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第三章 化学与生物传感器
3.1 概述
3.2 核心元件
3.3 电化学传感器
3.4 光学传感器
3.5 其他传感器
参考书：布莱恩 R 埃金斯 著 《化学与生物传感器》
化学工业出版社
3.1 概述
传感器是什
么东西呀？
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。
传感器结构示意图
样品
识别元件 换能器
传导器
测量装置
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
3.2 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
分子的识别－生物识别试剂

酶催化识别反应

抗体-抗原免疫反应

核酸杂交识别反应

适配体与目标物识别反应

信息分子与受体识别反应
酶催化识别反应
葡萄糖氧化酶
葡萄糖 + O2 + H2O ────→ 葡萄糖酸 + H2 O2
•酶
• 组织材料
• 微生物
• 线粒体
抗体-抗原免疫反应
Ag + Ab = Ag-Ab
核酸杂交反应
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.
Figure 9-3 The four bases of DNA all contain nitrogen.They are shown on
colored shapes that will be used throughout the chapter to represent these
chemicals.
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。
生物组分的固定化－微囊包封法
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－截留法
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－交联法
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－共价法
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。
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。
3.4 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 fiber optical biosensor
欧洲大陆 optode
英国 optrode
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
人们还发现，当光到达光导纤维纤
芯和包层界面时，并不能立刻产生全反
射，而是渗入光疏介质一定深度（图
19.3）。也就是说，光的电场强度在界
面处并没有立即减小为零，而是在外部
介质中以指数的形式减弱，且延伸到第
二介质中去，在第二介质形成一个“尾
巴”，这一现象叫消失波（evanescent
wave）。
• 传感层
传感层由固定化分子识别物质和载体组成
优良的传感层：
 高的灵敏度和选择性
 较快的响应速度
 良好的稳定性和可逆性
 较长的寿命
 光导纤维生物传感器的分子识别反应
酶催化识别反应
特异性抗体-抗原免疫反应
核酸杂交反应
蛋白分子受体-配位体识别反应
外源集素-糖分子识别反应
 用于固定分子识别物质的载体都是光学透明物质
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。
分子识别物质在载体上的固定化方法有包埋
法、
吸附固定法、电价固定法和共价偶联
法。
牛血清蛋白 - NH 2 + COH - (CH 2 )3 - COH + H 2 N - 酶 ®
牛血清蛋白 - N = CH - (CH 2 )3 - CH = N - 酶
再将酰胺健还原成比较稳定的氨基健；
牛血清蛋白 - N = CH - (CH 2 )3 - CH = N - 酶 ¾¾¾4 ®
LiBH
牛血清蛋白 - NH - CH 2 - (CH 2 )3 - CH 2 - NH - 酶
对玻璃类的载体则需先进行硅烷化处理，
“修饰”上活性基团：
光纤传感器的检测模式
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。
碱碱碱碱碱
对硝基苯磷酸酯
+
磷酸
¾
¾
¾
®对硝基苯酚
+
H
0¾
2
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+ + NADH
NADH + FMN + H+ ® NAD+ + FMNH2
FMNH2 + 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 +H2O2
L-苏氨酸 ® -丁酮酸 + NH3
L-谷氨酸 ® L-氨基素 + CO2
生物感受器（biological receptor）
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。
Thank you！