【精品课件】生物医学工程
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工作条件：底液、pH、温度 响应曲线： 影响因素：组织、固定化、工作条件
问题
在酶传感器制备时，常用的酶固定化方 法有哪些？各有何优缺点？
组织电极与酶电极相比有何优缺点？ 式举例说明酶电极的制作原理和结构。
四、微生物传感器
1.特点
适合发酵体系 微生物的菌株价格低 其细胞内酶的活性因细胞增殖而再生,寿命长 适合完成需要辅助因子的复杂连续反应 干扰较酶传感器严重
2. 微生物传感器的分类
按工作原理：
（1）用微生物体内酶的生物活性
类似酶传感器
（2）利用微生物对有机物的同化作用
（a）呼吸机能型微生物传感器 （b）代谢机能型微生物传感器
4.酶的固定化技术
早期的酶电极 固定化技术的重要性
三代生物传感器 （1）非活性基质膜和化学电极 （2）生物成分结合转换器表面 （3）生物成分直接固定于电子元件
各种固定化方法介绍
（1）共价键结合 ：牢固，易失活，单层 （2）交联固定：固定量大，部分失活 （3）包埋：多样，失活小，影响因素多 （4）吸附：简单，失活小，牢固性差 （5）夹心：简单 （6）LB膜等新技术
生物传感器
生物传感器的模型
待测物
敏感元件 转换器
➢是一门由生物、化学、物理、医学、电子技 术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。
➢应用领域：环境监测、食品分析、生物医学
一、概述
1. 定义
敏感材料由生物体成分（或本身）组成的传感器 利用生物活性物质具有的分子识别功能，专一、
灵敏。
敏感元件：
三、组织电极
以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的生物传感器
特点：
酶处于天然、理想状态，稳定、功效高 寿命一般较长 有些没有了解的反应途径或无条件拟合的体系，可直
接用组织代替 组织可直接成膜，便于固定，成本低 组织酶源广 商品化难以实现
实例1:猪肾组织L-谷氨酰胺电极
谷 氨 酰 胺 H 2 O 谷 氨 酰 胺 水 解 酶 谷 氨 酸 N H 3
根据信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器等
其他分类 被测对象、大小、功能
3. 生物传感器的特点
➢ 高选择性。生物传感器是由选择性好的主 体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不 需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其 它试剂。
➢ 体积小、可以实现连续在位监测。
➢ 响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复 多次使用。
酶、抗体、核酸、细胞等。
转换器：
电化学电极、光学检测元件、 场效应晶体管、压电石英晶体、 表面等离子共振。
酶 (Enzyme)
抗体(Antibody)
DNA
2. 分类
根据输出信号产生的方式 生物亲和型、代谢型、催化型
根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基 因传感器等
生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜 可用的测量量：O2的减少量，葡萄糖酸或H2O2的
产生量
信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极
一种葡萄糖传感器-Glucowatch
•Glucose pulled through the skin by charged molecules •The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) •Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxide •The reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor
LB膜成膜过程
Langmuir-Blodgett 膜
为了获得高灵敏度和稳定性的生物传感器，应能有效 控制酶在电极表面的存在形式，维持高的有序程度。
LB膜可用于将酶和其它Hale Waihona Puke Baidu质修 饰到电极表面。
LB膜技术是很好的模拟生物膜 的技术。
5.酶电极及酶传感器实例
（1）葡萄糖氧化酶电极
C 6 H 1O 2 6 2 H 2 O O 2 葡 萄 糖 C 6 H 1 氧 O 2 7 化 2 H 2 O 酶 2
1979，Rechnitz,
6.0×10-5 ~ 6.7×10-3mol/L
6min 28天
21.尼龙网
2.组织切片
3.透析膜
实例2:花椰菜膜L-抗坏血酸组织电极
L - 抗 坏 血 酸 O 2 抗 坏 血 酸 氧 化 酶 脱 氢 抗 坏 血 酸 + H 2 O
电极制作：组织糊+牛血清白蛋白+戊二醛+尼龙网 +氧电极
15秒，10-6~10-4 mol/L
（3）GPT传感器
2 酮 戊 二 酸 L 丙 氨 酸 G P T L 谷 氨 酸 丙 酮 酸
丙 酮 酸 H 3 P O 4 O 2 丙 酮 酸 氧 化 酶 乙 酰 磷 酸 乙 酸 + C O 2 + H 2 O 2
生物分子识别元件：丙酮酸氧化酶 信号转换元件：氧电极， H2O2电极及pH、CO2电极
➢ 传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推 广普及。
二、酶电极和酶传感器
1. 概述 2. 酶及酶促反应
酶：由生物体产生的具有催化能力的蛋白质 特性：高效106-13，条件温和，高度专一，（酶原激
活） 酶的活力单位：提高反应速度的能力（初速度）
标准酶单位、比活力
酶（Enzyme）
酶的专一性：锁和钥匙的关 系。这种关系在生物大分子 的相互作用中具有普遍性，
对底物选择性地结合，避 免其它物质干扰。
3.酶促反应的动力学影响因素
底物浓度对反应速度的影响
ES ES EP
V
Vm Km
S S
Km:酶性质 Vm:酶催化效能
3.酶促反应的动力学影响因素
酶浓度的影响 pH 温度 抑制剂和激活剂
（2）乙醇传感器
C 2 H 5 O H O 2 乙 醇 氧 C3 C 化 H酶 H H 2 O O
生物分子识别元件：乙醇氧化酶膜 信号转换元件：氧电极
C 2 H 5 O O H 乙 x 醇 C 脱 3 C 氢 H H 酶 R d O e
生物分子识别元件：乙醇脱氢酶膜 信号转换元件：Ox 电子传递介质（二茂铁、四硫富瓦烯）
问题
在酶传感器制备时，常用的酶固定化方 法有哪些？各有何优缺点？
组织电极与酶电极相比有何优缺点？ 式举例说明酶电极的制作原理和结构。
四、微生物传感器
1.特点
适合发酵体系 微生物的菌株价格低 其细胞内酶的活性因细胞增殖而再生,寿命长 适合完成需要辅助因子的复杂连续反应 干扰较酶传感器严重
2. 微生物传感器的分类
按工作原理：
（1）用微生物体内酶的生物活性
类似酶传感器
（2）利用微生物对有机物的同化作用
（a）呼吸机能型微生物传感器 （b）代谢机能型微生物传感器
4.酶的固定化技术
早期的酶电极 固定化技术的重要性
三代生物传感器 （1）非活性基质膜和化学电极 （2）生物成分结合转换器表面 （3）生物成分直接固定于电子元件
各种固定化方法介绍
（1）共价键结合 ：牢固，易失活，单层 （2）交联固定：固定量大，部分失活 （3）包埋：多样，失活小，影响因素多 （4）吸附：简单，失活小，牢固性差 （5）夹心：简单 （6）LB膜等新技术
生物传感器
生物传感器的模型
待测物
敏感元件 转换器
➢是一门由生物、化学、物理、医学、电子技 术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。
➢应用领域：环境监测、食品分析、生物医学
一、概述
1. 定义
敏感材料由生物体成分（或本身）组成的传感器 利用生物活性物质具有的分子识别功能，专一、
灵敏。
敏感元件：
三、组织电极
以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的生物传感器
特点：
酶处于天然、理想状态，稳定、功效高 寿命一般较长 有些没有了解的反应途径或无条件拟合的体系，可直
接用组织代替 组织可直接成膜，便于固定，成本低 组织酶源广 商品化难以实现
实例1:猪肾组织L-谷氨酰胺电极
谷 氨 酰 胺 H 2 O 谷 氨 酰 胺 水 解 酶 谷 氨 酸 N H 3
根据信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器等
其他分类 被测对象、大小、功能
3. 生物传感器的特点
➢ 高选择性。生物传感器是由选择性好的主 体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不 需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其 它试剂。
➢ 体积小、可以实现连续在位监测。
➢ 响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复 多次使用。
酶、抗体、核酸、细胞等。
转换器：
电化学电极、光学检测元件、 场效应晶体管、压电石英晶体、 表面等离子共振。
酶 (Enzyme)
抗体(Antibody)
DNA
2. 分类
根据输出信号产生的方式 生物亲和型、代谢型、催化型
根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基 因传感器等
生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜 可用的测量量：O2的减少量，葡萄糖酸或H2O2的
产生量
信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极
一种葡萄糖传感器-Glucowatch
•Glucose pulled through the skin by charged molecules •The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) •Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxide •The reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor
LB膜成膜过程
Langmuir-Blodgett 膜
为了获得高灵敏度和稳定性的生物传感器，应能有效 控制酶在电极表面的存在形式，维持高的有序程度。
LB膜可用于将酶和其它Hale Waihona Puke Baidu质修 饰到电极表面。
LB膜技术是很好的模拟生物膜 的技术。
5.酶电极及酶传感器实例
（1）葡萄糖氧化酶电极
C 6 H 1O 2 6 2 H 2 O O 2 葡 萄 糖 C 6 H 1 氧 O 2 7 化 2 H 2 O 酶 2
1979，Rechnitz,
6.0×10-5 ~ 6.7×10-3mol/L
6min 28天
21.尼龙网
2.组织切片
3.透析膜
实例2:花椰菜膜L-抗坏血酸组织电极
L - 抗 坏 血 酸 O 2 抗 坏 血 酸 氧 化 酶 脱 氢 抗 坏 血 酸 + H 2 O
电极制作：组织糊+牛血清白蛋白+戊二醛+尼龙网 +氧电极
15秒，10-6~10-4 mol/L
（3）GPT传感器
2 酮 戊 二 酸 L 丙 氨 酸 G P T L 谷 氨 酸 丙 酮 酸
丙 酮 酸 H 3 P O 4 O 2 丙 酮 酸 氧 化 酶 乙 酰 磷 酸 乙 酸 + C O 2 + H 2 O 2
生物分子识别元件：丙酮酸氧化酶 信号转换元件：氧电极， H2O2电极及pH、CO2电极
➢ 传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推 广普及。
二、酶电极和酶传感器
1. 概述 2. 酶及酶促反应
酶：由生物体产生的具有催化能力的蛋白质 特性：高效106-13，条件温和，高度专一，（酶原激
活） 酶的活力单位：提高反应速度的能力（初速度）
标准酶单位、比活力
酶（Enzyme）
酶的专一性：锁和钥匙的关 系。这种关系在生物大分子 的相互作用中具有普遍性，
对底物选择性地结合，避 免其它物质干扰。
3.酶促反应的动力学影响因素
底物浓度对反应速度的影响
ES ES EP
V
Vm Km
S S
Km:酶性质 Vm:酶催化效能
3.酶促反应的动力学影响因素
酶浓度的影响 pH 温度 抑制剂和激活剂
（2）乙醇传感器
C 2 H 5 O H O 2 乙 醇 氧 C3 C 化 H酶 H H 2 O O
生物分子识别元件：乙醇氧化酶膜 信号转换元件：氧电极
C 2 H 5 O O H 乙 x 醇 C 脱 3 C 氢 H H 酶 R d O e
生物分子识别元件：乙醇脱氢酶膜 信号转换元件：Ox 电子传递介质（二茂铁、四硫富瓦烯）