酶生物传感器

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纳米材料在生物传感器方面的应用
纳米技术在电化学生物传感器的研究方面主要 发挥以下作用: (1)催化反应 (2)提高电子迁移速度,加强在电极表面氧化还原物质化学反 应的可逆性 (3)固定生物分子 (4)反应控制开关 (5)标记生物分子等。
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纳米材料的引入对酶的影响
在纳米材料的影响下酶蛋白的分子构型会产生根 本性的改变。没有添加纳米材料时氧化还原中心被糖蛋白紧 紧的包围在酶蛋白中心,氧化还原中心很难和电极表面之间进 行电子交换。当纳米材料参与时会同酶蛋白中的疏基或氨基 产生键合,这时酶的分子形状会产生翻天覆地的变化,此时糖 蛋白将氧化还原活性中心释放出来,而与纳米材料结合在一起, 纳米材料和酶蛋白作用构型变化见图。
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金属纳米材料在生物传感器中的应用
金纳米粒子在生物传感器中主要用做探针载体和信 号分子,这是由于: (1)金纳米粒子的直径在1~100 nm之间,这和绝大部分生物分子尺寸 接近,利用金纳米材料生物相容性等性质和生物分子结合在一起, 释放氧化还原中心,并且在生物分子内部形成输电通道,减少生物 活性中心和电极之间的距离,提高电子迁移速度 (2)金纳米粒子能与生物分子内的氢硫基、氰基等基团产生共价键 合,形成分子探针 (3)金纳米粒子有相对较大的比表面积和较髙的化学活性等优点,在 固载和标记生物蛋白质常常选金纳米粒子作为载体 (4)可以方便通过调节由四氯合金酸和柠檬酸钠反应物质比例来调 控金纳米粒子的尺寸。
胎蛋白免疫传感器。
(a) fabrication of NafionMWCNT monolayer
(b) absorption of Thi (c) formation of nano-Au (d) absorption of anti-AFP (e) BSA blocking.
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半导体纳米材料在生物传感器中的应用
TiO2是一种有效的半导体纳米材料,其表面富含羟 基,具有比表面积大、化学性质稳定、对大多数生物分子无害等 优点,在电化学生物传感器的制备中被广泛的用于在电极表面固 定酶和蛋白质。
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示例1
Hong C.L.等利用微乳化方法在纳米二氧化硅外 面包裹了一层环戊二稀基铁,修饰到电极表面后成功制备了一种 新型的无试剂电流型免疫传感器 。外面包裹了环戊二稀基铁的 纳米二氧化硅颗粒固定到电极表面后,有效的在电极表面固载了 氧化还原探针环戊二稀基铁,修饰电极具有良好的可逆的氧化还 原活性。这种经过处理的二氧化硅微小颗粒均匀稳定的覆盖在电 极表面,具有大的比表面积和较高表面反应活性的优秀特性可以 使二氧化硅纳米材料将CA 15-3抗体蛋白牢牢固定在表面。
种类型。
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电位型传感器和电流型传感器
待测目标物质和酶产生化学反应时,参与化学反应的被 测物质和电极之间的输出电压信号服从Nerst关系,这种通 过电压测量被测物质的的传感器为电位传感器。同时酶促 反应所引起的待测目标物质的变化也可以通过一定方式转 变为电流信号,此时电流信号和待测目标物质的浓度之间 服从一定的关系，这种通过电流测量被测物质的的传感器 为电流传感器。
(a) formation of amino functionalized FcCOOH-doped SNPs layer
(b)glutaraldehyde crosslinkage
(c) anti-CA 15-3 loading (d) BSA loading.
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示例2
Yang X.等用油水微乳相法合成Si02@Ru纳米颗粒, 这种典型的油包水结构内层包埋了大量的水溶性Ru(bpy)32+分 子,外表面则含有丰富的带负电荷的羟基,可与蛋白分子上的羧 基酯化交联用于标记二抗,构建ECL （电化学发光）免疫传感 器。与单分子标记相比,Si02@Ru纳米颗粒可标记大量 Ru(bpy)32+于二抗分子上,极大的放大了 ECL响应信号。
（4）磁性纳米材料在生物传感器中的应用
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电化学酶生物传感器的概念
电化学酶生物传感器(Electrochemical enzyme biosensor) 主要是由固定化酶(分子识别元件)与离子选择电极气敏电极、氧 化还原电极等基础电极(信号转换器)有机结合而成的,如果固定 在分子识别材料膜上的酶发生化学反应,该化学反应会引起电子 在酶和电极之间进行迁移,产生的电子迁移量可以通过基体电极 加以检测。电化学酶生物传感器根据测量电化学性质的不同,可 以分为电压测量(电位型传感器）和电流测量(电流型传感器)两
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碳纳米管在生物传感器中的应用
碳纳米管(Carbon nanotubes, CNTs)是类石墨片卷曲而成的 纳米级中空管,其微观结构是以碳原子sp2杂化为主,混sp3 杂化构成的碳六元环,被认为是富勒稀分子。
示例
Chen S. H.等将多壁碳纳米管(MWNTs)分散于带正电的有机硅 /壳聚糖纳米球(organosilica@chitosan)的悬浮液中, 制备的 organosilica@chitosan/MWNTs复合材料用于固定辣根过氧化物酶 (HRP),构建了无电子媒介体的过氧化氯生物传感器。有机硅/壳 聚糖纳米球和多壁碳纳米管为辣根过氧化物酶(HRP)提供了好的 生物微环境,有效增大了电极的比表面积,增加了HRP的固载量,制 得的传感器对过氧化氧有良好的催化活性。
在生物传感器的制备过程中,半导体纳米材料因具 有生物相容性好、比表面积大、吸附力强、毒性低等优点,被广 泛的用作蛋白质和酶的固定载体。其中,以SiO2和TiO2为代表的 半导体纳米材料的应用最为广泛。
SiO2本身具有极高化学活性,在物理上由于其比表面 积大具有极强的吸附能力。吸附后其表面包含不饱和的残键以及 不同键合状态的经基,这种结构易于与其他供电子功能基团发生 键合作用。
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示例1
Itamar Willner等研制了一种灵敏度、精 度高、稳定性好的葡萄糖生物传感器。这种高精度的传感 器的研制成功主要是因为采用了金纳米粒子及聚苯胺(PAn) 共修饰了电极。
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示例2
Su H.L.等在修饰有硫堇、碳纳米管的玻碳电极 表面吸附纳米金,通过纳米金吸附固定甲胎蛋白抗体,制备甲
(f)易于固定在电极表面。
符合上述性质的常用电子媒介体主要包括有
机染料、四硫富瓦稀、二茂铁及其衍生物、醌及其衍
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示例1
Li W. J. _等引入一种新的有机物-芘四甲 酸的胺解产物(PTC-NH2),将普鲁士蓝(PB)固定在GCE的外 表面,然后在其上包裹一层PTC-NH2防止其渗透而污染测试 液,接着采用化学手段把gold/platinum hybrid nanostructure supported on silica nanofibers （GPSNFs）绑定到PTC-NH2和普鲁士蓝组合物外表,用来捕获半 刀豆球蛋白,为了提髙传感器灵敏度将葡萄糖氧化酶(GOD) 通过凝集素-糖蛋白绑定到电极上，制得葡萄糖生物传感 器。
Emeraldin
e-苯胺绿
KPS-过硫
酸钾
leucoemer
aldine -还
原态聚苯
胺
Gluconola
ctone-葡
萄糖酸内
酯
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示例2
Chen S. 等以血红蛋白为联接剂,通过静电 吸附作用成功制得了碳纳米管和纳米金的复合材料,并基于 此纳米复合材料制备了第三代过氧化氢生物传感器。在多 壁碳纳米管及纳米金的双重影响下,MWNTs/nano-Au组合的 新材料可以帮助血红蛋白快速和电极之间进行快速电子迁 移,加强电信号的强度。与仅基于CNTs构建的过氧化氢传感 器相比,这种第三代过氧化氢生物传感器可以检测更低浓度 的物质含量,并且精度更高。
速度,加强电信号,提高酶传感器灵敏性、精度。
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示例1
Zhong H.A 等首先以过硫酸钾为氧化剂原位 合成了多壁碳纳米管-聚苯胺(MWCNT-PANI)纳米复合材料 并滴涂于裸GCE外表,所获得的纳米复合材料具有多孔结构, 且继承了不同物质的特性具有优秀的导电性和氧化还原活 性。其次在不变电压情况下采用沉积法将铂纳米粒子固定 到电极外表。最后采用胶醛的键合力和铂纳米粒子的吸附 力把葡萄糖氧化酶(GOD)牢牢固定到电极外表面,制得葡萄 糖生物传感器。
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第二代酶生物传感器
第二代酶生物传感器是以电子媒介体修饰为基础的 电催化,该电子媒介体的主要作用是能够代替电子受体氧 分子在酶反应和电极之间进行电子传递,这些媒介体能够 在酶的氧化还原中心和修饰电极的表面建立一个传输通 道,使得电子能够在通道中快速迁移并形成响应电流。引 入这种电子传递媒介体可以建立一个电子迁移的通道,不 但可以提高电子传输速度、排除其它物质干扰,而且可以 降低工作电压。所以第二代酶生物传感器能够有效提高 传感器检测目标物质的准确性并降低检测限。
电化学酶生物传感器
分析化学
李蕊
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目录
一、电化学酶生物传感器的概念
二、电化学酶生物传感器发展历程
（1）第一代酶生物传感器
（2）第二代酶生物传感器
（3）第三代酶生物传感器
三、纳米材料在生物传感器方面的应用
（1）金属纳米材料在生物传感器中的应用
（2）半导体纳米材料在生物传感器中的应用
（3）碳纳米材料在生物传感器中的应用
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源自文库
示例3
HCG:人绒毛膜促性腺激素
Mao L.等合成
Nafion（全氟磺酸）包裹的
TiO2纳米颗粒用来嵌合二抗并
俘获Ru(bpy)32+将RuNafion@Ti02复合纳米颗粒标
记的二抗用于夹心式免疫传感
器的制备 。实验中利用复合
纳米颗粒连接的多重二抗分子
可俘获大量ECL信号探针,有效
避免因多位点标记而造成的蛋
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电子传递媒介体
电子传递媒介体是关键的一个环节,决定修饰电 极的测量精度和范围。一个性能优良的电子传递媒介 体应具有以下的品质：
(a)与氧不发生反应
(b)氧化态和还原态能稳定存在
(c)具有较低的氧化还原电位,并不受pH的影响
(d)呈现可逆的电子转移动力学
(e)能快速的与酶进行电子交换,提高响应电流密度
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电化学酶生物传感器发展历程
电化学酶生物传感器又称酶电极,是最早研发的一种电化学 生物传感器。
第一代酶生物传感器
第一代酶生物传感器的构建原理主要依据酶催化的 化学反应过程中产生或消耗的电活性物质,而活性物质的 变化能够转变为电信号。如果酶催化的化学反应过程中有 酸生成,则基础器件可采用pH电极;如果酶促反应过程中要 消耗氧，则可选用氧电极或过氧化氢电极作为基础器件。
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以基于氧为电子传递体的葡萄糖传感器为例,其氧化机理为: 在氧气存在条件下,葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖生成葡萄
酸内酯和过氧化氧。
C6H12O6 + H2O + O2 葡萄糖氧化酶 H2O2
C6H12O7 +
可以把过氧化氢电极或氧电极作为基础电 极,检测化学反应产物双氧水浓度的变化或氧分子的消耗 量,然后依据上面化学反应方程式计算葡萄糖的浓度。
敏度得到明显提高。 A
Fc labeled antiProGRP:二茂铁标记 辅助ProGRP抗体
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碳纳米材料在生物传感器中的应用
碳纳米材料是指分散相尺度至少有一维小 于lOOnm的碳材料。目前研究较多的碳纳米材料是碳纳米 管、石墨稀、碳纳米纤维等,它们具有环境友好、比表面 积大以及多项优良的物理和化学性质,因而在生物传感领 域得到了广泛的应用。
白质灭活,使传感器达到较高 A
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示例4
ZhuoY.等制备了基于 Ti02和纳米金的复合 纳米球,并用其固定二 茂铁标记的ProGRP （胃泌素释放肽） 二 抗和葡糖糖氧化酶,以 构建无试剂电流型免 疫传感器。基于二氧 化钛和纳米金大的比 表面积和强的吸附能 力,复合纳米球表面固 定了大量的ProGRP 二 抗和葡糖糖氧化酶,制 得的免疫传感器的灵
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示例2
Chen S. H等以戊二醛为交联剂,将硫堇 (Th)共价键合到牛血清白蛋白(BSA)膜上,进而把纳米 金(nano-Au)及辣根过氧化物酶(HRP)牢牢绑定在面上, 研制出了灵敏度高、适应能力强的双氧水传感器。
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第三代酶生物传感器
直接电化学酶电极即第三代酶生物传感器,与 第一代和第二代酶生物传感器相比,直接电化学酶电极摆脱了 对中间体(氧气或人工电子媒介体)的依赖,酶和电极之间牢牢 绑定无需任何中间体,此时酶的氧化还原中心就可以和电极无 隔阂的紧密联系在一起,这种方式的结合可以加快电子迁移的