第三章生物電測量電極

與生物傳感器張麒上海大學通信與信息工程學院3.1生物電測量電極生物電測量電極(electrode)電極：經過一定處理的金屬板或金屬絲等金屬材料用電極引導生物電信號時，與電極直接接觸的是電解質溶液導電膏人體汗液組織液（電極插入皮下時）將生物體電化學活動而產生的離子電位

轉化成電子測量系統的電位在電極-電解質表面：離子導電轉化為電子導電金屬-電解質溶液界面(雙電層界面)“廣義”電極：由金屬浸在含該金屬離子的電解質溶液中，所構成的體系半電池：一個導電體(如金屬)同離子導體(如電解質溶液)連接構成的系統分類：宏電極：測量較大部位的電位體表電極：濕電極、干電極(按是否用導電膏)體內電極：皮下電極、植入電極微電極:尖端0.05-10um，測量細胞內、外電位電極的極化和極化電位平衡電位極化電極與電解質溶液的雙電層界面在有電流通過時，界面電位由原有平衡電位變為新的電位，該極化電位與通過的電流密度有關極化現象：有電流通過時的電極電位與平衡電位的偏離兩個電位的偏差：極化電壓或超電壓極化現象的測試裝置電極極化阻礙電流進入生物體組織器官，因此使用電極做電刺激時，極化是不利因素在放大器的輸入端產生直流偏置，使放大器輸出飽和而引起失真因此在實際應用中應盡量設法減小電極極化如采用交流電代替直流電極化電極存在極化電壓（超電壓）的電極Ag、Pt、Au等憜性金屬制作的電極

電極本身難被氧化和分解金屬電極和電解質溶液界面形成雙電層，其性能與電容器性能相似非極化電極不存在極化電壓（超電壓）的電極“理想性能”實際情況：盡量接近這種電極性能如Ag/Agcl電極、甘汞電極常用的Ag/Agcl電極表面鍍有AgCl的銀板或銀絲放在含Cl-離子溶液中制作方法電解法燒結法消耗AgCl層，使電極變薄生成AgCl，使電極變厚AgCl對光敏感，電極應保存在暗處電極材料對生物組織有害，故只能用于體外，而非體內比其它電極穩定，

極化電位很小電噪聲小

在生物電測量中具有獨特優點，應用廣泛電極的電學特性電極-電解質溶液界面存

在雙電層，其特性用電

容等效電容C和雙電層間的漏電

阻R1描述電容特性R2為電解質溶液的電阻各種電極的阻抗特性阻抗在低頻時比高頻時大得多10-100Hz之間，各種電極呈現電阻性，曲線平坦電極面積大時，阻抗低常用生物電測量電極體表電極針電極插入表皮層的測量電極（不銹鋼或貴金屬材料制針形)絕緣干電極（絕緣膜電極)不使用導電膏采用電容耦合信號的原理電極與人體接觸面上有一層很薄的絕緣膜把電極與人體隔開(避免了極化現象)人體與電極形成電容，人體與電容片分別是電容的兩個極片很薄且阻抗極高的氧化膜微電極尖端為圓錐形0.05-10um按材料分類金屬微電極填充電解質溶液的玻璃微電極玻璃微電極的結構和簡化等效電路例：玻璃微電極的頻響特性已知：電極頭直徑d1=1.5um電極頭腔內直徑d2=1um頸長L=3mm電解質溶液電阻率ρ=2

Ω·cm玻璃的介電常數ε=1.82;ε0=8.85*10-12F/m求：電極的電阻與電容高頻截止頻率

玻璃微電極的負電容補償電路3.2生物傳感器由固定化的生物物質與適當的換能器組成的傳感系統具有特異識別生物分子的能力,

能檢測生物分子與分析物之間的相互作用，

用于微量物質的檢測酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等生物傳感器基本結構生物傳感器將生物物質固定在高分子膜等固體載體上被識別的生物分子作用于生物功能性膜(生物傳感膜)時，將會發生物理/化學變化換能器將此信號轉換到電信號，從而檢測出特測物質具有分子別功能的敏感元件需經固定化處理換能器作用：將化學物質的變化轉換為可測量的電信號換能器類型各種電極：氧電極、氨電極、CO2電極、pH電極。。光電轉換器（光電倍增管）熱電轉換器（熱敏電阻）半導體ISFET（離子敏感性場效應晶體管）檢測離子濃度變化生物傳感器的類型按敏感物質分酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、免疫傳感器按換能器分電極型、測熱型、發光型、半導體、測場型生物傳感器的優點特異性高、敏感性高穩定性好成本低廉體積小能在體進行快速實時的連續檢測一般不需要樣品的預處理，樣品用量少，響應快固定化敏感材料可以反復多次使用電化學生物傳感器例:電流型葡萄糖生物傳感器用一薄層葡萄糖氧化酶覆蓋在氧電極表面，通過氧電極檢測溶液中溶解氧的消耗量可以間接測定葡萄糖的含量反應式GOD(FAD)+葡萄糖

GOD(FADH2)+葡萄糖酸內酯GOD(FADH2)+

O2

GOD(FAD)+H2O2總反應式

葡萄糖+

O2

葡萄糖酸內酯+H2O2葡萄糖氧化酶的氧化態葡萄糖氧化酶的還原態GODO2在GAD催化下氧化葡萄糖，生成H2O2用兩種方法獲取電信號測量反應物O2的減少

即用氧電極測量溶液中溶解氧的變化

缺點：空氣中O2的變化也會導致溶液中溶解氧濃度的變化測量反應產物H2O2產生量

Pt作陽極，Ag作阻極，測定H2O2產生量熱效應生物傳感器當固定化的生物物質與被測特定生物物質作用時，常伴有熱的變化，即產生熱效應若催化反應放出的熱量全部用于反應系統溫度的升高，則有溫度變化與產物濃度呈線性關系，反應物質的濃度得以測量光電效應生物傳感器利用固定化生物物質與被測定特定生物物質作用時，產生光學現象的變化，再將光信號轉為電信號例:光學DNA生物傳感器

組成：固定有已知的核苷酸序列的單鏈DNA(ssDNA探針)換能器ssDNA與待測樣品的靶DNA雜交，形成雙鏈DNA，雜交產生的光學變化由換能器實現轉換任務光纖DNA生物傳感器將ssDNA探針進行熒光標記，并固定在um級的光纖末端上光纖的另一端耦合到熒