电化学传感器

关于电化学传感器第一页，共九十页，2022年，8月28日第一节电化学传感器概述

一、传感器基本概念

传感器：能感受（或响应）一种信息并变换成可测量信号的器件。第二页，共九十页，2022年，8月28日物理信息：光、声、温度、压力等化学信息：组分、气味、味道等物理传感器化学传感器

化学传感器的检测对象：化学物质，要求对特定分子有选择性的响应。

化学传感器依据其工作原理可以分为：电化学式、光学式、热学式及质量式等。第三页，共九十页，2022年，8月28日二、电化学传感器工作原理

根据检测对象的不同可以分为：离子传感器、气体传感器、生物传感器

根据工作方式的不同，可以分为电位型传感器、电流型传感器、电导型传感器

电化学传感器：由一个或多个能产生与被测组分某种化学性质相关电信号的敏感元件所构成的传感器。第四页，共九十页，2022年，8月28日被分析物选择性敏感膜

化学信息换能器电信号二次仪表

电化学传感器总工作原理：将被测物与敏感材料之间相互作用产生的化学信息转换成可测量的电信号。第五页，共九十页，2022年，8月28日1、电位型传感器工作原理

膜电位与溶液中待测离子活度（或浓度）的对数值呈线性关系。

离子选择性膜中的离子与溶液中的离子发生交换反应，在两个界面处形成两个液接电位。

电位型传感器中，研究最多的是离子传感器，或称离子选择性电极。第六页，共九十页，2022年，8月28日2、电流型传感器工作原理测量的电流信号与发生电极氧化（或还原）的物质浓度相关。通过测量电流或电量来测定化学量通常采用三电极体系：工作电极、辅助电极、参比电极第七页，共九十页，2022年，8月28日3、电导型传感器工作原理通过测量电导来测定化学量惠斯顿电桥平衡法电导型传感器有极高的灵敏度，但几乎没有选择性，因此应用较少。第八页，共九十页，2022年，8月28日三、电化学传感器的性能指标

电化学传感器的性能指标：灵敏度、选择性、响应时间、准确性、测量范围、温度系数、背景电流和仪器噪声、稳定性、使用寿命等。

各性能指标与敏感元件的本性、电极材料、制备工艺、信号收集与处理系统的性能等因素有关。第九页，共九十页，2022年，8月28日1、灵敏度影响灵敏度的因素：

(1)待测物在检测系统中的传质速度；

(2)电极材料的电化学活性（包括电极材料、电极的物理形状和工作时的电极电势）；

(3)反应过程中每摩尔物质传递的电流；

(4)待测物在电解液中的溶解性和流动性；

(5)传感器的几何形状和样品进入的方法；

(6)膜电位的大小及达到平衡的时间长短；

(7)工作电极产生的噪声信号大小。第十页，共九十页，2022年，8月28日2、选择性对电位型传感器而言，选择性依赖于被测溶液和参比溶液之间膜电位的大小，膜电位要迅速达到平衡，只对所研究的离子有响应并随浓度线性变化；对电流型传感器，工作时的电极电势和电催化剂的选择直接影响传感器的选择性。

选择合适的电解液和操作方法、加过滤器或选择渗透膜可提高传感器的选择性。第十一页，共九十页，2022年，8月28日3、响应时间对电位型传感器，响应时间取决于膜电位达到平衡的时间长短；电流型传感器的响应时间在很大程度上取决于反应电阻和界面电容的时间常数。4、背景电流和仪器噪声

背景电流产生原因：电解液或电极上的杂质；电极的腐蚀；反应物或对电极上的反应产物的扩散。

背景电流与仪器噪声影响传感器灵敏度。第十二页，共九十页，2022年，8月28日第二节离子传感器

离子传感器又称离子选择性电极，它是由敏感膜、内导体系、电极控件等部件组成，它能与溶液中某种特定的离子产生选择性的响应。

响应是指离子选择性电极敏感膜在溶液中与特定离子接触后产生的膜电位值随溶液中该离子的浓度变化而变化。第十三页，共九十页，2022年，8月28日

将离子选择性电极与参比电极组成一个原电池，在零电流条件下测量原电池电动势，通过能斯特方程计算溶液中待测离子的活度。

一、离子传感器的基本结构玻璃电极硫化银膜电极离子接触型全固态型第十四页，共九十页，2022年，8月28日二、离子传感器的分类

根据膜电极响应机理，膜的结构、组分对离子传感器分类：基本传感器

晶体膜传感器

均相膜传感器

非均相膜传感器

非晶体膜传感器

带负电荷载体流动载体传感器带正电荷载体敏化传感器带中性载体

场效应半导体传感器硬质传感器（玻璃电极）

气敏传感器生物敏传感器第十五页，共九十页，2022年，8月28日1、晶体膜传感器

敏感膜是由难溶盐经过加压或拉制，制成单晶、多晶或混晶的活性膜。分为均相和非均相晶体膜两类。均相膜：由一种纯固体材料单晶或单种化合物或集中化合物均匀混合压片制成的膜。非均相膜：除了晶体敏感物外，还加入了高混合惰性载体，如聚氯乙烯、硅橡胶、石蜡等，以改善膜传感性能。第十六页，共九十页，2022年，8月28日晶体膜传感器的品种和性能传感器膜材料线性响应浓度范围c/(molL－1)主要干扰离子F－LaF3＋Eu2＋510－7~110－1OH－Cl－AgCl＋Ag2S510－5~110－1Br－,S2O32－,I－,CN－,S2－Br－AgBr＋Ag2S510－6~110－1S2O32－,I－,CN－,S2－I－AgI＋Ag2S110－7~110－1S2－CN－AgI110－6~110－2I－Ag＋,S2－Ag2S110－7~110－1Hg2＋Cu2＋CuS＋Ag2S510－7~110－1Ag＋,Hg2＋,Fe3＋,Cl－Pb2＋PbS＋Ag2S510－7~110－1Cd2＋,Ag＋,Hg2＋,Cu2＋,Fe3＋,Cl－Cd2＋CdS＋Ag2S510－7~110－1Pb2＋,Ag＋,Hg2＋,Cu2＋,Fe3＋第十七页，共九十页，2022年，8月28日晶体膜电极由电极管、内参比电极、内充液和敏感膜四部分组成。三种常见结构：带内参比溶液电极，无内参比溶液电极，复合电极。带内参比溶液电极：内参比电极一般是Ag|AgCl电极，内参比溶液一般由电极种类所决定，如氟电极，一般用3.0mmol/LNaF第十八页，共九十页，2022年，8月28日无内参比溶液电极：是一种全固态电极，内参比电极一般使用一根导体银丝直接与固态膜焊接，固态压片膜的一个表面加一层银粉，再将银丝焊接上去。复合电极：它与外参比电极组合成一个测量电池，测量时免去了常用分开的参比电极，结构更加紧凑。复合电极的外参比电极第十九页，共九十页，2022年，8月28日2、非晶体膜传感器

膜是由一种含有离子型物质或不带电荷的支撑体组成，这种支撑体是多孔性的膜或无孔的膜。膜电位是由于膜相中存在着离子交换而引起的。分为硬质和流动载体传感器。

硬质传感器的膜由具有离子交换功能的玻璃熔融烧制而成，又称为玻璃电极。玻璃敏感膜的组成一般为Na2O、SiO2、CaO和A12O3等，根据其组分和含量的不同，玻璃电极可以响应不同的离子。第二十页，共九十页，2022年，8月28日流动载体传感器：敏感膜是由某种有机液体离子交换剂制成，由电活性物质（载体）、溶剂（增塑剂）、基体（微孔支持体）组成。l：内充溶液2：Ag－AgCl内参比电极3：液体离子交换剂4：浸有液体离子交换剂的多孔性膜

液体离子交换剂与被测离子结合，能在膜中迁移，溶液中反号离子被排斥在膜之外，引起相界面电荷分布不均匀，形成界面电势差。第二十一页，共九十页，2022年，8月28日常用流动载体传感器传感器活性物质线性响应浓度范围c/(molL－1)主要干扰离子Ca2＋二（正辛基苯基）磷酸钙溶于苯基磷酸二辛酯110－5~110－1Zn2＋,Mn2＋,Cu2＋K＋缬氨霉素110－6~110－1Cs＋,NH4＋水硬度Ca2＋＋Mg2＋二癸基磷酸钙溶于癸醇110－5~110－1Na＋,K＋,Ba2＋,Sr＋,Cu2＋,Ni2＋,Zn2＋,Fe2＋NO3－四（十二烷基）硝酸铵510－6~110－1NO2－,Br－,I－,ClO4－ClO4－邻二氮杂菲铁(II)配合物110－5~110－1OH－BF4－三庚基十二烷基氟硼酸铵110－6~110－1I－,SCN－,ClO4－第二十二页，共九十页，2022年，8月28日三、离子传感器的响应机理溶液中的离子与敏感膜上的离子之间发生交换作用

敏感膜内外离子活度差

敏感膜内外产生电位差

膜电位M

对于阳离子：对于阴离子：第二十三页，共九十页，2022年，8月28日四、离子选择性场效应晶体管型离子传感器

ISFET是一种将离子选择性敏感膜与半导体场效应器件结合起来的微电子离子选择性敏感器件，其核心部件是场效应晶体管(FET)

溶液中敏感离子的活度与电位间存在能斯特关系，而电位能控制场效应晶体管漏电流的变化，因此测定漏电流便可知离子的活度。第二十四页，共九十页，2022年，8月28日ISFET的主要特点：①属于固态传感器，机械性能好、耐震动、寿命长；②构造简单，体积小，便于批量制作，成本低，便于微型化；③适应温度范围宽；④输出阻杭低，与检测器的连接线甚至不用屏蔽，不受外来电场干扰，测试电路简化；⑤可在同一硅片上集成多种传感器，对样品中不同成分同时进行测量分析。第二十五页，共九十页，2022年，8月28日第三节电化学气体传感器

气体传感器：能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或器件，它能将气体种类和浓度有关的信息转换成可测量的信号。

电子鼻是一种20世纪90年代发展起来的新颖的分析、识别和检测复杂嗅味及大多数挥发性成份的仪器，是由一定选择性的传感器阵列和适当的图像识别装置组成的仪器，能够识别单一的或复合的气味；是模拟动物嗅觉器官开发出一种高科技产品。第二十六页，共九十页，2022年，8月28日

气体传感器有电化学型、光学型、半导体型、热导型、表面声波型等种类。

电化学气体传感器优点：能满足一般检测所需要的灵敏度和准确性，体积小、操作简单、携带方便、可用于现场监测，价格低廉。

电化学气体传感器按照工作原理分为电位型气体传感器、电流型气体传感器（又称控制电位电解型气体传感器）等。第二十七页，共九十页，2022年，8月28日一、电流型电化学气体传感器1、Clark电极（溶解氧电极）Clark电极是一种测定溶解在液体中的氧的电流型电极，最早由Clark在1956年发明。Clark电极是一种封闭式电极，它用一疏水透气膜将电解池体系与待测体系分开。待测的氧可以通过透气膜扩散到电极内，而待测溶液中的其他杂质不能透过，这样可以有效地防止电极被待测溶液中某些组分污染而中毒。第二十八页，共九十页，2022年，8月28日绝缘材料

Ag/AgCl参比电极

电解质溶液

透氧膜

氧气进入膜后在电极表面迅速还原，外电路检测的氧气还原电流正比氧气的浓度。双层膜：透气膜（将电极、电解液与待测溶液分开）；液膜（在透气膜与电极之间很薄的由电解液形成的，约5~15m）。透气膜多为聚四氟乙烯膜。第二十九页，共九十页，2022年，8月28日Clark电极被广泛应用于水质处理、水文监测、污水处理、游泳池、鱼塘和化肥、化工、生物等领域的含氧量监测，测定水中溶解氧以研究光合、呼吸作用等。优点：稳定性好，膜不易损坏、抗污染。缺点：传感器的响应时间较长（气体扩散到电极表面的速度很慢，气体在液膜中的扩散为整个电极过程的控制步骤），响应信号低，温度系数大。第三十页，共九十页，2022年，8月28日2、CO气体传感器

工作原理：待测物的浓度（压力）与所产生的电流信号成线性关系。第三十一页，共九十页，2022年，8月28日CO传感器工作过程：(1)被测气体进入传感器的气室。自由扩散或机械泵入。气体先经过滤器：保护传感器（滤掉被测气体中的颗粒），提高选择性（滤掉电活性干扰物）。(2)反应物从气室到达多孔膜，并向电极一电解液界面扩散。多孔膜作用：防止传感器的漏液现象、进一步提高选择性。(3)电活性物质在电解液中的溶解。物质穿过气液界面的速度和气体在电解液中的溶解速度决定传感器的响应灵敏度和响应时间。第三十二页，共九十页，2022年，8月28日(4)电活性物质在电极表面吸附。(5)扩散控制下的电化学反应。当被测气体为CO，对电极为空气电极时：工作电极： CO＋H2OCO2＋2H＋＋2e对电极： 1/2O2＋2H＋＋2eH2O总反应： CO＋1/2O2

CO2

扩散控制下的电流i和溶液中被测物质的浓度成正比关系：A为电极面积，D为氧化态物种的扩散系数，t为反应时间，n为电极反应电子的计量系数。第三十三页，共九十页，2022年，8月28日(6)产物的脱附。如果产物解吸速度很慢，电极可能会中毒。(7)产物离开电极表面的扩散。(8)产物的排除。净化传感器内部空间。如果产物极易溶于电解液，将使传感器内部成分改变，传感器的信号响应则改变。CO传感器用酸性电解液。

影响传感器的响应特性的因数：进样速度、工作电极成分、电解液的类型与用量、膜的孔积率和渗透力、工作电极的电位等。第三十四页，共九十页，2022年，8月28日

电化学CO气体传感器结构：电极、过滤器、透气膜、电解液、电极引出线（管脚）、壳体等。CO气体传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心检测元件。当一氧化碳扩散到气体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中的采样电路，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能。第三十五页，共九十页，2022年，8月28日3、电流型气体传感器优缺点

优点：检测气体种类多，测量浓度范围宽，精度高，便于携带，可用于现场直接监测。

不足：电解液的蒸发或污染导致传感器信号衰减，使用寿命短；催化剂长期与电解液直接接触，使催化活性降低；在干燥的气氛中，传感器中的电解液很容易失水而干涸，致使传感器失效；容易发生漏液现象，腐蚀电子线路；传感器的微型化困难。第三十六页，共九十页，2022年，8月28日二、固体电解质气体传感器

固体电解质类型：高温陶瓷型、快离子导体类、高聚物。

氧化锆固体电解质氧气传感器原理：稳定化的二氧化锆对氧离子具传导性。

稳定化的ZrO2：ZrO2中分别加入10～15％（摩尔比）CaO和Y2O3并使之固溶。该物质具有大量由氧气逸出而形成的离子性晶格缺陷，在500～600oC以上形成氧离子选择性透过的离子导体。第三十七页，共九十页，2022年，8月28日氧化锆PtPtVP(O2)待测气体P(O2)基准气体氧传感器构成：氧化锆固体电解质为薄膜，两边安装上多孔性铂电极。

若两侧氧分压不同，则氧气从高压一侧透过氧化锆薄膜向低压一侧扩散，在薄膜两侧会产生电势差，即构成膜电势：第三十八页，共九十页，2022年，8月28日三、湿敏传感器

某些敏感材料能产生与湿度（水蒸气含量）有关的物理效应或化学反应，将湿度的变化转换成某个电信号（电阻、电容值等）。1、高分子电阻湿敏传感器

高分子电解质感湿材料吸收水分后引起两电极间电阻的变化，将相对湿度的变化转换成电阻的变化。

组成：感湿层、电极和具有一定机械强度的绝缘基片等。第三十九页，共九十页，2022年，8月28日2、高分子电容湿敏传感器

当环境相对湿度增大时，环境气氛中的水分子沿着电极的毛细微孔进入感湿膜面被吸附，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加，所以电容量增大。

组成：在微晶玻璃衬底上，利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。

优点：测全湿范围的湿度，线性好，重复性好，滞后小，响应快，尺寸小。第四十页，共九十页，2022年，8月28日3、半导体陶瓷湿敏传感器

当环境湿度发生改变时，多孔感湿陶瓷吸湿，电阻值随之变化。

组成：由多孔感湿陶瓷薄片的两面加上两个电极，再焊出引线；外面围绕镍镉加热丝，并由引脚引出；把它们固定在绝缘陶瓷底座上。

注意：为了防止电阻极化，测量时必须是交流；在高温、高湿环境下，要定期加热清洗，使传感器恢复性能。第四十一页，共九十页，2022年，8月28日第四节电化学生物传感器

一、生物传感器

将生物体的成份（酶、抗原、抗体、DNA等）或细胞、组织固定化在载体上作为敏感元件的传感器称为生物传感器。

生物分子识别元件（感受器）：具有分子识别能力的生物活性物质（如组织、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸等）。信号转换器：电化学传感器、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等。第四十二页，共九十页，2022年，8月28日放大换能器接受器信号测量生物传感器原理敏感元生物催化反应专一性生物传感器具有良好的选择性第四十三页，共九十页，2022年，8月28日生物传感器优点

1、选择性好，样品不需预处理，测定时一般不需另加其它试剂。

2、体积小，可实现连续在线监测。

3、响应快、样品用量少；且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。

4、传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。第四十四页，共九十页，2022年，8月28日生物传感器的应用生物传感器生物医学体育运动食品和药物分析军事环境检测第四十五页，共九十页，2022年，8月28日生物传感器分类抗原或抗体免疫传感器细胞传感器微生物传感器组织传感器酶传感器酶微生物细胞组织半导体传感器测热型传感器光学传感器测声型传感器电化学传感器敏感元按敏感材料分类按信号转换器分类信号转换器电化学装置场效应管光纤热敏电阻SAW装置电化学传感器酶传感器可交叉第四十六页，共九十页，2022年，8月28日二、电化学生物传感器原理待测物敏感物固定载体电极物理、化学变化电信号信号测量信号处理敏感元生物电极电流法电位法安培法第四十七页，共九十页，2022年，8月28日生物分子固定方法关键因素生物分子固定材料生物电极的构筑吸附、包埋、交联、化学键合无机材料、有机材料、复合材料第四十八页，共九十页，2022年，8月28日保持生物分子的催化活性和专一性生物分子与载体结合牢固固定化生物分子要有最小的空间位阻载体要有一定的机械强度载体稳定，不可与底物、产物反应载体具有生物相容性1、生物分子固定化方法与载体选择原则三、生物分子固定化第四十九页，共九十页，2022年，8月28日2、生物分子常规固定化方法

吸附法包埋法共价结合法交联法

第五十页，共九十页，2022年，8月28日（1）吸附法通过载体表面和生物分子表面间的次级键相互作用而达到固定目的的方法。将生物分子溶液与具有活泼表面的吸附剂接触，再经洗涤除去未吸附的生物分子。是最简单的固定化技术，在经济上也最具有吸引力。第五十一页，共九十页，2022年，8月28日根据吸附剂的特点又分为：物理吸附法：通过氢键、疏水键、π电子亲和力等物理作用力将生物分子吸附于不溶性载体。常用的载体有：高岭土、皂土、硅胶、氧化铝、磷酸钙胶、微空玻璃等无机吸附剂，纤维素、胶原以及火棉胶等有机吸附剂。离子结合法：在适宜的pH和离子强度条件下，利用生物分子的侧链解离基团和离子交换基间的相互作用而达到固定化。最常用的交换剂有CM-纤维素、DEAE-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶等。离子交换剂的吸附容量一般大于物理吸附剂。第五十二页，共九十页，2022年，8月28日影响生物分子在载体上吸附程度的因素:1.pH：影响载体和生物分子电荷,从而影响吸附。2.离子强度：多方面的影响，一般认为盐阻止吸附。3.生物分子浓度：若吸附剂的量固定，随生物分子浓度增加，吸附量也增加，直至饱和。4.温度：生物蛋白往往是随温度上升而减少吸附。5.吸附速度：生物蛋白在固体载体上的吸附速度要比小分子慢得多。6.载体：对于非多孔性载体，则颗粒越小吸附力越强。多孔性载体，要考虑吸附对象的大小和总吸附面积的大小。第五十三页，共九十页，2022年，8月28日吸附法的优点：操作简单，条件温和，可供选择的载体类型多，吸附过程可同时达到纯化和固化的目的，所得到的固定化生物蛋白使用失活后可以重新活化和再生。

吸附法的缺点：生物分子与载体的结合力不强，易脱落，会导致催化活力的丧失和沾污反应产物。所得到的传感器稳定性、重现性差，灵敏度低、使用寿命短。吸附法的优缺点第五十四页，共九十页，2022年，8月28日（2）包埋法

将载体（聚合物等）与生物分子溶液混合，借助物理作用，生物分子被包埋在载体中以达到固定化。包埋法操作简单，由于生物分子只被包埋，未发生化学反应，可得高活力的固定化生物蛋白。对大多数生物分子甚至完整的微生物细胞都适用。

第五十五页，共九十页，2022年，8月28日包埋法包括凝胶包埋法和微囊化包埋法：

凝胶包埋法（胶格包埋法）：将生物分子包埋在高聚物网格内的包埋方法。

聚丙烯酰胺包埋法：丙烯酰胺单体、交联剂和蛋白混合，然后加入催化剂使之开始聚合，结果就在生物分子周围形成交联的高聚物网络。

海藻酸钠也可以用来作为包埋载体，它从海藻中提取出来，可被多价离子Ca2+、Al3+凝胶化。

K-角叉莱胶（卡拉胶）冷却成胶或与二、三价金属离子成胶。包埋条件温和无毒性，机械强度好。固定化的蛋白回收率和稳定性都比聚丙烯酰胺法好。

明胶、壳聚糖等也是常用的包埋载体。第五十六页，共九十页，2022年，8月28日

微囊化包埋法：将生物分子包埋于具有半透性聚合物膜的微囊内。它使蛋白存在于类似细胞内的环境中，从而增加了生物分子的稳定性。界面沉淀法是一种简单的物理微囊化法，它是利用某些高聚物在水相和有机相的界面上溶解度较低而形成的皮膜将蛋白包埋。界面聚合法是用化学手段制备微囊的方法。他所得的微囊外观好，但不稳定，有些生物分子还会因在包埋过程中发生化学反应而失活。表面活性剂乳化液膜包埋法是在水溶液中添加表面活性剂使之乳化形成液膜达到包埋目的的一种方法。第五十七页，共九十页，2022年，8月28日

包埋法的优点：是一种反应条件温和、很少改变生物蛋白结构但是又较牢固的固定化方法。

包埋法的缺点：只有小分子底物和产物可以通过高聚物网架扩散，对那些底物和产物是大分子的生物蛋白并不适合。这是由于高聚物网架会对大分子物质产生扩散阻力导致固定化生物分子动力学行为改变，使活力降低。包埋法的优缺点第五十八页，共九十页，2022年，8月28日（3）共价结合（偶联）法生物蛋白分子上的功能基团和固相支持物表面上的反应基团之间形成共价键，因而将生物分子固定在支持物上（借助共价键将生物蛋白的非活性侧链基团和载体的功能基团进行偶联）。第五十九页，共九十页，2022年，8月28日

共价偶联法操作原则：

（a）载体的物化性质要求载体亲水，并且有一定的机械强度和稳定性，同时具备在温和条件下与生物分子结合的功能基团。

（b）偶联反应的反应条件必须在温和pH、中等离子强度和低温的缓冲溶液中。

（c）所选择的偶联反应要尽量考虑到对蛋白的其它功能基团副反应尽可能少。

（d）要考虑到蛋白固定化后的构型，尽量减少载体的空间位阻对蛋白活力的影响。第六十页，共九十页，2022年，8月28日生物蛋白可提供的与载体连接的功能基团：①蛋白N—端的氨基；②蛋白C-端的羧基以及Asp残基的α-羧基和Glu残基γ-羧基；③Cys残基的巯基；④Ser、Tyr、Thr残基的羟基；⑤Phe和Tyr残基的苯环；⑥His残基的咪唑基；⑦Trp残基的吲哚基。在实际中偶联最普遍的基团是：氨基、羧基、苯环。被偶联的基团还应是生物分子活性的非必需基团，否则将导致生物蛋白失活。第六十一页，共九十页，2022年，8月28日共价偶联法载体的选择的一般要求:①一般亲水载体在蛋白质结合量和固定化生物分子活力及其稳定性上都优于疏水载体。②载体结构疏松，表面积大，有一定的机械强度。③载体必须有在温和条件与生物蛋白共价结合的功能基团。④载体没有或很少有非专一性吸附。⑤载体来源容易，能反复使用。第六十二页，共九十页，2022年，8月28日偶联反应：缩合反应：一些带羧基或氨基的载体用碳化二亚胺活化后，与生物蛋白分子的氨基或羧基直接偶联。酸酐反应：在己二胺作用下，酸酐与生物蛋白的氨基起偶联反应。重氮反应：将带芳香族氨基的载体，先用NaNO2和稀盐酸酸处理成重氮盐衍生物，再与生物蛋白发生偶联。异硫氰酸反应：含有芳香氨基的载体，与光气反应生成异硫氰酸，再与酶分子的氨基连接。活化酯法：含羧基的载体在二环己基碳二亚胺存在下用N—羟基琥珀酰亚胺活化，再连接生物蛋白。酰氯化反应：含羧基载体，用氯化亚砜处理，生成酰氯衍生物，再与蛋白的氨基偶联。第六十三页，共九十页，2022年，8月28日

共价偶联法的优点：通过键的形成将生物分子固定于固体表面，不易发生分子的泄漏，并且改善了生物分子在表面的定向、均匀分布状况。得到的固定化蛋白结合牢固、稳定性好、利于连续使用。

共价偶联法的缺点：载体活化的操作复杂、耗时，反应条件激烈；生物分子易失活，共价结合会影响到蛋白的空间构象，对蛋白的催化活性产生影响。共价偶联法的优缺点第六十四页，共九十页，2022年，8月28日（4）交联法利用双功能或多功能试剂在生物分子间或生物分子与载体间，或生物分子与惰性蛋白间进行交联反应，得到三维网状结构。交联试剂：戊二醛、苯基二异硫氰等。第六十五页，共九十页，2022年，8月28日（a）直接交联法

在生物分子溶液中加入适量多功能试剂，使其形成不溶性衍生物。固定化依赖于生物分子与试剂的浓度、溶液pH和离子强度、温度和反应时间之间的平衡。交联法种类（b）载体交联法

用多功能试剂的一部分功能基团化学修饰高聚物载体，而其中的另一部分功能基团偶联生物蛋白。第六十六页，共九十页，2022年，8月28日（c）辅助蛋白交联

当可得到的蛋白量有限，可以使用第二个“载体”蛋白来增加蛋白质浓度，从而使蛋白共交联。这种“载体”蛋白即辅助蛋白，可以是白蛋白、明胶、血红蛋白等。（d）吸附交联法先将蛋白吸附在硅胶、皂土、氧化铝、球状酚醛树脂或其他大孔型离子交换树脂上，再用戊二醛等双功能试剂交联。第六十七页，共九十页，2022年，8月28日交联法的优缺点

交联法的优点：通过化学键将生物分子固定于固体表面，不易发生分子的泄漏。

交联法的缺点：反应难以控制，形成的蛋白质层蓬松、坚固性差，所需生物样品量多。单用交联法制备的固定化生物蛋白活力较低，常将此法与吸附法、包埋法结合使用，可以达到既提高固定化蛋白的活力，又起到加固的效果。

第六十八页，共九十页，2022年，8月28日物理吸附包埋法共价结合法共价交联法制备易易难难结合力弱强强强酶活力高高中中底物专一性无变化无变化有变化有变化再生可能不可能不可能不可能固定化费用低中高中制法特性（5）四种固定化方法的特点小结新方法：自组装法、LB膜法、电化学法、多方法复合等第六十九页，共九十页，2022年，8月28日3、生物分子固定的载体材料无机材料聚合物材料成膜性不好好渗透性好一般固定量较高一般对酶影响基本不影响酶结构基本不影响酶结构结合力一般不高一般较高无机、聚合物复合材料可改善固定化生物分子的性能第七十页，共九十页，2022年，8月28日4、生物分子固定化发展方向优越的固定材料优异的固定方法突破瓶颈拓展应用第七十一页，共九十页，2022年，8月28日四、电化学酶传感器

电化学酶传感器是由固定化酶与电化学传感器组合而成的生物传感器。

酶具有高效催化性和高度专一性，使得传感器具有高度的选择性。

电化学酶传感器选择性高、响应快、灵敏度高、操作简便，能快速测定试液中某一给定化合物的浓度，且需样品量很少。1、电化学酶传感器特点与分类第七十二页，共九十页，2022年，8月28日

依据酶与电极之间的电子传递机理，将酶传感器分为三代：

根据电化学测量信号，酶传感器主要分为电流型和电位型。第七十三页，共九十页，2022年，8月28日2、电流型酶传感器

将酶促反应产生的物质在电极上发生氧化或还原反应产生的电流信号，在恒电位下，所测电流信号与被测物浓度呈线性关系。测定对象酶基本传感器葡萄糖葡萄糖氧化酶O2,H2O2半乳糖半乳糖氧化酶O2,H2O2尿酸尿酸酶O2,H2O2乳酸乳酸氧化酶O2,H2O2胆固醇胆固醇氧化酶O2,H2O2L－氨基酸L一氨基酸氧化酶H2O2,I2,O2单胺单胺氧化酶O2苯酚酪氨酸酶醌乙醇乙醇氧化酶O2，H2O2

第七十四页，共九十页，2022年，8月28日生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜可测量：O2的减少量，葡萄糖酸或H2O2产生量（1）葡萄糖传感器第七十五页，共九十页，2022年，8月28日H2O2O22e-O2GlucoseGlucnolactoneGODElectrodeBiomembraneSolutionE=0.6VH2O2氧化产生的电流与葡萄糖浓度成正比。该方法灵敏度高，其最低检出限达10nM。但工作电位较高，电活性物质（维生素C、尿酸等）产生干扰。第七十六页，共九十页，2022年，8月28日生物分子识别元件：乙醇氧化酶膜可测量：O2的减少量，H2O2产生量（2）乙醇传感器生物分子识别元件：乙醇脱氢酶膜可测量：Ox电子传递介质（二茂铁、四硫富瓦烯等）第七十七页，共九十页，2022年，8月28日（3）酚传感器PPOO2Electrode2e--0.2VBiomembraneSolutionOHOHOOOHOH第七十八页，共九十页，2022年，8月28日3、电位型酶传感器

将酶促反应所引起的物质量的变化转变成电位信号输出，电位信号大小与底物浓度的对数值呈线性关系。基本传感器：pH电极、气敏电极（CO2、NH3）等，直接影响酶电极性能。例：尿素传感器常用氨敏电极测定，用于临床全血、血清、尿液等样品中尿素含量的测定及尿素生产线监测分析。第七十九页，共九十页，2022年，8月28日五、电化学DNA传感器

基因传感器包括DNA生物传感器和RNA生物传感器两大类

电化学DNA传感器根据工作原理的不同可分为电流型、电致化学发光型及电导型等

根据信号转换器的不同，基因传感