电化学生物传感器
一、什么是生物传感器？
生物传感器 (Biosensor)是指用固定化的
生物体成分或生物体本身作为敏感元件
的传感器，是一种将生物化学反应能转
换成电信号的分析测试装置。
电化学生物传感器的基本组成
敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件
二、电化学生物传感器的信号转换器
离子选择电极
电位型电极
氧化还原电极
电化学电极
电流型电极 氧电极
1、电位型电极
离子选择电极
离子选择电极是一类对特定的阳离子或阴离子
呈选择性响应的电极, 具有快速, 灵敏, 可靠,
价廉等优点 。 在生物医学领域常直接用它测定
体液中的一些成分 （ 例如 H+,K+,Na+,Ca2+
等 ） 。
氧化还原电极
氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一类
电位型电极。这里指的主要是零类电极。
2、电流型电极
电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转
换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型
电极相比有以下优点,
①电极的输出直接和被测物浓度呈线性关系，不像
电位型电极那样和被测物浓度的对数呈线性关系。
②电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相
对误差比电位型电极的小。
③电极的灵敏度比电位型电极的高。
氧电极
有不少酶特别是各种氧化酶和加氧酶在催化底物反
应时要用溶解氧为辅助试剂, 反应中所消耗的氧量
就用氧电极来测定 。 此外, 在微生物电极, 免疫电
极等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器,
因此氧电极在生物传感器中用得很广 。
目前用得最多的氧电极是电解式的 Clark氧电极,
Clark氧电极是由铂阴极, Ag/AgCl阳极, KCl电解质
和透气膜所构成 。
Xiaoping Liu,Oihui Liu.Nitric Oxide.2005,13(1):68~77
三、电化学生物传感器的分类
（根据敏感物质分类）
? 酶传感器
? 免疫传感器
? 组织传感器、细胞传感器等
（一）酶传感器
酶电极电化学电极顶端紧贴一层酶膜
朱建中,周衍,传感器世界,1997,4:1~8
1,酶的固定化技术
? 惰性载体 ——物理吸附法
? 离子载体 —交换法
? 活化载体 —共价结合法
? 物理包埋法
乔丽娜,周在德,化学研究与应用,2005,17(6):299~302
物理吸附法
酶分子通过极性键、氢键、疏水力或 π 电子相互作用等吸
附于不溶性载体上。
常用的载体有：多孔玻璃、活性炭、氧化铝、石英砂、纤维
素酯、葡聚糖、琼脂精、聚氯乙烯、聚苯乙烯
已用此法固定化的酶如,
脂肪酶,α － D葡萄糖苷酶、过氧化物酶等
交换法
选用具有离子交换剂的载体，在适宜的 pH下，使酶分子与
离子交换剂通过离子键结合起来，形成固定化酶。
常用的带有离子交换剂的载体如下,
DEAE一纤维素,TEAE一纤维素,
AE— 纤维素,CM— 纤维素,
DEAE一葡萄糖、肌酸激酶
共价结合法
a,重氮 b.迭氮 c.卤化氰 d.缩合
e.烷基化法
物理包埋法
将酶分子包埋在凝胶的细微格子里制成固定化。
常用的凝胶有：聚丙烯酸胺、淀粉、明胶、聚乙烯醇、
海藻酸钙、硅树脂
用凝胶包埋法制备的固定化酶如：木瓜蛋白酶、纤维素
酶、乳酸脱氢酶
2、酶传感器应用
（ 1）葡萄糖传感器
? 大肠杆菌改良型葡萄糖传感器
? MWCNTs-HRP葡萄糖传感器
? 检测血清中葡萄糖浓度
大肠杆菌改良型葡萄糖传感器
? 利用大肠杆菌中的葡萄糖脱氢酶 (mGDH)对氧分子的不
敏感性而降低干扰。
? 此传感器把大肠杆菌细胞固定在附有苯醌的石墨电极
上，中间夹有一层透析膜。
? 检测葡萄糖浓度达 0.2-10 mM,响应时间在 2min左右，
此葡萄糖传感器用 EDTA处理后可再度使用。
Ito Y,Yamazaki S,Biosens Bioelectron.2002,17(11-12):993-8
MWCNTs-HRP葡萄糖传感器
? 施加电压为 -300mv时，可避免抗坏血酸、尿酸等
干扰，对葡萄糖在 GOD作用下生成的过氧化氢有
高的灵敏度。
? MWCNTs和 HRP混合物固定在电极上，制成 MWCNTs-
HRP改进型电极。
? 检测限达 1.0 x 10(-7) mol/L,还可在线检测葡
萄糖。
Yamamoto K,Shi G, Analyst, 2003,128(3):249-54
检测血清中葡萄糖浓度
? 在普通葡萄糖电极上加一层多功能膜，使测量不
受血液中其它金属离子以及抗坏血酸、尿酸等干
扰物质的影响。
? 此多功能膜为磷酸胆碱，甲基丙稀酰胺和纤维素
的聚合物。
? 检测血清中葡萄糖浓度达 5-650 mg/dl,响应时间
小于 60s，有很好的重现性和稳定性。
Chen CY,Ishihara K.Biomed Microdevices.1998,1(2):155-66
（ 2）脲电极
Urea + 2H2O 2NH4++2HCO3- 脲 酶
产生的 2NH4+为阳离子电极感应。
此外还有,氨基酸电极
醇电极
尿酸电极
乳酸电极
青霉素电极
亚硝酸离子电极：菠菜亚硝酸还原酶产生 NH3
（二） 免疫传感器
? 基本原理
采用抗原与抗体的特异反应将待测物与酶连接，
然后通过酶与底物产生颜色反应，用于定量测定。
? 在这种测定方法中有 3种必要的试剂,
①固相的抗原或抗体（ 免疫吸附剂）
②酶标记的抗原或抗体（ 标记物）
③酶作用的底物（ 显色剂）
酶联免疫吸附测定法
测量时，抗原（抗体）先结合在固相载体上，但仍保留其免疫活
性，然后加一种抗体（抗原）与酶结合成的偶联物（标记物），
此偶联物仍保留其原免疫活性与酶活性，当偶联物与固相载体上
的抗原（抗体）反应结合后，再加上酶的相应底物，即起催化水
解或氧化还原反应而呈颜色。其所生成的颜色深浅与欲测的抗原
（抗体）含量成正比。
1、双抗体夹心法
此法适用于检验各种蛋白质
等大分子抗原
2、间接法
间接法是检测抗体最常用的方法，
其原理为利用酶标记的抗体检测
已与固相结合的受检抗体，故称
为间接法。
3、竞争法
竞争法可用于抗原和半抗原的定量
测定，也可用于测定抗体。
酶联免疫吸附测定法临床应用
? 酶电极在 40nL的微池中检测 D-Dimer浓度应用于
临床试验。 检测到 D-Dimer浓度范围为 0.1 －
100 nM, 抚育时间从几小时减少到 5分钟。
? 利用抗原抗体反应前后电位的变化检测 B型肝炎
抗原。检测浓度范围为 4-800 ng/ml，检测限达
1.3 ng/ml。此方法比常规检测更加直接，快速，
简单。
Rossier JS,Girault HH,Lab on a Chip,2001,1(2),153 - 157
Tang DP,Yuan R,Anal Biochem,2004,333(2):345-50
（三） 细胞传感器
以动植物细胞作为生物敏感膜的电化学传
感器称为细胞电极，此系酶电极的衍生型
电极。动植物细胞中的酶是反应的催化剂。
与酶电极比较，细胞电极具有如下优点,
1.酶活性较离析酶高。
2.酶的稳定性增大。
3.材料易于获得 。
细胞传感器的应用
细胞传感器可用于诊断早期癌症，用人类
脐静脉内皮细胞通过三乙酸纤维素膜固定
在离子选择性电极上作为传感器，肿瘤细
胞中 VEGF刺激细胞使电极电位发生变化从
而测得 VEGF浓度来诊断癌症。
May KM,Vogt A.Anal Bioanal Chem,2005,382(4):1010-6
生物传感器的特点
专一性好，灵敏度高
体积小，可连续的在线、在位、在体监测
响应快、样品用量小，可以反复多次使用
易于实现多组分的同时测定
成本远低于大型分析仪器，便于推广普及
展望
随着一些关键技术的进一步完善，随着人们对生
物体认识的不断深入，随着各学科的不断发展，生
物传感器必将在未来会有更大的作为。
谢 谢
一、什么是生物传感器？
生物传感器 (Biosensor)是指用固定化的
生物体成分或生物体本身作为敏感元件
的传感器，是一种将生物化学反应能转
换成电信号的分析测试装置。
电化学生物传感器的基本组成
敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件
二、电化学生物传感器的信号转换器
离子选择电极
电位型电极
氧化还原电极
电化学电极
电流型电极 氧电极
1、电位型电极
离子选择电极
离子选择电极是一类对特定的阳离子或阴离子
呈选择性响应的电极, 具有快速, 灵敏, 可靠,
价廉等优点 。 在生物医学领域常直接用它测定
体液中的一些成分 （ 例如 H+,K+,Na+,Ca2+
等 ） 。
氧化还原电极
氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一类
电位型电极。这里指的主要是零类电极。
2、电流型电极
电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转
换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型
电极相比有以下优点,
①电极的输出直接和被测物浓度呈线性关系，不像
电位型电极那样和被测物浓度的对数呈线性关系。
②电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相
对误差比电位型电极的小。
③电极的灵敏度比电位型电极的高。
氧电极
有不少酶特别是各种氧化酶和加氧酶在催化底物反
应时要用溶解氧为辅助试剂, 反应中所消耗的氧量
就用氧电极来测定 。 此外, 在微生物电极, 免疫电
极等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器,
因此氧电极在生物传感器中用得很广 。
目前用得最多的氧电极是电解式的 Clark氧电极,
Clark氧电极是由铂阴极, Ag/AgCl阳极, KCl电解质
和透气膜所构成 。
Xiaoping Liu,Oihui Liu.Nitric Oxide.2005,13(1):68~77
三、电化学生物传感器的分类
（根据敏感物质分类）
? 酶传感器
? 免疫传感器
? 组织传感器、细胞传感器等
（一）酶传感器
酶电极电化学电极顶端紧贴一层酶膜
朱建中,周衍,传感器世界,1997,4:1~8
1,酶的固定化技术
? 惰性载体 ——物理吸附法
? 离子载体 —交换法
? 活化载体 —共价结合法
? 物理包埋法
乔丽娜,周在德,化学研究与应用,2005,17(6):299~302
物理吸附法
酶分子通过极性键、氢键、疏水力或 π 电子相互作用等吸
附于不溶性载体上。
常用的载体有：多孔玻璃、活性炭、氧化铝、石英砂、纤维
素酯、葡聚糖、琼脂精、聚氯乙烯、聚苯乙烯
已用此法固定化的酶如,
脂肪酶,α － D葡萄糖苷酶、过氧化物酶等
交换法
选用具有离子交换剂的载体，在适宜的 pH下，使酶分子与
离子交换剂通过离子键结合起来，形成固定化酶。
常用的带有离子交换剂的载体如下,
DEAE一纤维素,TEAE一纤维素,
AE— 纤维素,CM— 纤维素,
DEAE一葡萄糖、肌酸激酶
共价结合法
a,重氮 b.迭氮 c.卤化氰 d.缩合
e.烷基化法
物理包埋法
将酶分子包埋在凝胶的细微格子里制成固定化。
常用的凝胶有：聚丙烯酸胺、淀粉、明胶、聚乙烯醇、
海藻酸钙、硅树脂
用凝胶包埋法制备的固定化酶如：木瓜蛋白酶、纤维素
酶、乳酸脱氢酶
2、酶传感器应用
（ 1）葡萄糖传感器
? 大肠杆菌改良型葡萄糖传感器
? MWCNTs-HRP葡萄糖传感器
? 检测血清中葡萄糖浓度
大肠杆菌改良型葡萄糖传感器
? 利用大肠杆菌中的葡萄糖脱氢酶 (mGDH)对氧分子的不
敏感性而降低干扰。
? 此传感器把大肠杆菌细胞固定在附有苯醌的石墨电极
上，中间夹有一层透析膜。
? 检测葡萄糖浓度达 0.2-10 mM,响应时间在 2min左右，
此葡萄糖传感器用 EDTA处理后可再度使用。
Ito Y,Yamazaki S,Biosens Bioelectron.2002,17(11-12):993-8
MWCNTs-HRP葡萄糖传感器
? 施加电压为 -300mv时，可避免抗坏血酸、尿酸等
干扰，对葡萄糖在 GOD作用下生成的过氧化氢有
高的灵敏度。
? MWCNTs和 HRP混合物固定在电极上，制成 MWCNTs-
HRP改进型电极。
? 检测限达 1.0 x 10(-7) mol/L,还可在线检测葡
萄糖。
Yamamoto K,Shi G, Analyst, 2003,128(3):249-54
检测血清中葡萄糖浓度
? 在普通葡萄糖电极上加一层多功能膜，使测量不
受血液中其它金属离子以及抗坏血酸、尿酸等干
扰物质的影响。
? 此多功能膜为磷酸胆碱，甲基丙稀酰胺和纤维素
的聚合物。
? 检测血清中葡萄糖浓度达 5-650 mg/dl,响应时间
小于 60s，有很好的重现性和稳定性。
Chen CY,Ishihara K.Biomed Microdevices.1998,1(2):155-66
（ 2）脲电极
Urea + 2H2O 2NH4++2HCO3- 脲 酶
产生的 2NH4+为阳离子电极感应。
此外还有,氨基酸电极
醇电极
尿酸电极
乳酸电极
青霉素电极
亚硝酸离子电极：菠菜亚硝酸还原酶产生 NH3
（二） 免疫传感器
? 基本原理
采用抗原与抗体的特异反应将待测物与酶连接，
然后通过酶与底物产生颜色反应，用于定量测定。
? 在这种测定方法中有 3种必要的试剂,
①固相的抗原或抗体（ 免疫吸附剂）
②酶标记的抗原或抗体（ 标记物）
③酶作用的底物（ 显色剂）
酶联免疫吸附测定法
测量时，抗原（抗体）先结合在固相载体上，但仍保留其免疫活
性，然后加一种抗体（抗原）与酶结合成的偶联物（标记物），
此偶联物仍保留其原免疫活性与酶活性，当偶联物与固相载体上
的抗原（抗体）反应结合后，再加上酶的相应底物，即起催化水
解或氧化还原反应而呈颜色。其所生成的颜色深浅与欲测的抗原
（抗体）含量成正比。
1、双抗体夹心法
此法适用于检验各种蛋白质
等大分子抗原
2、间接法
间接法是检测抗体最常用的方法，
其原理为利用酶标记的抗体检测
已与固相结合的受检抗体，故称
为间接法。
3、竞争法
竞争法可用于抗原和半抗原的定量
测定，也可用于测定抗体。
酶联免疫吸附测定法临床应用
? 酶电极在 40nL的微池中检测 D-Dimer浓度应用于
临床试验。 检测到 D-Dimer浓度范围为 0.1 －
100 nM, 抚育时间从几小时减少到 5分钟。
? 利用抗原抗体反应前后电位的变化检测 B型肝炎
抗原。检测浓度范围为 4-800 ng/ml，检测限达
1.3 ng/ml。此方法比常规检测更加直接，快速，
简单。
Rossier JS,Girault HH,Lab on a Chip,2001,1(2),153 - 157
Tang DP,Yuan R,Anal Biochem,2004,333(2):345-50
（三） 细胞传感器
以动植物细胞作为生物敏感膜的电化学传
感器称为细胞电极，此系酶电极的衍生型
电极。动植物细胞中的酶是反应的催化剂。
与酶电极比较，细胞电极具有如下优点,
1.酶活性较离析酶高。
2.酶的稳定性增大。
3.材料易于获得 。
细胞传感器的应用
细胞传感器可用于诊断早期癌症，用人类
脐静脉内皮细胞通过三乙酸纤维素膜固定
在离子选择性电极上作为传感器，肿瘤细
胞中 VEGF刺激细胞使电极电位发生变化从
而测得 VEGF浓度来诊断癌症。
May KM,Vogt A.Anal Bioanal Chem,2005,382(4):1010-6
生物传感器的特点
专一性好，灵敏度高
体积小，可连续的在线、在位、在体监测
响应快、样品用量小，可以反复多次使用
易于实现多组分的同时测定
成本远低于大型分析仪器，便于推广普及
展望
随着一些关键技术的进一步完善，随着人们对生
物体认识的不断深入，随着各学科的不断发展，生
物传感器必将在未来会有更大的作为。
谢 谢
