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葡萄糖氧化酶

  葡萄糖氧化酶_生物学_自然科学_专业资料。生物传感器 目录 ? 11.1 简要介绍 ? 11.2 酶传感器 ? 11.3 微生物传感器 ? 11.4 免疫传感器 ? 11.5 半导体生物传感器 ? 11.6 生物传感器应用与未来 ? 本章

  生物传感器 目录 ? 11.1 简要介绍 ? 11.2 酶传感器 ? 11.3 微生物传感器 ? 11.4 免疫传感器 ? 11.5 半导体生物传感器 ? 11.6 生物传感器应用与未来 ? 本章小结 11.1 简要介绍 ? 生物传感器的发展史 ? 定义及说明 ? 生物传感器的基本组成和工作原理 ? 生物传感器的分类 ? 生物传感器的固定方法 ? 生物传感器的特点 生物传感器的发展史(1) ? 最先问世的生物传感器是酶电 极.Clark和Lyons最先提出组成酶 电极的设想; 年代 ? 70年代中期,人们注意到酶电极 的寿命一般都比较短,提纯的酶 价格也较贵,而各种酶多数都来 60 自微生物或动植物组织,因此自 然地就启发人们研究酶电极的衍 生型:微生物电极、细胞器电极、 动植物组织电极以及免疫电极等 70 新型生物传感器,使生物传感器 的类别大大增多; ? 进入本世纪80年代之后,随着离 子敏场效应晶体管的不断完善, 于1980年Caras和Janafa率先研制 80 成功可测定青霉素的酶FET。 特点 研究内容 生物传感 器初期 酶电极 发展时期 微生物传感器, 免疫传感器,细 胞类脂质传感器, 组织传感器,生 物亲和传感器 进入生物电 子学传感器 时期 酶FET 酶光二极管 生物传感器的发展史(2) 生物传感器发展的整体划分: ? 第一代生物传感器以将生物成分截留在膜上或结合 在膜上为基础,这类器件由透析器(膜)、反应器(膜) 和电化学转换器所组成,其实验设备相当简单. ? 第二代生物传感器是指将生物成分直接吸附或共价 结合在转换器的表面上,从而可略去非活性的基质 膜. ? 第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子元 件上,例如FET的栅极上,它可直接感知和放大界 面物质的变化,从而将生物识别和电信号处理集合 在一起.这种放大器可采用差分方式以消除干扰. 生物传感器定义及说明 ? 生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和 测定实现测量,主要由两大部分组成:一为功 能识别物质(分子识别元件),由其对被测物 质进行特定识别;其二是电、光信号转换装置 (换能器),由其把被测物所产生的化学反应 转换成便于传输的电信号或光信号。 生物传感器的基本组成和工作原理 ? 生物传感器的基本组成 ? 生物传感器的工作原理分类 生物传感器基本构成示意图 生物传感器的分子识别元件 分子识别元件 生物活性材料 酶膜 全细胞膜 组织膜 细胞器膜 免疫功能膜 各类酶类 细菌,真菌,动植 物细胞 动植物组织切片 线粒体,叶绿体 抗体,抗原,酶标 抗原等 生物传感器的工作原理 1. 将化学变化转变成电信号(间接型) 2. 将热变化转换为电信号(间接型) 3. 将光效应转变为电信号(间接型) 4. 直按产生电信号方式(直接型) 被测 物质 生 化学物质 物 敏 物理 热 感 化学 (产生 光 ) 膜 变化 声 电化学器件 热敏元件 光敏元件 声敏元件 电信号 将化学变化转变成电信号的生物传感器 将热变化转换为电信号的生物传感器 将光效应转变为电信号的生物传感器 被测物—— 固 定 ——h—— 化 酶 光 检 ——电信号 测 器 例4、直按产生电信号方式的生物传感器 Cass 等提出一种测定葡萄糖的传感器,是用二茂络 铁为电子传递体。 G、GL代表葡萄糖和葡萄糖内脂,GODox和GODred为 氧型化和型氧和化还型原二型茂的络铁GO。D,而Fecp2R和Fecp2R+则为还原 葡化萄型糖的被电子GO传D递氧体化2的Fe同cp时2R,+可G将ODG被OD还r原ed成再G氧O化D成red,氧 GODox 生物传感器的特点 1. 根据生物反应的奇异和多样性,从理论上讲可以 制造出测定所有生物物彻质的多种多样的生物传 感器; 2. 这类生物传感器是在无试剂条件下工作的(缓冲液 除外),比各种传统的生物学和化学分析法操作简 便、快速、准确; 3. 可连续测量、联机操作、直接显示与读出测试结 果。 生物传感器的分类 ? 按分子识别元件分类 ? 按换能器分类 按分子识别元件分类 微生物 传感器 固定化 微生物 酶传感器 固定化酶 分子识别 固定化免疫物质 元件 免疫传感器 固定化细胞器 生物组织切片 细胞器传感器 组织传感器 按器件分类 生物电极 光生物传感器 电化学电极 介体 介体生物传感器 传递系统 热敏电阻 光学换能器 半导体 换能器 换能器 压电晶体 半导体生物 传感器 热生物传感器 压电晶体生物传感器 生物传感器的固定方法 固定方法:现已经成为生物工程中 一门重要技术 1. 物理方法:夹心法、吸附法、包 埋法; 2. 化学方法:共价连接法、交联法 3. 近年来, 由于半导体生物传感器 迅速发展, 因而又出现了采用集成 电路工艺制膜技术,如光平板印 刷法、喷射法等。 夹心法 ? 将生物活性材料封闭在 双层滤膜之间,形象地 称为夹心法。 ? 这种方法的特点是操作 简单,不需要任何化学 处理,固定生物量大, 响应速度快,重复性好。 吸附法 ? 用非水溶性固相载体物 理吸附或离子结合,使 蛋白质分子固定化的方 法. ? 载体种类较多,如活性 炭、高岭土、硅胶、玻 璃、纤维素、离子交换 体等。 包埋法 ? 把生物活性材料包埋并 固定在高分子聚合物三 维空间网状结构基质中。 ? 此方法的持点是一般不 产生化学修饰,对生物 分子活性影响较小;缺 点是分子量大的底物在 凝胶网格内扩散较固难。 共价连接法 ? 使生物活性分子通过共 价键与固相载体结合固 定的方法。 ? 此方法的特点是结合牢 固,生物活性分子不易 脱落,载体不易被生物 降解,使用寿命长; ? 缺点是实现固定化麻烦, 酶活性可能因发生化学 修饰而降低。 交联法 ? 依靠双功能团试剂使蛋 白质结合到惰性载体或 蛋白质分子彼此交联成 网状结构。 ? 这种方法广泛用于酶膜 和免疫分子膜制备,操 作简单。 11.2 酶传感器 ? 酶传感器信号变换方式 ? 尿酸用固定化酶膜传感器 ? 葡萄糖传感器 信号变换方式 (1)电位法 电位法是通过不同离子生成在不同感受体, 从测得膜电 位去计算与酶反应有关的各种离子的浓度。一般采用铵离 子电极(氨气电极)、氢离子电极、氧化碳电极等 (2)电流法 电流法是从与酶反应有关的物质的电极反应得到的电流值 来计算被测物质的方法。电化学装置采用的是氧电极。燃 料电池型电极和过氧化氢电极等 酶电极:酶传感器由固定酶和基础电极组成,酶电极的设 计主要考虑酶催化过程产生或消耗的电极活性物质,如一 个酶催化反应是耗O2过程,就可以使用O2电极或H2O2 电极;若酶催化反应过程产生酸,即可使用PH电极。 尿酸用固定化酶膜传感器 葡萄糖传感器 ? 工作原理 ? 测量氧消耗量的葡萄糖传感器 ? 测H2O2生成量的葡萄糖传感器 工作原理 葡萄糖氧化酶(GOD) 葡萄糖+H2O+O2――――――→葡萄糖酸+H2O2 故葡萄糖浓度测试方法有三种: ①测耗量O2 ②测H2O2生成量 ③测由葡萄糖酸而产生的PH变化。 测量氧消耗量的葡萄糖传感器 测量氧消耗量的葡萄糖传感器 1. 氧电极构成:①由Pb阳极和Pt阴极浸入碱溶 液,②阴极表面用氧穿透葡萄糖(基质)膜 覆盖[特氟隆,厚约10μmm] 2. 氧电极测O2原理:溶液中的O2穿过特氟隆膜 到达Pt阴极上,按下式有被还原的阴极电流 通过,其电流值与含O2浓度成比例。 3. O2+2H2O+4e=======4OH- 测H2O2生成量的葡萄糖传感器 1. Pt阳极 2. 聚四氟乙烯膜 (作用) 3. 固相酶膜 4. 半透膜多孔层 5. 半透膜致密层 聚四氟乙烯膜(作用) ? 它避免了电极与被测液直接相接触,防止了 电极毒化;如电极Pt为开放式,它浸入含蛋 白质的介质中,蛋白质会沉淀在电极表面上 从而减小电极有效面积,使电流下降,使传 感器受到毒化。 葡萄糖氧化酶(GOD) 葡萄糖+H2O+O2―――――――→葡萄糖酸+H2O2 ? 葡萄糖氧化产生H2O2,而H2O2通过选择 性透气膜,在Pt电极上氧化,产生阳极电流。 葡萄糖含量与电流成正比,由此可测出葡萄糖 溶液浓度。 ? 在Pt电极上加0.6V电压时,则产生的阳极电流 为: 11.3 微生物传感器 ※ 分类 好气性微生物传感器 厌气性微生物传感器 注: 气→O2 ※ 微生物固定方式及工作原理 好气性微生物传感器 ? 微生物的呼吸可用氧电极或二氧化碳 电极来测定结构 被测 物质 微生物固 定化膜 封闭式氧 氧消化变化 电极或 CO2电极 (呼吸技能) 电信号 O2电极好气性微生物传感器 1. 电解液 2. O型环 3. Pb阴极 4. 聚四氟乙烯 5. 固化微生物膜 6. 尼龙网 7. Pt阳极 O2电极好气性 微生物传感器响应曲线 厌气性微生物传感器 被测物质 微生 新陈代谢变化 电化 物固 定化 (代谢机能) 学敏 感电 模 极 电信号 ? 可测定微生物代谢产物,可用离子选择电极 来测定 甲酸传感器 (H2电极厌气性微生物传感器) 1. 圆环 2. 液体连接面 3. 电解液(100mol/m3磷酸 缓冲液) 4. Ag2O2电极(阴极) 5. Pt电极(阳极) 6. 聚四氟乙烯膜 甲酸传感器原理 ? 将产生氢的酪酸梭状芽菌固定在低温胶冻膜上, 并把它固定在燃料电池Pt电极上; ? 当传感器浸入含有甲酸的溶液时,甲酸通过聚四 氟乙烯膜向酪酸梭状芽菌扩散,被资化后产生H2, 而H2又穿过Pt电极表面上的聚四氟乙烯膜与Pt电 极产生氧化还原反应而产生电流,此电流与微生 物所产生的H2含量成正比,而H2量又与待测甲酸 浓度有关,因此传感器能测定发酵溶液中的甲酸 浓度。 11.4 免疫传感器 ? 免疫传感器的工作原理 ? 免疫传感器的结构 免疫传感器的工作原理 ? 利用抗体对抗原的识别功能和与抗原结合功能研 制成功的。 ? 抗原或抗体一经固定于膜上,就形成具有识别免 疫反应强烈的分子功能性膜。如,抗原在乙酰纤 维素膜上进行固定化,由于蛋白质为双极性电解 质,(正负电极极性随PH值而变)所以抗原固 定化膜具有表面电荷。其膜电位随膜电荷要变化。 故根据抗体膜电位的变化,可测知抗体的附量。 免疫传感器的结构 11.5 半导体生物传感器 ? 酶光敏二极管 ? 酶FET 酶光敏二极管 ? 酶光敏二极管由催化发光反应的酶和光敏二极管(或 晶体管)半导体器件构成; ? 在硅光敏三极管的表面透镜上涂上一层过氧化氢酶 膜,即构成了检测过氧化氢的酶光敏二极管; ? 当二极管表面接触到过氧化氢时,由于过氧化氢酶 的催化作用,加速发光反应,产生的光子照射到硅 光敏二极管pn结点,从而改变了二极管的导通状态。 即将发光效应转换成光敏二极管的光电流,从而检 测出过氧化氢及其浓度大小。 酶光敏二极管的结构 酶FET 结构与工作原理 ? 结构:大多数由以有机物所制作的敏感膜与 HFET(氢离子场效应管)组成。 ? 制法:去掉FET的栅极金属,在此处固定生物 敏感膜,如氮化硅膜,它易于被离子和水分渗 透,而且表面一旦与若干水分溶化在一起时 (称为水合作用),下式中的电位与氢离子浓 度倒数的对数(即PH值)成比例。 EE02.3F 0R3TpH 11.6 生物传感器应用与未来 ? 应用:发酵工业、医疗机构、军事 ? 发展方向: 1. 集成化微型生物传感器的研究 2. 生物芯片(仿人脑) 3. 仿生传感器(蝙蝠的超声波定位、海豚的声 纳导航测距、信鸽的方向识别、狗的嗅觉) 本章小结 ? 概念:生物传感器 ? 问题1:请问生物传感器有哪些组成部分? ? 问题2:生物传感器有哪些种类? ? 问题3:简要说明一下生物传感器的研究历 史. ? 问题4:简要说明一下生物传感器的固定方 法,并分别进行比较.

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