传感器 第10章

第10章 生物传感器
10.3.4 压电晶体免疫传感器
压电晶体免疫传感器是一种质量测量式免疫传感器，其 原理是石英晶片在振荡电路中振荡时有一个基本频率，当被 测物中的抗原或抗体与固定在晶片上的抗体或抗原结合时， 由于被吸附物增加，晶片的振荡频率会相应减少，其减少值 与被吸附物质量有关。该类传感器早期只限于气相测定，即 晶片在样品缓冲液中与待测物反应，取出干燥后才能测定频 率变化，这样晶片起振比较容易，能避免非特异性吸附对结 果的影响，有较好的线性关系，但增加了操作时间，而且干 燥过程对蛋白质的活性有损害，会缩短传感器的寿命。
对硝基苯磷酸酯 H 2O 碱性磷酸酶 对硝基苯酚 磷酸
(10.6)
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目前应用最多的是检测烟酰胺6-氨基嘌呤双核苷酸
(NADH)的光纤酶传感器，这种传感器的探头用脱 氢酶进行分子识别。在含有乳酸(C3H6O3)的溶液中加入氧 化型烟酰胺腺嘌呤双核苷酸(NAD+)，当pH为8.6时，在探头 中固定化乳酸脱氢酶的催化作用下，发生如下反应，生成丙 酮酸(C3H4O3)和NADH。
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CO( NH2 ) 2 H 2O 脲酶 2NH3 CO 2
(10.4)
被测底物与酶电极酶膜发生酶反应，生成的阳离子被离 子选择性电极所识别，在电极上转换输出的电位与被测离子 浓度的对数呈线性关系，即
2.303RT E E0 lg(C1 KC2 ) F
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图10.2 生物传感器分类
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10.2 酶传感器
10.2.1 酶反应 1. 酶 酶是生物体内产生的具有催化活性的一类蛋白质，能催 化许多生物化学反应。生物细胞的代谢就是由成千上万个不
同的酶来控制的。按酶的催化反应类型可分为氧化还原酶、
转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、连接酶(合成酶)等六类。 酶具有以下特性：
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10.2.3 场效应管酶传感器
场效应管酶传感器(ENFET)是由有机物敏感膜和ISFET (氢离子场效应管)构成。将FET栅极金属去掉，把酶固定在 栅极氢离子敏感膜表面，样品溶液的待测底物扩散进入酶膜。 FET-脲酶传感器的结构如图10.4所示。
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图10.4 FET-脲酶传感器的结构
声等信号，然后由相应的变换器将其转换为易于检测、传输
与处理的电信号。
图10.1 生物传感器构成
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10.1.2 生物传感器的分类
生物传感器的分类方法有很多，常用的有两种分类方法， 即按生物活性物质(分子识别元件)和变换器来分，如图10.2 所示。 按生物活性物质不同可分为五类：酶传感器、微生物传 感器、细胞器传感器、组织传感器和免疫传感器，如图 10.2(a)所示。 按变换器不同可分为六类：生物电极、热生物传感器、 介体生物传感器、半导体生物传感器、压电晶体生物传感器 和光生物传感器，如图10.2(b)所示。
1) 酶的高效催化性
酶作为一种生物催化剂，参与所有新陈代谢过程中的生 化反应，使得生命赖以生存的许多复杂化学反应能在常温下
发生，并以极高的速度和明显的方向性维持生命的代谢活动。
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2) 酶催化反应的高度选择性
酶不仅具有一般催化剂加快反应速度的作用，而且具有 高度的选择性，如淀粉酶则只能催化淀粉水解。酶的这种选 择性及其催化低浓度底物反应的能力在化学分析上非常有用。 酶的催化效率极高且具有高度选择性，只对特定的待测 生物量(底物)进行选择性催化，并有化学放大作用。因此利 用酶的特性可以制造灵敏度高、选择性好的传感器。
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2. 酶反应
酶的催化反应可用下式表示
n E S Pi T i 1
(10.1)
式中：S——待测物质； E——酶； T——反应温度； Pi——第i个产物。
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10.2.2 酶电极传感器
1. 电流型酶电极 酶催化反应产生的有关物质会在电极上发生氧化或还原 反应，电流型酶电极是利用氧化或还原反应所得的电流来确 定反应物的浓度，其基础电极可采用氧、过氧化氢等，或采 用铂、钯和金等。 以研究最早、最成熟的葡萄糖氧化酶传感器为例，它是 由葡萄糖氧化酶敏感膜和电化学电极组成。葡萄糖氧化酶敏 感膜固定在聚乙烯酰胺凝胶上，电化学器件为Pt阳电极和Pb 阴电极，中间溶液为强碱溶液，阳电极上覆盖一层透氧的聚 四氟乙烯膜，形成封闭式阳电极，避免电极与被测溶液直接
(10.5)
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电位型酶电极的线性范围为10－2～10－4 mol/L。有些上
限可延伸到10－1 mol/L，有些下限可延伸到10－5 mol/L或更 低。 电位型酶电极的变质可以通过三个响应特性来观测： (1) 随使用时间的增加，上限减小； (2) 电位对浓度的对数曲线斜率逐渐变小； (3) 电极响应时间开始一般为30秒到4分钟(与转换器的 时间大致相同)，随着酶的老化变质，响应时间会变长。
.6 V H 2O2 0 O2 2H 2e
C6 H12 O6 H 2O O2 GOD C6 H12 O7 H 2O2
(10.3)
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2. 电位型酶电极
电位型酶电极是将酶反应所引起的物质变化转换成电位 信号输出，电位信号的大小与底物浓度的对数之间有线性关 系。其基础电极有PH电极、气敏电极等，它影响酶电极的 响应时间、检测下限等性能。电位型酶电极的适用范围，不 仅取决于底物的溶解度，更取决于基础电极的检测限。 例如，尿素(CO(NH2)2)电极是一种属于水解酶体系的酶 电极。在医学临床上，用于分析患者的血清和体液中的尿素， 对肾功能进行诊断。另外，对尿毒症患者进行人工透析时， 确定透析次数和透析时间，必须依靠尿素的定量分析。尿素 在脲酶作用下发生水解反应
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3. 电化学发光免疫传感器
电化学发光分析是利用电解技术在电极表面产生某些电 活性物质，并通过氧化还原反应而导致化学发光。应用光学 手段测量发光光谱和强度即能对物质进行痕量检测。与其他 检测方法相比，它具有一些明显的优势。标记物比大多数化 学发光标记物稳定，由于是电促发光，只有靠近电极表面并 且带有标记物的部分才能被检测到。
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2. 非标记型光学免疫传感器
非标记光学传感技术是利用光学技术，直接检测传感器 表面的光线吸收、荧光、光线散射或折射率的微小变化，在 免疫传感器中很有发展前景。这类免疫传感器的原理是基于 内反射光谱学，它由两种不同折射率的介质组成，高折射率 的介质通常为玻璃棱镜，低折射率的介质表面固定抗原或抗 体。
氢酸 C3H 6O3 2NAD 乳酸脱 C3H 4O3 2NADH
(10.7)
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目前，酶传感器已有数百种实现了商品化，常用酶传感
器的特性见表10.1。
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表10.1
常用酶传感器的特性
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10.3 免 疫 传 感 器
10.3.1 免疫反应 免疫是生物体的免疫系统对侵入自身的微生物，如细菌、 病毒等病原体或异物产生特异性抵抗力的现象，这种生物化 学过程称为免疫反应。免疫传感器就是利用免疫反应来测定
极上电位变化，由此可测得抗体浓度。
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2. 电流型免疫传感器
电流型免疫传感器的原理是利用抗原与抗体结合来催化 氧化还原反应，反应产生电活性物质，引起电流值变化，从 而确定样品中抗原的浓度。
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10.3.3 光学免疫传感器
1. 标记型光学免疫传感器 酶可以作为标记物催化生成一些产物，这些产物能吸收 光线，发出荧光或磷光。其中磷光的灵敏度很高，荧光团也 可做标记物，它在被激发后可直接发出荧光。因此，这类光 学免疫传感器无需光源，设计简单，但检测的光强度很低， 需要复杂的检测仪器。为了减小传感器的体积，简化检测仪 器，引入了光导纤维，从而构成了光纤免疫传感器。
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10.1 生物传感器的原理与分类 10.2 酶传感器 10.3 免疫传感器
10.4 基因传感器
思考题与习题
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10.1 生物传感器的原理与分类
10.1.1 生物传感器的原理 生物传感器由生物敏感膜与变换器构成，如图10.1所示。 被测物质经扩散作用进入生物敏感膜层，经过分子识别发生 生物学(物理、化学)反应，产生物理、化学现象或热、光、
第10章 生物传感器
利用抗体具有识别抗原并与抗原结合的双重功能，将抗
体或抗原和换能器组合而成的装置称为免疫传感器。由于蛋 白质分子(抗体或抗原)携带有大量电荷、发色基团等，当固 定化抗体(或抗原)与相应的抗原(或抗体)结合时，会产生电 学、化学、光学等变化，通过适当的传感器可检测这些参数， 从而构成不同的免疫传感器。 免疫传感器具有三元复合物的结构，三元复合物即感受 器、转换器和电子放大器。在感受器单元中，抗体与抗原选 择性结合产生的信号敏感地传送给换能器，抗体与被分析物 的亲和性结合具有高度的特异性。免疫传感器的优劣取决于 抗体与待测物结合的选择性和亲和力。
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1. 电位型免疫传感器
1975年Janata首次提出用电位测量来监测免疫化学反应， 其原理是先用聚氯乙烯膜将抗体固定于金属电极上，然后用 相应的抗原与抗体特异性结合，抗体膜中的离子迁移率随之 变化，从而使电极上的膜电位也发生相应变化，膜电位的变 化与待测物浓度之间有对数关系。但由于灵敏度较低，没能 投入实际应用中。到了20世纪80年代，Rechnitz把离子选择 性电极、pH电极等引入到电位型免疫传感器中，提高了传 感器的灵敏度。如离子选择性电极，它是将抗原和离子载体 共价结合，然后固定在电极表面膜上，当底物中的抗体与固 定抗原选择性结合时，膜内离子载体性质发生改变，导致电