电化学酶生物传感器
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中国正常人血清的总胆固醇量约为:3.0~5.20mmol/L。血 液中胆固醇含量过高，表示胆固醇代谢可能发生障碍。冠 状动脉粥样硬化患者的血清胆固醇含量往往偏高。因此临 床化验上测定血清胆固醇含量将有助于诊断某些疾病。
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19
测定胆固醇的原理
4-胆甾烯 酮
胆 固 醇 胆固醇 酯 酶 氧化酶
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电流型酶电极传感器将酶催化反应产生的物质发生电极反应所 产生的电流响应作为测量信号，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。
酶的分子识别功能及其反应过程的示意图
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3
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。
2 T T F 2 e– 2 T T F +
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23
5. 尿酸电化学传感器
尿酸是核酸中嘌呤分解代谢的产物，正常值为2~7mg/dL，尿酸 测定对于诊断痛风十分有帮助。通过检测尿酸酶催化反应的反应物 和生成物，进而可以用来测定尿酸的含量。在分子氧的存在下，尿 酸经尿酸氧化酶氧化成尿囊素、过氧化氢和二氧化碳，反应式如下 所示：
C. 峰电流密度与蛋白 酶浓度的关系
28
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25
7. 电流型有机磷农药残留传感器 1）抑制型 1
有机磷农药
AcetylcholineH2O A ChE AcetateCholine CholineO2 C hO BetainealdehydeH2O2
i H2O2 O22eA c2e H it n y H elc2 A hO o c e lC tahto eline
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4
酶活性中心
黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD)
Horseradish Peroxidase 精品亚文档铁血红素（Hemin)
5
模拟辣根过氧化物酶（G-四链体-hemin 复合物）
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6
5.2.2 酶电极传感器的发 展
Βιβλιοθήκη Baidu
三代电流型酶传感器基本原理示意图 (A)第一代，(B)第二代，(C)第三代
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12
第三代葡萄糖传感器----直接电子传递型
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13
glucose+G O x(FA D ) gluconicacid+G O r(FA D H 2)
G O r(FA D H 2)+O 2 G O x(FA D )+H 2O 2
G O x(FA D )+2e+2H +精品 文档 G O r(FA D H 2)
电化学酶生物传感器
2014年5月于青岛
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1
电化学酶传感器的原理
电化学酶传感器是由生物酶膜与各种电极如离子选择电极、气敏电极、 氧化还原电极等电化学电极组合而成或将酶膜直接固定在基体电极上制 成的生物传感器。根据输出信号的不同酶电极可分为电流型和电位型两 种类型。
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2
5.2.1 电流型酶传感器
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24
6. 嘌呤电化学传感器
各种生物嘌呤如黄嘌呤、次黄嘌呤、肌苷都可以利用电流型酶电 极进行检测。例如当鱼死后其组织中的腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)迅 速降解为肌苷单磷酸(IMP)，IMP进一步经酶分解导致了次黄嘌呤 (Hx)积累，因此次黄嘌呤浓度大小可以作为鱼类新鲜程度的指示剂。 采用电流型传感器检测各种生物嘌呤的酶反应中消耗氧或产生过氧 化氢，其酶催化反应式如下所示。
图5−16 肌酸和肌酸酐电化学微传感器
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图5−17 肌酸微传感器对肌酸的响应
18
3. 电流型胆固醇传感器（胆固醇测试仪）
胆固醇
血清中总胆固醇 (total cholesterol ， TC) 包括游离胆 固醇 (free cholesterol ， FC) 和胆固醇酯 (cholesterol ester ， CE) 两部分。在血清中以游离态存在的胆固醇约占总胆 固醇的27% 。。。。。。。。。。。。。。。。
2）抑制型 2
Δi
有机磷农药
Δi
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26
3）直接型
OPH
– ℮– OH–
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27
8. HIV–1型蛋白酶电化学传感器
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A. 传感器在(a)40 nM, (b)60 nM，©100 nM HIV－1型蛋白酶及 (d)未修饰金电极在100 nM蛋白酶溶液中的循 环伏安图;
B. 电位与蛋白酶浓度 的关系；
20
基于蛋白质直接电子转移的全胆固醇传感器
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。
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10
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 • 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
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11
测试片
D -g lu co se+ G O X (F A D ) g lu co n o la cto n e+ G O D (F A D H 2) G O D (F A D H 2)+ 2 F c+ G O X (F A D )+ 2 F c+ 2 H + 2 F c 2 F c++ 2 e
14
三代电化学酶传感器总结-以葡萄糖检测为例
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15
常见的电流型酶电极传感器
检测对象
葡萄糖 麦芽糖
蔗糖 半乳糖
乳酸 尿酸 尿素氮 胆固醇 磷脂质 氨基酸 丙酮酸 乙醇
敏感物质（酶）
葡萄糖氧化酶 淀粉酶 转化酶+变旋光酶+葡萄糖酶 半乳糖酶 乳酸氧化酶 尿酸酶 尿酶 胆固醇氧化酶 磷脂酶 氨基酸酶 丙酮酸脱氢酶 乙醇氧化酶
检测氧的消耗或过氧化氢的生成
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9
第二代葡萄糖传感器-电子媒介体型
电子媒介体是一种具有良好电化学活 性的相对分子质量小的化合物，它担 负从酶的氧化还原中心到电极表面传 递电子的作用。在催化还原过程中， 介体首先与还原性的酶反应，然后扩 散到电极表面并进行快速的电子交换
(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。
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21
4. 乳酸电化学传感器
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22
乳酸传感器的制备具体方法如下，先在玻碳电极上滴加一滴用氟聚酯 (Nafion)调制的介体四硫富瓦烯(TTF)浆液，晾干后再用牛血清白蛋白 和戊二醛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。其反应如下：
L -乳 酸 + 乳 酸 氧 化 酶 L O D F A D 丙 酮 酸 + L O D F A D H 2 L O D F A D H 2+2 T T F + L O D F A D +2 T T F+2 H +
换能器（电极）
O2, H2O2, Pt Pt O2 Pt O2 O2
H2O2, O2 O2, H2O2
Pt O2, H2O2
O2 O2
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16
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17
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
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8
第一代葡萄糖传感器
由一种称为Clark型氧电极来制备的，用透气膜将酶包裹固 定在氧电极表面。葡萄糖传感器通常使用葡萄糖氧化酶 （glucose oxidase，GOD），该传感器对葡萄糖具有选择 性响应，其检测原理为：
响 应
机理
C 6 H 1 2 O 6 + O 2 + H 2 O G O D C 6 H 1 2 O 7 + H 2 O 2
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7
葡萄糖传感器
血液中的糖称为血糖，绝大多数都 是葡萄糖。体内各组织细胞活动所需的能量 大部分来自葡萄糖，所以血糖必须保持一定 的水平才能维持体内各器官和组织的需要。
空腹血糖 测定值
< 2.8mM 3.9~6.1 mM > 7.0 mM
低血糖 正常 高血糖
> 9.0 mM
糖尿
葡萄糖氧化酶 （GOx）
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测定胆固醇的原理
4-胆甾烯 酮
胆 固 醇 胆固醇 酯 酶 氧化酶
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电流型酶电极传感器将酶催化反应产生的物质发生电极反应所 产生的电流响应作为测量信号，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。
酶的分子识别功能及其反应过程的示意图
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3
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。
2 T T F 2 e– 2 T T F +
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5. 尿酸电化学传感器
尿酸是核酸中嘌呤分解代谢的产物，正常值为2~7mg/dL，尿酸 测定对于诊断痛风十分有帮助。通过检测尿酸酶催化反应的反应物 和生成物，进而可以用来测定尿酸的含量。在分子氧的存在下，尿 酸经尿酸氧化酶氧化成尿囊素、过氧化氢和二氧化碳，反应式如下 所示：
C. 峰电流密度与蛋白 酶浓度的关系
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7. 电流型有机磷农药残留传感器 1）抑制型 1
有机磷农药
AcetylcholineH2O A ChE AcetateCholine CholineO2 C hO BetainealdehydeH2O2
i H2O2 O22eA c2e H it n y H elc2 A hO o c e lC tahto eline
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酶活性中心
黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD)
Horseradish Peroxidase 精品亚文档铁血红素（Hemin)
5
模拟辣根过氧化物酶（G-四链体-hemin 复合物）
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5.2.2 酶电极传感器的发 展
Βιβλιοθήκη Baidu
三代电流型酶传感器基本原理示意图 (A)第一代，(B)第二代，(C)第三代
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第三代葡萄糖传感器----直接电子传递型
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glucose+G O x(FA D ) gluconicacid+G O r(FA D H 2)
G O r(FA D H 2)+O 2 G O x(FA D )+H 2O 2
G O x(FA D )+2e+2H +精品 文档 G O r(FA D H 2)
电化学酶生物传感器
2014年5月于青岛
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1
电化学酶传感器的原理
电化学酶传感器是由生物酶膜与各种电极如离子选择电极、气敏电极、 氧化还原电极等电化学电极组合而成或将酶膜直接固定在基体电极上制 成的生物传感器。根据输出信号的不同酶电极可分为电流型和电位型两 种类型。
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5.2.1 电流型酶传感器
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6. 嘌呤电化学传感器
各种生物嘌呤如黄嘌呤、次黄嘌呤、肌苷都可以利用电流型酶电 极进行检测。例如当鱼死后其组织中的腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)迅 速降解为肌苷单磷酸(IMP)，IMP进一步经酶分解导致了次黄嘌呤 (Hx)积累，因此次黄嘌呤浓度大小可以作为鱼类新鲜程度的指示剂。 采用电流型传感器检测各种生物嘌呤的酶反应中消耗氧或产生过氧 化氢，其酶催化反应式如下所示。
图5−16 肌酸和肌酸酐电化学微传感器
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图5−17 肌酸微传感器对肌酸的响应
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3. 电流型胆固醇传感器（胆固醇测试仪）
胆固醇
血清中总胆固醇 (total cholesterol ， TC) 包括游离胆 固醇 (free cholesterol ， FC) 和胆固醇酯 (cholesterol ester ， CE) 两部分。在血清中以游离态存在的胆固醇约占总胆 固醇的27% 。。。。。。。。。。。。。。。。
2）抑制型 2
Δi
有机磷农药
Δi
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26
3）直接型
OPH
– ℮– OH–
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8. HIV–1型蛋白酶电化学传感器
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A. 传感器在(a)40 nM, (b)60 nM，©100 nM HIV－1型蛋白酶及 (d)未修饰金电极在100 nM蛋白酶溶液中的循 环伏安图;
B. 电位与蛋白酶浓度 的关系；
20
基于蛋白质直接电子转移的全胆固醇传感器
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。
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10
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 • 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
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测试片
D -g lu co se+ G O X (F A D ) g lu co n o la cto n e+ G O D (F A D H 2) G O D (F A D H 2)+ 2 F c+ G O X (F A D )+ 2 F c+ 2 H + 2 F c 2 F c++ 2 e
14
三代电化学酶传感器总结-以葡萄糖检测为例
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15
常见的电流型酶电极传感器
检测对象
葡萄糖 麦芽糖
蔗糖 半乳糖
乳酸 尿酸 尿素氮 胆固醇 磷脂质 氨基酸 丙酮酸 乙醇
敏感物质（酶）
葡萄糖氧化酶 淀粉酶 转化酶+变旋光酶+葡萄糖酶 半乳糖酶 乳酸氧化酶 尿酸酶 尿酶 胆固醇氧化酶 磷脂酶 氨基酸酶 丙酮酸脱氢酶 乙醇氧化酶
检测氧的消耗或过氧化氢的生成
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9
第二代葡萄糖传感器-电子媒介体型
电子媒介体是一种具有良好电化学活 性的相对分子质量小的化合物，它担 负从酶的氧化还原中心到电极表面传 递电子的作用。在催化还原过程中， 介体首先与还原性的酶反应，然后扩 散到电极表面并进行快速的电子交换
(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。
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21
4. 乳酸电化学传感器
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22
乳酸传感器的制备具体方法如下，先在玻碳电极上滴加一滴用氟聚酯 (Nafion)调制的介体四硫富瓦烯(TTF)浆液，晾干后再用牛血清白蛋白 和戊二醛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。其反应如下：
L -乳 酸 + 乳 酸 氧 化 酶 L O D F A D 丙 酮 酸 + L O D F A D H 2 L O D F A D H 2+2 T T F + L O D F A D +2 T T F+2 H +
换能器（电极）
O2, H2O2, Pt Pt O2 Pt O2 O2
H2O2, O2 O2, H2O2
Pt O2, H2O2
O2 O2
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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
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8
第一代葡萄糖传感器
由一种称为Clark型氧电极来制备的，用透气膜将酶包裹固 定在氧电极表面。葡萄糖传感器通常使用葡萄糖氧化酶 （glucose oxidase，GOD），该传感器对葡萄糖具有选择 性响应，其检测原理为：
响 应
机理
C 6 H 1 2 O 6 + O 2 + H 2 O G O D C 6 H 1 2 O 7 + H 2 O 2
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葡萄糖传感器
血液中的糖称为血糖，绝大多数都 是葡萄糖。体内各组织细胞活动所需的能量 大部分来自葡萄糖，所以血糖必须保持一定 的水平才能维持体内各器官和组织的需要。
空腹血糖 测定值
< 2.8mM 3.9~6.1 mM > 7.0 mM
低血糖 正常 高血糖
> 9.0 mM
糖尿
葡萄糖氧化酶 （GOx）