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1、电化学传感器和生物传感器本讲稿第一页，共三十九页上一节课主要内容回顾上一节课主要内容回顾：1.碘离子碘离子选择选择性性电电极极电电位型生物位型生物传传感器感器2.金属离子金属离子选择选择性性电电极极电电位型生物位型生物传传感器感器3.酶酶传传感器的三种反感器的三种反应应模式模式4.经经典典酶酶电电极的反极的反应应原理、原理、优优缺点缺点5.媒介体媒介体酶酶电电极的原理，常用媒介体及好的媒介极的原理，常用媒介体及好的媒介体所需具体所需具备备的条件的条件本讲稿第二页，共三十九页 电流型生物传感器电流型生物传感器 第三代：直接第三代：直接酶电极极第三代第三代电流型生物流型生物传感器感器为直接直接电化
2、学化学酶传感器（直接感器（直接电化学化学酶电极），是极），是酶的氧化的氧化还原活性中心原活性中心和和电极表面极表面直接交直接交换电子的子的酶传感器（直接感器（直接电化学）。化学）。本讲稿第三页，共三十九页直接和直接和间接接酶传感器的感器的电子子传递本讲稿第四页，共三十九页 电流型生物传感器电流型生物传感器 第三代：直接第三代：直接酶电极极实现酶的直接电化学的困难所在：实现酶的直接电化学的困难所在：葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶酶的分子量大，分子结构复杂，酶的分子量大，分子结构复杂，酶的电活性中心往往被酶蛋白酶的电活性中心往往被酶蛋白本体紧紧地封闭（或绝缘），本体紧紧地封闭（或绝缘），使其不易暴露难于
3、接近电极表使其不易暴露难于接近电极表面。面。本讲稿第五页，共三十九页 电流型生物传感器电流型生物传感器 第三代：直接第三代：直接酶电极极实现途径：实现途径：使用电子转移促进剂使用电子转移促进剂媒介体：媒介体：在所研究的电位窗内在所研究的电位窗内有电活性有电活性，在酶的，在酶的氧化还原活性中心与电极之间传递电子。氧化还原活性中心与电极之间传递电子。促进剂：促进剂：在所研究的电位窗内在所研究的电位窗内无电活性无电活性，可以使，可以使少数酶与电极之间的直接电子转移成为可能。少数酶与电极之间的直接电子转移成为可能。本讲稿第六页，共三十九页 电流型生物传感器电流型生物传感器 第三代：直接第三代：直接酶电
4、极极电子转移促进剂的种类：电子转移促进剂的种类：金属阳离子和络合阳离子金属阳离子和络合阳离子直链多胺直链多胺环状多胺环状多胺氨基糖苷类化合物氨基糖苷类化合物本讲稿第七页，共三十九页 电流型生物传感器电流型生物传感器 第三代：直接第三代：直接酶电极极金属阳离子和络合阳离子金属阳离子和络合阳离子Ca2+Mg2+Cr(NH3)63+本讲稿第八页，共三十九页 电流型生物传感器电流型生物传感器 第三代：直接第三代：直接酶电极极直链多胺直链多胺乙二胺乙二胺精胺精胺亚亚精胺精胺本讲稿第九页，共三十九页 电流型生物传感器电流型生物传感器 第三代：直接第三代：直接酶电极极环状多胺环状多胺环环四胺四胺类类本讲稿第
5、十页，共三十九页 电流型生物传感器电流型生物传感器 第三代：直接第三代：直接酶电极极氨基糖苷类化合物氨基糖苷类化合物链链霉素霉素本讲稿第十一页，共三十九页 电流型生物传感器电流型生物传感器 第三代：直接第三代：直接酶电极极氨基糖苷类化合物氨基糖苷类化合物庆庆大霉素大霉素本讲稿第十二页，共三十九页 电流型生物传感器电流型生物传感器 第三代：直接第三代：直接酶电极极氨基糖苷类化合物氨基糖苷类化合物卡那霉素卡那霉素本讲稿第十三页，共三十九页四四类促促进剂效果效果对比比甲酚甲基羟化酶甲酚甲基羟化酶本讲稿第十四页，共三十九页 电流型生物传感器电流型生物传感器影响促影响促进剂效果的因素效果的因素促进剂的结
6、构促进剂的结构促进剂所带电荷促进剂所带电荷形成氢键的能力形成氢键的能力本讲稿第十五页，共三十九页 电流型生物传感器电流型生物传感器促促进剂作用机理作用机理促进剂通过与酶的促进剂通过与酶的静电作用静电作用和通过和通过形成氢键形成氢键将将电极表面与酶的氧化还原中心连接起来电极表面与酶的氧化还原中心连接起来,从而从而使直接电子交换成为可能。使直接电子交换成为可能。促进剂在电子传递过程中起着促进剂在电子传递过程中起着桥梁作用桥梁作用。本讲稿第十六页，共三十九页 第三代：直接第三代：直接酶电极极实现途径：实现途径：对酶进行化学修饰对酶进行化学修饰电活性物质在电极上的反应速率显著依赖于电活性物质在电极上的
7、反应速率显著依赖于电子隧道距离电子隧道距离,随着电子隧道距离的增大反应速率成指数下降随着电子隧道距离的增大反应速率成指数下降 电子转移速率电子转移速率电子隧道距离电子隧道距离（最大允（最大允许值为许值为17）1=10-10 m本讲稿第十七页，共三十九页 第三代：直接第三代：直接酶电极极机机 理理经化学修饰的酶，经化学修饰的酶，构象发生构象发生改变改变，形成，形成电子转移中继体电子转移中继体,便可便可缩短电子隧道距离缩短电子隧道距离,从从而实现酶的直接电化学。而实现酶的直接电化学。本讲稿第十八页，共三十九页 第三代：直接第三代：直接酶电极极常用的化学修饰剂常用的化学修饰剂Ru(NH3)5H2O2
8、+二茂铁乙酸二茂铁乙酸氢醌磺酸钠氢醌磺酸钠本讲稿第十九页，共三十九页 第三代：直接第三代：直接酶电极极常用的化学修饰剂常用的化学修饰剂2,5二二羟羟基苯甲酸基苯甲酸钠钠-萘醌萘醌磺酸磺酸钠钠本讲稿第二十页，共三十九页 第三代：直接第三代：直接酶电极极缺缺 点点损害酶的活性损害酶的活性：与天然酶相比：与天然酶相比,化学修饰酶的化学修饰酶的活性只保持原来的二分之一至三分之二活性只保持原来的二分之一至三分之二,这是这是此法的一大缺点。此法的一大缺点。实现途径：实现途径：对酶进行化学修饰对酶进行化学修饰本讲稿第二十一页，共三十九页 第三代：直接第三代：直接酶电极极实现途径：实现途径：酶吸附在电极表面酶
9、吸附在电极表面葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶葡萄糖酸盐脱氢酶葡萄糖酸盐脱氢酶辣根过氧化物酶辣根过氧化物酶细细胞色素胞色素C过过氧化物氧化物酶酶主要包括的酶主要包括的酶本讲稿第二十二页，共三十九页 第三代：直接第三代：直接酶电极极实现途径：实现途径：酶吸附在电极表面酶吸附在电极表面汞电极汞电极常用的电极常用的电极石墨电极石墨电极玻碳电极玻碳电极碳糊电极碳糊电极缺点：酶生物催化活性的缺失。缺点：酶生物催化活性的缺失。金电极金电极本讲稿第二十三页，共三十九页 第三代：直接第三代：直接酶电极极实现途径：实现途径：酶固定化在导电聚合物膜内酶固定化在导电聚合物膜内本讲稿第二十四页，共三十
10、九页 第三代：直接第三代：直接酶电极极实现途径：实现途径：酶固定化在导电聚合物膜内酶固定化在导电聚合物膜内本讲稿第二十五页，共三十九页三代三代酶传感器感器对比比本讲稿第二十六页，共三十九页 电流型生物传感器实例电流型生物传感器实例 葡萄糖生物葡萄糖生物传感器感器pH计计Clark 氧氧电电极极过过氧化氧化氢电氢电极极碘离子碘离子电电极极二茂二茂铁电铁电极极本讲稿第二十七页，共三十九页本讲稿第二十八页，共三十九页乳酸乳酸+NAD+丙丙酮酮酸酸盐盐+NADH+H+乳酸脱乳酸脱氢酶氢酶NADHNAD+2e-+H+电流型生物传感器实例电流型生物传感器实例 乳酸生物乳酸生物传感器感器本讲稿第二十九页，共
11、三十九页乳酸乳酸+2Fe(CN)63-丙丙酮酮酸酸盐盐+2Fe(CN)64-+2H+细细胞色胞色素素b2 电流型生物传感器实例电流型生物传感器实例 乳酸生物乳酸生物传感器感器Fe(CN)64-Fe(CN)63-+e-本讲稿第三十页，共三十九页乳酸乳酸+O2丙丙酮酮酸酸盐盐+H2O2乳酸氧化乳酸氧化酶酶 电流型生物传感器实例电流型生物传感器实例 乳酸生物乳酸生物传感器感器H2O2 -2e-2H+O2本讲稿第三十一页，共三十九页乳酸乳酸+O2乙酸乙酸盐盐+CO2+H2O乳酸乳酸单单氧化氧化酶酶 电流型生物传感器实例电流型生物传感器实例 乳酸生物乳酸生物传感器感器H2O22H+O2+2e-本讲稿第三
12、十二页，共三十九页 电流型生物传感器实例电流型生物传感器实例 胆固醇生物胆固醇生物传感器感器最基本的类固醇最基本的类固醇本讲稿第三十三页，共三十九页 电流型生物传感器实例电流型生物传感器实例 胆固醇生物胆固醇生物传感器感器高密度胆固醇高密度胆固醇（对心血管有保护作用，通常称之为（对心血管有保护作用，通常称之为“好胆固醇好胆固醇”）低密度胆固醇低密度胆固醇（若偏高，冠心病的危险性会增加，通常称之为（若偏高，冠心病的危险性会增加，通常称之为“坏胆固醇坏胆固醇”）本讲稿第三十四页，共三十九页 电流型生物传感器实例电流型生物传感器实例 胆固醇生物胆固醇生物传感器感器与高胆固醇血症密切相关的疾病与高胆固
13、醇血症密切相关的疾病动动脉粥脉粥样样硬化硬化静脉血栓静脉血栓胆石症胆石症冠心病冠心病心心脏脏病病本讲稿第三十五页，共三十九页 电流型生物传感器实例电流型生物传感器实例 胆固醇生物胆固醇生物传感器感器血清中总胆固醇的正常含量血清中总胆固醇的正常含量每每单单位在位在140199毫克毫克 自然界中的胆固醇主要存在于自然界中的胆固醇主要存在于动物性食物动物性食物之中，植物之中，植物中没有胆固醇。中没有胆固醇。兽肉兽肉的胆固醇含量高于的胆固醇含量高于禽肉禽肉，肥肉肥肉高于高于瘦肉瘦肉，贝壳类贝壳类和软体类和软体类高于高于一般鱼类一般鱼类，而，而蛋黄蛋黄、鱼子鱼子、动物内脏动物内脏的胆固醇的胆固醇含量则最
14、高。含量则最高。本讲稿第三十六页，共三十九页 电流型生物传感器实例电流型生物传感器实例 胆固醇生物胆固醇生物传感器感器 含膳食含膳食纤维纤维丰富的食物丰富的食物，如：芹菜、玉米、燕麦等；茶叶中，如：芹菜、玉米、燕麦等；茶叶中的的茶色素茶色素可降低血液可降低血液总总胆固醇，防止胆固醇，防止动动脉粥脉粥样样硬化和血栓形成，硬化和血栓形成，绿绿茶茶比比红红茶更好；茶更好；维维生素生素C 与与E可降低血脂，可降低血脂，调调整血脂代整血脂代谢谢，它，它们们在深色或在深色或绿绿色植物色植物（蔬菜、水果）及豆（蔬菜、水果）及豆类类中含量中含量颇颇高。高。饮饮酒酒可能使血中的高密度脂蛋白升高，加可能使血中的高
15、密度脂蛋白升高，加强强防治高胆固醇血症的防治高胆固醇血症的作用。作用。饮饮酒量以每日酒量以每日摄摄入的酒精不超入的酒精不超过过20克（白酒不超克（白酒不超过过50克）克）为为宜，葡萄酒宜，葡萄酒较较合适，但必合适，但必须严须严格限制格限制摄摄入量。入量。本讲稿第三十七页，共三十九页 电流型生物传感器实例电流型生物传感器实例 胆固醇生物胆固醇生物传感器感器如何用胆固醇传感器对胆固醇进如何用胆固醇传感器对胆固醇进行有效检测？行有效检测？本讲稿第三十八页，共三十九页思考题思考题：1.第三代第三代酶酶传传感器的概念。感器的概念。2.实现实现酶酶的直接的直接电电子子传递传递的四种途径及各自的的四种途径及各自的优优缺缺点。点。3.三代三代酶酶传传感器的区感器的区别别及各自的及各自的优优缺点。缺点。4.葡萄糖生物葡萄糖生物传传感器，乳酸生物感器，乳酸生物传传感器。感器。5.胆固醇胆固醇检测检测的意的意义义。本讲稿第三十九页，共三十九页