【精品课件】酶生物传感器
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每一种酶的催化反应都有适宜的温度 范围和最适温度。
Leabharlann Baidu
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。
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。
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。
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。
熟并已市场化的生物传感器，即血糖仪。
各种型号的血糖仪产品
（1）早期的葡萄糖传感器 早期的葡萄糖传感器是由葡萄糖氧化
酶膜和电化学电极组成的。在电化学电极 的透气膜上固定葡萄糖氧化酶。
当葡萄糖溶液与酶膜接触时，发生如下反应：
C6H12O6 2H2O O2 葡萄糖氧化酶C6H12O7 2H2O2
C6H12O6 2H2O O2 葡萄糖氧化酶C6H12O7 2H2O2
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
28
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；
测量氧消耗量的葡萄糖传感器：
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；
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。
H 2 O 2 O 2 2 H 2 e
（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。
高106-1012倍。酶之所以能高效催化， 是通过降低反应所需的活化能实现的。
● 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
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。
第四章 酶生物传感器
Enzyme Biosensor
一、酶的本质与特征
㈠ 酶的本质 酶是生物体内产生的、具有催化活性
的一类蛋白质。 根据化学组成分为两大类，即单纯蛋
白酶与结合蛋白酶。 根据酶的催化反应类型分为氧化还原
酶、转移酶、水解酶、异构酶等。
㈡ 酶的基本特征
● 酶的高效催化性 酶的催化效率通常比一般催化剂
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 2H2O 4e 4OH
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。
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：
O2 2H2O 4e 4OH
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。
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。
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。
⑴底物浓度对酶促反应速度的影响
⑵酶浓度对酶促反应速度的影响
若底物初始浓度固定时，酶反 应速度与酶浓度呈线性关系。
⑶温度对酶促反应速度的影响
H2O2电极
H2O2电极基本测量电路和电压-电流曲线
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 H2O2 O2 2H 2e
阴极反应
2e
2H
1 2
O2
H
2O
1.葡萄糖传感器 葡萄糖传感器是研究最早、开发最成
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。
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。
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。
传感器的类型
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。
㈠电流型酶电极 电流型酶电极是将酶促反应产生的物
Leabharlann Baidu
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。
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。
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。
制作生物传感器最常用的是氧化酶：
底物+O2
产物+H2O2
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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。
熟并已市场化的生物传感器，即血糖仪。
各种型号的血糖仪产品
（1）早期的葡萄糖传感器 早期的葡萄糖传感器是由葡萄糖氧化
酶膜和电化学电极组成的。在电化学电极 的透气膜上固定葡萄糖氧化酶。
当葡萄糖溶液与酶膜接触时，发生如下反应：
C6H12O6 2H2O O2 葡萄糖氧化酶C6H12O7 2H2O2
C6H12O6 2H2O O2 葡萄糖氧化酶C6H12O7 2H2O2
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；
测量氧消耗量的葡萄糖传感器：
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；
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。
H 2 O 2 O 2 2 H 2 e
（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。
高106-1012倍。酶之所以能高效催化， 是通过降低反应所需的活化能实现的。
● 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
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。
第四章 酶生物传感器
Enzyme Biosensor
一、酶的本质与特征
㈠ 酶的本质 酶是生物体内产生的、具有催化活性
的一类蛋白质。 根据化学组成分为两大类，即单纯蛋
白酶与结合蛋白酶。 根据酶的催化反应类型分为氧化还原
酶、转移酶、水解酶、异构酶等。
㈡ 酶的基本特征
● 酶的高效催化性 酶的催化效率通常比一般催化剂
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 2H2O 4e 4OH
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。
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：
O2 2H2O 4e 4OH
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。
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。
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。
⑴底物浓度对酶促反应速度的影响
⑵酶浓度对酶促反应速度的影响
若底物初始浓度固定时，酶反 应速度与酶浓度呈线性关系。
⑶温度对酶促反应速度的影响
H2O2电极
H2O2电极基本测量电路和电压-电流曲线
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 H2O2 O2 2H 2e
阴极反应
2e
2H
1 2
O2
H
2O
1.葡萄糖传感器 葡萄糖传感器是研究最早、开发最成
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。
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。
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。
传感器的类型
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。
㈠电流型酶电极 电流型酶电极是将酶促反应产生的物