酶生物傳感器剖析學(xué)習(xí)資料

1、酶生物傳感器剖析 酶的高度特異性酶的高度特異性 酶不僅具有一般催化劑加快反應(yīng)酶不僅具有一般催化劑加快反應(yīng)速度的作用，而且具有高度的特異性。速度的作用，而且具有高度的特異性。 絕對(duì)特異性絕對(duì)特異性 相對(duì)特異性相對(duì)特異性 立體異構(gòu)特異性立體異構(gòu)特異性酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究酶反應(yīng)速度及酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究酶反應(yīng)速度及各種因素對(duì)酶反應(yīng)速度影響的科學(xué)。各種因素對(duì)酶反應(yīng)速度影響的科學(xué)。 主要影響因素包括有：底物濃度、酶主要影響因素包括有：底物濃度、酶濃度、濃度、 pHpH值、溫度、抑制劑與激活劑等。值、溫度、抑制劑與激活劑等。 酶動(dòng)力學(xué)測定的是初速度，是指酶酶動(dòng)力學(xué)測定的是初速

2、度，是指酶在反應(yīng)過程中底物初始濃度被消耗在在反應(yīng)過程中底物初始濃度被消耗在5%5%以內(nèi)的速度。目的是排除酶反應(yīng)過程中以內(nèi)的速度。目的是排除酶反應(yīng)過程中出現(xiàn)的各種干擾因素，以便測得準(zhǔn)確的出現(xiàn)的各種干擾因素，以便測得準(zhǔn)確的酶反應(yīng)速度。酶反應(yīng)速度。 底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 若底物初始濃度固定時(shí)，酶反若底物初始濃度固定時(shí)，酶反應(yīng)速度與酶濃度呈線性關(guān)系。應(yīng)速度與酶濃度呈線性關(guān)系。溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 每一種酶的催化反應(yīng)都有適宜的溫度每一種酶的催化反應(yīng)都有適宜的溫度范圍和最適溫度。范圍和最適

3、溫度。pHpH對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 每一種酶都有適宜的每一種酶都有適宜的pHpH值范圍值范圍和最適和最適pHpH值。在一定的值。在一定的pHpH下，酶促下，酶促反應(yīng)具有最高的反應(yīng)速度，此反應(yīng)具有最高的反應(yīng)速度，此pHpH稱稱為該酶的最適為該酶的最適pHpH。 抑制劑、激活劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響抑制劑、激活劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 凡能降低酶的活性甚至使酶完全失活凡能降低酶的活性甚至使酶完全失活的物質(zhì)稱為抑制劑，抑制劑的種類很多，的物質(zhì)稱為抑制劑，抑制劑的種類很多，包括藥物、抗生素、毒物、抗代謝物以及包括藥物、抗生素、毒物、抗代謝物以及酶促反應(yīng)產(chǎn)物等。酶促反應(yīng)產(chǎn)物等。11 凡能

4、激活酶活性的物質(zhì)，均稱激活劑。凡能激活酶活性的物質(zhì)，均稱激活劑。某些酶必須有激活劑存在，才能進(jìn)行酶促反某些酶必須有激活劑存在，才能進(jìn)行酶促反應(yīng)。激活劑大部分為某些無機(jī)離子，也有一應(yīng)。激活劑大部分為某些無機(jī)離子，也有一些有機(jī)分子。些有機(jī)分子。 二、酶傳感器二、酶傳感器 酶傳感器是酶傳感器是應(yīng)用固定化酶作為敏感元應(yīng)用固定化酶作為敏感元件件與各種信號(hào)轉(zhuǎn)換器組合而成的生物傳感與各種信號(hào)轉(zhuǎn)換器組合而成的生物傳感器器。 依據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的類型，酶傳感器大依據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的類型，酶傳感器大致可分為酶電極、酶場效應(yīng)管傳感器、酶致可分為酶電極、酶場效應(yīng)管傳感器、酶熱敏電阻傳感器、酶壓電晶體型、光纖光熱敏電阻傳感器、

5、酶壓電晶體型、光纖光學(xué)型等。學(xué)型等。 傳感器的類型傳感器的類型4.1 4.1 酶電極傳感器酶電極傳感器 Enzyme electrode sensor 酶電極是由固定化酶與電流型電極酶電極是由固定化酶與電流型電極或電位型電極組合而成的生物傳感器?；螂娢恍碗姌O組合而成的生物傳感器。 具有酶的分子識(shí)別和選擇催化功能，具有酶的分子識(shí)別和選擇催化功能，又有電化學(xué)電極響應(yīng)快、操作簡便的特又有電化學(xué)電極響應(yīng)快、操作簡便的特點(diǎn)，能快速測定試液中某一給定化合物點(diǎn)，能快速測定試液中某一給定化合物的濃度，且需很少量的樣品。的濃度，且需很少量的樣品。 電流型酶電極電流型酶電極 電流型酶電極是將酶促反應(yīng)產(chǎn)生的物電流型

6、酶電極是將酶促反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)在電極上發(fā)生氧化或還原反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)在電極上發(fā)生氧化或還原反應(yīng)產(chǎn)生的電電流作為測量信號(hào)流作為測量信號(hào)，在一定條件下，利用測，在一定條件下，利用測得的電流信號(hào)與被測物活度或濃度的函數(shù)得的電流信號(hào)與被測物活度或濃度的函數(shù)關(guān)系，來測定樣品中某一生物組分的活度關(guān)系，來測定樣品中某一生物組分的活度或濃度?；驖舛取?6制作生物傳感器最常用的是氧化酶：制作生物傳感器最常用的是氧化酶： 底物底物+O2 產(chǎn)物產(chǎn)物+H2O2 基礎(chǔ)電極可采用氧、過氧化氫電極，還基礎(chǔ)電極可采用氧、過氧化氫電極，還可采用近年開發(fā)的介體修飾的炭、鉑、鈀和可采用近年開發(fā)的介體修飾的炭、鉑、鈀和金等固體電極或介體修

7、飾電極。金等固體電極或介體修飾電極。 氧電極氧電極：是一個(gè)通過測定電解電流來測定：是一個(gè)通過測定電解電流來測定溶液中氧含量的電解池。溶液中氧含量的電解池。 工作時(shí)，在鉑陰極和工作時(shí)，在鉑陰極和Ag陽極之間施加陽極之間施加0.6V的電壓。當(dāng)?shù)碾妷?。?dāng)E=-0.2V時(shí)時(shí)電極開始電解，產(chǎn)生還電極開始電解，產(chǎn)生還原電流，其還原反應(yīng)式原電流，其還原反應(yīng)式為：為：22244OH OeOH使用最多的是封閉式的使用最多的是封閉式的Clark氧電極氧電極 鉑電極與鉑電極與Ag電極組合在一起置于參比電極組合在一起置于參比溶液中，與被測溶液之間用透氧膜隔開。溶液中，與被測溶液之間用透氧膜隔開。被測溶液中的溶解氧通過

8、膜擴(kuò)散到電解質(zhì)被測溶液中的溶解氧通過膜擴(kuò)散到電解質(zhì)溶液薄層，再擴(kuò)散到鉑電極表面進(jìn)行還原溶液薄層，再擴(kuò)散到鉑電極表面進(jìn)行還原產(chǎn)生電流。產(chǎn)生電流。H2O2電極電極H2O2電極基本測量電路和電壓電極基本測量電路和電壓-電流曲線電流曲線 兩極間外加一定電壓，實(shí)際測量時(shí)，外加兩極間外加一定電壓，實(shí)際測量時(shí)，外加電壓控制在電壓電壓控制在電壓-電流曲線的平滑部分，即電流曲線的平滑部分，即0.7-0.9V，此時(shí)輸出電流就與濃度成比例。，此時(shí)輸出電流就與濃度成比例。陽極反應(yīng)陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)陰極反應(yīng) 22222H OOHe221222eHOH O1.1.葡萄糖傳感器葡萄糖傳感器 葡萄糖傳感器是研究最早、開發(fā)最成葡

9、萄糖傳感器是研究最早、開發(fā)最成熟并已市場化的生物傳感器，即血糖儀。熟并已市場化的生物傳感器，即血糖儀。各種型號(hào)的血糖儀產(chǎn)品各種型號(hào)的血糖儀產(chǎn)品（1 1）早期的葡萄糖傳感器）早期的葡萄糖傳感器 早期的葡萄糖傳感器是由葡萄糖氧化早期的葡萄糖傳感器是由葡萄糖氧化酶膜和電化學(xué)電極組成的。在電化學(xué)電極酶膜和電化學(xué)電極組成的。在電化學(xué)電極的透氣膜上固定葡萄糖氧化酶。的透氣膜上固定葡萄糖氧化酶。當(dāng)葡萄糖溶液與酶膜接觸時(shí)，發(fā)生如下反應(yīng)：當(dāng)葡萄糖溶液與酶膜接觸時(shí)，發(fā)生如下反應(yīng)：61262261272222C H OH OOC H OH O 葡萄糖氧化酶27故葡萄糖濃度測試方法有三種：故葡萄糖濃度測試方法有三種：

10、 生成的葡萄糖酸生成的葡萄糖酸 消耗的氧消耗的氧 生成的生成的H2O261262261272222C H OH OOC H OH O 葡萄糖氧化酶測量葡萄糖酸的葡萄糖傳感器：測量葡萄糖酸的葡萄糖傳感器： pH pH電極和離子敏場效應(yīng)管測定葡萄糖酸電極和離子敏場效應(yīng)管測定葡萄糖酸的量來計(jì)算樣品中葡萄糖的含量，最低檢測的量來計(jì)算樣品中葡萄糖的含量，最低檢測限為限為1010-3-3 mol molL L，靈敏度較低；，靈敏度較低；測量氧消耗量的葡萄糖傳感器：測量氧消耗量的葡萄糖傳感器： ClarkClark氧電極用于測定酶促反應(yīng)中氧氧電極用于測定酶促反應(yīng)中氧的消耗量的消耗量( (電流降低的量電流降低

11、的量) )來計(jì)算樣品中葡來計(jì)算樣品中葡萄糖的含量，最低檢測限為萄糖的含量，最低檢測限為1010-4-4 molmolL L 。22244OH OeOH 葡萄糖氧化產(chǎn)生葡萄糖氧化產(chǎn)生H2O2， H2O2通過選擇通過選擇性透氣膜，在性透氣膜，在Pt電極上氧化，葡萄糖的含量電極上氧化，葡萄糖的含量與生成的電流成正比，由此可測出葡萄糖的與生成的電流成正比，由此可測出葡萄糖的濃度。濃度。 檢測檢測H2O2的方法的本底電流小，靈敏的方法的本底電流小，靈敏度高，其最低檢出限為度高，其最低檢出限為1010-8-8molmolL L。測量測量H2O2生成量的葡萄糖傳感器：生成量的葡萄糖傳感器：22222H OO

12、He （2）改進(jìn)的葡萄糖傳感器）改進(jìn)的葡萄糖傳感器 為消除環(huán)境中氧對(duì)測定的干擾，用為消除環(huán)境中氧對(duì)測定的干擾，用四硫富瓦烯、二茂鐵四硫富瓦烯、二茂鐵等容易在電極上氧化等容易在電極上氧化還原的介體來代替氧的電子傳遞作用。還原的介體來代替氧的電子傳遞作用。電電子介體子介體是酶氧化還原活性中心與電極表面是酶氧化還原活性中心與電極表面之間的電子傳遞中介物，在電流型酶電極之間的電子傳遞中介物，在電流型酶電極中起著關(guān)鍵性作用。中起著關(guān)鍵性作用。 各種電子傳遞介體的使用，使得電流各種電子傳遞介體的使用，使得電流型酶傳感器的響應(yīng)速度、檢測靈敏度和選型酶傳感器的響應(yīng)速度、檢測靈敏度和選擇性都得到了很大的提高。擇

13、性都得到了很大的提高。 方法：方法：將葡萄糖氧化酶和電子介體將葡萄糖氧化酶和電子介體同時(shí)包埋于聚合物膜中，或直接修飾于同時(shí)包埋于聚合物膜中，或直接修飾于電極的表面構(gòu)成葡萄糖酶傳感器。電極的表面構(gòu)成葡萄糖酶傳感器。 在葡萄糖氧化酶（在葡萄糖氧化酶（ ）的催化下，）的催化下，葡萄糖被氧化為葡萄糖酸，再由二茂鐵離葡萄糖被氧化為葡萄糖酸，再由二茂鐵離子將還原型葡萄糖氧化酶（子將還原型葡萄糖氧化酶（ ）氧化）氧化為氧化型葡萄糖氧化酶（為氧化型葡萄糖氧化酶（ ），然后二），然后二茂鐵在電極上氧化成二茂鐵離子，通過二茂鐵在電極上氧化成二茂鐵離子，通過二茂鐵在電極上產(chǎn)生的氧化電流來實(shí)現(xiàn)葡萄茂鐵在電極上產(chǎn)生的氧

14、化電流來實(shí)現(xiàn)葡萄糖含量的檢測。糖含量的檢測。GOXGODGOX34介體傳感器的特點(diǎn)：介體傳感器的特點(diǎn)： 僅用較低的電壓就能使介體氧化。僅用較低的電壓就能使介體氧化。 傳感器對(duì)氧不敏感，能在缺氧和氧濃度傳感器對(duì)氧不敏感，能在缺氧和氧濃度 變化的條件下使用。變化的條件下使用。 二茂鐵離子與還二茂鐵離子與還原原GOD之間之間的電子傳遞的電子傳遞 快，電極響應(yīng)迅速?？?，電極響應(yīng)迅速。35 采用場效應(yīng)晶體管和微電極做換能器，采用場效應(yīng)晶體管和微電極做換能器，以縮小傳感器的體積；以縮小傳感器的體積； 利用電子技術(shù)、改善信號(hào)放大和顯示方利用電子技術(shù)、改善信號(hào)放大和顯示方法，使其易于商品化；法，使其易于商品化

15、； 改善采樣方法，使患者使用方便或更易改善采樣方法，使患者使用方便或更易于臨床應(yīng)用。于臨床應(yīng)用。 最重要的改進(jìn)是使用化學(xué)電子傳遞中間最重要的改進(jìn)是使用化學(xué)電子傳遞中間介體代替作為自然電子受體的氧，使酶催化介體代替作為自然電子受體的氧，使酶催化反應(yīng)不再受到溶解氧含量的制約。反應(yīng)不再受到溶解氧含量的制約。（3）血糖儀測試片）血糖儀測試片血糖儀測試片血糖儀測試片 手表式的葡萄糖傳感器手表式的葡萄糖傳感器 手表式無創(chuàng)血糖儀是近年來出現(xiàn)的一手表式無創(chuàng)血糖儀是近年來出現(xiàn)的一種無創(chuàng)、無痛，能連續(xù)測定血糖的設(shè)備。它種無創(chuàng)、無痛，能連續(xù)測定血糖的設(shè)備。它通過電化學(xué)傳感器和電滲透原理來檢測皮下通過電化學(xué)傳感器和電

16、滲透原理來檢測皮下組織液中的葡萄糖濃度，無需針刺采血。組織液中的葡萄糖濃度，無需針刺采血。 手表式血糖儀測定的是組織間液葡萄糖手表式血糖儀測定的是組織間液葡萄糖值，因此要略滯后于指血血糖值。值，因此要略滯后于指血血糖值。 40(2)(2)乳酸電極乳酸電極 血液中乳酸的濃度是反映人體體力血液中乳酸的濃度是反映人體體力消耗程度的重要指標(biāo)。在體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中消耗程度的重要指標(biāo)。在體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中乳酸的檢驗(yàn)是極為必要，國際上乳酸傳感乳酸的檢驗(yàn)是極為必要，國際上乳酸傳感器已經(jīng)有成熟的商品儀器。器已經(jīng)有成熟的商品儀器。42 還可采用介體修飾的方法制備還可采用介體修飾的方法制備乳酸傳感器。乳酸傳感器。 在電極上

17、滴介體四硫在電極上滴介體四硫富富瓦烯瓦烯(TTF)漿液，晾漿液，晾干后，將乳酸干后，將乳酸氧化酶固定在該電極表面修飾層上氧化酶固定在該電極表面修飾層上面，即構(gòu)成乳酸傳感器。面，即構(gòu)成乳酸傳感器。4344 在乳酸氧化酶的催化下，乳酸被氧化在乳酸氧化酶的催化下，乳酸被氧化為丙酮酸，再由四硫富瓦烯離子將還原型為丙酮酸，再由四硫富瓦烯離子將還原型乳酸氧化酶氧化為氧化型乳酸氧化酶，然乳酸氧化酶氧化為氧化型乳酸氧化酶，然后四硫富瓦烯在電極上氧化成四硫富瓦烯后四硫富瓦烯在電極上氧化成四硫富瓦烯離子，通過四硫富瓦烯在電極上產(chǎn)生的氧離子，通過四硫富瓦烯在電極上產(chǎn)生的氧化電流來實(shí)現(xiàn)乳酸含量的檢測?；娏鱽韺?shí)現(xiàn)乳酸

18、含量的檢測。(3)(3)膽固醇電極膽固醇電極 膽固醇電極是一種用于臨床測定膽固醇電極是一種用于臨床測定血清膽固醇含量的電流型酶傳感器。血清膽固醇含量的電流型酶傳感器。血血液中膽固醇約有液中膽固醇約有2 23 3以酯型存在，以酯型存在，1 13 3以游離型存在。以游離型存在。 自然界中的膽固醇主要存在于動(dòng)物性食自然界中的膽固醇主要存在于動(dòng)物性食物之中，植物中沒有膽固醇。物之中，植物中沒有膽固醇。 獸肉的膽固醇含量高于禽肉，肥肉高于瘦獸肉的膽固醇含量高于禽肉，肥肉高于瘦肉，貝殼類和軟體類高于一般魚類，蛋黃、肉，貝殼類和軟體類高于一般魚類，蛋黃、魚子、動(dòng)物內(nèi)臟的膽固醇含量非常高。魚子、動(dòng)物內(nèi)臟的膽固

19、醇含量非常高。 降低膽固醇的食物：降低膽固醇的食物： 含膳食纖維豐富的食物含膳食纖維豐富的食物 VC VC 與與 VEVE 飲酒可能使血中的高密度脂蛋白升高，飲酒可能使血中的高密度脂蛋白升高，加強(qiáng)防治高膽固醇血癥的作用。葡萄酒較合適，加強(qiáng)防治高膽固醇血癥的作用。葡萄酒較合適，但必須嚴(yán)格限制攝入量。但必須嚴(yán)格限制攝入量。 48 膽固醇電極是一種用于臨床測定膽固醇電極是一種用于臨床測定血清膽固醇含量的電流型酶傳感器。血清膽固醇含量的電流型酶傳感器。2H ORCOOH 膽固醇脂酶膽固醇游離膽固醇222OH O 膽固醇氧化酶游離膽固醇膽甾烯酮結(jié)合型酶電極結(jié)合型酶電極 根據(jù)反應(yīng)過程中消耗的氧，產(chǎn)生的過根

20、據(jù)反應(yīng)過程中消耗的氧，產(chǎn)生的過氧化氫，用相應(yīng)的電極組成膽固醇傳感器氧化氫，用相應(yīng)的電極組成膽固醇傳感器測定電流的變化量，在一定條件下，電流測定電流的變化量，在一定條件下，電流變化量與膽固醇濃度呈線性相關(guān)。變化量與膽固醇濃度呈線性相關(guān)。(4(4）肌酸和肌酸酐電極）肌酸和肌酸酐電極脫水脫水肌酸肌酸肌酸酐肌酸酐 血清肌酸肝含量測定是衡量腎功能的一血清肌酸肝含量測定是衡量腎功能的一個(gè)很好的基準(zhǔn)。個(gè)很好的基準(zhǔn)。 血清肌酸酐濃度不會(huì)因食物的種類而受血清肌酸酐濃度不會(huì)因食物的種類而受影響，所以做為判斷腎臟機(jī)能的依據(jù)較血清影響，所以做為判斷腎臟機(jī)能的依據(jù)較血清尿素可靠。尿素可靠。 血清肌酸酐濃度與肌肉的量有關(guān)

21、，因此血清肌酸酐濃度與肌肉的量有關(guān)，因此肌肉多的排放的尿肌酸酐濃度會(huì)比肌肉少的肌肉多的排放的尿肌酸酐濃度會(huì)比肌肉少的多。多。 222222+H OH OH OOHCHOH O 肌酸酐水解酶脒基肌酸水解酶肌氨酸氧化酶肌酸酐肌酸肌酸肌氨酸 脲肌氨酸甘氨酸53 肌酸和肌酸酐微傳感器肌酸和肌酸酐微傳感器NoImage54（5）磷）磷酸鹽電極酸鹽電極佝僂病佝僂病軟骨病軟骨病55葡萄糖葡萄糖-6-磷酸鹽磷酸鹽葡萄糖葡萄糖 + 磷酸磷酸酸性磷酸酯酶酸性磷酸酯酶葡萄糖葡萄糖 + O2葡萄糖酸葡萄糖酸 + H2O2葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶56（6 6）淀粉電極）淀粉電極淀粉淀粉葡萄糖葡萄糖淀粉酶淀粉酶葡萄糖葡萄

22、糖 + O2葡萄糖酸葡萄糖酸 + H2O2葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶57（7 7）乙醇電極）乙醇電極CH3CH2OH 可用乙醇來制造醋可用乙醇來制造醋酸、飲料、香精、染酸、飲料、香精、染料、燃料等。料、燃料等。 醫(yī)療上也常用體積醫(yī)療上也常用體積分?jǐn)?shù)為分?jǐn)?shù)為70-75%的乙醇的乙醇作消毒劑等。作消毒劑等。 酒后駕駛酒后駕駛飲酒駕車飲酒駕車：指駕駛員血液中的酒精含量：指駕駛員血液中的酒精含量大于或大于或等于等于20 mg/100 mL小于小于80 mg/100 mL的駕駛行的駕駛行為。為。 350 mL(約相稱于約相稱于1小瓶小瓶)啤酒或半兩白酒啤酒或半兩白酒(20 mL)醉酒駕車：醉酒駕車：指駕駛

23、員血液中的酒精含量大于或指駕駛員血液中的酒精含量大于或等于等于80 mg/100 mL的駕駛行為。的駕駛行為。 1400 mL(約相稱于約相稱于3瓶瓶500 mL)啤酒或一兩半啤酒或一兩半白酒白酒(80mL) C2H5OH + NAD+CH3CHO + NADH醇脫氫酶醇脫氫酶NADH + Fe(CN)64-NAD+ + Fe(CN)63- + H+ + e-（二）電位型酶電極（二）電位型酶電極 電位型酶電極是將酶促反應(yīng)所引起的物電位型酶電極是將酶促反應(yīng)所引起的物質(zhì)量的變化轉(zhuǎn)變成電位信號(hào)輸出，電位信號(hào)質(zhì)量的變化轉(zhuǎn)變成電位信號(hào)輸出，電位信號(hào)大小與底物濃度的對(duì)數(shù)值呈線性關(guān)系。大小與底物濃度的對(duì)數(shù)值

24、呈線性關(guān)系。 電位型酶電極所用的基礎(chǔ)電極是對(duì)電位型酶電極所用的基礎(chǔ)電極是對(duì)某種離子有選擇性某種離子有選擇性或?qū)驅(qū)怏w有選擇性氣體有選擇性的電極的電極離子選擇離子選擇性電極性電極氣敏電極氣敏電極 1773年，伊萊爾年，伊萊爾羅埃羅埃爾（爾（Hilaire Rouelle）發(fā)現(xiàn)）發(fā)現(xiàn)尿素。尿素。 1828年，德國化學(xué)家年，德國化學(xué)家弗里德里希弗里德里希維勒首次使用維勒首次使用無機(jī)物質(zhì)氰酸氨（由氯化無機(jī)物質(zhì)氰酸氨（由氯化銨和氯酸銀反應(yīng)制得）與銨和氯酸銀反應(yīng)制得）與硫酸銨人工合成了尿素。硫酸銨人工合成了尿素。 弗里德里希弗里德里希維勒維勒（Friedrich Wohler）尿素電極尿素電極 尿素的分

25、子模型尿素的分子模型增高：增高：急性或慢性腎小急性或慢性腎小球腎炎、腎功能衰竭、球腎炎、腎功能衰竭、尿路阻塞、尿路腫瘤、尿路阻塞、尿路腫瘤、高蛋白質(zhì)飲食等。高蛋白質(zhì)飲食等。減低減低：妊娠后期、蛋白：妊娠后期、蛋白質(zhì)攝入不足、營養(yǎng)不良質(zhì)攝入不足、營養(yǎng)不良等。等。66 尿素在脲酶作用下發(fā)生水解反應(yīng)尿素在脲酶作用下發(fā)生水解反應(yīng)可用氨氣敏電極、二氧化碳電極等作為基可用氨氣敏電極、二氧化碳電極等作為基礎(chǔ)電極測定尿素的含量。礎(chǔ)電極測定尿素的含量。 22232(NH ) CO+H O2NH +CO 脲酶（2）草酸電極草酸電極草酸（乙二酸）結(jié)構(gòu)式草酸（乙二酸）結(jié)構(gòu)式 維生素維生素C C代謝代謝 甘氨酸代謝甘氨

26、酸代謝 草酰乙酸水解草酰乙酸水解 異檸檬酸降解異檸檬酸降解 食物攝入：菠菜、茶葉食物攝入：菠菜、茶葉 生物體內(nèi)草酸的來源：生物體內(nèi)草酸的來源：草酸草酸 草酸脫羧酶草酸脫羧酶2CO2 + 甲酸甲酸（3 3）腺苷電極）腺苷電極 參與心肌能量代謝參與心肌能量代謝 擴(kuò)張血流量擴(kuò)張血流量 合成合成ATPATP、腺苷酸的重、腺苷酸的重要中間體要中間體腺苷腺苷腺嘌呤脫氨基酶腺嘌呤脫氨基酶肌苷肌苷 + NH3（4 4）苯丙氨酸電極）苯丙氨酸電極 哺乳動(dòng)物的哺乳動(dòng)物的必需氨基酸必需氨基酸 是甜味劑阿是甜味劑阿斯巴甜的主要原斯巴甜的主要原料料苯丙氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸胺裂解酶胺裂解酶反式肉桂酸鹽反式肉桂酸鹽

27、+ NH34.2 酶場效應(yīng)晶體管傳感器酶場效應(yīng)晶體管傳感器(ENFET) ENFET將酶膜復(fù)合在將酶膜復(fù)合在ISFET的柵極。的柵極。 測量時(shí)，酶的催化作用使待測分子反應(yīng)測量時(shí)，酶的催化作用使待測分子反應(yīng)生成生成ISFET能夠響應(yīng)的離子。能夠響應(yīng)的離子。 ISFET工作原理工作原理75 敏感膜與溶液界面產(chǎn)生膜電位，該電位疊加敏感膜與溶液界面產(chǎn)生膜電位，該電位疊加在柵壓上，引起場效應(yīng)管漏電流的變化。根據(jù)能在柵壓上，引起場效應(yīng)管漏電流的變化。根據(jù)能斯特方程，膜電位的大小與溶液中的離子活度有斯特方程，膜電位的大小與溶液中的離子活度有關(guān)，即關(guān)，即:（一）葡萄糖（一）葡萄糖-FET 葡萄糖葡萄糖-FET

28、是由對(duì)是由對(duì)H+ 敏感的敏感的ISFET和固和固定在其柵極上的葡萄糖氧化酶膜構(gòu)成的定在其柵極上的葡萄糖氧化酶膜構(gòu)成的。61262261272222C H OH OOC H OH O 葡萄糖氧化酶 酶催化底物反應(yīng)時(shí)，生成葡萄糖酸根、酶催化底物反應(yīng)時(shí)，生成葡萄糖酸根、H+ 和過氧化氫，導(dǎo)致酶膜附近和過氧化氫，導(dǎo)致酶膜附近pH值變化，值變化，且且pH的變化量與葡萄糖含量有關(guān)。的變化量與葡萄糖含量有關(guān)。 溶液中溶液中H+的濃度變化，離子敏感膜與溶的濃度變化，離子敏感膜與溶液界面的膜電位發(fā)生變化，該電位疊加在柵液界面的膜電位發(fā)生變化，該電位疊加在柵源電壓上，柵源電壓的改變與溶液中源電壓上，柵源電壓的改變

29、與溶液中pH值的值的變化量成線性關(guān)系。變化量成線性關(guān)系。葡萄糖葡萄糖-FET工作原理：工作原理： 為提高葡萄糖為提高葡萄糖-FET-FET的工作性能和測量精度，可的工作性能和測量精度，可采用兩個(gè)采用兩個(gè)pHpH敏感的場效應(yīng)管構(gòu)成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。敏感的場效應(yīng)管構(gòu)成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。雙柵極酶雙柵極酶-FET-FET傳感器傳感器 一個(gè)一個(gè)FETFET的柵極固定葡萄糖氧化酶膜，作為的柵極固定葡萄糖氧化酶膜，作為工作工作FETFET；另一個(gè)；另一個(gè)FETFET的柵極上沒有酶膜，作為的柵極上沒有酶膜，作為參比參比FETFET。將。將2 2個(gè)個(gè)FETFET接到差動(dòng)放大器上，干擾因接到差動(dòng)放大器上，干擾因素被消除，使輸

30、出電壓只對(duì)葡萄糖響應(yīng)，因此素被消除，使輸出電壓只對(duì)葡萄糖響應(yīng)，因此輸出電壓的變化能夠反應(yīng)葡萄糖含量的變化。輸出電壓的變化能夠反應(yīng)葡萄糖含量的變化。（二）尿素（二）尿素-FET 尿素尿素-FET是由是由H+-ISFET和脲酶膜和脲酶膜組成，其原理是利用組成，其原理是利用pH-FET檢測脲酶檢測脲酶水解尿素時(shí)溶液水解尿素時(shí)溶液pH發(fā)生的變化發(fā)生的變化。 2 2223()2CO NHH OCONH脲酶2H O2H O3HCOH422NHOH 尿素傳感器也可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，尿素傳感器也可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，使用兩使用兩個(gè)個(gè)FET，一個(gè)是固定有尿素酶的，一個(gè)是固定有尿素酶的FET ，另一，另一個(gè)則是沒有固定尿素

31、酶的個(gè)則是沒有固定尿素酶的FET，作為參比，作為參比FET，利用運(yùn)算放大器組成反饋電路。，利用運(yùn)算放大器組成反饋電路。 Ag/AgCl電極可使溶液的電位保持一定電極可使溶液的電位保持一定。 測定時(shí)由于脲酶催化尿素反應(yīng)時(shí)導(dǎo)致測定時(shí)由于脲酶催化尿素反應(yīng)時(shí)導(dǎo)致溶液中的溶液中的pHpH發(fā)生變化，從而導(dǎo)致溶液發(fā)生變化，從而導(dǎo)致溶液- -界界面上的界面電位改變，經(jīng)差動(dòng)放大器后，面上的界面電位改變，經(jīng)差動(dòng)放大器后，輸出電壓與待測溶液的尿素濃度有關(guān)。輸出電壓與待測溶液的尿素濃度有關(guān)。其他應(yīng)用：其他應(yīng)用： 青霉素青霉素-FET-FET L- L-谷氨酸谷氨酸-FET-FET傳感器傳感器4.3 4.3 酶熱敏電阻

32、傳感器酶熱敏電阻傳感器 酶熱敏電阻傳感器是由固定化酶和熱酶熱敏電阻傳感器是由固定化酶和熱敏電阻組合而成。敏電阻組合而成。 用酶熱敏電阻測定待測物的含量是依用酶熱敏電阻測定待測物的含量是依據(jù)酶促反應(yīng)產(chǎn)生熱量的多少來進(jìn)行的。通據(jù)酶促反應(yīng)產(chǎn)生熱量的多少來進(jìn)行的。通過溫度變化推測待測物的含量。過溫度變化推測待測物的含量。酶熱敏電阻的基本構(gòu)成酶熱敏電阻的基本構(gòu)成密接型柱式反應(yīng)器型酶熱敏電阻的測溫方式酶熱敏電阻的測溫方式酶熱敏電阻的測量系統(tǒng)酶熱敏電阻的測量系統(tǒng) 酶載體的特點(diǎn)：酶載體的特點(diǎn)： 機(jī)械強(qiáng)度高，耐壓性好；機(jī)械強(qiáng)度高，耐壓性好； 固定化效率高；固定化效率高； 化學(xué)及生物學(xué)穩(wěn)定性高。化學(xué)及生物學(xué)穩(wěn)定性

33、高。目前，載體除多孔玻璃以外，還有多糖類凝目前，載體除多孔玻璃以外，還有多糖類凝膠或尼龍制的毛細(xì)管等。膠或尼龍制的毛細(xì)管等。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 容量小、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用方便、容量小、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用方便、價(jià)格便宜。價(jià)格便宜。 924.4 光纖光學(xué)型酶傳感器光纖光學(xué)型酶傳感器高錕高錕生于生于1933年，年，2009年獲得諾貝爾物理年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)學(xué)獎(jiǎng)“光纖之父光纖之父”93光纖傳感器組成：光纖傳感器組成：光纖光纖生物敏感膜（探頭）生物敏感膜（探頭）光電換能器光電換能器(c)單束光纖，生物敏感膜與光纖為一體生物敏感膜生物敏感膜(a)雙束光纖 (b) 單束光纖， 生物敏感膜在端部光纖生物傳

34、感器信號(hào)轉(zhuǎn)換器的三種結(jié)構(gòu)光纖生物傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換器的三種結(jié)構(gòu)光纖光學(xué)生物傳感系統(tǒng)光纖光學(xué)生物傳感系統(tǒng) 1.1.光纖生物傳感器的特點(diǎn)光纖生物傳感器的特點(diǎn)n 抗干擾能力強(qiáng)，不受電磁場的干擾；抗干擾能力強(qiáng)，不受電磁場的干擾；n 不用參比電極，可以微型化；不用參比電極，可以微型化；n 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的遙測；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的遙測；n 響應(yīng)速度快，靈敏度高。響應(yīng)速度快，靈敏度高。2. 光纖酶傳感器的工作原理光纖酶傳感器的工作原理 待測物質(zhì)從樣品溶液中擴(kuò)散到生物敏感待測物質(zhì)從樣品溶液中擴(kuò)散到生物敏感膜時(shí)，在固定化酶的催化下生成一種待檢測膜時(shí)，在固定化酶的催化下生成一種待檢測的物質(zhì)；的物質(zhì)； 當(dāng)?shù)孜飻U(kuò)散速度與催化產(chǎn)物生

35、成速度達(dá)當(dāng)?shù)孜飻U(kuò)散速度與催化產(chǎn)物生成速度達(dá)成平衡時(shí)，即可得到一個(gè)穩(wěn)定的光信號(hào)，依成平衡時(shí)，即可得到一個(gè)穩(wěn)定的光信號(hào)，依據(jù)光信號(hào)的大小與底物濃度的函數(shù)關(guān)系，得據(jù)光信號(hào)的大小與底物濃度的函數(shù)關(guān)系，得到底物的濃度，一般情況下光信號(hào)大小與底到底物的濃度，一般情況下光信號(hào)大小與底物濃度成正比。物濃度成正比。3. 光纖酶傳感器的分類光纖酶傳感器的分類 按照換能器能量轉(zhuǎn)換方式的不同，分為按照換能器能量轉(zhuǎn)換方式的不同，分為化學(xué)發(fā)光型、光吸收型、熒光猝滅型、指示化學(xué)發(fā)光型、光吸收型、熒光猝滅型、指示劑型和生物發(fā)光型。劑型和生物發(fā)光型。（1 1）化學(xué)發(fā)光型）化學(xué)發(fā)光型 某些化學(xué)反應(yīng)伴隨光子的釋放，釋放的某些化學(xué)反

36、應(yīng)伴隨光子的釋放，釋放的光子即化學(xué)發(fā)光的強(qiáng)度與待測物的濃度呈線光子即化學(xué)發(fā)光的強(qiáng)度與待測物的濃度呈線性關(guān)系。性關(guān)系。 但有些生化反應(yīng)不能釋放光學(xué)信號(hào)，需但有些生化反應(yīng)不能釋放光學(xué)信號(hào)，需要引入中間物，使其轉(zhuǎn)變成能進(jìn)行光檢測的要引入中間物，使其轉(zhuǎn)變成能進(jìn)行光檢測的信號(hào)。信號(hào)。 魯米諾魯米諾（luminol）（）（3-氨基氨基-鄰苯甲酰鄰苯甲酰肼），又稱發(fā)光氨、光敏靈。在堿性條件下肼），又稱發(fā)光氨、光敏靈。在堿性條件下能被許多氧化劑（例如能被許多氧化劑（例如H2O2，ClO-等）氧等）氧化而發(fā)出藍(lán)色的光，是研究最早、最多、應(yīng)化而發(fā)出藍(lán)色的光，是研究最早、最多、應(yīng)用最廣泛的發(fā)光試劑。用最廣泛的發(fā)光試

37、劑。谷氨酰胺谷氨酰胺 谷氨酸谷氨酸+NH3谷氨酸谷氨酸+O2+H2O 酮戊二酸酮戊二酸+H2O2+ NH3魯米諾魯米諾+ H2O2 氨基鄰苯二甲酸氨基鄰苯二甲酸+N2+h谷氨酰胺酶谷氨酰胺酶谷氨酸氧化酶谷氨酸氧化酶魯米諾魯米諾+ H2O2 氨基鄰苯二甲酸氨基鄰苯二甲酸+N2+h2H ORCOOH 膽固醇脂酶膽固醇游離膽固醇222OH O 膽固醇氧化酶游離膽固醇膽甾烯酮 GOD氧化氧化葡萄糖，生成的過氧化氫啟動(dòng)魯米諾葡萄糖，生成的過氧化氫啟動(dòng)魯米諾電化學(xué)發(fā)光，并通過光纖傳感器檢測發(fā)光信號(hào)。酶促電化學(xué)發(fā)光，并通過光纖傳感器檢測發(fā)光信號(hào)。酶促反應(yīng)和發(fā)光反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，因此傳感器響應(yīng)非?？臁７磻?yīng)和發(fā)光反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，因此傳感器響應(yīng)非?？臁?1262261272222C H OH OOC H OH O 葡萄糖氧化酶魯米諾魯米諾+ H2O2 氨基鄰苯二甲酸氨基鄰苯二甲酸+N2+h（2 2）光吸收型）光吸收型 如果被測物如果被測物A不具有光學(xué)活性，經(jīng)酶不具有光學(xué)活性，經(jīng)酶催化后產(chǎn)生具有特征光吸收的產(chǎn)物催化后產(chǎn)生具有特征光吸收的產(chǎn)物P，或，或是被測物是被測物A具有特征光吸收特性而產(chǎn)物具有特征光吸收特性而產(chǎn)物P不具備這種性質(zhì)，便能通過反應(yīng)前后吸光不具備這