生物電極

生物電極是以生物材料為敏感元件，依靠生物體內物質間特有的親合力實現識別功能的電極。這類感測器既利用了生物感測器的選擇性好、種類多、測試費用低及適合在線上化的優點，又有電分析化學的不破壞測試體系、不受顏色影響和簡便的特點，廣泛套用於醫療、工業生產、環境監測等領域。

基本介紹

• 中文名：生物電極
• 外文名：biological electrode
• 分類方法：按識別元件不同
• 套用：醫學、發酵工業、生化分析

研究發展

1962年Clark等人提出把酶與電極結合來測酶底物的構想，Updike 等人於1967年完成酶的固定化技術，研製出世界上第一支葡萄糖酶電極，開創了生物感測器的歷史；此後，各種類型的生物感測器相繼得到發展；進入80年代以來，生物技術和感測技術的提高和套用，更是帶動了生物感測器的發展，使之在國際上引起廣泛研究。

在生物感測器中，與電化學基礎電極相結合的電化學生物感測器始終占有最重要的地位，這類感測器又稱生物電極，它發展早、普及快，研究內容豐富。

分類

生物電極有不同的分類法，按分子識別元件的不同可分為酶電極、組織電極、微生物電極、免疫電極、酶免疫電極等；按電極大小又可分出微型生物電極。在此介紹按分子識別元件分類的幾類電極。

酶電極

酶電極是生物電極中開發最早的電極，其基本結構是酶膜加骨架電極，酶膜是利用固定技術將酶固定在穩定的膜狀載體上。酶的固定方法有很多，主要有四種：

酶電極的結構

（1）吸附法。此法是通過化學吸附或物理吸附作用將酶吸附於穩定的固相載體上，如硅藻土、活性炭、甘蔗渣等等；

（2）載體偶聯法。此法是通過化學反應將酶以共價鍵聯結於具有重氮基團等的固相載體上，如苄氧甲基纖維素或葡聚糖凝膠等；

（3）交聯法。此法是採用如戊二醛之類的雙功能基團，使酶分子之間交聯聚合成網狀結構而固定化。

（4）包埋法。此法是將酶包裹於如聚丙烯醯胺、瓊脂糖等凝膠格子中，或包裝於如脂質體、微孔尼龍等，具半透膜性質的衛星膠囊中。

酶的種類很多，通過套用固定化酶技術，大都可以做成各種酶膜，從而可以和骨架電極一起組裝成各種酶電極。酶電極的骨架電極有離子選擇性電極、氣敏電極、氧電極等，作用是對酶催化反應中產物的含量變化產生影響。

生物組織膜電極

生物組織膜電極出現於1978年，它直接利用生物組織，將生物組織切成薄片製成薄膜後再覆蓋在骨架電極上。生物膜電極可分為動物組織膜電極、植物組織膜電極和複合組織膜電極三種。

（1）動物組織膜電極。此類電極是以動物組織為原料切成薄片，與氣敏電極組合一起而製成的生物電極，如取出動物的新鮮組織切成薄片，製成組織膜，裝於氣敏電極的透氣膜上，蓋上透析紙並加以固定即成。測定時，被測定的化合物（如蛋白質、胺基酸）經催化水解，生成對電極有回響的物質，根據生成產物的量即可求出被測定化合物的含量。

（2）植物組織膜電極。此類電極一般是以瓜果的組織製成生物催化層的，把它與二氧化碳氣敏電極組裝而成。

（3）複合組織膜電極。此類電極除了套用動物組織薄片外，還與特定的酶膜複合，組成複合組織膜電極。如肝組織脲酶生物電極，是以牛肝組織和脲酶為複合催化劑，與氨氣敏電極一起組合而成。

微生物電極

1977年Rechnitz等人首先報導了微生物電極，用於測定胺基酸。其結構原理和固定化酶一樣，將微生物固定在一薄膜上，然後組裝在電極上。其後又出現了多種微生物電極，如枯草桿菌電極和沙門氏菌電極。

微生物電極

（1）枯草桿菌電極：此電極含有兩種微生物——B.Subtilis M₄₅（Rec^-）、B.Subtilis H₁₇（Rec⁺），和一隻氧電極。

（2）沙門氏菌電極：此電極由一層濾膜和一隻氧電極構成，沙門氏菌固定在濾膜上。

免疫電極

此類電極是根據生物免疫化學反應的原理所構成。免疫反應中分有標記的和非標記的免疫反應兩類，因此相對應的免疫電極亦有有標記的和非標記的免疫電極兩類。

非標記免疫電極是套用抗原和抗體親和反應使之形成抗體-抗原複合體，由此產生的物理變化可直接轉變為信號而為免疫電極。抗原和抗體膜都為具電荷的蛋白質，在形成抗體-抗原複合物時，膜的電荷密度和膜中離子遷移率均發生改變，導致膜電位發生顯著變化而檢出。

抗體電極有抗DNP電 極、抗BSA電極和抗HCG電極等。抗DNP電極：此包極為電抗體敏感膜和電極體二者的組合物。電極膜以二苯並-18-冠-6為離子載體，半抗原為二硝基苯酚（DNP），二者經共價偶聯製成薄膜，切成適當大小後與電極體組合一起即成。胰島素免疫電極：以溴化醋酸纖維素為載體，將胰島素與之偶合成電極膜，再與氧電極組裝即成。

標記電極有酶標記免疫電極和脂質體標記免疫電極等。

套用

生物電極是一種具有極高選擇性的電極。許多生物體和生物材料對某些分子具有專一性。受體、抗體、細胞器、微生物、動植物組織和其他許多生物材料均可以用作為生物電極的生物層膜。作為生物電極的骨架裝置，除現有的各種離子選擇電極外，人們正把注意力集中在半導體器件上，希望生物電極更為小型化。同時，還希望研製出多功能的生物電極。生物電極已在生化分析、醫學分析、藥物分析、食品分析等方面得到套用。

（1）在醫學上的套用已有：用胰島素免疫電極測定血液中胰島素的濃度；用 酶標記電極測定體液中藥物濃度；用葡萄糖氧化酶電極診斷糖尿病；用甲胎蛋白免病電極進行早期肝癌診斷；用血型抗體電極檢查血型等。

葡萄糖氧化酶電極

（2）在發酵工業中，已用一種吸收乙醇的微生物（酵母）固定化膜與氧電極結合製成的微生物電極，測定發酵時氧耗量，從而求出發酵液中乙醇的含量。

（3）在生化分析上，生物電極可用來測定胺基酸、核苷酸、維生素、抗生素等的含量。

隨著具有更好性能的各種新型生物電極和自動化分析儀器的出現，以及分析技術的進一步發展，生物電極在其他行業，如農產品的分析中，也將會得到廣泛的套用。