ch07生物醫(yī)學(xué)中的化學(xué)傳感與檢測(cè)

生物醫(yī)學(xué)中的化學(xué)傳感與檢測(cè)教育部生物醫(yī)學(xué)工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)“十三五”規(guī)劃教材生物醫(yī)學(xué)傳感與檢測(cè)原理第七章01生理與代謝的生物化學(xué)過(guò)程生命活動(dòng)的生物化學(xué)反應(yīng)概述新陳代謝是生命現(xiàn)象的基本活動(dòng)，生物體一方面從外界環(huán)境攝取各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化提供身體所需的原料和能量，同時(shí)體內(nèi)形成的分解產(chǎn)物要排出體外，維持物質(zhì)成分的動(dòng)態(tài)平衡。在新陳代謝過(guò)程中，體內(nèi)各種物質(zhì)的合成、分解、轉(zhuǎn)化、利用等，在大多數(shù)情況下是各種生物分子在水溶液中進(jìn)行的系列化學(xué)反應(yīng)。生理與代謝的生物化學(xué)過(guò)程生命過(guò)程所表現(xiàn)出的細(xì)胞、組織、器官生理活動(dòng)，與新陳代謝的物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換密切相關(guān)，特別是血液循環(huán)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)及腎臟在物質(zhì)傳送和交換中發(fā)揮了重要作用。其中，由心臟和血管組成的循環(huán)系統(tǒng)主要完成體內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸，運(yùn)輸代謝原料和代謝產(chǎn)物，使機(jī)體新陳代謝持續(xù)進(jìn)行；體內(nèi)各內(nèi)分泌腺分泌的激素或其他體液，通過(guò)血液運(yùn)輸?shù)竭_(dá)靶細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)機(jī)體體液調(diào)節(jié)。生理與代謝的生物化學(xué)過(guò)程雖然身體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的維持最終取決于消化、呼吸、循環(huán)、排泄等諸多內(nèi)臟器官或系統(tǒng)，但血液本身有重要作用，主要包括：機(jī)體細(xì)胞與組織液進(jìn)行物質(zhì)交換需要依靠血液在組織液與各內(nèi)臟器官之間運(yùn)輸各種物質(zhì)；血液對(duì)內(nèi)環(huán)境某些理化性質(zhì)的變化有一定的“緩沖”作用，如減輕代謝產(chǎn)物引起的pH值變化，吸收大量的熱抑制溫度快速升高；通過(guò)與毛細(xì)血管外的組織液進(jìn)行物質(zhì)交換可以反映內(nèi)環(huán)境理化性質(zhì)的微小變化，再刺激感受器為調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供反饋信息。生理與代謝的生物化學(xué)過(guò)程作為最基本的生命單元，細(xì)胞由細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核三部分構(gòu)成，其中細(xì)胞膜在新陳代謝和物質(zhì)交換中有重要意義。一方面，細(xì)胞膜使得細(xì)胞能夠獨(dú)立于環(huán)境而存在，通過(guò)細(xì)胞膜與周?chē)h(huán)境進(jìn)行的選擇性物質(zhì)交換而維持生命活動(dòng)；另一方面，細(xì)胞在不斷進(jìn)行新陳代謝的過(guò)程中需要從外界獲得氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，排出代謝產(chǎn)物，這都需要通過(guò)細(xì)胞膜的脂質(zhì)雙分子層、細(xì)胞膜蛋白和糖類(lèi)等進(jìn)行調(diào)控。生理與代謝的生物化學(xué)過(guò)程02化學(xué)傳感與檢測(cè)原理電化學(xué)基本概念以電化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的測(cè)量系統(tǒng)主要包括三個(gè)組成部分：電解質(zhì)溶液、電極（至少兩個(gè)）和測(cè)量電路。電解質(zhì)溶液是位于一個(gè)連通的容器內(nèi)的電極間媒介，是離子導(dǎo)體，主要由溶劑和高濃度電離鹽及電活性物質(zhì)組成。電極是電化學(xué)傳感器中最主要的敏感器件，是電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的場(chǎng)所；一個(gè)電極系統(tǒng)由一個(gè)電子導(dǎo)體相和一個(gè)離子導(dǎo)體相組成，且在兩相界面有電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生，該電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)就是電極反應(yīng)，也就是電化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程與電解質(zhì)溶液活度、溶液電導(dǎo)率、電極電勢(shì)、溶液電勢(shì)等多種因素密切相關(guān)?；疃仍谒芤褐校J(rèn)為強(qiáng)電解質(zhì)全部離解，弱電解質(zhì)部分離解，并建立平衡。但由于電解質(zhì)溶液中電離的正、負(fù)離子之間以及離子與溶劑分子之間的相互作用，使得物質(zhì)的濃度不能代表其在溶液中的有效濃度。因此引入活度（activity）來(lái)表示電解質(zhì)溶液中物質(zhì)的有效濃度。溶液電導(dǎo)率溶液中的電導(dǎo)率是指單位立方厘米體積的電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)。對(duì)于一橫截面積為A、兩個(gè)電極間的距離為1的電解池。電化學(xué)基本概念雙電層模型當(dāng)金屬電極浸入電解質(zhì)溶液中時(shí)，金屬與溶液的界面上將產(chǎn)生反應(yīng)，一部分金屬離子將離開(kāi)金屬表面進(jìn)入溶液中。金屬因失去金屬離子而帶負(fù)電荷，溶液中因有金屬離子的進(jìn)入而帶正電荷。電極電位與能斯特方程單個(gè)電極的電極電位無(wú)法測(cè)量，通常與一個(gè)選定的作為標(biāo)準(zhǔn)的電極（參比電極）組成一個(gè)化學(xué)電池，通過(guò)測(cè)量?jī)呻姌O之間的電位差來(lái)獲得電極電位。能斯特方程用來(lái)表示電極的電極電位或電池的電動(dòng)勢(shì)與待測(cè)物活度間的關(guān)系。電化學(xué)基本概念電解池與原電池電化學(xué)分析方法是基于化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化，主要有原電池和電解池兩種測(cè)量體系。當(dāng)外加電源的正、負(fù)極分別與電解質(zhì)溶液中的兩個(gè)電極相連時(shí)，就構(gòu)成了電解池。電化學(xué)傳感器測(cè)量系統(tǒng)電化學(xué)傳感器的測(cè)量體系主要由電極、電解質(zhì)溶液和測(cè)量電路構(gòu)成，其中電解質(zhì)溶液是待測(cè)樣品。電極是電化學(xué)傳感器中將生物化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的換能器的重要組成部分。電化學(xué)基本概念對(duì)電極又稱(chēng)輔助電極，不參與電化學(xué)反應(yīng)，與工作電極構(gòu)成串聯(lián)回路，起到電子傳遞、為工作電極提供所需電流的作用。對(duì)電極（counterelectrode）參比電極是一個(gè)已知電勢(shì)的不極化電極，它為測(cè)量提供標(biāo)準(zhǔn)電位。參比電極（referenceelectrode）電化學(xué)基本概念工作電極是發(fā)生所需反應(yīng)的場(chǎng)所，同時(shí)也是固定識(shí)別元件的載體。工作電極（workingelectrode）離子傳感器離子選擇性電極離子選擇性電極是一類(lèi)利用膜電勢(shì)測(cè)定溶液中離子活度的電化學(xué)傳感器。此類(lèi)電極表面具有一層敏感膜，可以對(duì)溶液中的待測(cè)離子產(chǎn)生選擇性的響應(yīng)。當(dāng)電極與含待測(cè)離子的溶液接觸時(shí)，敏感膜和溶液的界面上會(huì)產(chǎn)生與該離子活度直接有關(guān)的膜電勢(shì)。離子敏感場(chǎng)效應(yīng)管離子敏感場(chǎng)效應(yīng)管（IonSelectiveFieldEffectTransistor，ISFET）是一種新型離子敏感器件，它基于調(diào)制柵極電壓來(lái)調(diào)節(jié)源極與漏極之間電流的原理，在絕緣柵上沉積離子選擇性敏感膜，由離子濃度影響漏電流來(lái)進(jìn)行測(cè)量。離子傳感器氣體傳感器電化學(xué)氣體傳感器電化學(xué)氣體傳感器的檢測(cè)原理是：待測(cè)氣體在電極和電解質(zhì)組成的電池中與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，或在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在兩個(gè)電極之間形成電壓或電流，通過(guò)測(cè)量電壓或電流即可得到待測(cè)氣體的濃度。根據(jù)測(cè)量電化學(xué)參數(shù)的不同，電化學(xué)氣體傳感器可分為兩類(lèi)：電位型和電流型。氣體傳感器半導(dǎo)體氣體傳感器當(dāng)半導(dǎo)體材料吸附某些氣體分子時(shí)，將產(chǎn)生電子遷移而使表面電導(dǎo)、表面勢(shì)壘或體電導(dǎo)發(fā)生變化，由此測(cè)定氣體濃度。氣敏半導(dǎo)體器件具有靈敏度高、成本低、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體氣體傳感器可大致分為電阻型和非電阻型。表面電阻控制型半導(dǎo)體氣體傳感器：此類(lèi)傳感器利用表面電阻變化來(lái)檢測(cè)氣體。體電阻控制型半導(dǎo)體氣體傳感器：此類(lèi)傳感器利用體電阻變化來(lái)檢測(cè)氣體。非電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器：結(jié)型半導(dǎo)體元件，如金屬半導(dǎo)體二極管、金屬氧化物半導(dǎo)體二極管以及MOSFET等。氣體傳感器03生物敏感膜電化學(xué)傳感與檢測(cè)用于生物傳感的生物敏感膜根據(jù)選材不同，有酶膜、全細(xì)胞膜、組織膜等。生物敏感膜按識(shí)別原理可分為生物催化反應(yīng)型、生物吸附型。要讓酶等生物活性物質(zhì)應(yīng)用到生物傳感的敏感膜中，必須讓其固定在各種載體上，這種結(jié)合稱(chēng)為固定化技術(shù)，而固定化技術(shù)的目標(biāo)是形成穩(wěn)定、可重復(fù)使用、能直接進(jìn)行底物分析、操作簡(jiǎn)單的實(shí)用化敏感膜。生物敏感膜的固定化技術(shù)將生物活性材料封閉在雙層濾膜之間。夾心法采用水溶性載體物理吸附或靜電結(jié)合，使蛋白分子固定。吸附法將酶或細(xì)胞包埋并固定在高分子聚合物三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基質(zhì)中。包埋法生物敏感膜的固定化技術(shù)使生物活性分子通過(guò)共價(jià)鍵與不溶性載體結(jié)合而固定，也稱(chēng)載體結(jié)合法。共價(jià)連接法利用雙功能試劑在分子間形成交聯(lián)而聚成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。交聯(lián)法LB（Langmuir-Blodgett）膜技術(shù)。膜技術(shù)生物敏感膜的固定化技術(shù)葡萄糖酶電極葡萄糖酶電極基本上由酶膜和Clark氧電極或過(guò)氧化氫電極組成。乳酸酶電極傳感器乳酸酶電極傳感器的生物敏感活性材料是乳酸氧化酶。酶?jìng)鞲衅骷?xì)胞是最基本的生命活動(dòng)單元，利用細(xì)胞本身具有的對(duì)被分析物敏感的受體、離子通道和酶等作為感受被分析物的敏感元件，是生物傳感器發(fā)展的新方向，于是出現(xiàn)了將整個(gè)細(xì)胞或組織作為敏感元件，通過(guò)測(cè)量細(xì)胞的生理生化參數(shù)的變化來(lái)獲得細(xì)胞響應(yīng)信號(hào)的生物傳感器。生物組織與細(xì)胞傳感器生物組織與細(xì)胞傳感器組織傳感器組織傳感器也稱(chēng)組織電極，它是以動(dòng)植物組織薄片材料作為生物敏感膜的生物傳感器，主要利用生物組織中的酶作為反應(yīng)催化劑，故其工作原理和結(jié)構(gòu)與酶電極相似，但具有諸多優(yōu)點(diǎn)。組織電極中酶的活性比酶電極所用的離析酶活性高；組織電極酶的穩(wěn)定性高；生物材料更容易獲取；可替代昂貴的酶試劑；制作簡(jiǎn)單，無(wú)須特別固化。生物組織與細(xì)胞傳感器組織電極一般選擇酶活性高、含量豐富的組織；同時(shí)，要綜合考慮切片厚度，切片薄可以使電極響應(yīng)速度快，但膜內(nèi)酶含量少，厚度以0.3~0.5mm為宜。組織電極的傳感元件多采用氣敏電極，主要是利用其選擇性好的特點(diǎn)，可避免測(cè)量過(guò)程中金屬離子及某些有機(jī)分子的干擾。生物組織與細(xì)胞傳感器生物組織與細(xì)胞傳感器圖7-17是以NH，電極為傳感元件的動(dòng)物組織電極示意圖。生物組織與細(xì)胞傳感器細(xì)胞傳感器隨著技術(shù)發(fā)展，以細(xì)胞為生物敏感材料的傳感檢測(cè)技術(shù)正不斷出現(xiàn)，從傳統(tǒng)的以生物酶為基礎(chǔ)的檢測(cè)方法逐步發(fā)展到以細(xì)胞生理、代謝過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)，出現(xiàn)了基于細(xì)胞代謝、細(xì)胞阻抗和細(xì)胞電生理的生物傳感檢測(cè)技術(shù)。1）細(xì)胞代謝傳感器測(cè)量細(xì)胞代謝過(guò)程中細(xì)胞及細(xì)胞外微環(huán)境的相關(guān)參數(shù)，可以間接反映細(xì)胞的生理狀態(tài)變化。20世紀(jì)90年代，出現(xiàn)了一種基于光尋址電位傳感器（Light-addressablePotentiometricSensor，LAPS）的細(xì)胞微生理計(jì)，通過(guò)檢測(cè)細(xì)胞外微環(huán)境的pH值變化，定量計(jì)算細(xì)胞質(zhì)子排出速率，從而可以分析細(xì)胞的代謝率。生物組織與細(xì)胞傳感器生物組織與細(xì)胞傳感器圖7-18是一種基于細(xì)胞外pH值測(cè)量的細(xì)胞微生理計(jì)的結(jié)構(gòu)原理示意圖。2）細(xì)胞阻抗傳感器培養(yǎng)在基質(zhì)上的細(xì)胞，其黏附、伸展、增殖、凋亡等生理與病理變化過(guò)程，將表現(xiàn)在細(xì)胞的電阻變化、膜電容變化，以及細(xì)胞層-基底膜空間變化上。細(xì)胞阻抗傳感技術(shù)通過(guò)微安級(jí)的電流測(cè)量，可以實(shí)時(shí)、量化監(jiān)測(cè)貼壁細(xì)胞遷移過(guò)程中細(xì)胞形態(tài)的變化及其生理狀態(tài)。生物組織與細(xì)胞傳感器生物組織與細(xì)胞傳感器圖7-19是一種細(xì)胞阻抗傳感器原理示意圖。微生物傳感器微生物是與日常生活緊密相關(guān)的微小生物群落，存在于我們身體內(nèi)外的微生物群幾乎構(gòu)建了一種人眼看不見(jiàn)的生態(tài)環(huán)境，微生物及其群落狀態(tài)在很大程度上能反映人的生理環(huán)境和生命活動(dòng)過(guò)程，因此，微生物也被作為一種選擇性生物活性材料應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)傳感檢測(cè)中。微生物傳感器典型的微生物傳感器就是微生物電極，是酶電極的衍生型電極，其結(jié)構(gòu)和工作原理與酶電極類(lèi)似，也有電流型和電位型兩大類(lèi)。微生物作為敏感膜材料與底物作用一般有兩種情況：對(duì)好氧性微生物，與底物作用的同時(shí)，其細(xì)胞呼吸活性增強(qiáng)，耗氧量增加，用氧電極或CO電極測(cè)定其呼吸活性，便可求出底物濃度；對(duì)厭氧性微生物，在同化被測(cè)有機(jī)物后將生成各種代謝產(chǎn)物，如CO，、H，、H、甲醛等，可利用相應(yīng)的離子選擇性電極測(cè)量代謝產(chǎn)物濃度，進(jìn)而獲得底物濃度。微生物傳感器圖7-20（a）是一種呼吸活性測(cè)定型微生物傳感器。微生物傳感器圖7-20（b）是一種由微生物膜和燃料電池組成的傳感器。酶和微生物主要以低分子有機(jī)化合物作為測(cè)定對(duì)象，對(duì)高分子有機(jī)化合物，則可以利用抗體對(duì)抗原的識(shí)別和結(jié)合功能，構(gòu)建對(duì)蛋白質(zhì)、多糖類(lèi)等高分子有高選擇性的免疫傳感器。電化學(xué)免疫傳感器是由免疫分子識(shí)別系統(tǒng)和電化學(xué)轉(zhuǎn)換器組合而成的，是一種將電化學(xué)分析與免疫測(cè)量相結(jié)合的技術(shù)。通?？煞譃橹苯有停ǚ菢?biāo)記）免疫傳感器和間接型（有標(biāo)記）免疫傳感器。電化學(xué)免疫傳感器04化學(xué)與生物傳感的醫(yī)學(xué)檢測(cè)應(yīng)用電解質(zhì)分析儀人體液是個(gè)巨大的緩沖液體系，體液中的各種離子的動(dòng)態(tài)平衡對(duì)維持細(xì)胞的滲透壓和人體正常機(jī)能十分重要。當(dāng)體內(nèi)電解質(zhì)出現(xiàn)紊亂時(shí)將會(huì)對(duì)人體的各種器官和代謝功能產(chǎn)生損害。因此，電解質(zhì)分析儀在臨床檢驗(yàn)中的廣泛利用已經(jīng)成為評(píng)價(jià)人體液環(huán)境的重要工具之一。血液樣品檢測(cè)血?dú)夥治鰞x呼吸是新陳代謝的重要部分，是機(jī)體對(duì)O，的攝取和消耗以及產(chǎn)生CO，的過(guò)程。人體血液中O，和CO，的含量，以及酸堿程度是反映人體代謝狀態(tài)的重要指標(biāo)。血?dú)夥治鰞x是通過(guò)測(cè)定人血液pH值以及所含O，和CO，的濃度來(lái)評(píng)價(jià)患者的酸堿平衡、呼吸及代謝功能等，廣泛應(yīng)用于危重病人搶救、麻醉、體外循環(huán)及神經(jīng)外科手術(shù)中。血液樣品檢測(cè)連續(xù)性監(jiān)測(cè)經(jīng)皮氧監(jiān)測(cè)由于氣體較其他物質(zhì)更容易透過(guò)皮膚，因此可以在體表放置傳感器檢測(cè)皮下組織內(nèi)的氣體分壓。經(jīng)皮測(cè)量血液中的氣體分壓時(shí)，需要對(duì)皮膚加熱