四 生物电化学传感器

生物电化学传感器是将生物化学反应能转换为电信号的一种装置。重要的生物电化学传感器有酶传感器、细菌传感器、组织传感器以及免疫传感器等。

1. 酶传感器 酶传感器是将对被测底物具有选择性响应的酶层固定在离子选择性电极表面上而制成。待测底物是各种有机物。它们在酶的催化作用下，生成或消耗某些能被电极所检测的催化产物，根据电极对催化产物的响应，即可测得产物的浓度。

血糖和尿糖的检查，是临床上常规化验项目之一。它对于糖尿病的诊断和治疗十分重要。用于测定葡萄糖的酶传感器所基于的生物化学反应是：

葡萄糖+氧气→葡萄糖酸+过氧化氢

可见氧的消耗量或过氧化氢的生成量，与待测葡萄糖含量有关。所以， 通过采用电极法测得过氧化氢的生成量或氧的消耗量之后，就可测得体液中葡萄糖的含量。这种方法可在 30 秒内得到分析结果。

70 年代以来，酶传感器的研制工作蓬勃兴起，传感器的设计形式不断翻新，采用的酶的种类日益增多，所测定的物质的范围越来越广。在美、日等国，许多酶传感器已用于临床，并有部分商品出售。

1. 细菌或组织传感器 酶是从各种细菌和动物组织中分离提取出来的，它们在离开原有的自然环境后，便相当不稳定，极易失去其生物活性，从而导致酶传感器的使用寿命很短。酶的孔径约为 0.5—1μm，由酶形成细菌或微器官组织之后，其孔径增大至 1—10μm，而形成动植物的活体组织之后，其孔径更大。由细菌或组织制成的传感器，其稳定性要好得多，但选择性不如酶传感器，因为细菌或组织中可能有多种功能的酶同时存在。

氨基酸的测定，是细菌或组织传感器的成功应用的一例，其原理如下：

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氨基酸扩散至电极表面上的细菌膜或组织膜中，被氨基酸氧化酶催化分解，产生相当量的氨。此氨分子再扩散至电极与生物膜间隙的溶液中， 借氨气敏电极进行测定，由此可求得试液中氨基酸的含量。

与酶传感器比较，虽然细菌或组织传感器的使用寿命大大延长，而且可以避免酶的提取和纯化过程。但由于待测底物必须首先扩散到细菌或组织中，再通过酶促反应转换为电极可响应的产物，最后产物才扩散到电极表面进行鉴测。这一过程比较缓慢，因而细菌或组织传感器的响应时间一般较酶电极为长。

1. 免疫传感器 免疫传感器是一类能检测抗原或抗体的传感器。例如利用碘离子选择性电极，可以测定乙型肝炎抗原。这是一种酶免疫分析传感器。制作这种电极时，需要将乙型肝炎抗体固定在碘离子选择性电极表面的蛋白质膜上。测定时，将此电极插入含有乙型肝炎抗原的溶液中，使抗体与抗原结合，再用过氧化酶标记的免疫球蛋白抗体处理， 这时就形成了抗原与抗体的夹心结构：

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图中实线表示共价健结合，虚线表示抗体与抗原间的静电作用。将此电极插入过氧化氢和碘化物的溶液中，在过氧化酶标记的免疫球蛋白的催化作用下，过氧化氢被还原，而碘化物因被氧化而消耗，碘离子浓度的减少与乙型肝炎抗原的量成正比，由此可推算乙型肝炎抗原的浓度。

另一种有趣的免疫传感器是离子免疫电极。例如载有特定离子的红细胞抗原，能与待测抗体结合。这种结合物能被一种称为补体的酶识别， 并使红细胞溶解，释放出细胞所载的离子。这些释放出来的离子可用离子选择性电极来检测。

利用这种原理，以羊红细胞作离子载泡，三甲基苯铵作标记离子， 可以测定牛血清蛋白抗体。另外，人造的脂泡也可代替红细胞进行上述免疫分析。例如：以四苯基铵离子作标记离子，把一种脑代谢的中间产物神经节苷脂连接到脂泡的表面作抗原，以四苯基铵离子选择性电极作检测电极，采用薄层电位测量技术，可以测定微升量血清中的神经节苷

脂抗体。

应该指出，虽然生物传感器的研制已取得了很大的进展，但它们距离嗅觉器官、味觉器官那样的生物感觉系统还相差很远。因而，制作具有生物感觉系统水平的传感器，可能是生物传感器的主要发展目标。