电化学生物传感器
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电化学生物传感器
2021/2/6
1
什么是生物传感器?
生物传感器一般以生物活性物质（例如 酶,细胞，抗体，核酸适配体等）为生物功 能性敏感基元，并将其固定在信号转换器 上，当加入目标物之后通过信号转换器转 化为相应光学，热学，电学等信号的检测 器。
2021/2/6
2
生物传感器的发展历程
▪ 20世纪60年代酶法分析:专一性强、灵敏度高、操作简便,但是测定周期长。 ▪ 离子选择电极( ion selective electrode, ISE)：操作简单，无需对样品进行欲
2021/2/6 Xiaoping Liu,Oihui Liu.Nitric Oxide.2005,13(1):68~77
10
三、电化学生物传感器的分类
（根据敏感物质分类）
▪ 电化学免疫传感器 ▪ 电化学酶传感器 ▪ 电化学DNA传感器 ▪ 电化学微生物传感器 ▪ 电化学组织和细胞传感器
2021/2/6
处理——无试剂分析(non-reagental analysis)，但是只能检测无机离子． ▪ 1956 Leland C. Clark Jnr 隔离式氧电极 ▪ 1962 Leland C. Clark Jnr 酶传感器( enzyme transducer) ▪ 1967 S. J. Updike 葡萄糖酶电极 ▪ 1975 Yellow Springs Instrument(YSI) 葡萄糖测定仪 ▪ 1975 C. Divis 用完整活细胞取代纯酶制作传感器 ▪ 1977 GA. Rechnitz 用粪便链球菌完整活细胞与氨敏电极组合成测精氨酸的
2021/2/6
8
2、电流型电极
电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转 换器的趋势日益增加,这是因为这类电极和电位型电 极相比有以下优点:
①电极的输出直接和被测物浓度呈线性关系，不像 电位型电极那样和被测物浓度的对数呈线性关系。
②电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相 对误差比电位型电极的小。
11
（一）电化学免疫传感器
▪ 是一种将电化学分析方法与免疫学技术相结合而发展出来 的具有快速、灵敏、选择性高、操作简便等特点的生物传 感器。
▪ 根据2001年ＩＵＰＡＣ的对生物传感器分类标准,电化学 免疫传感器是基于抗原 抗体反应的,可进行特异性的定量 或半定量分析的自给式的集成器件,其中抗原/抗体是分子 识别元件,且与电化学传感元件直接接触,并通过传感元件 把某种或者某类化学物质浓度信号转变为相应的电信号。
2021/2/6
4
电化学生物传感器
电化学生物传感器作为最早问世的一类生物传感器主要 是采用固体电极作为基础电极,将生物活性作为分子识别 物固定在电极表面，然后通过生物分子间的特异性识别作 用，使目标分子捕获到电极表面，基础电极将浓度信号转 换成电势，电流，电阻或电容等可测量的电信号作为响应 信号，从而实现对目标分析物的定量或者定性分析。
离子选择电极 氧化还原电极
电流型电极 氧电极
2021/2/6
7
1、电位型电极
离子选择电极
离子选择电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈 选 择 性 响 应 的 电 极 ,具有快速、灵敏、可靠、价 廉等优点。在生物医学领域常直接用它测定体 液中的一些成分（例如H+，K+，Na+，Ca2+ 等）。
氧化还原电极 氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一类 电位型电极。这里指的主要是零类电极。
③电极的灵敏度比电位型电极的高。
2021/2/6
9
氧电极
有不少酶特别是各种氧化酶和加氧酶在催化底物反 应时要用溶解氧为辅助试剂,反应中所消耗的氧量就 用氧电极来测定。此外，在微生物电极、免疫电极 等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器，因 此氧电极在生物传感器中用得很广。
目前用得最多的氧电极是电解式的Clark氧电极， Clark氧电极是由铂阴极、Ag/AgCl阳极、KCl电解 质和透气膜所构成。
▪ 根据检测信号的不同,电化学免疫传感器可分为电位型、 电流型、电导型和电容型。
2021/2/6
12
电位型免疫传感器
▪ 原理 ▪ 利用抗原或抗体在水溶液中两性解离本身带电的特性,
将其中一种固定在电极表面或膜上,当另一种与之结合形 成抗原抗体复合物时,原有的膜电荷密度将发生改变,从而 引起膜的Donnan 电位和离子迁移的变化,最终导致膜源自文库位 改变。
微生物电极 ▪ 1977 Iso Karube和J. Janata 测BOD的微生物传感器和测抗原的免疫传感器
2021/2/6
3
随后出现了细胞器传感器、细胞传感器和组织切片传感器 20世纪70年代中期到80年代,生物技术、生物电子和微电子学不断地渗透、融合，致使生
物传感器不再局限于生物反应的电化学过程，而是根据生物学反应中产生的各种信息(如 光效应、热效应、场效应和质量变化等)了设计各种精密的探测装置。 1974 K. Mosbach 热生物传感器 1974 Janata 酶场效应晶体管 1980 D. W. Lubbers 和N. Optiz 酶光纤传感器 1983 Giulbault 压电晶体酶传感器 1976 A. H. Clemens等报道了以葡萄糖酶电极为基础的第一个人工肾脏，随后被Miles公 司开发成生命稳定系统Biostator，用于重症糖尿病人床边监护。 1983 B.Liedberg利用表面等离子激元共振(Surface Plasmon Resonance)方法，能够适 时的对生物亲和反应进行检测，在次基础上，瑞典Pharmacia公司在1990年推出商用仪器 BIAcore，成为目前研究生物分子之间互相作用最优秀的实验工具。 1984 A.E.G. Cass 首次建立了介体酶电极方法,利用化学介体戊二醛取代分子氧作为氧化 还原酶酶促反应的电子受体,促成了1987年美国MediSene 公司开发成功印刷酶电极.
电化学生物传感器优点:灵敏度高，易微型化，能在复杂体 系样品中进行检测等优势，已广泛应用于医疗保健，食品 工业，农业和环境监测等领域。
2021/2/6
5
电化学生物传感器的基本组成和原理
组成:生物识别元件,信号转换器，数据分析仪
2021/2/6
6
二、电化学生物传感器的信号转换器
电化学电极
电位型电极
2021/2/6
1
什么是生物传感器?
生物传感器一般以生物活性物质（例如 酶,细胞，抗体，核酸适配体等）为生物功 能性敏感基元，并将其固定在信号转换器 上，当加入目标物之后通过信号转换器转 化为相应光学，热学，电学等信号的检测 器。
2021/2/6
2
生物传感器的发展历程
▪ 20世纪60年代酶法分析:专一性强、灵敏度高、操作简便,但是测定周期长。 ▪ 离子选择电极( ion selective electrode, ISE)：操作简单，无需对样品进行欲
2021/2/6 Xiaoping Liu,Oihui Liu.Nitric Oxide.2005,13(1):68~77
10
三、电化学生物传感器的分类
（根据敏感物质分类）
▪ 电化学免疫传感器 ▪ 电化学酶传感器 ▪ 电化学DNA传感器 ▪ 电化学微生物传感器 ▪ 电化学组织和细胞传感器
2021/2/6
处理——无试剂分析(non-reagental analysis)，但是只能检测无机离子． ▪ 1956 Leland C. Clark Jnr 隔离式氧电极 ▪ 1962 Leland C. Clark Jnr 酶传感器( enzyme transducer) ▪ 1967 S. J. Updike 葡萄糖酶电极 ▪ 1975 Yellow Springs Instrument(YSI) 葡萄糖测定仪 ▪ 1975 C. Divis 用完整活细胞取代纯酶制作传感器 ▪ 1977 GA. Rechnitz 用粪便链球菌完整活细胞与氨敏电极组合成测精氨酸的
2021/2/6
8
2、电流型电极
电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转 换器的趋势日益增加,这是因为这类电极和电位型电 极相比有以下优点:
①电极的输出直接和被测物浓度呈线性关系，不像 电位型电极那样和被测物浓度的对数呈线性关系。
②电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相 对误差比电位型电极的小。
11
（一）电化学免疫传感器
▪ 是一种将电化学分析方法与免疫学技术相结合而发展出来 的具有快速、灵敏、选择性高、操作简便等特点的生物传 感器。
▪ 根据2001年ＩＵＰＡＣ的对生物传感器分类标准,电化学 免疫传感器是基于抗原 抗体反应的,可进行特异性的定量 或半定量分析的自给式的集成器件,其中抗原/抗体是分子 识别元件,且与电化学传感元件直接接触,并通过传感元件 把某种或者某类化学物质浓度信号转变为相应的电信号。
2021/2/6
4
电化学生物传感器
电化学生物传感器作为最早问世的一类生物传感器主要 是采用固体电极作为基础电极,将生物活性作为分子识别 物固定在电极表面，然后通过生物分子间的特异性识别作 用，使目标分子捕获到电极表面，基础电极将浓度信号转 换成电势，电流，电阻或电容等可测量的电信号作为响应 信号，从而实现对目标分析物的定量或者定性分析。
离子选择电极 氧化还原电极
电流型电极 氧电极
2021/2/6
7
1、电位型电极
离子选择电极
离子选择电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈 选 择 性 响 应 的 电 极 ,具有快速、灵敏、可靠、价 廉等优点。在生物医学领域常直接用它测定体 液中的一些成分（例如H+，K+，Na+，Ca2+ 等）。
氧化还原电极 氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一类 电位型电极。这里指的主要是零类电极。
③电极的灵敏度比电位型电极的高。
2021/2/6
9
氧电极
有不少酶特别是各种氧化酶和加氧酶在催化底物反 应时要用溶解氧为辅助试剂,反应中所消耗的氧量就 用氧电极来测定。此外，在微生物电极、免疫电极 等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器，因 此氧电极在生物传感器中用得很广。
目前用得最多的氧电极是电解式的Clark氧电极， Clark氧电极是由铂阴极、Ag/AgCl阳极、KCl电解 质和透气膜所构成。
▪ 根据检测信号的不同,电化学免疫传感器可分为电位型、 电流型、电导型和电容型。
2021/2/6
12
电位型免疫传感器
▪ 原理 ▪ 利用抗原或抗体在水溶液中两性解离本身带电的特性,
将其中一种固定在电极表面或膜上,当另一种与之结合形 成抗原抗体复合物时,原有的膜电荷密度将发生改变,从而 引起膜的Donnan 电位和离子迁移的变化,最终导致膜源自文库位 改变。
微生物电极 ▪ 1977 Iso Karube和J. Janata 测BOD的微生物传感器和测抗原的免疫传感器
2021/2/6
3
随后出现了细胞器传感器、细胞传感器和组织切片传感器 20世纪70年代中期到80年代,生物技术、生物电子和微电子学不断地渗透、融合，致使生
物传感器不再局限于生物反应的电化学过程，而是根据生物学反应中产生的各种信息(如 光效应、热效应、场效应和质量变化等)了设计各种精密的探测装置。 1974 K. Mosbach 热生物传感器 1974 Janata 酶场效应晶体管 1980 D. W. Lubbers 和N. Optiz 酶光纤传感器 1983 Giulbault 压电晶体酶传感器 1976 A. H. Clemens等报道了以葡萄糖酶电极为基础的第一个人工肾脏，随后被Miles公 司开发成生命稳定系统Biostator，用于重症糖尿病人床边监护。 1983 B.Liedberg利用表面等离子激元共振(Surface Plasmon Resonance)方法，能够适 时的对生物亲和反应进行检测，在次基础上，瑞典Pharmacia公司在1990年推出商用仪器 BIAcore，成为目前研究生物分子之间互相作用最优秀的实验工具。 1984 A.E.G. Cass 首次建立了介体酶电极方法,利用化学介体戊二醛取代分子氧作为氧化 还原酶酶促反应的电子受体,促成了1987年美国MediSene 公司开发成功印刷酶电极.
电化学生物传感器优点:灵敏度高，易微型化，能在复杂体 系样品中进行检测等优势，已广泛应用于医疗保健，食品 工业，农业和环境监测等领域。
2021/2/6
5
电化学生物传感器的基本组成和原理
组成:生物识别元件,信号转换器，数据分析仪
2021/2/6
6
二、电化学生物传感器的信号转换器
电化学电极
电位型电极