第三章 生物电测量电极 与生物传感器,张麒上海大学 通信与信息工程学院,3.1 生物电测量电极,生物电测量电极(electrode) 电极：经过一定处理的金属板或金属丝等金属材料 用电极引导生物电信号时，与电极直接接触的是电解质溶液 导电膏 人体汗液 组织液（电极插入皮下时） 将生物体电化学活动而产生的离子电位 转化成电子测量系统的电位 在电极-电解质表面：离子导电 转化为 电子导电,金属-电解质溶液界面(双电层界面),“广义”电极：由金属浸在含该金属离子的电解质溶液中，所构成的体系 半电池：一个导电体(如金属)同离子导体(如电解质溶液)连接构成的系统 分类： 宏电极：测量较大部位的电位 体表电极：湿电极、干电极(按是否用导电膏) 体内电极：皮下电极、植入电极 微电极:尖端0.05-10um，测量细胞内、外电位,电极的极化和极化电位,平衡电位极化 电极与电解质溶液的双电层界面在有电流通过时，界面电位由原有平衡电位变为新的电位，该极化电位与通过的电流密度有关 极化现象：有电流通过时的电极电位与平衡电位的偏离 两个电位的偏差：极化电压 或 超电压,极化现象的测试装置,电极极化 阻碍电流进入生物体组织器官，因此使用电极做电刺激时，极化是不利因素 在放大器的输入端产生直流偏置，使放大器输出饱和而引起失真 因此在实际应用中应尽量设法减小电极极化 如采用交流电代替直流电,极化电极 存在极化电压（超电压）的电极 Ag、Pt、Au等憜性金属制作的电极 电极本身难被氧化和分解 金属电极和电解质溶液界面形成双电层，其性能与电容器性能相似 非极化电极 不存在极化电压（超电压）的电极 “理想性能” 实际情况：尽量接近这种电极性能 如 Ag/Agcl电极、甘汞电极,常用的Ag/Agcl电极 表面镀有AgCl的银板或银丝放在含Cl-离子溶液中制作方法 电解法 烧结法,消耗AgCl层，使电极变薄,生成AgCl，使电极变厚,AgCl对光敏感，电极应保存在暗处 电极材料对生物组织有害，故只能用于体外，而非体内 比其它电极稳定， 极化电位很小 电噪声小在生物电测量中具有独特优点，应用广泛,电极的电学特性,电极-电解质溶液界面存 在双电层，其特性用电 容等效 电容C和双电层间的漏电 阻R1描述电容特性 R2为电解质溶液的电阻,各种电极的阻抗特性 阻抗在低频时比高频时大得多 10-100Hz之间，各种电极呈现电阻性，曲线平坦 电极面积大时，阻抗低,常用生物电测量电极,体表电极针电极 插入表皮层的测量电极（不锈钢或贵金属材料制针形),绝缘干电极 （绝缘膜电极) 不使用导电膏 采用电容耦合信号的原理 电极与人体接触面上有一层很薄的绝缘膜把电极与人体隔开 (避免了极化现象) 人体与电极形成电容，人体与电容片分别是电容的两个极片,很薄且阻抗极高的氧化膜,微电极 尖端为圆锥形 0.05-10um 按材料分类 金属微电极 填充电解质溶液的玻璃微电极,玻璃微电极的结构和简化等效电路,例：玻璃微电极的频响特性 已知： 电极头直径d1 = 1.5 um 电极头腔内直径d2 = 1 um 颈长L = 3 mm 电解质溶液电阻率= 2 cm 玻璃的介电常数= 1.82; 0 = 8.85 * 10-12 F/m 求： 电极的电阻与电容 高频截止频率,玻璃微电极的负电容补偿电路,3.2 生物传感器,由固定化的生物物质与适当的换能器组成的传感系统具有特异识别生物分子的能力, 能检测生物分子与分析物之间的相互作用， 用于微量物质的检测,酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等,氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等,生物传感器基本结构,生物传感器将生物物质固定在高分子膜等固体载体上 被识别的生物分子作用于生物功能性膜(生物传感膜)时，将会发生物理/化学变化 换能器将此信号转换到电信号，从而检测出特测物质,具有分子别功能的敏感元件需经固定化处理 换能器作用：将化学物质的变化转换为可测量的电信号 换能器类型 各种电极：氧电极、氨电极、CO2电极、pH电极。 光电转换器（光电倍增管） 热电转换器（热敏电阻） 半导体ISFET（离子敏感性场效应晶体管）检测离子浓度变化,生物传感器的类型,按敏感物质分 酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器 按换能器分 电极型、测热型、发光型、半导体、测场型,生物传感器的优点,特异性高、敏感性高 稳定性好 成本低廉 体积小 能在体进行快速实时的连续检测 一般不需要样品的预处理，样品用量少，响应快 固定化敏感材料可以反复多次使用,电化学生物传感器,例:电流型葡萄糖生物传感器,用一薄层葡萄糖氧化酶覆盖在氧电极表面，通过氧电极检测溶液中溶解氧的消耗量可以间接测定葡萄糖的含量反应式 GOD(FAD)+葡萄糖 GOD(FADH2)+葡萄糖酸内酯 GOD(FADH2)+ O2 GOD(FAD)+H2 O2 总反应式 葡萄糖 + O2 葡萄糖酸内酯+H2 O2,葡萄糖氧化酶的氧化态,葡萄糖氧化酶的还原态,GOD,O2在GAD催化下氧化葡萄糖，生成H2O2,用两种方法获取电信号 测量反应物O2的减少 即用氧电极测量溶液中溶解氧的变化 缺点：空气中O2的变化也会导致溶液中溶解氧浓度的变化 测量反应产物H2O2产生量 Pt作阳极，Ag作阻极，测定H2O2产生量,热效应生物传感器,当固定化的生物物质与被测特定生物物质作用时，常伴有热的变化，即产生热效应 若催化反应放出的热量全部用于反应系统温度的升高，则有,温度变化与产物浓度呈线性关系，反应物质的浓度得以测量,光电效应生物传感器,利用固定化生物物质与被测定特定生物物质作用时，产生光学现象的变化，再将光信号转为电信号 例:光学DNA生物传感器 组成： 固定有已知的核苷酸序列的单链DNA(ssDNA探针) 换能器,ssDNA与待测样品的靶DNA杂交，形成双链DNA，杂交产生的光学变化由换能器实现转换任务,光纤DNA生物传感器 将ssDNA探针进行荧光标记，并固定在um级的光纤末端上 光纤的另一端耦合到荧光显微镜 测量时将探针浸入到靶DNA溶液中，与靶DNA杂交，使荧光标记物受激光激发产生荧光变化 荧光的变化经光纤返回到荧光显微镜 CCD相机捕获图像,生物传感器的固定化技术,固定化技术决定了传感器的稳定性、灵敏度、特异性等主要性能 方法分类 吸附法 共价键合法 物理包韩法,