酶传感器响应过程原理

1、酶传感器响应过程原理（2013-03-18 15:02:57）转载标签： 杂谈算是一个科普贴，1991年同导师一起写过一个Review （Clin.Chem.真有点不敢相信，居然 二十多年了），这个示意图是当时做的，表示葡萄糖氧化酶传感器的表面结构及反应原理。 现在用一个彩色图来帮助回顾传感器响应过程。这是一个简化的原理图（简单的传感器膜结构，对电极不在同一个膜内，所以膜需要有导电 性），只包括主要步骤，每个数字代表一个步骤（或过程）。被测液7 干扰翎分子胞极电路反应产物3-电子流动被测液7 干扰翎分子胞极电路反应产物3-电子流动步骤1、2、3、4代表主反应路径：（1）溶液本体内的被测分子经浓

2、差扩散（水溶液扩散系数D）到达传感器膜表面（绿色 粗箭头），再经浓差扩散经传感器外膜（外膜的扩散系数D1）达到酶层（绿色细箭头，包 括在酶层内的扩散系数D2）。（2）分子与酶反应（红色区域），产生电活性的反应产物过氧化氢和葡萄糖酸。酶的总 活性要求远大于葡萄糖通过外膜的通量，使进入酶层的葡萄糖瞬时转化完毕，达到酶层内的 葡萄糖浓度=0.（3）过氧化氢（黄色箭头）分别向内和向外扩散，其扩散通量的分配比取决于过氧化氢 在外膜和内膜材料中的溶解度和各自的扩散系数（D1/D3），向内扩散的部分到达电极表面， 发生电极反应。（4）过氧化氢在电极表面发生电极反应（红色箭头），形成电极电流（紫色箭头）。电

3、极反应速率必须足够快，使电极表面的过氧化氢浓度等于零。除主反应路径之外，其它几个构成电化学信号测量回路的因素也同样重要：（5）由于电子交换，负电荷流入电极电路，同时也产生等量正电荷产物氢离子（或其它 正离子），使电极表面积累正电荷，此过程形成电位差（电容效应），并降低界面附近的 pH值。并由此产生正负离子的浓差扩散。正离子向溶液迁移，溶液中的负离子向电极表面 迁移。（6）如果葡萄糖分子在外膜内的扩散系数足够大，会在传感器-溶液界面上产生浓度梯度， 进而形成浓度扩散层（两个黑色箭头间距离），使外膜表面的表观浓度小于溶液本体浓度。 扩散层的存在使信号电流受液体扰动的影响。（7）溶液中存在的电化学干

4、扰物（或对酶反应的干扰物）也能够扩散进入电极表面，产生 干扰信号。外膜、酶层、和内膜对干扰物的扩散有一定阻碍作用，当采用有效材料和工艺时， 能够有效拦阻大部分干扰信号（橙色多股箭头）。一般性讨论：定量检测的基本要求是信号电流-葡萄糖浓度为线性关系，关键在于这里所说的浓度是被 测物本体浓度，这就要求在整个反应链中葡萄糖分子扩散通过外膜的速率是最慢的步骤（1）， 其它所有后续步骤速率都必须远大于这一步。可以形象地表示为一个人要靠步行越过沙漠， 一旦通过后，进入酶层就搭上了时光快车，以光速转换成电子和电流。过程的旅行时间基本 上等于走过沙漠的时间。对外膜扩散系数的要求：依靠外膜扩散控制的特性来调整葡

5、萄糖进入酶层的速率，是达到 浓差控制的最直接方式，标准是信号-浓度的线性关系。葡萄糖在水溶液中的扩散系数一般 在5x10-6（cm2/sec）数量级，而欲达到无流体效应（没有表面浓度梯度扩散层）外膜的扩散系 数不能超过1%，就是说外膜内葡萄糖的扩散系数要低2个数量级以上。根据示意图中的过 程，细绿色箭头所指的通量比较粗绿色箭头的千分之几或更低才行。这样才能获得过程（6） 扩散层厚度=0的条件。对酶活性要求：酶的有效活性要远大于进入酶层的葡萄糖通量，才能随时将全部分子转化。 理想情况是酶层无限薄，活性无限大，不需要考虑分子在酶层内的扩散特性。但是实际上固 化为准固体状态的蛋白质分子，由于活性中心

6、被阻挡或抑制，其有效活性只能达到稀溶液中 活性的一小部分，充其量百分之几，所以酶层的厚度往往比外膜厚度还要高，才能达到活性 的要求。反应产物的扩散及检测效率：理想状态是过氧化氢不向外部扩散，全部进入电极表面并形 成电流。按图中所示就是向右的黄色箭头远远大于向左的黄色箭头，才能达到最高的信号转 化效率。在这一点上，使用内膜或不使用内膜，会有许多纠结的矛盾，无论使用何种内膜， 总会降低电流效率；而不使用内膜，又会有干扰信号大的问题。电极反应速率：与前两个因素一样，电极反应必须足够快，电极表面过氧化氢浓度必须为 零。这就要求电极面积足够大，电极电压足够高，电极反应速率足够快。同样，电极面积大电极电压

7、高也有利于其它电活性分子的反应，增加背景和干扰信号，不利于传感器信号的 专属性。以上讨论仅仅是原理，实际上开发产品，要靠一整套技术来完成这些任务。过程中会发现， 根本不可能达到理论要求的尽善尽美。因此各家也就有层出不穷的招数，都有自己的高招， 宣传产品时也着力吹嘘自己的优点，是否真的如此？多半要靠用户来实际辨别。对于试纸条来说，许多传感器是没有外膜的，其信号是什么样的呢？是衰减型（如下图）。图中信号的初始幅度和衰减的速率代表两个特性：有效酶活性和扩散层厚度变化速率。当 酶活性相对无穷大时，初始信号幅度接近浓差控制，会得到图示的情况（三条虚线代表浓度 由高至低的样本）。但是实际上得不到无穷大的条

8、件，所以一般测量信号变化速率（就是扩 散层变化的速率），相当于曲线开始近似于线性变化的一段，可以代表溶液本体的浓度。较可靠的信号处理方法是积分方法，如下图所示。将信号随时间累加，任意瞬间的幅度就 代表信号总量。当信号是电流时，积分值就是库伦。甚至可以根据法拉第常数计算液体样本 所含的分子总摩尔数。走您评迎橙堤FK-这些没有外膜的条件，致命的缺陷是对样本液体的致性要求高，对血液来说，如果粘度走您评迎橙堤FK-这些没有外膜的条件，致命的缺陷是对样本液体的致性要求高，对血液来说，如果粘度变化，红细胞压积变化，造成的影响是很大的。血液中所含红细胞量的变化，直接影响扩散 层性质，这是方法的先天缺陷。实际程度影响不像有些人理解的那样轻，差别仅在于血浆浓 度和内细胞液浓度之差（10%左右），而是远大于此（可以达到30%以上）。对库伦法来说，最佳选择是完全转