葡萄糖酶传感器课程设计

生物医学传感器测量与信号处理课程设计报告姓名：孙盼学号：200900172020班级：生物医学工程生物医学传感器3目录一、设计题目……………………………………………...4二、设计目的……………………………………………...4三、设计内容………………………………………………4四、设计要求………………………………………………41、引言…………………………………………………42、国内外现状分析………………………………………53、设计原理及逻辑框图……………………………………64、分析与讨论……………………………………………115、结论（展望）……………………………………...…166、设计心得体会……………………………………...…16生物医学传感器4一、设计题目：尼龙网为固定酶载体的葡萄糖传感器设计二、设计目的：1、掌握生物医学传感器的应用2、熟悉传感器的一般结构，掌握简单传感器电路的设计方法。3、通过设计，掌握一般葡萄糖传感器设计方法，熟悉葡萄糖检测的原理。三、设计内容：设计一个可以测量葡萄糖的生物传感器，主要是检测葡萄糖的浓度，可用于人体血糖、发酵罐内葡萄糖、部分实验室等场合的葡萄糖检测与控制四、设计要求：1、引言葡萄糖是自然界分布最广且最为重要的一种单糖，它是一种多羟基醛。纯净的葡萄糖为无色晶体，有甜味但甜味不如蔗糖，易溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。植物可通过光合作用产生葡萄糖。葡萄糖有许多重要的作用。葡萄糖是生物体内新陈代谢不可缺少的营养物质。它的氧化反应放出的热量是人类生命活动所需能量的重要来源。葡萄糖在医学上主要用作注射用营养剂（葡萄糖注射液）；食品工业上葡萄糖经异构酶处理后可制造果糖，尤其是含果糖42%的果葡糖浆，其甜度同蔗糖，已成为当前制糖工业的重要产品。在食品、医药工业上可直接使用，在印染制革工业中作还原剂，在制镜工业和热水瓶胆镀银工艺中常用葡萄糖作还原剂。工业上还大量用葡萄糖为原料合成维生素C(抗坏血酸)。葡萄糖可以作为身体健康状况的指标。如检测糖尿病，高血糖等疾病。临床上做糖尿病的诊断试验时，通常是测定静脉空腹血糖。当静脉空腹血糖5.0mmol/L，可排除糖尿病；当静脉空腹血糖7.0mmol/L并且有临床症状时，则可以诊断为糖尿病；而当静脉空腹血糖在5.5～7.0mmol/L之间并且怀疑糖尿病时，要做进一步实验，早期发现糖代谢异常，早期诊断糖尿病。一旦血糖下降到80毫克%时可能出现糖尿现象。国家规定，用葡萄糖酸的钾、钠、钙、锌、铜、铁、锰等作为人体营养强化剂及药用生物医学传感器5补充剂，均有很好的治疗效果。长期的、科学合理的服用，对一个民族身体素质的提高是不言而喻。所以，对葡萄糖的检测，有非常重要的价值。作为生物医学工程专业这一交叉边缘学科的学习者，我非常希望利用已经学习的知识，制作一种传感器，完成对葡萄糖浓度的测量，以便应用于用于人体血糖、发酵罐内葡萄糖、部分实验室等场合的葡萄糖检测与控制。2、国内外现状分析随着我国逐渐步入老龄化社会和人们生活水平的不断提高，糖尿病的发病率呈明显上升趋势。目前我国糖尿病发病率已达到3%，非常接近于欧美发达国家。全世界约有两亿多糖尿病患者，已成为全球性的卫生保健问题，成为仅次于心血管病、癌症的第三大危险疾病，严重威胁着人类的健康。因而糖尿病的诊断和治疗不仅是我国，也是全世界医学界面临的重大课题。长期研究工作已充分表明，如果葡萄糖浓度能够严格维持在正常生理范围内，糖尿病就可以得到控制，由此产生了一系列适于测量体内、外生理溶液中葡萄糖浓度的葡萄糖检测手段。除了临床葡萄糖分析，葡萄糖检测在食品工业及其他生物技术领域也具有非常重要的意义。到目前为止，测定葡萄糖的方法很多，如分光光度法、电流测定法、高效液相色谱法、极谱法及毛细管电泳法等，但是己经采用的这些方法分析速度慢或成本太高。而生物传感器克服了传统分析方法的缺点，它具有操作简单、响应速度快、灵敏度高、选择性好等优点，在众多分析手段中极为引人注目，对糖尿病的诊断有独到之处。按生物传感器中感受器所用生物材料的不同，可分为电化学免疫传感器、微生物传感器、酶传感器、细胞传感器、组织传感器、电化学DNA传感器等。按照传感器器件检测的原理分类，可分为场效应生物传感器、热生物传感器、声波道生物传感器、光生物传感器、压电晶体生物传感器、介体生物传感器、半导体生物传感器等。根据基底电极的不同可以分为汞电极(主要是悬汞电极)传感器和固体电极(包括半导体金属氧化物电极，金电极，碳电极等)传感器。葡萄糖生物传感器，是将酶催化的生化反应信号转换成不同类型的物理信号加以输出的装置。第一代电流型葡萄糖生物传感器，其工作原理是通过固定化的葡萄糖氧化酶催化底物葡萄糖被环境中氧气氧化，生成葡萄糖酸和过氧化氢，后者在碳或金属基电极上在一定工作电位下产生电流响应，从而根据电流信号的测量结果对葡萄糖定量。这种葡萄糖生物传感器是以氧化还原酶的天然电子受体—氧气来作为酶的氧化还生物医学传感器6原活性中心的电子受体的，由于过氧化氢在较高的正电位下发生阳极氧化过程，因此人体内源性物质例如抗坏血酸、尿酸等，即使处于各自生理低浓度，也会在碳或金属基电极上被氧化导致氧化电流信号的迭加而产生干扰。为了改进习见的第一代酶电极的设计，消除上述干扰，人们进行了不断的探索研究，发展了许多技术策略。比如改用非生理性的人工合成的电子受体取代氧气，研制出第二代电流型葡萄糖酶生物传感器。它们通过人工电子受体将电子从葡萄糖氧化酶的黄素氧化还原中心转到基电极表面产生电流信号，使得电流分析可以在较低的正电位以至负电位下实现，从而消除内源性物质氧化的干扰。然而这些人工的电子受体通常是金属有机化合物，其生理毒性问题大大限制了传感器在体内检测葡萄糖的应用。人们还基于酶与电极之间的直接电子传递进行检测而研制了第三代电流型葡萄糖酶生物传感器。第三代酶生物传感器是指在无媒介体存在下，利用酶与电极间的直接电子传递设计制作的酶传感器，是生物传感器构造中的理想手段。由于生物酶分子活性中心深埋在分子内部，使得酶与常规电极之间直接电子传递较为困难，因此基于直接电子传递的生物传感器虽已见于报道，但这些生物传感器的性能并不太理想，存在若干问题，主要是电子传递速率不高，另外这一类传感器还仅仅涉及少数几个氧化还原酶和氧化还原蛋白。总之，第三代生物传感器仍处于探索阶段，要发展到广泛应用阶段还有一段很长的路要走。在电化学酶生物传感器的构建中，一项关键技术是如何将酶稳定而高活性地固定在换能器表面，即酶的固定化技术。它必须兼顾酶的活性和固定化酶的牢固性两个方面，酶的固定化技术决定着电化学酶生物传感器的稳定性、灵敏度等主要性能。不同的固定化方法有不同的优点与缺陷，适用于不同的酶蛋白的固定。酶的固定方法影响传感器的各个性．比如稳定性、灵敏度、响应时间等。目前酶的固定方法有：包埋法，吸附法，共价法，交联法，静电层层自组装法等生物医学传感器73、设计原理及逻辑框图（描述一般原理或方案设计即可，可用画图表示）葡萄糖酶传感器的原理：葡萄糖传感器基本由酶膜和Clark氧电极或过氧化氢电极组成，如图：在葡萄糖氧化酶（GOD）的催化作用下，葡萄糖（C6H12O6）发生氧化反应，消耗氧气（O2）生成葡萄糖酸内酯（C6H10O6）和过氧化氢（H2O2）。GOD被半透膜通过物理吸附的方法固定在靠近铂电极的表面，其活性依赖于其周围的氧浓度。葡萄糖与GOD反应，生成两个电子和两个质子。反应方程式为：被氧及电子质子包围的还原态GOD经过反应后，生成过氧化氢及氧化态GOD，GOD回到最初的状态并可与更多的葡萄糖反应。葡萄糖浓度越高，消耗的氧越多，生成的过氧化氢越多。葡萄糖浓度越少，则相反。因此，氧的消耗及过氧化氢的生成都可以被铂电极所检测，并可以作为测量葡萄糖测定的方法。生物传感器一般由敏感基元(感受器)、信号转换器(换能器)和信号处理器三部分组成如图：生物医学传感器8其工作原理是:当待测物与敏感基元进行特异性结合后，产生光学、热学、压电学或电化学等响应信号，信号转换器敏感地捕捉到这一信号，将其转换成可表达的物理信号等，再经信号处理器经放大等一系列处理并将其输出，其信号大小与分析物含量或浓度存在定量关系，从而实现了对待测物的定量测定。在生物传感器的构建中，如何将生物活性组分稳定、高效地固定到换能器表面是成功构建传感器的关键，它决定着生物传感器的重现性、灵敏度、线性范围、检出限及稳定性等主要性能，同时也决定生物传感器是否具有研究和应用价值。为使生物传感器响应良好，其固定化技术应满足以下几个条件:(1)生物活性组分固定化后活性应尽可能少受影响，保证传感器高的灵敏度和选择性;(2)固定化层对被测物的传质阻力小，保证传感器的快速响应:(3)生物活性组分固定化牢固，不易洗脱，保证传感器有较长的使用寿命;(4)生物固定化层与转换器紧密接触，并能适应多种测试环境;(5)生物固定化层最好具有一定的抗干扰能力。生物活性组分的固定化方法大致有四种:吸附法、包埋法、化学键合法、交联法吸附法是酶在电极表面的吸附，其中物理吸附是一种较为简单的固定化技术，它是通过静电作用、氢键、疏水作用等非共价作用将酶固定于不溶性载体上的方法。它一般通过挥发含酶的缓冲溶液来进行，温度通常选择在4℃，因此酶不会发生降解，该方法具有条件温和，无需化学试剂，酶活性中心不易被破坏等优点，这种固定化酶的方法在生物传感器中的应用非常广泛。包埋法是指将酶包埋于高分子材料的三维空间网状结构中，形成稳定的敏感膜。它分为网格型和微胶囊型两种，将酶包埋在有机基质和无机基质材料的凝胶细微网格中的称网格生物医学传感器9型，而将其包埋在高分子半透膜中的称微胶囊型。该法可采用温和的实验条件将酶掺入到高分子膜中，不涉及酶分子的化学变化，对酶的活性影响小，且膜的厚度和孔径可以人为调节，其作为酶固定化方法在生物传感器中应用很广。共价键合法是酶蛋白分子上的官能团与不溶性载体以共价键结合而固定的方法称为共价键合法。其归纳起来有两类:一是将载体有关基团活化，然后与酶有关基团发生偶联反应，另一种就是在载体上接一个双功能试剂，然后再将酶偶联上去。交联法是借助交联剂(具有两个或多个以上功能基的试剂)使酶分子之间或酶蛋白与凝胶/聚合物之间交联，形成网状结构而使酶固定化的方法称交联法此外还有新型的固定酶技术。如分子自组装和纳米粒子修饰技术。分子自组装是指分子之间靠非共价键作用力(包括静电作用、范德华力、疏水作用力、氢键等)自发形成热力学上稳定的、结构上确定的、性能上特殊的一维、二维甚至三维有序的空间结构的过程，它实现了按人们所预想次序排列的在分子水平上设计和制造的分子组合体系，所以它不仅对研究一些自然科学基本问题如界面电子转移理论、分子间相互作用等具有重要意义，而且所得膜有序、致密、均匀、操作简单等，其作为表面改性技术在生物传感器方面具有极好的应用前景。纳米粒子修饰技术：纳米材料是纳米科学技术的重要基础，是尺寸小于100nln(0.1一100lun)的超细颗粒或纤维等构成的材料总称。由于纳米级尺寸与光波波长、德布罗意波长等物理性质特征尺寸相当或更小，使得晶体周期性的边界条件被破坏;纳米微粒的表面附近的原子密度减小;电子的平均自由程极短，而局域性和相干性增强。这种变化使得纳米材料产生在宏观尺度上完全看不到的或者特别优异的不同于常规材料的性质。纳米粒子越来越多与分子自组装将纳米颗粒修饰到换能器表面，形成纳米活性接口来固定生物材料，纳米粒子的参与使得传感器的响应性能得到进一步的提高。选用尼龙作为固定酶的载体。尼龙是经二酸和二胺缩水反应、通过酞胺键连接起来的惰性高分子化合物，其具有原料来源丰富，价格便宜，且尼龙机械强度高等优点。但因其化学惰性是不能直接键合上酶的，所以首先对在生物传感器中作为固定酶载体的尼龙网进行化学修饰即活化，然后再固定酶。其中活化尼龙网的方法很多:首先水解，然后以环己基异睛或戊二醛为交联剂将酶固定于尼龙网上;或先嫁接上缩水甘油基异丁烯酸盐或丁基异丁烯酸盐，然后以戊二醛为交联剂将酶固定于尼龙网上。与上述活化方法相比，尼龙网先用硫酸二甲酷