化学与生物传感器

2021年1月11日星期一化学与生物传感器•传感器是一种选择性地、连续地和可逆地感受某一物理量或化学量或生物量的装置。传感器是什么东西呀？一、概述传感器结构示意图样品识别元件换能器测量装置传导器图示鼻子类似为传感器嗅觉膜－生物识别元件神经细胞－转换器神经纤维－传导器大脑－测量元件识别元件对某种或某类分析物产生选择性响应。化学量换能器将某种可以观察到的变化转化为可测量的信号。传导器施加一种可计量的作用后整个装置以该部分元件来运转系统。电信号或光信号检测器传感器分类•物理传感器用以测量物理量，如长度、重量、温度、压力和电性能。•化学传感器是通过某种化学反应以选择性方式对特定的待测分析物质产生相应从而对分析物进行定性或定量测定。•生物传感器实际上是化学传感器的子系统，但也常冠以其名单独作为专题考虑。采用某种生物敏感元件与换能器相连。与普通的化学传感器不同的关键在于其识别元件在性质上是生物质。化学与生物传感器分类•电化学传感器电位测定、伏安测定、电导测定等。•光学传感器吸收光谱、荧光光谱、化学发光等。•压电传感器•热传感器核心元件－敏感元件传感器识别分析物的核心部件二、识别分析物的敏感模式•离子的识别•分子的识别•生物的识别离子识别离子选择性电极离子选择性电极又称膜电极。特点：仅对溶液中特定离子有选择性响应膜电极的关键：是一个称为选择膜的敏感元件。敏感元件：单晶、混晶、液膜、功能膜及生物膜等构成氟离子选择电极结构：右图敏感膜：(氟化镧单晶)掺有EuF2的LaF3单晶切片；内参比电极：Ag-AgCl电极(管内)。内参比溶液：0.1mol/L的NaCl和0.10.01mol/L的NaF混合溶液（F-用来控制膜内表面的电位，Cl-用以固定内参比电极的电位）。LaF3的晶格中有空穴，在晶格上的F-可以移入晶格邻近的空穴而导电。对于一定的晶体膜，离子的大小、形状和电荷决定其是否能够进入晶体膜内，故膜电极一般都具有较高的离子选择性。当氟电极插入到F-溶液中时，F-在晶体膜表面进行交换。分子的识别－化学识别试剂热力学-络合物形成热力学控制反应物与产物之间的平衡常数，如果对一种分析物配位体络合物的平衡常数较高，而对另一种分析物的配位络合物的平衡常数较低就形成了选择性方法的基础。M＋nLMLnK＝[MLn]/{[M][L]n}•基于此原理的金属离子敏感光化学传感器，如锌，这样的传感器如下图。将PAR(HL)固定在聚氯乙稀膜中，络合物颜色的强度与锌的量有关，也与氢离子活度的平方有关。待测样品溶液是由锌与纤维素的共价键合制成。Zn2＋＋2HLZnL2（red）＋2H+Zn2+2H+分析质溶液膜动力学-催化效应：动力学选择性化学反应速率有时可以用来控制选择性。电极经修饰后可降低活化超电压，从而有效地加快反应速率，减少干扰并能降低检测极限。其中的一个实例是再涂有[Os(byp)2(PVP)10Cl]Cl的电极上分析铁离子，这种物质起到电极和分析质溶液之间的一种电子梭子作用，这类似与生物传感器中所应用的媒介体，它加快了酶和电极间的电子转移，其机理如下：分子尺寸分子筛以非常简单地方法在大分子和小分子之间进行选择。AB+e－B+YA+Z分子的识别－光谱识别红外光谱IR紫外光谱UV核磁共振NMS质谱MS酶催化识别反应抗体-抗原免疫反应DNA杂交信息分子与受体识别反应分子的识别－生物试剂识别酶催化识别反应葡萄糖+O2+H2O────→葡萄糖酸+H2O2葡萄糖氧化酶•酶•组织材料•微生物•线粒体抗体-抗原免疫反应Ag+Ab=Ag-AbDNA杂交•由于核酸成分之间有特定碱基配对进而产生遗传密码，这种遗传密码决定了所有生命细胞的再现特性，从而能确定一类物质中的个别物质的遗传特性.•DNA探测试剂能用于检查遗传疾病、癌症和病毒传染病。DNA鉴定通常包括有加入体系标记的DNA，此标记可以是放射活性的、可光测的、酶或电活性等.生物组分的固定化－吸附法•许多物质在其表面都能吸附酶，例如，氧化铝、活性炭、黏土、纤维素、高岭土、硅胶、玻璃和胶原蛋白。此技术不需要试剂，但需要提纯步骤，并且对酶只有较小的破坏作用。•一般有两种形式：物理吸附V.S.化学吸附•这是最简单的方法，包含最少的准备过程，但是键联比较弱。适于短期研究。•最早期用于生物传感器的一种方法，此技术将生物材料固定在惰性膜后面，这样使生物材料与转换器之间紧密接触，采用此方法不会影响酶的可靠性，并能防止污染和生物降解。•对于温度、pH值、离子强度和化学组成的变化也是稳定的。•但是，此体系对某些材料，例如小分子包括各种气体和电子是可以穿透的。生物组分的固定化－微囊包封法•生物材料与一种单体溶液混合，然后进行聚合生成凝胶将生物材料夹在里面。•通常应用的凝胶是聚丙稀酰胺。生物组分的固定化－截留法•生物材料与固体支撑物或与其他支撑材料，像凝胶发生化学键联。双官能试剂，如戊二醛，可以用于此技术。•但对于生物材料来说此技术对某些扩散存在限制。•对生物材料也有危害。•另外，体系的机械强度不良。生物组分的固定化－交联法•此方法中需要小心设计生物材料中官能团和支撑基质之间的键合作用。生物材料氨基酸中的亲核官能团对催化作用不是本质的，而酶在这方面是适合的。生物组分的固定化－共价法例如，支撑物上的羧酸基团与碳化二亚胺发生反应，然后与生物材料上胺官能团偶联在支撑物和酶之间形成一种胺键。三、电化学传感器•电位型传感器•电流型传感器•电导型传感器•场效应晶体管传感器所以电位测定法的定量关系对于半电池反应Ox+ne=R,能斯特方程如下：式中，aox和aR为活度。为了计算方便改写为：一般的，视为常数，对还原性物质，[R]通常是金属活度（视为1）此方程是能斯特方程非常实用的形式将参考电极电位EREF和液接电位合并在一起电位型传感器•如取代参考电极，采用具有相同氧化还原电对半电池，而只是Ox浓度不同。E1=E°+Slg[Ox]1E2=E°+Slg[Ox]2E=E1-E2=Slg[Ox]1/[Ox]2[Ox]2为常数E=常数+Slg[Ox]1伏特计膜RE1RE2浓差电池示意图a1a2电位型传感器－离子选择电极E膜=K´+0.059lga1=K´-0.059pH试液(1)玻璃膜电位与试样溶液中的pH成线性关系。(2)式中K´是由玻璃膜电极本身性质决定的常数；膜由疏水材料组成，如PVC,膜吸入液态离子交换试剂，如氨基霉素（对钾）。为了保持膜中浓度平稳，需要一个溶于有机溶剂的自己交换溶液的专用储存器以及参考溶液和内参比电极。液膜电极这类离子选择性电极的一些实例是硝酸根、铜离子、氯离子、高氯酸跟、钾离子等。其中硝酸盐电极广泛用于测定土壤和水中的硝酸盐。气体传感器•气体电极主要基于pH电极，并能够检测在含水体系中形成酸或碱溶液的气体。•电极装置中有一个气体可以通过的膜，如右图。膜和氢选择性玻璃电极之间有一内电解质，电解质中含有材料能与气体材料形成缓冲剂，例如对氨电极，使用的是氯化铵，建立如下平衡高浓度氯化铵的存在能保持铵离子浓度不变，因此，氨浓度的对数直接比例于溶液的pH值.类似的还有二氧化硫、二氧化碳、硫化氢电极.所以K＝[NH3][H+]/[NH4+]lg[NH3]=pH+pKa＋lg[NH4+]NH3＋H+NH4＋NH4ClNH4＋＋Cl－电位型生物传感器－pH键联在发生上述反应时pH值有变化，所以pH值测定可以用于监测此反应.葡萄糖+O2+H2O────→葡萄糖酸+H2O2葡萄糖氧化酶CO(NH2)2+H2O──→2NH3+CO2尿酶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。电流型传感器伏安测量法连续测试通过电池的电流。在记录议上描述上测试得到的电流对电位数据图－此方法称为伏安图法。最为直观的技术称作线性－扫描伏安测定法，如左图。对于可逆电子迁移的情况，峰电流可由下面的公式求得如果逆反应不发生，峰电流的公式可以修正为氧电极有不少酶特别是各种氧化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，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。葡萄糖+O2+H2O────→葡萄糖酸+H2O2葡萄糖氧化酶电导测量电导是电阻的倒数，是量度电流通过溶液的难易程度的物理量。电导和电阻一样与电池的尺寸有关。例如电池长度为l,横截面为A，则电导L＝κA/l,κ为比电导为了规范化，对于溶质的质量摩尔浓度得到摩尔电导∧＝κ/c电导测量十分简单，直接比例于所在溶液中离子的浓度。左上是电导桥式电路。在传统桥式电路中，电阻R3作为电桥平衡的调节电阻并用一个电池常数将电导转换为电导率。在现代仪器中，这些都已自动化以数字化读数输出的电导型传感器尿素+2H2O──→2NH4++HCO3-四、光纤传感器引言光导纤维及其应用是20世纪70年代以来世界科学技术领域最重要的发明之一，它与激光器、光导体、光探测器一起，构成了光电子学的新领域。光导纤维化学传感器和生物传感器是80年代诞生的一种新的传感技术，是分析化学近10多年来的一个重大发展。光导纤维生物传感器又称光极美国fiberopticalbiosensor欧洲大陆optode;英国optrodeforgroundbreakingachievementsconcerningthetransmissionoflightinfibersforopticalcommunication光导纤维生物传感器的结构光导纤维的波导作用及其构形玻璃（包括硅藻凝胶、硅胶、石英和多孔玻璃微球等）、纤维素、琼脂糖、高分子聚合物（包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、尼龙等）离子交换膜、渗析膜、壳质胺、牛血清蛋白等。厚度在5—200μm之间。近年来具有单分子层结构的人工类脂膜受到很大重视，已用于制备高选择性、快响应的生物传感器。固定分子识别物质的载体光学透明物质光纤传感器的识别模式•紫外可见光吸收光谱•荧光光谱•化学发光•光反射－全内反射光谱•光散射生物催化传感器最简单的一种是用固定化酯酶或脂肪酶作成生物催化层进行分子识别，再通过产物的光吸收对底物浓度进行传感，如测量在404nm波长下的吸收，即可确定对硝基苯磷酸的含量，线性范围为0——400μmol/L，生物体内许多酶类和脂肪类物质都可用这类传感器进行测定。研究最多的当属检测NADH的生物催化传感器乳酸+NAD+丙酮酸+NADH在生物催化层中生成的NADH也可利用耦合的FMN（黄素单核苷酸）生物发光反应，通过光导纤维进行传感。谷氨酸盐+NAD+酮式二酸+NH4++NADHNADH+FMN+H+NAD++FMNH2FMNH2+RCHO+O2FMN+RCOOH+h某些生物催化反应所产生的物质不能直接给出光学信号，需要在生物催化层和光测量之间插入一个起换能作用的化学反应，使其转变为能进行光检测的物质，称为复合光极。如许多酶催化反应都能消耗或产生质子、氧、二氧化碳或过氧化氢等.青霉素G青霉素酮酸盐+H+胆固醇+O2+H2O胆固烯酮+H2O2L-苏氨酸-丁酮酸+NH3L-谷氨酸L-氨基素+CO2生物感受器（biologicalreceptor）•光导纤维免疫传感器•酶活性传感器这类传感器是将相关酶的底物固定在光纤上，在待测酶的作用下生成的产物可用光吸收或进行测定。它主要用于人体内各种水解酶活性的测定，如脂肪酶、磷酸酯酶、碳酸酯酶、酰基转移酶和淀粉酶等，由于底物反应后非固定化部分是酸或糖类，因而它在体内不会造成对健康地损害。五、其他传感器压电传感器•1880年，Curie兄弟发现有一种各项异性晶体，即那些不具有对称中心的晶体，如石英和电石。当这类晶体处于机械受力状态下会产生电信号，反之