。
此外，生物传感器还可以用于检测生物标志物、病原体、药物残留等，为临床诊断和治疗提供重要的支持。
总之，生物传感器是一种能够将生物学信号转化为可测量的电信号的装置，其原理包括生物识别元件和信号转换元件两部分。
生物传感器在生物医学领域中具有重要的应用价值，可以用于临床诊断、药物检测、疾病监测等。
随着生物技术的不断发展，生物传感器的应用前景将会更加广阔。
酶生物传感器
酶生物传感器的应用进展摘要：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,酶生物传感器具有独特的优点:选择性高、反复多次使用、响应快、体积小、可实现在线监测、成本低，便于推广普及。
本文主要论述生物酶传感器的特征、发展及酶传感器中应用的新技术。
关键词：酶生物传感器;进展;应用新技术1概述生物传感器(Biosensor)是一类特殊的化学传感器,通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应,然后将反应的程度用离散或连续的信号表达出来,从而得出被测物的浓度[1]。
自1962年Clark[2]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[3]研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶电极[2]，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)它既有不溶性酶体系的优点，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. 生物传感器具有多样性、无试剂分析、操作简便、灵敏、快速、价廉、可重复连续使用等特点,已在食品发酵工业、临床医学、环境监测、军事科学等领域展现出十分广阔的应用前景[4-9]。
2酶生物传感器的基本结构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.3酶生物传感器的分类生物传感器按换能方式可分为电化学生物传感器和光化学生物传感器2种。
生物传感器技术
生物传感器技术生物传感器技术近年来在生物医学、环境监测、食品安全等领域得到广泛应用。
它具有快速、高灵敏度、高选择性、便携性等优点，可以对生物分子进行检测和分析。
本文将介绍生物传感器技术的原理、分类、应用以及未来发展趋势。
一、生物传感器技术的原理生物传感器技术是基于生体过程或生物材料与物理信号或化学信号的相互作用实现的一种检测技术。
其原理主要包括生物识别元件（如抗体、酶、核酸等）与物理或化学传感元件（如电极、有机分子等）之间的作用。
通过生物识别元件与待测物质之间的特异性反应，产生信号变化，进而被物理或化学传感元件检测到并转化为可量化的电信号。
二、生物传感器技术的分类根据生物识别元件的类型，生物传感器技术可分为抗体传感器、酶传感器、核酸传感器、细胞传感器等。
抗体传感器利用抗体与特定抗原结合发生免疫反应，实现对抗原的检测和分析。
酶传感器则是利用酶与底物之间的特异性反应来检测和分析底物的存在和浓度。
核酸传感器通过测定DNA或RNA的序列或特定结构来实现对目标核酸的检测。
细胞传感器则基于细胞活性和代谢产物的变化来检测和分析生物分子。
三、生物传感器技术的应用生物传感器技术在医学领域具有广泛的应用价值。
例如，血糖传感器可以通过检测血液中的葡萄糖浓度，实现对糖尿病患者血糖水平的监测和调控。
DNA传感器可以帮助人们进行遗传病的早期诊断。
此外，生物传感器技术还可以应用于环境监测领域，如检测环境中的有害物质浓度和种类，以及水质、空气质量等的监测。
在食品安全方面，生物传感器可以大大提高食品中有害物质如农药残留、重金属等的检测灵敏度和准确性。
四、生物传感器技术的未来发展趋势随着生物传感器技术的不断发展，人们对其性能和应用的要求也越来越高。
未来，生物传感器技术可能出现以下发展趋势：首先，生物传感器的灵敏度将得到进一步提高，可以检测到更低浓度的物质。
其次，传感器将变得更加小型化和便携化，方便实时检测和现场应用。
此外，多功能和多参数传感器的研究和应用也将成为发展的趋势，实现复合分析和全面监测。
酶传感器
和方向要达到重排的要求。
2.6 分子自组装 之 SMAs
自组装膜( SAMs)是分子通过化学键作用自发吸 附在固/液或气/固界面上，形成热力学稳定和能量 最低的紧密的有序的二维纳米级的超薄膜。通常在 成膜分子之间还存在范德华力的作用，它可以让所 形成的膜更加稳定。
2．生物传感器中酶的固定化方法
由于酶生物传感器最主要的一个元件是 固定化的生物敏感膜，因此酶膜的固定一直 是生物传感器研究的关键环节。已有的固定 化方法有吸附法、化学交联法、共价键合法、 电化学聚合法、物理包埋法和分子自组装等。 现分别加以介绍。
2.1 吸附法
此法是通过酶分子极性键、氢键、疏水 键的作用，将酶吸附于不溶性载体上。有报 道的载体有多孔玻璃、活性炭、氧化铝等。
优点 ：1.在保证酶对底物过量情况下，酶活
性出现小幅度的下降或波动，结果偏差较小 2.线性范围宽且有机磷农药不对OPH
产生抑制，重复使用性强 3.有机磷作为直接底物，操作过程简
单，专一性强
4.2 酶生物传感器的类型
按换能器不同，检测有机磷和氨基甲酸 酯类农药残留常用的EBS主要有： 电化学型生物传感器 光学型以生物传感器 压电晶体生物传感器
3.1 反应机理
化学修正后的GOD 与氧化还原反应电传 导组合体或者将GOD 固定在氧化还原催化剂 中都用来作为电子在电极和氧化还原反应中心 之间传导的途径。
缺点 ：电子在电极与GOD 之间的转移效率很低
3.1 反应机理 之 解决方法
1.在处于最佳的空间位置及拥有良好的生物电 催化剂与电极之间电气连接研究中，提出了纳 米金颗粒作为一种电子采集者并可以将电子在 宏观电极与反应中心之间进行有效的传递。
生物传感器
生物传感器导言生物传感器是一种具有生物识别功能的器件，可以通过生物体的特定信号或变化来检测和测量外部环境、生理活动或生物分子等信息。
生物传感器的应用领域广泛，涵盖了生物医学、环境监测、食品安全等多个领域，具有重要的研究和应用价值。
生物传感器的类型生物传感器按照传感元件的特性和信号来源可以分为多种类型，其中常见的包括电化学传感器、免疫传感器、DNA传感器、细胞传感器等。
这些传感器通过不同机制与生物体相关的物质相互作用，转化成可输出的信号。
•电化学传感器：利用生物体内或生物体产生的电活性物质引起电流变化的原理进行检测，如葡萄糖传感器等。
•免疫传感器：通过生物体内抗原和抗体的结合反应来检测特定物质，常用于检测病原体、荷尔蒙等。
•DNA传感器：基于DNA分子结构的特异性识别原理，用于检测DNA序列、病毒等。
•细胞传感器：利用细胞与外部环境的相互作用来监测环境中的毒素、微生物等。
生物传感器的应用生物传感器在医学、环境监测、食品安全等领域有着广泛的应用，主要表现在以下方面：•医学领域：生物传感器可用于检测药物浓度、疾病标志物、生理参数等，有望提高医学诊断和治疗的准确性和效率。
•环境监测：生物传感器可以检测环境中的污染物、重金属等有害物质，为环境保护和监测提供技术支持。
•食品安全：生物传感器可用于检测食品中的有害物质、微生物等，保障食品安全，减少食品中毒事件发生。
生物传感器的发展趋势随着生物技术和纳米技术的不断发展，生物传感器的灵敏度、稳定性和便携性不断提升，未来生物传感器的发展趋势主要包括以下几个方面：•多功能一体化：未来生物传感器将趋向于多功能一体化，同时具备多种检测功能，提高传感器的综合性能。
•微型化和便携化：生物传感器将逐渐向微型化、便携化发展，方便快速实时检测需要。
•智能化：结合人工智能和大数据分析，生物传感器将具备智能化的特性，提高信号处理和数据分析的效率和准确性。
结语生物传感器作为一种具有生物体识别功能的重要器件，对医学、环境监测、食品安全等方面具有重要的应用意义。
第四章酶生物传感器
两极间外加一定电压，实际测量时，外加 电压控制在电压-电流曲线的平滑部分，即0.70.9V，此时输出电流就与浓度成比例。 阳极反应 H 2O2 O2 2H 2e
阴极反应
2e
2H
1 2
O2
H 2O
24
1.葡萄糖传感器 葡萄糖传感器是研究最早、开发最成
熟并已市场化的生物传感器，即血糖仪。
58
酒后驾驶
饮酒驾车：指驾驶员血液中的酒精含量大于或 等于20 mg/100 mL小于80 mg/100 mL的驾驶行 为。
350 mL(约相称于1小瓶)啤酒或半两白酒(20 mL)
醉酒驾车：指驾驶员血液中的酒精含量大于或 等于80 mg/100 mL的驾驶行为。
1400 mL(约相称于3瓶500 mL)啤酒或一两半 白酒(80mL)
12
二、酶传感器 酶传感器是应用固定化酶作为敏感元
件与各种信号转换器组合而成的生物传感 器。
依据信号转换器的类型，酶传感器大 致可分为酶电极、酶场效应管传感器、酶 热敏电阻传感器、酶压电晶体型、光纤光 学型等。
13
传感器的类型
14
4.1 酶电极传感器 Enzyme electrode sensor 酶电极是由固定化酶与电流型电极
9
10
⑸抑制剂、激活剂对酶促反应速度的影响 凡能降低酶的活性甚至使酶完全失活
的物质称为抑制剂，抑制剂的种类很多， 包括药物、抗生素、毒物、抗代谢物以及 酶促反应产物等。
11
凡能激活酶活性的物质，均称激活剂。 某些酶必须有激活剂存在，才能进行酶促反 应。激活剂大部分为某些无机离子，也有一 些有机分子。
离子选择 性电极
气敏电极
酶生物传感器的应用
酶生物传感器是一种利用酶的催化作用来检测特定物质的传感器。
它的应用非常广泛，包括医疗、食品、发酵工业和环境分析等领域。
在医疗领域，酶生物传感器可以用于检测各种糖、氨基酸、酯质和无机离子等。
例如，科学家利用固定化多酚氧化酶研制成多酚氧化酶传感器，这种酶传感器可快速测定出水中质量分数仅有 2 × 10−7 的酚。
这种传感器对于水质监测具有重要意义。
在食品领域，酶生物传感器可以用于食品添加剂、农药残留、重金属等的检测。
例如，利用固定化胆碱氧化酶研制成的生物传感器可以用于检测食品中的胆碱含量，这对于食品安全监管具有重要意义。
在发酵工业中，酶生物传感器可以用于监测发酵过程中的各种参数，如pH值、温度、氧气浓度等。
这对于控制发酵过程和提高产品质量具有重要作用。
在环境分析领域，酶生物传感器可以用于检测空气中的有害物质，如一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等。
此外，它还可以用于土壤和水体中的污染物检测，如重金属离子、有机物等。
总之，酶生物传感器的应用非常广泛，对于提高生活质量和保障健康具有重要意义。
基于酶促反应的生物传感器
基于酶促反应的生物传感器在现代科技和医疗领域，生物传感器已经成为一个不可或缺的工具。
它们可以用来检测许多重要的生化和生理参数，从而提供诊断、预测和治疗方案。
其中基于酶促反应的生物传感器是目前广泛应用的一种类型。
在本文中，我们将深入探讨这种传感器的工作原理、应用范围和未来方向。
酶促反应是一种生物化学反应，它利用酶催化器的催化作用将底物转化为产物。
在酶促反应中，反应速率是与酶浓度相关的，并且它可以受到生理和环境条件的影响。
这使得酶促反应成为生物传感器的理想基础。
基于酶促反应的生物传感器主要由以下部分组成：感应层、转换层和读取层。
感应层是由生物分子或生物材料组成的，它们与待检测的底物特异性地相互作用。
转换层是一种车载型物质，它将感应层的信号转化为读取层能够传递的信号，如电信号、光学信号等。
读取层通常是一些仪器或硬件，它们可以检测转换层的信号并进行数据处理和输出。
这些读取设备有时被称为“传感器接口”，它们通常被设计为便携式或小型化，以满足各种应用的需要。
基于酶促反应的生物传感器可以用于许多不同的应用，包括环境监测、医学诊断、食品安全和药物研究等。
例如，它们可以被用来检测水中有害化学物质的浓度，检测人体内某些蛋白质或激素的含量，以及检测食品中的微生物污染和毒素。
除此之外，基于酶促反应的生物传感器还有许多未来的应用前景。
其中一个是在医学方面，它们可以用来监测病人的生理指标、药物浓度和病原体的存在。
这些数据可以帮助医生更好地了解病人的情况，并提出更准确的治疗方案。
另一个未来的应用领域是生物安全。
基于酶促反应的生物传感器可以被用来检测生物恐怖主义攻击中使用的生物武器，从而帮助提高国家和地区的安全性。
总之，基于酶促反应的生物传感器在现代科技和医疗领域中有着广泛的应用，它们的未来前景也十分广阔。
通过技术的不断进步和研究的加深，我们可以期待这些传感器能够为人类社会带来更多的贡献。
生物传感器工作原理
生物传感器工作原理生物传感器是一种能够检测和分析生物学样本中的生物分子或特定生理状态的设备。
它通过将生物分子与传感元件相互作用，将其转化为可测量的信号，实现对生物样本的分析和监测。
生物传感器的工作原理包括信号转换、检测和数据处理三个主要部分。
一、信号转换生物传感器中的信号转换通过与目标生物分子的特异性相互作用实现。
这种特异性相互作用基于生物分子之间的识别和配体-受体结合机制。
根据相互作用的性质，可以将生物传感器分为免疫传感器、酶传感器和DNA传感器等。
这些传感器利用特定配体-受体相互作用，将目标生物分子与传感元件连接。
免疫传感器利用免疫学原理，通过抗原-抗体相互作用来实现信号转换。
传感器表面的抗体与待测生物分子发生特异性结合，从而使电化学或光学信号发生变化。
酶传感器则利用酶的催化作用将底物转化为可测量的产物，从而实现信号的转换。
DNA传感器则是通过DNA分子之间的互补配对来检测和测量目标DNA序列。
二、检测信号转换后，生物传感器需要对所产生的信号进行检测。
检测方法多样，包括电化学、光学、质谱等。
其中，电化学检测是生物传感器中最常用的方法之一。
电化学方法利用电流或电位的变化来检测生物分子的存在和浓度。
典型的电化学检测方法包括电流计、电化学阻抗谱、循环伏安法等。
在光学方法中，通过测量光谱变化、荧光强度变化等来检测目标生物分子。
质谱法则利用分子的质量-电荷比来检测和分析样品中的分子。
三、数据处理数据处理是生物传感器中不可或缺的一部分。
传感器所产生的信号需要经过处理和解读，以获得所需的结果和信息。
数据处理可以采用各种方法，如计算机软件分析、信号处理算法、模式识别等。
数据处理的目的是将原始信号转化为可视化、定量化或比较分析的结果。
这样，生物传感器可以通过数据处理获得样品中目标生物分子的浓度、活性、存在与否等信息。
总结起来，生物传感器的工作原理包括信号转换、检测和数据处理三个主要步骤。
通过这些步骤，生物传感器能够实现对生物样本中生物分子的高灵敏度、高选择性的检测和定量分析。
酶生物传感器中酶的固定化技术
酶生物传感器中酶的固定化技术
酶生物传感器中的酶固定化技术是一种利用酶作为生物传感器的关键技术，可以将酶固定在传感器上，使得检测信号可以被有效地检测。
这一技术可以大大减少传感器中应用酶的成本，提升检测精度和灵敏度。
酶固定化技术是用来把酶固定在传感器上的一种技术，它使酶能够更加稳定的存在，也能够更好的发挥它的功能。
主要的酶固定化技术有以下几种：
1、固定化技术：通常使用交联剂、硅胶涂层等技术将酶固定在传感器表面上，这样可以有效地保护酶的活性，从而提高检测灵敏度。
2、基因工程技术：利用基因工程技术，可以将所需的酶基因组合到一起，形成一个新的基因，然后将这个新基因植入到传感器中，从而使得酶能够被固定在传感器中。
3 、纳米技术：纳米技术可以将酶固定在纳米粒子表面上，这样可以使得酶在纳米粒子表面上能够更好地展开功能，也能够显著提高检测灵敏度。
4、膜定向技术：膜定向技术的原理是将酶固定在膜的一侧，从而可以使得酶只能够通过膜的一侧进入传感器内部，这样可以大大提高检测效率。
酶生物传感器中的酶固定化技术可以让酶保持稳定的活性，从而提高检测灵敏度，减少成本。
不同的酶固定化技术都有其各自的优势，诸如交联剂可以显著提高检测精度，基因工程技术可以更好地控制酶的活性，纳米技术可以让酶发挥更强的活性，而膜定向技术可以提高检测的效率。
所以，酶生物传感器中的酶固定化技术是目前提升检测精度和灵敏度的重要技术，也是生物传感器的重要组成部分。
酶传感器的工作原理
酶传感器的工作原理
酶传感器是一种基于酶催化反应的生物传感器，可以用于检测各种生物分子，如蛋白质、糖类和药物等。
酶作为生物催化剂，可以在生物体内加速化学反应，将底物转化为产物。
酶传感器利用酶的催化作用，将底物转化为电信号，实现对底物的检测。
酶传感器的工作原理可以分为两个步骤：酶催化反应和电信号转化。
酶催化反应
酶传感器中的酶通常被固定在传感器表面的电极上，形成一种生物膜。
当待检测的底物与酶生物膜接触时，酶会催化底物转化为产物。
这个过程可以用下面的方程式表示：
底物 + 酶→ 产物
在酶催化反应过程中，底物的浓度与反应速率成正比。
因此，底物的浓度越高，反应速率就越快。
电信号转化
酶传感器中的电极通常被涂覆一层传导性高的材料，如碳或金属。
在酶催化反应的过程中，产生的电子会从电极表面流出，形成一个电信号。
这个电信号的大小与酶催化反应的速率成正比。
因此，底物的浓度越高，电信号就越强。
电信号可以通过测量电极的电位或电流来检测。
通常，酶传感器会将电信号转化为数字信号或模拟信号，以方便记录和分析。
总结
酶传感器是一种基于酶催化反应的生物传感器，可以用于检测各种生物分子。
酶传感器的工作原理可以分为两个步骤：酶催化反应和电信号转化。
在酶催化反应的过程中，底物的浓度与反应速率成正比。
在电信号转化的过程中，电信号的大小与酶催化反应的速率成正比。
酶传感器可以将电信号转化为数字信号或模拟信号，以方便记录和分析。
酶生物传感器对农药的测定
乙酰胆碱酯酶 ； 牛血清 白蛋 白（ Ｓ Ｂ Ａ美 国 Ｓ 公 ｉ
司） 磷酸（ ． ． ； Ａ Ｒ 北京化工厂 ） 。
１２ 酶的 固定和活力测定 ．
１２ １ 酶 的分装 ．． 将 ５０ ０ Ｕ酶 的冻 干粉从 一 ５ ２℃
中取出置于冰箱 ３Ｃ， ￣ 用微量移液器注入 ５０ Ｌｐ ３ １ Ｈ ｘ 值为 ８ ５ 酸缓液 ， ．磷 用旋涡混合器混合 １ ｉ， ｍ ｎ 再用 微量移 液 器 分 装 于 不 同塑 料 离 心 管 中 （ 别 为 分 ３ １ ／ ｌ Ｌ 管） ０ Ｌ 管，５ ／ 置于 ２ ￣ 冰箱 中保存 。 ￣ ５Ｃ
制 Ｊ 。利用这一特性可制成胆碱酯酶生物传感器 ，
用于测定有机磷农药含量 、 底物含量及酶活性等。
（ Ｈ ． ） 酸盐 缓冲溶液 中浸泡 ，℃下存放超 过 ｐ ７０ 磷 ３
３ ｈ ６ 。
１ 实验部分
１１ 仪器 与试剂 ．
Ｌ ８Ａ微机 电化学分析系统 （ Ｋ９ 天津兰力科化 学电子高科技有限公司 ） 自制恒温 电解槽 ； Ｗ 一 ； Ｘ
Ｋｅ ｒ ｓ ｎ ｙ ；ｄ ｔｒ ｎ ｔ ｎ ｏ ｃｉ ｉ ｙ ｗｏ ｄ ：ｅ ｚ ｍｅ ｅｅ ｍｉａｉ ｆａ ｔ ｔ ｏ ｖ ｙ；ｐ ｏ ｐ ａｅ ｂ ｆｅ ｏｕ ｉ ｎ ｈ ｓ ｈ ｔ ｕ ｒｓ ｌ ｔ ｏ
在过去 的几十年里人们 已研究开发 出各种成
厂） 可调容量微量移液器（ ； 德国 ｅｐｎｏ公 司） ｐｅｄｒ 。
管 固定 的酶 片活力值 比较平行 。
关键词： 活力测定； 酶； 磷酸盐缓冲溶液
中图分 类号 ：６７ ０ ５ 文献标识码 ： Ａ
Ｄｅｅ ｍｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｅ ｔ ｉ ｅ ｂ ｎ ｙ ｉ ｓ ｎ ｏ ｔｒ ｎ ｔ ｆｐ ｓ ｉ ｄ ｙ ｅ ｚ ｍｅ ｂ ｏ ｅ ｓ ｒ ｏ ｃ Ｗ ＡＮＧ Ｈｏ ｇ ，ＸＩ ａ ｇ—ｙ ｎ ，ＨＥ Ｓ ａ ｎ‘ ＡＯ Ｃ ｎ ａ ｈ ｎ
酶生物传感器
可分为电化学酶传感器、光化学酶传感器、热化学酶 传感器等。
根据应用领域
可分为环境监测酶传感器、食品安全酶传感器、医疗 诊断酶传感器等。
酶生物传感器应用领域
环境监测
用于检测大气、水体中的污染 物，如重金属、农药残留等。
食品安全
用于检测食品中的有害物质， 如毒素、添加剂等，保障食品 安全。
定义
酶生物传感器是一种利用酶作为生物 识别元件，将生物化学反应转化为可 检测的电信号的分析装置。
发展历程
自20世纪60年代酶电极的研制开始， 酶生物传感器逐渐发展并应用于各个 领域，如环境监测、食品安全、医疗 诊断等。
酶生物传感器分类
根据酶的种类
可分为氧化还原酶传感器、转移酶传感器、水解酶传 感器等。
生物仿生结合
借鉴生物体内的酶作用机制，设计具有类似功能的仿生结构或材料，将 其与传感器相结合。这种方式可以模拟生物体内的酶催化过程，提高传 感器的灵敏度和特异性。
03 酶生物传感器制备技术
酶固定化方法
01
02
03
物理吸附法
利用酶与载体之间的物理 作用力（如范德华力、氢 键等）进行固定化，方法 简单但稳定性较差。
08 酶生物传感器发展趋势与 挑战
新型材料在酶生物传感器中应用前景
纳米材料
纳米材料具有优异的物理和化学性质，如高比表面积、高催化活性和良好的生物相容性，可用于 提高酶生物传感器的灵敏度和稳定性。
二维材料
二维材料如石墨烯、二硫化钼等具有优异的电学、光学和机械性能，可用于构建高性能的酶生物 传感器。
1 2
基因诊断
结合基因测序技术，酶生物传感器可用于检测基 因突变和表达水平，为个性化医疗提供精准的诊 断信息。
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可用氨气敏电极、二氧化碳电极等作为基 础电极测定尿素的含量。
67
（2）草酸电极
生物体内草酸的来源：
♫ 维生素C代谢
♫ 甘氨酸代谢 ♫ 草酰乙酸水解 ♫ 异柠檬酸降解 草酸（乙二酸）结构式 ♫ 食物摄入：菠菜、茶叶
草酸脱羧酶 草酸
29
测量氧消耗量的葡萄糖传感器：
Clark氧电极用于测定酶促反应中氧 的消耗量(电流降低的量)来计算样品中葡 萄糖的含量，最低检测限为10-4 mol／L 。
O2 2 H 2O 4e 4OH
30
测量H2O2生成量的葡萄糖传感器： 葡萄糖氧化产生H2O2， H2O2通过选择 性透气膜，在Pt电极上氧化，葡萄糖的含量 与生成的电流成正比，由此可测出葡萄糖的 浓度。 检测H2O2的方法的本底电流小，灵敏 度高，其最低检出限为10-8mol／L。
包括药物、抗生素、毒物、抗代谢物以及
酶促反应产物等。
11
凡能激活酶活性的物质，均称激活剂。
某些酶必须有激活剂存在，才能进行酶促反
应。激活剂大部分为某些无机离子，也有一
些有机分子。
12
二、酶传感器
酶传感器是应用固定化酶作为敏感元 件与各种信号转换器组合而成的生物传感 器。 依据信号转换器的类型，酶传感器大 致可分为酶电极、酶场效应管传感器、酶 热敏电阻传感器、酶压电晶体型、光纤光 学型等。
（二）电位型酶电极
电位型酶电极是将酶促反应所引起的物
质量的变化转变成电位信号输出，电位信号
大小与底物浓度的对数值呈线性关系。
62
电位型酶电极所用的基础电极是对 某种离子有选择性或对气体有选择性的电极
离子选择 性电极
气敏电极
64
⑴尿素电极 1773年，伊莱尔· 罗埃 尔（Hilaire Rouelle）发现 尿素。 1828年，德国化学家
血液中乳酸的浓度是反映人体体力 消耗程度的重要指标。在体育运动训练中 乳酸的检验是极为必要，国际上乳酸传感 器已经有成熟的商品仪器。
41
还可采用介体修饰的方法制备 乳酸传感器。 在电极上滴介体四硫 富瓦烯(TTF)浆液，晾干后，将乳酸 氧化酶固定在该电极表面修饰层上 面，即构成乳酸传感器。
43
44
每一种酶的催化反应都有适宜的温度 范围和最适温度。
8
⑷pH对酶促反应速度的影响 每一种酶都有适宜的pH值范围 和最适pH值。在一定的pH下，酶促 反应具有最高的反应速度，此pH称 为该酶的最适pH。
9
10
⑸抑制剂、激活剂对酶促反应速度的影响 凡能降低酶的活性甚至使酶完全失活 的物质称为抑制剂，抑制剂的种类很多，
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介体传感器的特点：
• 仅用较低的电压就能使介体氧化。 • 传感器对氧不敏感，能在缺氧和氧浓度 变化的条件下使用。
• 二茂铁离子与还原GOD之间的电子传递 快，电极响应迅速。
35
采用场效应晶体管和微电极做换能器， 以缩小传感器的体积； 利用电子技术、改善信号放大和显示方 法，使其易于商品化； 改善采样方法，使患者使用方便或更易 于临床应用。 最重要的改进是使用化学电子传递中间 介体代替作为自然电子受体的氧，使酶催化 反应不再受到溶解氧含量的制约。
醉酒驾车：指驾驶员血液中的酒精含量大于或
等于80 mg/100 mL的驾驶行为。 1400 mL(约相称于3瓶500 mL)啤酒或一两半 白酒(80mL)
C2H5OH +
NAD+
醇脱氢酶
CH3CHO + NADH
NADH + [Fe(CN)6]4-
NAD+ + [Fe(CN)6]3- + H+ + e-
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（3）血糖仪测试片
血糖仪测试片
37
手表式的葡萄糖传感器
38
手表式无创血糖仪是近年来出现的一 种无创、无痛，能连续测定血糖的设备。它 通过电化学传感器和电渗透原理来检测皮下 组织液中的葡萄糖浓度，无需针刺采血。 手表式血糖仪测定的是组织间液葡萄糖 值，因此要略滞后于指血血糖值。
40
(2)乳酸电极
H2O2 O2 2H 2e
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（2）改进的葡萄糖传感器 为消除环境中氧对测定的干扰，用 四硫富瓦烯、二茂铁等容易在电极上氧化 还原的介体来代替氧的电子传递作用。电 子介体是酶氧化还原活性中心与电极表面 之间的电子传递中介物，在电流型酶电极 中起着关键性作用。 各种电子传递介体的使用，使得电流 型酶传感器的响应速度、检测灵敏度和选 择性都得到了很大的提高。
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。
16
制作生物传感器最常用的是氧化酶：
底物+O2 产物+H2O2
17
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。
18
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：
2CO2 + 甲酸
（3）腺苷电极
♫ 参与心肌能量代谢
♫ 扩张血流量
♫ 合成ATP、腺苷酸的重要 中间体
腺嘌呤脱氨基酶
腺苷
肌苷 + NH3
（4）苯丙氨酸电极
♫ 哺乳动物的必
需氨基酸
♫ 是甜味剂阿斯
巴甜的主要原料
苯丙氨酸
苯丙氨酸 胺裂解酶
反式肉桂酸盐+ NH3
4.2 酶场效应晶体管传感器(ENFET)
●
是通过降低反应所需的活化能实现的。
2
●
酶的高度特异性
酶不仅具有一般催化剂加快反应 速度的作用，而且具有高度的特异性。 绝对特异性 相对特异性 立体异构特异性
3
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。
两极间外加一定电压，实际测量时，外加 电压控制在电压-电流曲线的平滑部分，即0.70.9V，此时输出电流就与浓度成比例。 阳极反应 H O O 2 H 2e
2 2 2
阴极反应
1 2e 2 H O2 H 2O 2
24
1.葡萄糖传感器 葡萄糖传感器是研究最早、开发最成 熟并已市场化的生物传感器，即血糖仪。
13
传感器的类型
14
4.1 酶电极传感器 Enzyme electrode sensor
酶电极是由固定化酶与电流型电极 或电位型电极组合而成的生物传感器。 具有酶的分子识别和选择催化功能， 又有电化学电极响应快、操作简便的特 点，能快速测定试液中某一给定化合物 的浓度，且需很少量的样品。
15
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
32
方法：将葡萄糖氧化酶和电子介体 同时包埋于聚合物膜中，或直接修饰于 电极的表面构成葡萄糖酶传感器。
33
在葡萄糖氧化酶（ GOX ）的催化下， 葡萄糖被氧化为葡萄糖酸，再由二茂铁离 子将还原型葡萄糖氧化酶（ GOD ）氧化 为氧化型葡萄糖氧化酶（ GOX ），然后二 茂铁在电极上氧化成二茂铁离子，通过二 茂铁在电极上产生的氧化电流来实现葡萄 糖含量的检测。
O2 2 H 2O 4e 4OH
19
使用最多的是封闭式的Clark氧电极
铂电极与Ag电极组合在一起置于参比
溶液中，与被测溶液之间用透氧膜隔开。
被测溶液中的溶解氧通过膜扩散到电解质 溶液薄层，再扩散到铂电极表面进行还原 产生电流。
21
H2O2电极
H2O2电极基本测量电路和电压-电流曲线
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葡萄糖氧化酶 C6 H12O6 2 H 2O O2 C6 H12O7 2 H 2O2
故葡萄糖浓度测试方法有三种： 生成的葡萄糖酸 消耗的氧 生成的H2O2
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测量葡萄糖酸的葡萄糖传感器：
pH电极和离子敏场效应管测定葡萄糖酸 的量来计算样品中葡萄糖的含量，最低检测 限为10-3 mol／L，灵敏度较低；
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。
胆固醇脂酶 胆固醇 H 2O 游离胆固醇 RCOOH
胆固醇氧化酶 游离胆固醇 O2 胆甾烯酮 H 2O2
结合型酶电极
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根据反应过程中消耗的氧，产生的过 氧化氢，用相应的电极组成胆固醇传感器 测定电流的变化量，在一定条件下，电流 变化量与胆固醇浓度呈线性相关。
ENFET将酶膜复合在ISFET的栅极。
测量时，酶的催化作用使待测分子反应
生成ISFET能够响应的离子。
弗里德里希· 维勒首次使用
无机物质氰酸氨（由氯化 铵和氯酸银反应制得）与
弗里德里希· 维勒 （Friedrich Wohler）
硫酸铵人工合成了尿素。
增高：急性或慢性肾小 球肾炎、肾功能衰竭、 尿路阻塞、尿路肿瘤、 高蛋白质饮食等。
尿素的分子模型
减低：妊娠后期、蛋白 质摄入不足、营养不良 等。
尿素在脲酶作用下发生水解反应
肌氨酸 H 2O O2 甘氨酸+HCHO H 2O2
肌氨酸氧化酶
53
肌酸和肌酸酐微传感器
54
（5）磷酸盐电极
佝偻病 软骨病
55
葡萄糖-6-磷酸盐
酸性磷酸酯酶 葡萄糖 + 磷酸
葡萄糖氧化酶
葡萄糖 + O2
葡萄糖酸 + 酶 淀粉 葡萄糖氧化酶 葡萄糖