物理化学论文——贵州大学.doc

物理化学论文（设计） 物理化学论文（设计）生物传感器的研究及应用 学 院：化学与化工学院 专 业： 材 料 化 学 班 级： 材 化 101 班 学 号： 1 0 0 8 1 1 0 0 2 4 学生姓名： 朱 清 元 2013年 6月5日贵州大学本科论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 13第 13 页物理化学论文（设计）目录摘 要1ABSTACT2第一章 前言211生物化学传感器基本工作原理简介3第二章 生物化学传感器的发展历史与现状简介3第三章 电化学生物传感器的应用431 酶电极传感器43.1.1电化学酶传感器53.1.2光化学酶传感器53.1.3酶传感器中应用的新技术6 3.1.3.1纳米技术63.1.3.2基因重组技术63.1.3.3溶胶-凝胶技术63.1.3.4酶的定向取向技术632 微生物电极传感器7321微生物传感器的结构7322微生物传感器的工作原理及分类7323微生物传感器的应用领域833电化学免疫传感器834组织电极与细胞器电极传感器935电化学DNA传感器9351用于DNA序列的测定9352用于环境监浏10353用于药物的检测和筛选及其抗病机理的研究10第四章 总结与展望10文 献11生物传感器的研究及应用摘 要生物传感器尤其是微生物传感器近年来在发酵工业及环境监测领域中的研究与应用，对其发展前景及市场化作了预测及展望。生物电极是以固定化生物体组成作为分子识别元件的敏感材料，与氧电极、膜电极和燃料电极等构成生物传感器，在发酵工业、环境监测、食品监测、临床医学等方面得到广泛的应用。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。关键词：生物传感器；生物技术。 ABSTACTBiosensorespeciallymicrobialsensorinrecentyearsinfermentationindustryandenvironmentalmonitoringinthefieldofresearchandapplicationmakesthecontributiontothedevelopmentprospectandmarketintopredictionandprospect.Biologicalelectrodeiscomposedofimmobilizedorganismsasmolecularrecognitionofcomponentsofthesensitivematerials,andoxygenelectrode,thefilmelectrodeandfuelelectrodeiscomposedofbiologicalsensors,infermentationindustry,environmentalmonitoring,foodmonitoringandclinicalmedicineetcwidelyapplication.Biosensorhasgoodspecificity,easyoperation,simpleequipment,quickandaccuratemeasurement,scopeapplication.Alongwiththedevelopmentofthetechniqueofimmobilization,biologicalsensorsinthemarkethavestrongcompetitivenes Key：words:Biosensorbiotechnology 第一章 前言 生物电化学传感器是一种较经济、操作过程很简单的分析装置,由生物识别体与电化学换能系统组成.生物识别体具有专一识别各种被测物质的功能,换能系统能将生物化学信息转变成为电讯号.生物电化学传感器广泛用于临床医学、生态监控、食品监测等方面.生物电化学传感器按制备材料或反应来分,有酶传器、微生物传感器、组织传感器、免疫传感器、细胞器传感器等.11生物化学传感器基本工作原理简介 传感器通常由敏感(识别)元件、转换元件、电子线路及相应结构附件组成。生物传感器是指用固定化的生物体成分(酶、抗原、抗体、激素等)或生物体本身(细胞、细胞器、组织等)作为感元件的传感器。电化学生物传感器则是指由生物材料作为敏感元件,电极(固体电极、离子选择性电极、气敏电极等)作为转换元件,以电势或电流为特征检测信号的传感器。由于使用生物材料作为传感器的敏感元件,所以电化学生物传感器具有高度选择性,是快速、直接获取复杂体系组成信息的理想分析工具。一些研究成果已在生物技术、食品工业、临床检测、医药工业、生物医学、环境分析等领域获得实际应用。敏感材料是对目标物进行选择性作用的生物活性单元。最先被使用的是具有高度选择催化活性的酶。酶或是以物理方法(包埋、吸附等)，或是以化学方法(交联、聚合等)被固定在化学传感器的敏感膜中，然后，以化学电极作为换能器测定酶催化目标物反应所生成的特定产物的浓度，从而问接地测定目标物的浓度。随着物理检测手段的引入，人们已成功地把抗体、DNA聚合物、核酸、细胞受体和完整细胞等具有特异选择性作用功能的生物活性单元用作了敏感材料。第2章 生物化学传感器的发展历史与现状简介 1962年，Clark在纽约自然科学学会的论文集中首次提出了“在化学电极的敏感膜中加入酶以实现对目标物进行选择性分析”的设想。1967年，Updike等人把葡萄糖氧化酶固定化膜和氧电极组装在一起，制成了第一代生物传感器。经过40年地不断发展，随着研究的深入，各种物理手段不断地被引入到生物传感器，当今的生物传感技术日新月异。1975年，热酶探针(thermalenzymeprobe)和酶热敏电阻器(tnzymethermistor)分别研制成功。20世纪70年代起，人们就开始寻求一种可以直接捕捉敏感源与目标物之间结合过程(如，抗体与抗原的结合)的换能器。直到1983年，Leiberg等人发表了一篇采用表面等离子体共振(SPR)技术实现实时监测亲合反应的报道后，这一问题才得到解决，这一技术随即促成了免疫传感器的产生。1984年，Turner等人报道了用二茂铁及其衍生物作为氧化还原酶的介体以制造廉价酶电极的方法。很快MediSense公司便以此为基础发展了能大规模生产具有高重现性酶电极的丝网印刷技术，该技术推动了生物传感器的发展。20世纪90年代初，生物传感器的研究进入第二阶段，这时期的生物传感器为第二代。第二代生物传感器的特点是使用抗体或受体蛋白作分子识别组件，换能器的选用则更为多样化，诸如场效应管(FET)，光纤(FOS)，压电晶体(PZ)，声表面波(SAW)器件等。1996年，Turner等人研制的一种以DNA为敏感源的传感器，利用液晶分散技术，将DNA聚阳离子配合物固定在换能器上，所有能影响DNA分子间交联度的化学和物理因素均能被灵敏地捕获，并反映为一个强的、具有“指纹”结构的圆二色谱吸收峰。2l世纪发展的生物传感器为第三代产品，随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器不断地向微型化、集成化方向发展，便携式测试仪已得到快速发展。当今，纳米材料在生物传感器中的应用，使其研究进入崭新阶段。我国生物传感器研究始于20世纪80年代初，20世纪90年代是我国生物传感器应用取得较大发展的l0年，山东省科学院生物研究所是国内首家在该方面研究开发取得成功的单位，从1983年到1998年已研制成功了l0多项产品，有的成果达到国际先进水平。以SBA_40型和50型生物传感分析仪为代表，仪器集成了许多智能化操作程序，其主程序可方便地满足多种自动测定要求。具有多酶协同作用的复合酶膜生物传感器，通过自动测定程序实现了糖化酶活性的快速自动测量，应用双电极一差分的方法实现了难以分析的生化样品测定，包括尿素、谷氨酰胺、淀粉、蔗糖、乳糖、麦芽糖等第三章 电化学生物传感器的应用31 酶电极传感器 以葡萄糖氧化酶(GOD)电极为例简述其工作原理。在GOD的催化下,葡萄糖(C6H12O6)被氧氧化生成葡萄糖酸(C6H12O7)和过氧化氢:C6H12O6+ O2+ 2H2OGODC6H12O7+ 2H2O2根据上述反应,显然可通过氧电极(测氧的消耗)、过氧化氢电极(测H2O2的产生)和pH电极(测酸度变化)来间接测定葡萄糖的含量。因此只要将GOD固定在上述电极表面即可构成测葡萄糖的GOD传感器。这便是所谓的第一代酶电极传感器。这种传感器由于是间接测定法,故干扰因素较多。第二代酶电极传感器是采用氧化还原电子媒介体在酶的氧化还原活性中心与电极之间传递电子。第二代酶电极传感器可不受测定体系的限制,测量浓度线性范围较宽,干扰少。现在不少研究者又在努力发展第三代酶电极传感器,即酶的氧化还原活性中心直接和电极表面交换电子的酶电极传感器。目前已有的商品酶电极传感器包括: GOD电极传感器、L-乳酸单氧化酶电极传感器、尿酸酶电极传感器等。在研究中的酶电极传感器则非常多。 3.1.1电化学酶传感器 基于电子媒介体的葡萄糖传感器,具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好、寿命长、抗干扰性能好等优点,尤为受到重视。二茂铁由于有不溶于水、氧化还原可逆性好、电子传递速率高等优点,得到了广泛的研究和应用。目前研究的重点是防止二茂铁等电子媒介体的流失,从而提高生物传感器的稳定性和寿命。提高传感器稳定性的主要方法是利用环糊精作为载体,形成主客体结构。如孙康等5以-环糊精与戊二醛缩合而成的聚合物(-CDP)为主体,电子媒介体二茂铁为客体,形成稳定的包络物,制成了葡萄糖、乳糖生物传感器。由于包络物的形成,避免了二茂铁的流失,生物传感器的稳定性得到提高,使用寿命得到延长。再如朱邦尚等6以电子媒介体1,1-二甲基二茂铁为客体与-CDP形成稳定的主客体包络物。用牛血清白蛋白-戊二醛交联法,把葡萄糖氧化酶(GOD)和主客体包络物固定到电极上,成功地制成了葡萄糖传感器。该传感器具有稳定性高、选择性好和较长的使用寿命等优点,线性响应范围为0.0118。利用二茂铁也可以制成组织传感器。3.1.2光化学酶传感器 宋正华等将具有分子识别功能的-葡萄糖甙酶和能进行换能反应的Luminol分别固定在壳质胺和大孔阴离子交换剂的柱中,组成流动注射系统。苦杏仁甙在-葡萄糖甙酶催化下分解生成的CN-(分子识别反应)与溶解氧反应生成超氧阴离子自由基,继而同Luminol反应产生化学反应(换能反应)。这一新型生物传感器的化学发光强度与苦杏仁甙量在1200g之间呈良好线性关系,检出限为0.3g,相对标准偏差为3.1%,并具有良好选择性。每次测定时间为2min,-葡萄糖甙酶柱寿命为6个月Luminol柱可使用200次以上。 3.1.3酶传感器中应用的新技术 3.1.3.1纳米技术 固定化酶时引入纳米颗粒能够增加酶的催化活性,提高电极的响应电流值。首先,纳米颗粒增强GOD在载体表面上的固定作用;其次是定向作用,分子在定向之后,其功能会有所改善;第三,由于金、铂纳米颗粒具有良好的导电性和宏观隧道效应,可以作为固定化酶之间、固定化酶与电极之间有效的电子媒介体,从而使得GOD的氧化还原中心与铂电极间通过金属颗粒进行电子转移成为可能,酶与电极间可以近似看作是一种导线来联系的。这样就有效地提高了传感器的电流响应灵敏度。 3.1.3.2基因重组技术 周亚凤等将黑曲霉GOD基因重组进大肠杆菌、酵母穿梭质粒,转化甲基营养酵母,构建出GOD的高产酵母工程菌株。重组酵母GOD比活力达426.63u/mg蛋白,是商品黑曲霉GOD的1.6倍,催化效率更高。重组酵母GOD的高活力特性可有效提高葡萄糖传感器的线性检测范围。3.1.3.3溶胶-凝胶技术溶胶-凝胶应用于生物传感器领域具有如下一些优点9:(1)基质在可见光区是透明的,适于光化学生物传感器的制作;(2)基质具有一定的刚性,提高了生物活性物质的热稳定性;(3)基质热稳定性好,并且呈化学惰性,对生物活性物质的失活作用很小,保持了活性;(4)通过溶胶-凝胶制备条件的优化,可控制基质的孔径大小和分布,使酶分子有足够的自由活动空间而又不至于从基质中流失,从而提高传感器的使用寿命;(5)溶胶-凝胶材料还具有生物相容性,为微电极植入人体提供了新的可能性;(6)还可通过对先驱体的功能化赋予溶胶-凝胶新的性能;(7)溶胶-凝胶的制备条件十分温和,生物分子可以在不同的制备阶段加入,并且可以制成不同大小与形状的修饰电极等。溶胶-凝胶材料作为酶固定化载体,开辟了制备生物传感器的新领域。 3.1.3.4酶的定向取向技术 经典的固定化酶方法主要有物理吸附、化学偶联、交联、凝胶包埋和微胶囊法等。酶在固定化过程中活力降低的因素主要有:(1)固定过程中的化学损伤;(2)酶分子不适合的空间取向使得与底物发生邻近定向效应受阻,催化作用减弱。因此,酶或蛋白质分子空间沉积的方向控制是制备高质量固定化酶、酶标试剂和生物器件的前提。固定化酶空间取向方法主要有共价键法、氨基酸置换法、抗体偶联法、生物素-亲和素亲和法和疏水定向固定法等。应用较多的是生物素-亲和素亲和法。生物素-亲和素之间具有高度专一和强烈的相互作用,在pH值、温度、有机溶剂或变性剂等较大的变化范围内均能稳定存在,已经广泛应用于蛋白质的固定化及生物传感器。32 微生物电极传感器 由于离析酶的价格昂贵且稳定性较差,限制了其在电化学生物传感器中的应用,从而使研究者想到直接利用活的微生物来作为分子识别元件的敏感材料。这种将微生物(常用的主要是细菌和酵母菌)作为敏感材料固定在电极表面构成的电化学生物传感器称为微生物电极传感器。其工作原理大致可分为三种类型:其一,利用微生物体内含有的酶(单一酶或复合酶)系来识别分子,这种类型与酶电极类似;其二,利用微生物对有机物的同化作用,通过检测其呼吸活性(摄氧量)的提高,即通过氧电极测量体系中氧的减少间接测定有机物的浓度;其三,通过测定电极敏感的代谢产物间接测定一些能被厌氧微生物所同化的有机物。321微生物传感器的结构 微生物传感器是使用微生物活细胞或细胞碎片作为敏感元件与电化学换能器来制备生物传感器。10主要由2部分组成：第1部分是微生物膜，此膜是由微生物与基质（如PVA，海藻酸钠等）以一定的方式固化形成；第2部分是信号转换器（如O2电极、气敏电极或离子选择电极等）。322微生物传感器的工作原理及分类 微生物在利用物质进行呼吸或代谢的过程中，将消耗溶液中的溶解氧或产生一些电活性物质。在微生物数量和活性保持不变的情况下，其所消耗的溶解氧量或所产生的电活性物质的量反映了被检测物质的量，再借助气体敏感膜电极（如溶解氧电极、氨电极、二氧化碳电极、硫化氢电极）或离子选择电极（如pH玻璃电极）以及微生物燃料电池检测溶解氧和电活性物质的变化，就可求得待测物质的量，这是微生物传感器的一般原理。微生物电极的种类很多，根据微生物与底物作用原理的不同，微生物电极可分为测定呼吸活性型微生物电极、测定代谢物质型微生物电极。根据测量信号的不同，可分为电流型微生物电极、电位型微生物电极。323微生物传感器的应用领域 1975年Divies制成了第1支微生物传感器,到目前,微生物传感器可测定物质已达六七十种,表1列出了一些典型微生物传感器及其特性。微生物传感器不仅可以测定单一成分物质,如葡萄糖等各类碳水化合物、甲酸等各类有机酸、硝酸盐等各类含氮化合物和各类氨基酸等,还可以测定多种化合物的总量和集合效应。在发酵工业领域,微生物传感器已应用于原材料、代谢产物的测定。应用微生物传感器可不受发酵过程中常存在的干扰物质的干扰,并且不受发酵液混浊程度的限制。在生物工程领域,微生物传感器已用于酶活性的测定。微生物传感器还能用于测定微生物的呼吸活性,在微生物的简单鉴定、生物降解物的确定、微生物的保存方法的选择等方面也有应用。在医学领域里,着眼于致癌物质对遗传因子的变异诱发性,人们利用微生物传感器对致癌物质进行一次性筛选。环境监测领域是微生物传感器应用最为广泛的领域,其典型代表是BOD传感器。它可以测定水中可生物降解有机物的总量即生化需氧量33电化学免疫传感器 根据电化学免疫传感器的结构可将其分为直接型和间接型两类。直接型的特点是在抗体与其相应抗原识别结合的同时将其免疫反应的信息直接转变成电信号。这类传感器在结构上可进一步分为结合型和分离型两种。前者是将抗体或抗原直接固定在电极表面上,传感器与相应的抗体或抗原发生结合的同时产生电势改变;后者是用抗体或抗原制作抗体膜或抗原膜,当其与相应的配基反应时,膜电势发生变化,测定膜电势的电极与膜是分开的。间接型的特点是将抗原和抗体结合的信息转变成另一种中间信息,然后再把这个中间信息转变成电信号。这类传感器在结构上也可进一步分为两种类型:结合型和分离型。前者是将抗体或抗原固定在电极上;而后者抗体或抗原和电极是完全分开的。间接型电化学免疫传感器通常是采用酶或其他电活性化合物进行标记,将被测抗体或抗原的浓度信息加以化学放大,从而达到极高的灵敏度。34组织电极与细胞器电极传感器 组织电极传感器是直接采用动植物组织薄片作为敏感元件的电化学传感器称,其原理是利用动植物组织中的酶,优点是酶活性及其稳定性均比离析酶高,材料易获取,制备简单,使用寿命长等。但在选择性、灵敏度、响应时间等方面还存在不足。 细胞器电极传感器是利用动植物细胞器作为敏感元件的传感器。细胞器是指存在于细胞内的被膜包围起来的微小/器官0,如线粒体、微粒体、溶酶体、过氧化氢体、叶绿体、氢化酶颗粒、磁粒体等等。其原理是利用细胞器内所含的酶(往往是多酶体系)。 35电化学DNA传感器 电化学DNA传感器是近几年迅速发展起来的一种全新思想的生物传感器。其用途是检测基因及一些能与DNA发生特殊相互作用的物质。电化学DNA传感器是利用单链DNA(ss DNA)或基因探针作为敏感元件固定在固体电极表面,加上识别杂交信息的电活性指示剂(称为杂交指示剂)共同构成的检测特定基因的装置。其工作原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的ss DNA与溶液中的同源序列的特异识别作用(分子杂交)形成双链DNA,同时借助一能识别ss DNA和ds DNA的杂交指示剂的电流响应信号的改变来达到检测基因的目的。351用于DNA序列的测定 人类的遗传染病和某些传染病的早期诊断基于已知非正常碱基序列的检测。但传统的特定序列分析存在着耗时、费力、昂贵、难以自动化等缺点。而有顺序选择性的电化学传感技术能快速检测特定序列,且成本低廉、易于集成化和自动化,因而受到广泛关注。352用于环境监浏 利用电化学的传感器可对一些污染物、致癌物进行分子识别的研究。其研究价值在于建立一些物质快速、灵敏的电化学检测方法,探讨与其它分子的相互作用机理。353用于药物的检测和筛选及其抗病机理的研究 许多药物与核酸之间存在可逆作用,而且核酸是当代新药发展的首选目标，电化学DNA生物传感器除了可用于特定基因的检测外,还可以用于一些DNA结合药物的检测以及新型药物分子的设计。药物结构对响应的影响是DNA修饰电极研究药物与DNA相互作用的基础。罗济文15等人研究了道诺霉素(DNM)在小牛胸腺DNA修饰石墨粉末微电极上的电化学行为,提出了测定微量DNM的方法,DNM浓度在1.010-71.010-5mol/L之间,其微分脉冲伏安(DPV)峰电流与浓度有良好的线性关系,检出限为5.010-8mol/L,并以此为基础提出了一种测定人尿中痕量DNM的方法。该方法简单、快速、灵敏度较高。第四章 总结与展望各种新型电化学传感器,虽然存在着重现性较差、寿命较短的瀚,.但其高专一性、高选择姚和较高灵敏性已引起了人们的极大汪意.随着人们不断深入地研究,各种电极的应用前景是广泛的,渴望在生命科学、医学、生物学上起到独特的作用,按照受体学说,细胞内的各种受体都可作为传感器的敏感材料.将化学受体引入传感器技术,可望制成受体电极.把传感器及调放电路与数据处理单元集成在一个硅片上,可制成智能型传感器.为了动态观察细胞的结构和功能,要求制造细胞内传感器;活体检测的提出,生物传感器必须超微型化，.组合多酶系统的放大作用,可提高传感器灵敏度;化学修饰可改善传感器的性能.用微型传感器取代损坏的生命器官.例如,将活性物质集成在硅片类物质上制成的生物硅片植人人体特定部位,可以识别来自体内或体外的非电信号,经预处理后,变为可被神经系统接受并传送的电脉冲呻;它可以取代盲人的视网膜,使盲人重见光明.相泽益男制成了人工胰脏器件.单片多功能传感器是将多种酶分别固定在多个化学敏感的FET上,测定多种物质.木材纯制成了可测葡萄糖、尿素、白蛋白的单片多功能传感器。21世纪将是生物经济时代。而生物传感器则作为生物技术支撑及关键设备之一，也必然会得到极大的发展，成为生物技术发展中出现的新产业链，它们将进一步与信息技术相结合，发展成为生物技术的数字工程。测定各种生化成分的生物传感器，它的用途遍及临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括中医药研究开发）、环境保护各个领域，仍然有许多品种有待于研制。今后十年中将会有许多新领域在进一步应用生物传感器方面获得突破性进展。在家用医疗保健类生物传感器方面，手掌型血糖仪试剂条的稳定性、保存性还不理想，血糖标准浓度控制方法有待于建立。当前不破皮血糖分析仪也已问世，但是在应用上还有许多技术需要深入研究。诊断各种疾病的医用传感器，还有待于引深研发，例如谷氨酸传感器是一种稳定的脱氢酶、转氨酶、血氨的指示性传感器，它在临床急症室等许多场合可取代光度法测定，有潜在应用前景；测定胸外科病人乳酸指标的生物传感器也已开始应用,与肾透析联用的几种生物传感器也有产业化开发价值。今后十年这些生物传感器将逐渐得到普及。高速的、可以普及的使用的免疫生物传感器技术也有待于研究的突破。生物检测专用设备中的固定化酶生物传感器产品有市场前景、有科技含量、具有高附加值，但是受现阶段生物技术产品市场规模的限制，其市场容量相当有限。建议由国家支持建立一个小规模的国家工程技术中心，这有利于坚持一些小品种的生物传感器分析技术的社会服务，以推动相关产业的发展。文 献1姚赞，文盂良生物传感器的发展与市场化J传感器技术，1999，18(2)：2孙康,李仲辉,陈孝康.主客体葡萄糖、乳糖生物传感器的研制J.化学研究与应用,2001,13(4):376-379.3宋正华,章竹君.苦杏仁甙化学发光生物传感器J.分析化学,2000,28(8