本-第三章-生物電測(cè)量電極與生物傳感器

第三章生物電測(cè)量電極

與生物傳感器張麒上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院3.1生物電測(cè)量電極生物電測(cè)量電極(electrode)電極：經(jīng)過一定處理的金屬板或金屬絲等金屬材料用電極引導(dǎo)生物電信號(hào)時(shí)，與電極直接接觸的是電解質(zhì)溶液導(dǎo)電膏人體汗液組織液（電極插入皮下時(shí)）將生物體電化學(xué)活動(dòng)而產(chǎn)生的離子電位

轉(zhuǎn)化成電子測(cè)量系統(tǒng)的電位在電極-電解質(zhì)表面：離子導(dǎo)電轉(zhuǎn)化為電子導(dǎo)電金屬-電解質(zhì)溶液界面(雙電層界面)“廣義”電極：由金屬浸在含該金屬離子的電解質(zhì)溶液中，所構(gòu)成的體系半電池：一個(gè)導(dǎo)電體(如金屬)同離子導(dǎo)體(如電解質(zhì)溶液)連接構(gòu)成的系統(tǒng)分類：宏電極：測(cè)量較大部位的電位體表電極：濕電極、干電極(按是否用導(dǎo)電膏)體內(nèi)電極：皮下電極、植入電極微電極:尖端0.05-10um，測(cè)量細(xì)胞內(nèi)、外電位電極的極化和極化電位平衡電位極化電極與電解質(zhì)溶液的雙電層界面在有電流通過時(shí)，界面電位由原有平衡電位變?yōu)樾碌碾娢?，該極化電位與通過的電流密度有關(guān)極化現(xiàn)象：有電流通過時(shí)的電極電位與平衡電位的偏離兩個(gè)電位的偏差：極化電壓或超電壓極化現(xiàn)象的測(cè)試裝置電極極化阻礙電流進(jìn)入生物體組織器官，因此使用電極做電刺激時(shí)，極化是不利因素在放大器的輸入端產(chǎn)生直流偏置，使放大器輸出飽和而引起失真因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量設(shè)法減小電極極化如采用交流電代替直流電極化電極存在極化電壓（超電壓）的電極Ag、Pt、Au等憜性金屬制作的電極

電極本身難被氧化和分解金屬電極和電解質(zhì)溶液界面形成雙電層，其性能與電容器性能相似非極化電極不存在極化電壓（超電壓）的電極“理想性能”實(shí)際情況：盡量接近這種電極性能如Ag/Agcl電極、甘汞電極常用的Ag/Agcl電極表面鍍有AgCl的銀板或銀絲放在含Cl-離子溶液中制作方法電解法燒結(jié)法消耗AgCl層，使電極變薄生成AgCl，使電極變厚AgCl對(duì)光敏感，電極應(yīng)保存在暗處電極材料對(duì)生物組織有害，故只能用于體外，而非體內(nèi)比其它電極穩(wěn)定，

極化電位很小電噪聲小

在生物電測(cè)量中具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛電極的電學(xué)特性電極-電解質(zhì)溶液界面存

在雙電層，其特性用電

容等效電容C和雙電層間的漏電

阻R1描述電容特性R2為電解質(zhì)溶液的電阻各種電極的阻抗特性阻抗在低頻時(shí)比高頻時(shí)大得多10-100Hz之間，各種電極呈現(xiàn)電阻性，曲線平坦電極面積大時(shí)，阻抗低常用生物電測(cè)量電極體表電極針電極插入表皮層的測(cè)量電極（不銹鋼或貴金屬材料制針形)絕緣干電極（絕緣膜電極)不使用導(dǎo)電膏采用電容耦合信號(hào)的原理電極與人體接觸面上有一層很薄的絕緣膜把電極與人體隔開(避免了極化現(xiàn)象)人體與電極形成電容，人體與電容片分別是電容的兩個(gè)極片很薄且阻抗極高的氧化膜微電極尖端為圓錐形0.05-10um按材料分類金屬微電極填充電解質(zhì)溶液的玻璃微電極玻璃微電極的結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化等效電路例：玻璃微電極的頻響特性已知：電極頭直徑d1=1.5um電極頭腔內(nèi)直徑d2=1um頸長(zhǎng)L=3mm電解質(zhì)溶液電阻率ρ=2

Ω·cm玻璃的介電常數(shù)ε=1.82;ε0=8.85*10-12F/m求：電極的電阻與電容高頻截止頻率

玻璃微電極的負(fù)電容補(bǔ)償電路3.2生物傳感器由固定化的生物物質(zhì)與適當(dāng)?shù)膿Q能器組成的傳感系統(tǒng)具有特異識(shí)別生物分子的能力,

能檢測(cè)生物分子與分析物之間的相互作用，

用于微量物質(zhì)的檢測(cè)酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等氧電極、光敏管、場(chǎng)效應(yīng)管、壓電晶體等生物傳感器基本結(jié)構(gòu)生物傳感器將生物物質(zhì)固定在高分子膜等固體載體上被識(shí)別的生物分子作用于生物功能性膜(生物傳感膜)時(shí)，將會(huì)發(fā)生物理/化學(xué)變化換能器將此信號(hào)轉(zhuǎn)換到電信號(hào)，從而檢測(cè)出特測(cè)物質(zhì)具有分子別功能的敏感元件需經(jīng)固定化處理換能器作用：將化學(xué)物質(zhì)的變化轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)換能器類型各種電極：氧電極、氨電極、CO2電極、pH電極。。光電轉(zhuǎn)換器（光電倍增管）熱電轉(zhuǎn)換器（熱敏電阻）半導(dǎo)體ISFET（離子敏感性場(chǎng)效應(yīng)晶體管）檢測(cè)離子濃度變化生物傳感器的類型按敏感物質(zhì)分酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器按換能器分電極型、測(cè)熱型、發(fā)光型、半導(dǎo)體、測(cè)場(chǎng)型生物傳感器的優(yōu)點(diǎn)特異性高、敏感性高穩(wěn)定性好成本低廉體積小能在體進(jìn)行快速實(shí)時(shí)的連續(xù)檢測(cè)一般不需要樣品的預(yù)處理，樣品用量少，響應(yīng)快固定化敏感材料可以反復(fù)多次使用電化學(xué)生物傳感器例:電流型葡萄糖生物傳感器用一薄層葡萄糖氧化酶覆蓋在氧電極表面，通過氧電極檢測(cè)溶液中溶解氧的消耗量可以間接測(cè)定葡萄糖的含量反應(yīng)式GOD(FAD)+葡萄糖

GOD(FADH2)+葡萄糖酸內(nèi)酯GOD(FADH2)+

O2

GOD(FAD)+H2O2總反應(yīng)式

葡萄糖+

O2

葡萄糖酸內(nèi)酯+H2O2葡萄糖氧化酶的氧化態(tài)葡萄糖氧化酶的還原態(tài)GODO2在GAD催化下氧化葡萄糖，生成H2O2用兩種方法獲取電信號(hào)測(cè)量反應(yīng)物O2的減少

即用氧電極測(cè)量溶液中溶解氧的變化

缺點(diǎn)：空氣中O2的變化也會(huì)導(dǎo)致溶液中溶解氧濃度的變化測(cè)量反應(yīng)產(chǎn)物H2O2產(chǎn)生量

Pt作陽極，Ag作阻極，測(cè)定H2O2產(chǎn)生量熱效應(yīng)生物傳感器當(dāng)固定化的生物物質(zhì)與被測(cè)特定生物物質(zhì)作用時(shí)，常伴有熱的變化，即產(chǎn)生熱效應(yīng)若催化反應(yīng)放出的熱量全部用于反應(yīng)系統(tǒng)溫度的升高，則有溫度變化與產(chǎn)物濃度呈線性關(guān)系，反應(yīng)物質(zhì)的濃度得以測(cè)量光電效應(yīng)生物傳感器利用固定化生物物質(zhì)與被測(cè)定特定生物物質(zhì)作用時(shí)，產(chǎn)生光學(xué)現(xiàn)象的變化，再將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)例:光學(xué)DNA生物傳感器

組成：固定有已知的核苷酸序列的單鏈DNA(ssDNA探針)換能器ssDNA與待測(cè)樣品的靶DNA雜交，形成雙鏈DNA，雜交產(chǎn)生的光學(xué)變化由換能器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換任務(wù)光纖DNA生物傳感器將ssDNA探針進(jìn)行熒光標(biāo)記，并固定在um級(jí)的光纖末端上光纖的另一端耦合到熒