最新分析化学073电位分析法及双指示电极课件PPT.ppt 60页

'分析化学073电位分析法及双指示电极 3.生物传感器的工作原理（1）将化学信号转变成电信号已经研究的大部分生物传感器的工作原理均属这种类型。例如酶传感器，酶催化特定底物发生反应，从而产生一种新的可供测量的物质，用能把这种物质的量转变为电信号的装置和固定化的酶相耦合，即称为酶传感器。 （2）将热能变化转换为电信号（3）  将光效应转换为电信号（4）  直接产生电信号 （3）.根据生物传感器的信号转换器分类生物传感器的信号转换器有：电化学电极、离子敏场效应晶体管、热敏电阻、光电转换器等．据此又将生物传感器分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生传感器、测声型生物传感器等． 以上后两种分类方法之间还可互相交叉，因而生物传感器的类别就更加增多，例如酶传感器又分为酶电极、酶热敏电阻、酶FET、酶光极等．上面介绍的各种名称都是类别的名称，每一类又都包含许多种具体的生物传感器，例如，仅酶电极一类，根据所用酶的不同就有几十种，如葡萄糖电极、尿素电极、尿酸电极、胆固醇电极、乳酸电极、丙酮酸电极等等．就是葡萄糖电极也并非只有一种，有用pH电极或碘离子电极作为转换器的电位型葡萄糖电极，有用氧电极或过氧化氢电极作为转换器的电流型葡萄糖电极等．实际上还可再细分。总之，生物传感器是传感器中类别较多、内容较广的一大类传感器，随着科学技术的不断发展，它所包含的内容也必将更为丰富．为醒目起见，现将生物传感器的分类示于图中． 5.生物传感器的特点(1)生物传感器是由选择性好的主体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不需进行样品的预处理，它利用优异的选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体．测定时一般不需另加其它试剂．(2)由于它的体积小、可以实现连续在位监测．(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。 二.生物传感器的信号转换生物传感器中的信号转换器是将分子识别元件进行识别时所产生的化学的或物理的变化转换成可用信号的装置．生物传感器的信号转换器已有许多种，其中到目前为止用得最多的且比较成熟的是电化学电极，用它组成的生物传感器称为电化学生物传感器．电化学电极可用作生物传感器的信号转换器的电化学电极，一般可以分为两种类型。电位型电极和电流型电极． Ⅰ．电位型电极1．离子选择电极离子选择性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，因此应用范围很广．离子选择性电极作为生物传感器的信号转换器只是它的一种应用，在生物医学领域也常直接用它测定体液中的一些成分（如H+，K+，Na+，Ca2+等）。 2．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。 Ⅱ．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的浓度呈线性关系，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。由图可见，Clark氧电极是个复合电极．工作时在铂阴极和Ag/AgCl阳极之间施加0．6V的电压，铂阴极的电位为一O．6V。通常铂阴极是个微小电极（d约0．02mm），如下所述。此电极无需过大．氧电极前端透气膜是只允许气体透过的薄膜（聚四氯乙烯膜、聚酯膜、聚氯乙烯膜、聚丙烯膜、火棉胶膜及硅橡胶膜等）．它可以防止因溶液中的离子或分子到达阴极表面还原而干扰测定．因此当将氧电极插入含有溶解氧的溶液后，溶液中的O2将扩散，透过透气膜到达铂阴极表面被还原，还原电流值与溶解氧的量有关． Ⅲ.离子敏场效应晶体管随着医学研究的进展以及临床诊断工作的需要，对传感一器的要求有了新的发展．希望传感器能具有以下特点：（l）小型化，便于携带，易于使用，非专业人员也能操作．（2）响应快，可应用于微小区域，象生物细胞内成分的测定．（3）能同时完成多种成分测定．（4）能够直接连接在计算机的输入端．（5）输出阻抗低，可避免外界感应以及下级电路的干扰．由于绝缘栅场效应管的应用，制造具有以上特点的离子敏感元件及生物敏感元件已成为现实． 敏场效应晶体管的结构和工作原理由于电化学理论和半导体理论的相互渗透。所以出现了一类能够对离子或分子敏感的半导体器件，并称之为化学敏感半导体器件。其中对离子敏传感器件研究的成果较多．离子敏场效应晶体管，即ISFET，它与常用的绝缘栅型场效应晶体管构造相同．不过在输入栅极做了一些改进，以能与特定的化学物质反应，产生电位的敏感膜取代金属极．让敏感膜直接与溶液接触，由于敏感膜对溶液中的离子有选择作用，从而调制ISFET的漏电流变化，利用这个特性就能检测一溶液中的离子活度． Ion-sensitivefield-effecttransistor(ISFET)Metal-oxide(MOFET) 三.敏感器件（分子识别元件）1．酶（Enzyme）及酶电极(1).酶的催化特性酶是生物体内产生并具有催化活性的一类蛋白质。此类蛋白质表现出特异的催化功能，因此，酶被称为生物催化剂．酶在生命活动中起着极为重要的作用，它们参加新陈代一谢过程中的所有生化反应，并以极高的速度和明显的方向性维持生命的代谢活动，包括生长、发育、繁殖与运动．可以说，没有酶生命将不复存在．目前已鉴定出的酶有2000余种，其中一半左右已达均一纯度，100余种已能制得晶体。酶与一般催化剂相同，在相对浓度较低时，仅能影响化学反应的速度，而不改变反应的平衡点，反应前后其组成与质量均不发生明显改变． 酶与一般催化剂的不同点如下：(1).酶的催化效率比一般的催化剂高106—1O13倍。(2).酶催化反应条件较为温和，在常温常压近中性条件下即可进行.(3).酶的催化具有高度的专一性. 1).立体化学专一性．它又可分为：（a）光学专一性．所谓光学专一性是指一种酶只能催化一对镜像异构体之一，对另一异构体则不起催化作用．如精氨酸酶只催化L一精氨酸水解产生L一乌氨酸和尿素，对D一精氨酸则无效．（b）几何专一性．所谓几何专一性是指酶只能作用顺式或反式异构体中的某一个．如延胡索酸是一种反式的丁烯二酸，而马来酸则为顺式的丁烯二酸．延胡索酸酶只能催化延胡索酸水解产生苹果酸，而不作用于马来酸． 2）非立体化学专一性非立体化学专一性可依据酶对底物的三种组成部分选程度的不同分为三类：(a).键专一性(b).基团专一性(c).绝对专一性具有绝对专一性的酶要求底物的键及A与B严格地适宜，否则不起催化作用．绝对专一性典型的例证是脲酶，且只能催化尿素水解，对尿素的衍生物则无催化作用. (2).酶的本质和分类酶是一类有催化活性的蛋白质.酶可分为单纯蛋白酶与结合蛋白酶两大类．单纯蛋白酶除蛋白质以外不含其它成分．如胃蛋白酶、胰蛋白酶和脲酶等．结合蛋白酶是由蛋白和非蛋白两部分所组成．非蛋白部分若与酶蛋白结合牢固，不易分离则称辅基·如细胞色素氧化酶中的铁卟啉部分，用透析法不能将其与酶蛋白部分分开，故称铁卟啉部分为辅基．若非蛋白部分与酶蛋白结合不牢，易于分开，在溶液中呈离解平衡状态，则称为辅酶．常见的辅酶有烟酰胺腺瞟吟二核苷酸（NAD，辅酶Ⅰ）和烟酰胺腺瞟吟二核昔酸磷酸（NADP，辅酶Ⅱ），二者均称为脱氢酶的辅酶．辅基与辅酶多为维生素或某些金属（Cu、Fe、Mg、Zn、Co、Mn、Mo等）的配合物。 (3).酶的活力单位（酶单位）1）标准酶单位国际生物化学协会酶委员会规定了酶单位的标准形式为：一个酶单位（U）是在特定的条件下lmin内催化形成1μmol产物的酶量（或转化1mo1底物的酶量）．特定条件一般是指选定的条件，如温度为25℃，30℃，37℃，最适pH,底物为饱和溶液． 2）酶的比活力每毫克蛋白质所含某酶的活力单位数称某酶的比活力．3）酶浓度每毫升酶蛋白溶液所含某酶的活力单位数称某酶浓度．一定重量或一定体积酶制剂所具有的酶活力单位数叫做总活力．在酶的提纯过程中，总活力逐渐下降，比活力逐渐提高． 4）转换值也称分子活力或摩尔活力．其定义是1摩尔酶在最适条件下，1min内所转化的底物的摩尔数．转化值的单位为min-1．转换值的倒数是一个催化循环所需要的时间．(4).酶的固定化技术固定化酶使酶的利用率、稳定性与机械强度等方面均较可溶性酶有所提高，使用固定化酶为酶电极的制备提供了良好的条件． 1.惰性载体——物理吸附法此法是酶分子通过极性键、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（包括硝酸纤维素、醋酸纤维素）、葡聚糖、琼脂精、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，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． 2.离子载体—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、肌酸激酶等．3．活化载体—共价结合法a.重氮法b.迭氮法c.卤化氰法．d.缩合法e.烷基化法 4.物理包埋法此法是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、桂树脂等．用凝胶包埋法制备的固定化酶如：木瓜蛋白酶、纤维素酶、乳酸脱氢酶等． 2.电化学免疫传感器(Immunosensor) 免疫学的基本概念1.抗体（antibody）和抗原（antigen）抗体是一种免疫球蛋白．免疫球蛋白有5种，分别命名为IgG，IgA，IgM，IgD和IgE，无脊椎动物不产生免疫球蛋白．鱼有IgM,两栖类有IgM和IgG.除人类有5种免疫球蛋白外，大多数哺乳动物只有IgG，IgA,IgM和IgE四种免疫球蛋白． 抗原是一种进入机体后能刺激机体产生免疫反应的物质．它可能是生物体（如各种微生物），也可能是非生物体（如各种异类蛋白、多糖等）.通常，分子量大于10000，而且具有一定结构（如苯环或杂环等结构）的物质均可成为抗原性物质，都能有效地诱发产生抗体．有些分子量较小的物质，如某些药物和激素在动物体内并不产生抗体．但将这种小分子量的物质用化学法结合到某种载体（通常是大分子蛋白质）上，再用这种结合物可诱发产生抗体．通常把这样一些小分子量物质称为半抗原．用半抗原的结合物诱发产生的抗体，其中有些是抗这个半抗原的抗体，可与其半抗原结合，其结合常数有时高达1011．由此可见，若待测物是具有特定结构的大分子蛋白质，可直接用来制备抗体；若为分子量较小的半抗原，则需将它进行化学修饰结合到大分子载体上才能诱发产生抗半抗原的抗体。 3.组织传感器以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的电化学传感器称为组织电极，此系酶电极的衍生型电极．动植物组织中的酶是反应的催化剂．与酶电极比较，组织电极具有如下优点：1.酶活性较离析酶高.2.酶的稳定性增大.3.材料易于获得. 肝组织电极的研究及应用动物肝组织中含有丰富的H2O2酶，可与氧电极组成测定H2O2及其它过氧化物的组织电极．1981年Mascini等研究了数种哺乳动物和其它动物（鸟、鱼、龟）的肝组织电极，翌年，报道了基于牛肝组织的H2O2电极． 牛肝-H2O2电极取0．1mm厚牛肝一片，覆盖子氧电极的特氟隆膜上，用“O”型橡皮圈固定，即成牛肝组织电极．在pH6．80的缓冲液中，使电极与空气中的氧平衡，然后加入底物，底物为浓度大于1O-5mol／LH2O2溶液．反应产生的氧气到达氧电极的特氟隆膜时，使电极输出增加．在1×10-4mol/L底物浓度时，1．5min即可获得稳定电流，如图所示： 若向溶液中通以氮气，以降低氧的溶解度，减少空气平衡溶液中氧的残余电流（约10μA）至十分之几微安，检测下限可降低至1X10-5mol／L，相关系数：R=0．997（n＝9）． 植物组织膜电极结构图解a一水瓜,b一果皮,c-中果皮,d-内果皮1-中果皮组织薄片2-固定化骨架3-透气健,4-垫圈5-内电解质6-复合PH电极7-塑料电极体3-7为二氧化碳气敏电极结构 4.电化学DNA(基因)传感器 精品课件！ 精品课件！ 【考题1】(2010年广东梅州)下列关于承担责任的代价与回报的说法中，不正确的是()A．承担责任，往往伴随着获得回报的权利，但同时也是在履行自己应尽的义务B．承担责任时要对回报与代价进行正确的评估，如果物质利益少可以选择不承担C．担任班委可以服务同学，锻炼自己D．一个富有责任心的人面对责任，不言代价与回报 【剖析】本题考查学生对承担责任不言代价与回报的理解。面对可以选择自己承担的责任，我们可以对承担责任的代价和回报进行正确的评估，作出最合理的选择；但面对并不是我们自愿选择的责任，我们也要承担，不能因为物质利益少就不承担，可见B项说法错误，符合题意。故选B。 【考题2】(2010年广东茂名)(多项)据2009年4月4日报道，曾两度辍学打工替过世的父亲还清20多万元债务的某大学在读生小张，创办公司专门帮助贫困生。我们应学习像小张一样()A．自觉承担责任B．孝亲敬长乐于助人C．承担责任辍学持家D．不轻言代价与回报 【剖析】本题考查的知识点是责任感、承担责任不言代价与回报。小张自觉承担对家庭、对他人的责任，替父亲还债，帮助贫困生，可见A、B两项明显符合题意。C项中的“辍学”说法错误，作为学生，我们要自觉履行受教育的义务。D项说法不正确，承担责任我们要不言代价与回报。故选AB。【指点迷津】“不轻言代价与回报”多了个“轻”字意思就不同了。在审题时，我们一定要注意选项增加的修饰语、限定词，它们容易使观点适用的范围扩大或缩小，改变原来观点的意思。 【考题3】(2009年广东汕头)(辨析题)难忘大地震，难忘汶川人与事。北京奥运会入场式中与姚明同为中国队旗手的小林浩，在大地震发生时，被压在了废墟之下，经过两个小时的艰难挣扎，终于爬出废墟。自救成功之后，小林浩又救出两位被压在废墟下的同学。小林浩自救和救同学的行为，得到了社会的好评。辩题：做一个负责任的人就是对自己负责。【命题意图】本题考查学生对责任的认识。考查学生的辨析能力。 【解题思路】做一个负责任的人，我们应该对自己负责、对他人负责、对集体负责、对社会负责，可见辩题既有合理的一面，也有不合理的一面。因此，解答本题，不仅要说明对自己负责的重要性，还要结合材料说明小林浩对谁负责了，补充从哪些方面做一个负责任的人。最后还要进行适当的总结。【答案】(1)做一个负责任的人必须对自己负责。只有对自己负责的人，才有资格、有信心、有能力承担起对他人的责任。小林浩顽强自救和救同学，是对自己和对他人负责的表现。因此，辩题的观点有合理性。 (2)做一个负责任的人要做到对国家、社会、集体负责。维护国家利益，关爱社会，热爱集体，是我们应尽的责任，我们要高度负责。(3)做一个负责任的人要做到不言代价与回报；要做到信守承诺，勇担过错，自觉承担责任，这也是富有责任心的表现。可见，辩题的观点不全面。【规律方法】解答以偏概全型辨析题，第一，要肯定其合理性并说明理由。第二，要分析其不合理性，补全观点并说明理由。第三，要进行适当的总结。概括起来说就是：先肯定，再补充，后总结。 一、单项选择题1．(2010年云南昭通)学生要遵守校规校纪，完成学习任务；子女要孝敬父母；同学要互助、互谅，社会的一员应该维护正义等。这些常识告诉我们()DA．要承担的责任太多、太累B．人们在扮演着不同的角色C．人们在承担不同的任务D．社会生活中，人们扮演不同的角色，就意味着担当不同的责任 2．(2010年广东广州)长江大学文理学院的陈及时、何东旭、方招3位大学生为了抢救落水儿童而英勇牺牲。他们的救人义举引发了社会各界的广泛议论。对他们行为的正确评价是()①没有正确评估救人的风险，不应提倡和鼓励②没有掌握必备的救生知识，不应肯定和表扬③体现了强烈的社会责任感，唤醒了社会公德生命的价值A．①②C．①③④体现了生命的崇高和尊严，延伸了B．③④D．②④B 3．(2010年湖南常德)获得2009年度感动中国年度人物的有：26年义务守护滇池环境的农民张正祥；割肝救子的暴走妈妈陈玉蓉；照顾残疾家人20多年的退休工人朱邦月；为留守儿童办学的女大学生李灵……这些材料表明()A②不①不同的人扮演着不同的角色，承担着不同的责任言代价与回报地履行责任，是一种奉献精神④担负社③承担责任，付出越多，得到的物质回报越多会责任，就是要牺牲自我A．①②C．②④B．②③D．①③ 二、多项选择题4．(2010年广东清远)成长带来责任，在社会生活中，青少)ABCD年学生应该承担的责任包括(A．对自己负责B．对他人负责C．对集体负责D．对社会负责 5．(2010年广东湛江)第16届亚运会将于2010年11月在广州举行，预计将有20万名志愿者为亚运会提供志愿服务。承担志愿者工作()ABCA．要付出时间、精力甚至金钱等代价B．可以收获知识、经验、技能和社会的赞誉C．是服务社会、回报社会的亲社会行为D．将会付出生命的代价'