第四章 酶生物传感器

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1、1第四章第四章 酶生物传感器酶生物传感器 Enzyme Biosensor 一、酶的本质与特征一、酶的本质与特征 酶的本质酶的本质 酶是生物体内产生的、具有催化活性酶是生物体内产生的、具有催化活性的一类蛋白质。的一类蛋白质。 根据化学组成分为两大类，即单纯蛋根据化学组成分为两大类，即单纯蛋白酶与结合蛋白酶。白酶与结合蛋白酶。 根据酶的催化反应类型分为氧化还原根据酶的催化反应类型分为氧化还原酶、转移酶、水解酶、异构酶等。酶、转移酶、水解酶、异构酶等。 2 酶的基本特征酶的基本特征 酶的高效催化性酶的高效催化性 酶的催化效率通常比一般催化剂酶的催化效率通常比一般催化剂高高106-1012倍。酶之所

2、以能高效催化，倍。酶之所以能高效催化，是通过降低反应所需的活化能实现的。是通过降低反应所需的活化能实现的。 3 酶的高度特异性酶的高度特异性 酶不仅具有一般催化剂加快反应酶不仅具有一般催化剂加快反应速度的作用，而且具有高度的特异性。速度的作用，而且具有高度的特异性。 绝对特异性绝对特异性 相对特异性相对特异性 立体异构特异性立体异构特异性4酶促反应动力学酶促反应动力学 酶促反应动力学是研究酶反应速度及酶促反应动力学是研究酶反应速度及各种因素对酶反应速度影响的科学。各种因素对酶反应速度影响的科学。 主要影响因素包括有：底物浓度、酶主要影响因素包括有：底物浓度、酶浓度、浓度、 pHpH值、温度、抑

3、制剂与激活剂等。值、温度、抑制剂与激活剂等。 5 酶动力学测定的是初速度，是指酶酶动力学测定的是初速度，是指酶在反应过程中底物初始浓度被消耗在在反应过程中底物初始浓度被消耗在5%5%以内的速度。目的是排除酶反应过程中以内的速度。目的是排除酶反应过程中出现的各种干扰因素，以便测得准确的出现的各种干扰因素，以便测得准确的酶反应速度。酶反应速度。 6底物浓度对酶促反应速度的影响底物浓度对酶促反应速度的影响 7酶浓度对酶促反应速度的影响酶浓度对酶促反应速度的影响 若底物初始浓度固定时，酶反若底物初始浓度固定时，酶反应速度与酶浓度呈线性关系。应速度与酶浓度呈线性关系。8温度对酶促反应速度的影响温度对酶促

4、反应速度的影响 每一种酶的催化反应都有适宜的温度每一种酶的催化反应都有适宜的温度范围和最适温度。范围和最适温度。9pHpH对酶促反应速度的影响对酶促反应速度的影响 每一种酶都有适宜的每一种酶都有适宜的pHpH值范围值范围和最适和最适pHpH值。在一定的值。在一定的pHpH下，酶促下，酶促反应具有最高的反应速度，此反应具有最高的反应速度，此pHpH称称为该酶的最适为该酶的最适pHpH。 1011抑制剂、激活剂对酶促反应速度的影响抑制剂、激活剂对酶促反应速度的影响 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质称为抑制剂，抑制剂的种类很多，的物质称为抑制剂，抑制剂的种类很多

5、，包括药物、抗生素、毒物、抗代谢物以及包括药物、抗生素、毒物、抗代谢物以及酶促反应产物等。酶促反应产物等。12 凡能激活酶活性的物质，均称激活剂。凡能激活酶活性的物质，均称激活剂。某些酶必须有激活剂存在，才能进行酶促反某些酶必须有激活剂存在，才能进行酶促反应。激活剂大部分为某些无机离子，也有一应。激活剂大部分为某些无机离子，也有一些有机分子。些有机分子。 13二、酶传感器二、酶传感器 酶传感器是酶传感器是应用固定化酶作为敏感元应用固定化酶作为敏感元件件与各种信号转换器组合而成的生物传感与各种信号转换器组合而成的生物传感器器。 依据信号转换器的类型，酶传感器大依据信号转换器的类型，酶传感器大致可

6、分为酶电极、酶场效应管传感器、酶致可分为酶电极、酶场效应管传感器、酶热敏电阻传感器、酶压电晶体型、光纤光热敏电阻传感器、酶压电晶体型、光纤光学型等。学型等。 14 传感器的类型传感器的类型154.1 4.1 酶电极传感器酶电极传感器 Enzyme electrode sensor 酶电极是由固定化酶与电流型电极酶电极是由固定化酶与电流型电极或电位型电极组合而成的生物传感器。或电位型电极组合而成的生物传感器。 具有酶的分子识别和选择催化功能，具有酶的分子识别和选择催化功能，又有电化学电极响应快、操作简便的特又有电化学电极响应快、操作简便的特点，能快速测定试液中某一给定化合物点，能快速测定试液中某

7、一给定化合物的浓度，且需很少量的样品。的浓度，且需很少量的样品。 16电流型酶电极电流型酶电极 电流型酶电极是将酶促反应产生的物电流型酶电极是将酶促反应产生的物质在电极上发生氧化或还原反应产生的质在电极上发生氧化或还原反应产生的电电流作为测量信号流作为测量信号，在一定条件下，利用测，在一定条件下，利用测得的电流信号与被测物活度或浓度的函数得的电流信号与被测物活度或浓度的函数关系，来测定样品中某一生物组分的活度关系，来测定样品中某一生物组分的活度或浓度。或浓度。17制作生物传感器最常用的是氧化酶：制作生物传感器最常用的是氧化酶： 底物底物+O2 产物产物+H2O218 基础电极可采用氧、过氧化氢

8、电极，还基础电极可采用氧、过氧化氢电极，还可采用近年开发的介体修饰的炭、铂、钯和可采用近年开发的介体修饰的炭、铂、钯和金等固体电极或介体修饰电极。金等固体电极或介体修饰电极。19 氧电极氧电极：是一个通过测定电解电流来测定：是一个通过测定电解电流来测定溶液中氧含量的电解池。溶液中氧含量的电解池。 工作时，在铂阴极和工作时，在铂阴极和Ag阳极之间施加阳极之间施加0.6V的电压。当的电压。当E=-0.2V时时电极开始电解，产生还电极开始电解，产生还原电流，其还原反应式原电流，其还原反应式为：为：22244OH OeOH使用最多的是封闭式的使用最多的是封闭式的Clark氧电极氧电极21 铂电极与铂电

9、极与Ag电极组合在一起置于参比电极组合在一起置于参比溶液中，与被测溶液之间用透氧膜隔开。溶液中，与被测溶液之间用透氧膜隔开。被测溶液中的溶解氧通过膜扩散到电解质被测溶液中的溶解氧通过膜扩散到电解质溶液薄层，再扩散到铂电极表面进行还原溶液薄层，再扩散到铂电极表面进行还原产生电流。产生电流。H2O2电极电极H2O2电极基本测量电路和电压电极基本测量电路和电压-电流曲线电流曲线 两极间外加一定电压，实际测量时，外加两极间外加一定电压，实际测量时，外加电压控制在电压电压控制在电压-电流曲线的平滑部分，即电流曲线的平滑部分，即0.7-0.9V，此时输出电流就与浓度成比例。，此时输出电流就与浓度成比例。阳

10、极反应阳极反应阴极反应阴极反应 22222H OOHe221222eHOH O24251.1.葡萄糖传感器葡萄糖传感器 葡萄糖传感器是研究最早、开发最成葡萄糖传感器是研究最早、开发最成熟并已市场化的生物传感器，即血糖仪。熟并已市场化的生物传感器，即血糖仪。各种型号的血糖仪产品各种型号的血糖仪产品26（1 1）早期的葡萄糖传感器）早期的葡萄糖传感器 早期的葡萄糖传感器是由葡萄糖氧化早期的葡萄糖传感器是由葡萄糖氧化酶膜和电化学电极组成的。在电化学电极酶膜和电化学电极组成的。在电化学电极的透气膜上固定葡萄糖氧化酶。的透气膜上固定葡萄糖氧化酶。27当葡萄糖溶液与酶膜接触时，发生如下反应：当葡萄糖溶液与

11、酶膜接触时，发生如下反应：61262261272222C H OH OOC H OH O 葡萄糖氧化酶28故葡萄糖浓度测试方法有三种：故葡萄糖浓度测试方法有三种： 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29测量葡萄糖酸的葡萄糖传感器：测量葡萄糖酸的葡萄糖传感器： pH pH电极和离子敏场效应管测定葡萄糖酸电极和离子敏场效应管测定葡萄糖酸的量来计算样品中葡萄糖的含量，最低检测的量来计算样品中葡萄糖的含量，最低检测限为限为1010-3-3 mol molL L，灵敏度较低；，灵敏度较低；测量氧