14—3生物传感器(Biosensor)一．概述1．定义传感器—能感受(或
响应)一种信息并变换成可测量信号(一般指电学量)的器件。生物传感器—将生物体的成份（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（
细胞、细胞器、组织）固定化在一器件上作为敏感元件的传感器称为生物传感器。2.?生物传感器的基本组成敏感元件（分子识别元
件）和信号转换器件（图）3.生物传感器的工作原理（1）将化学信号转变成电信号已经研究的大部分生物传感器
的工作原理均属这种类型。例如酶传感器，酶催化特定底物发生反应，从而产生一种新的可供测量的物质，用能把这种物质的量转变为电信号的装置
和固定化的酶相耦合，即称为酶传感器。（2）将热能变化转换为电信号（3）??将光效应转换为电信号（4）??直接产生电信号
生物传感器的分类(1).根据生物传感器的输出信号方式分类a．生物亲合型传感器被测
物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发生变化。例如：电荷
温度光学性质等的变化。反应式可表示为：S（底物）+R（受体）==SRb．代谢型或催化型传感器
另一类是底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传
感器称为代谢型或催化型传感器，其反应形式可表示为S（底物）＋R（受体）==SR→P（生成
物）(2).根据生物传感器中分子识别元件上的敏感物质分类生物传感器中分子识别元件上所
用的敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等。根据所用的敏感物质可将生物传感器分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器
、细胞器传感器、免疫传感器等。（3）.根据生物传感器的信号转换器分类生物传感器
的信号转换器有：电化学电极、离子敏场效应晶体管、热敏电阻、光电转换器等．据此又将生物传感器分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、
测热型生物传感器、测光型生传感器、测声型生物传感器等．以上后两种分类方法之间还可互相交叉，因而生物传
感器的类别就更加增多，例如酶传感器又分为酶电极、酶热敏电阻、酶FET、酶光极等．上面介绍的各种名称都是类别
的名称，每一类又都包含许多种具体的生物传感器，例如，仅酶电极一类，根据所用酶的不同就有几十种，如葡萄糖电极、尿素电极、尿酸电极、胆
固醇电极、乳酸电极、丙酮酸电极等等．就是葡萄糖电极也并非只有一种，有用pH电极或碘离子电极作为转换器的电位型葡萄糖电极，有用氧电极
或过氧化氢电极作为转换器的电流型葡萄糖电极等．实际上还可再细分。总之，生物传感器是传感器中类别较多、内容较广的一大类传感器，随着科
学技术的不断发展，它所包含的内容也必将更为丰富．为醒目起见，现将生物传感器的分类示于图中．5．生物传感器的特点
(1)生物传感器是由选择性好的主体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不需进行样品的预处理，它利用优异的选择性把样品中被测组分的
分离和检测统一为一体．测定时一般不需另加其它试剂．??（2）由于它的体积小、可以实现连续在位监测．(3)响应快、
样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。???(4)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推
广普及。二.生物传感器的信号转换器生物传感器中的信号转换器是将分子识别元件进行识别时所产生的化学的
或物理的变化转换成可用信号的装置．生物传感器的信号转换器已有许多种，其中到目前为止用得最多的且比较成熟的是电化学电极，用它组成的生
物传感器称为电化学生物传感器．电化学电极可用作生物传感器的信号转换器的电化学电极，一般可以分为两种类型。电位型电极和电流
型电极．Ⅰ．电位型电极1．离子选择电极离子选择性电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈选择性响应的电极，具有快速、灵
敏、可靠、价廉等优点，因此应用范围很广．离子选择性电极作为生物传感器的信号转换器只是它的一种应用，在生物医学领域也常直接用它测定体
液中的一些成分（如H+，K+，Na+，Ca2+等）。2．氧化还原电极氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一类
电位型电极．这里指的主要是零类电极。Ⅱ．电流型电极电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转换器的趋势
日益增加，这是因为这类电极和电位型电极相比有以下优点：（1）电极的输出直接和被测物的浓度呈线性关系，不像电位型电极那样和被测物浓
度的对数呈线性关系．（2）电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相对误差比电位型电极的小．（3）电极的灵敏度比电位型电极的高
．氧电极有不少酶特别是各种氧化酶和加氧酶在催化底物反应时要用溶解氧为辅助试剂，反应中所消耗的氧量就用氧电
极来测定．此外，在微生物电极、免疫电极等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器，因此氧电极在生物传感器中用得很广。目前用得最多的氧
电极是电解式的Clark氧电极，Clark氧电极是由铂阴极、Ag/AgCl阳极、KCl电解质和透气膜所构成。由图可见，Clark氧
电极是个复合电极．工作时在铂阴极和Ag/AgCl阳极之间施加0．6V的电压，铂阴极的电位为一O．6V。通常铂阴极是个微小电极（d约
0．02mm），如下所述。此电极无需过大．氧电极前端透气膜是只允许气体透过的薄膜（聚四氯乙烯膜、聚酯膜、聚氯乙烯膜、聚丙烯膜、火
棉胶膜及硅橡胶膜等）．它可以防止因溶液中的离子或分子到达阴极表面还原而干扰测定．因此当将氧电极插入含有溶解氧的溶液后，溶液中的O2
将扩散，透过透气膜到达铂阴极表面被还原，还原电流值与溶解氧的量有关．Ⅲ.离子敏场效应晶体管随着医学研究的进展以
及临床诊断工作的需要，对传感一器的要求有了新的发展．希望传感器能具有以下特点：（l）小型化，便于携带，易于使用，非专业人员也能操
作．（2）响应快，可应用于微小区域，象生物细胞内成分的测定．（3）能同时完成多种成分测定．（4）能够直接连接在计算机的输入端
．（5）输出阻抗低，可避免外界感应以及下级电路的干扰．由于绝缘栅场效应管的应用，制造具有以上特点的离子敏感元
件及生物敏感元件已成为现实．敏场效应晶体管的结构和工作原理由于电化学理论和半导体理论的相互渗透。所以
出现了一类能够对离子或分子敏感的半导体器件，并称之为化学敏感半导体器件。其中对离子敏传感器件研究的成果较多．离子敏场效应晶体管，即
ISFET，它与常用的绝缘栅型场效应晶体管构造相同．不过在输入栅极做了一些改进，以能与特定的化学物质反应，产生电位的敏感膜取代金属
极．让敏感膜直接与溶液接触，由于敏感膜对溶液中的离子有选择作用，从而调制ISFET的漏电流变化，利用这个特性就能检测一溶液中的离子
活度．Ion-sensitivefield-effecttransistor(ISFET)Metal-oxide(MOF
ET)三.敏感器件（分子识别元件）1．酶（Enzyme）及酶电极(1).酶的催化特性酶是生物体内产生
并具有催化活性的一类蛋白质。此类蛋白质表现出特异的催化功能，因此，酶被称为生物催化剂．酶在生命活动中起着极为重要的作用，它们参加新
陈代一谢过程中的所有生化反应，并以极高的速度和明显的方向性维持生命的代谢活动，包括生长、发育、繁殖与运动．可以说，没有酶生命将不复
存在．目前已鉴定出的酶有2000余种，其中一半左右已达均一纯度，100余种已能制得晶体。酶与一般催化剂相
同，在相对浓度较低时，仅能影响化学反应的速度，而不改变反应的平衡点，反应前后其组成与质量均不发生明显改变．酶与一般催化剂的不同
点如下：(1).酶的催化效率比一般的催化剂高106—1O13倍。(2).酶催化反应条件较为温和，在常温常压近中性条件下即可
进行.(3).酶的催化具有高度的专一性.1).立体化学专一性．它又可分为：（a）光学专一性．所谓光学专一性是指一种酶只能
催化一对镜像异构体之一，对另一异构体则不起催化作用．如精氨酸酶只催化L一精氨酸水解产生L一乌氨酸和尿素，对D一精氨酸则无效．（b
）几何专一性．所谓几何专一性是指酶只能作用顺式或反式异构体中的某一个．如延胡索酸是一种反式的丁烯二酸，而马来酸则为顺式的丁烯二酸．
延胡索酸酶只能催化延胡索酸水解产生苹果酸，而不作用于马来酸．2）非立体化学专一性非立体化学专一性可依据酶对底物
的三种组成部分选程度的不同分为三类：(a).键专一性(b).基团专一性(c).绝对专一性具有绝对专一性的酶要求底物的键及
A与B严格地适宜，否则不起催化作用．绝对专一性典型的例证是脲酶，且只能催化尿素水解，对尿素的衍生物则无催化作用.(2).酶的本
质和分类酶是一类有催化活性的蛋白质.酶可分为单纯蛋白酶与结合蛋白酶两大类．单纯蛋白酶除蛋白质以外不含其
它成分．如胃蛋白酶、胰蛋白酶和脲酶等．结合蛋白酶是由蛋白和非蛋白两部分所组成．非蛋白部分若与酶蛋白结合牢固，不易分离则称辅基·如细
胞色素氧化酶中的铁卟啉部分，用透析法不能将其与酶蛋白部分分开，故称铁卟啉部分为辅基．若非蛋白部分与酶蛋白结合不牢，易于分开，在溶液
中呈离解平衡状态，则称为辅酶．常见的辅酶有烟酰胺腺瞟吟二核苷酸（NAD，辅酶Ⅰ）和烟酰胺腺瞟吟二核昔酸磷酸（NADP，辅酶Ⅱ），二
者均称为脱氢酶的辅酶．辅基与辅酶多为维生素或某些金属（Cu、Fe、Mg、Zn、Co、Mn、Mo等）的配合物。（3）．酶的活力单
位（酶单位）1）标准酶单位国际生物化学协会酶委员会规定了酶单位的标准形式为：一个酶单位（U）是在特定的
条件下lmin内催化形成1μmol产物的酶量（或转化1mo1底物的酶量）．特定条件一般是指选定的条件，如温度为25℃，30℃，37
℃，最适pH,底物为饱和溶液．2）酶的比活力每毫克蛋白质所含某酶的活力单位数称某酶的比活力．3）酶浓度
每毫升酶蛋白溶液所含某酶的活力单位数称某酶浓度．一定重量或一定体积酶制剂所具有的酶活力单位数叫做总
活力．在酶的提纯过程中，总活力逐渐下降，比活力逐渐提高．4）转换值也称分子活力或摩尔活力．其定义是1摩尔酶在最
适条件下，1min内所转化的底物的摩尔数．转化值的单位为min-1．转换值的倒数是一个催化循环所需要的时间．(4).酶的固定化
技术固定化酶使酶的利用率、稳定性与机械强度等方面均较可溶性酶有所提高，使用固定化酶为酶电极的制备提供了良
好的条件．1.惰性载体——物理吸附法此法是酶分子通过极性键、氢键、疏水力或π电子相互作用等吸附于不溶性
载体上．常用的载体有：多孔玻璃、活性炭、氧化铝、石英砂、纤维素酯（包括硝酸纤维素、醋酸纤维素）、葡聚糖、琼脂精、聚氯乙烯、聚苯乙烯
等，已用此法固定化的酶如：脂肪酶、α－D葡萄糖苷酶、过氧化物酶等．2.离子载体—交换法选用具有离子交换剂的载体，在适宜
的pH下，使酶分子与离子交换剂通过离子键结合起来，形成固定化酶．常用的带有离子交换剂的载体如下DEAE一纤维素、TEAE一纤维素、
AE—纤维素、CM—纤维素、DEAE一葡萄糖、肌酸激酶等．3．活化载体—共价结合法a.重氮法b.迭氮
法c.卤化氰法．d.缩合法e.烷基化法4.物理包埋法此法是将酶分子包埋在凝胶
的细微格子里制成固定化.常用的凝胶有：聚丙烯酸胺、淀粉、明胶、聚乙烯醇、海藻酸钙、桂树脂等．用凝胶包埋法制备的固定化酶如：木瓜蛋白
酶、纤维素酶、乳酸脱氢酶等．?2.电化学免疫传感器(Immunosensor)免疫学的基本概念1.抗体（antib
ody）和抗原（antigen）抗体是一种免疫球蛋白．免疫球蛋白有5种，分别命名为IgG，IgA，IgM，IgD
和IgE，无脊椎动物不产生免疫球蛋白．鱼有IgM,两栖类有IgM和IgG.除人类有5种免疫球蛋白外，大多数哺乳动物只有IgG，Ig
A,IgM和IgE四种免疫球蛋白．抗原是一种进入机体后能刺激机体产生免疫反应的物质．它可能是生物体（如各种微
生物），也可能是非生物体（如各种异类蛋白、多糖等）.通常，分子量大于10000，而且具有一定结构（如苯环或杂环等结构）的物质均可成
为抗原性物质，都能有效地诱发产生抗体．有些分子量较小的物质，如某些药物和激素在动物体内并不产生抗体．但将这种小分子量的物质用化学法
结合到某种载体（通常是大分子蛋白质）上，再用这种结合物可诱发产生抗体．通常把这样一些小分子量物质称为半抗原．用半抗原的结合物诱发产
生的抗体，其中有些是抗这个半抗原的抗体，可与其半抗原结合，其结合常数有时高达1011．由此可见，若待测物是具有特定结构的大分子蛋白
质，可直接用来制备抗体；若为分子量较小的半抗原，则需将它进行化学修饰结合到大分子载体上才能诱发产生抗半抗原的抗体。3.组织传感器
以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的电化学传感器称为组织电极，此系酶电极的衍生型电极．动植物组织中的酶是反
应的催化剂．与酶电极比较，组织电极具有如下优点：1.酶活性较离析酶高.2.酶的稳定性增大.3.材料易于获得.肝组织电
极动物肝组织中含有丰富的H2O2酶，可与氧电极组成测定H2O2及其它过氧化物的组织电极．198
1年Mascini等研究了数种哺乳动物和其它动物（鸟、鱼、龟）的肝组织电极，翌年，报道了基于牛肝组织的H2O2电极．牛肝-H2
O2电极取0．1mm厚牛肝一片，覆盖子氧电极的特氟隆膜上，用“O”型橡皮圈固定，即成牛肝组织电极．在pH6．80的缓冲液中，使电极与空气中的氧平衡，然后加入底物，底物为浓度大于1O-5mol／LH2O2溶液．反应产生的氧气到达氧电极的特氟隆膜时，使电极输出增加．在1×10-4mol/L底物浓度时，1．5min即可获得稳定电流，如图所示：若向溶液中通以氮气，以降低氧的溶解度，减少空气平衡溶液中氧的残余电流（约10μA）至十分之几微安，检测下限可降低至1X10-5mol／L，相关系数：R=0．997（n＝9）．14-3植物组织膜电极结构图解a一水瓜,b一果皮,c-中果皮,d-内果皮1-中果皮组织薄片2-固定化骨架3-透气健,4-垫圈5-内电解质6-复合PH电极7-塑料电极体3-7为二氧化碳气敏电极结构 |
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