胆碱酯酶活性探测仪的研制

农药对环境的污染是人类所关注的。有机磷农药对人体和动物的毒性表现在它对动物体内胆碱酯酶活性的抑制[ 1] , 而胆碱酯酶的活性关系到机体的神经传导过程, 故其活性的测定在生物医学中具有极为重要的意义。笔者研制的胆碱酯酶活性探测仪不仅可通过测定污染区大气和水中的有机磷对正常胆碱酯酶活性的抑制程度来测 定有机磷农药污染环境的水平, 而且也可以通过测定污染区人和动物体内胆碱酯酶受抑制的情况, 来确定该污染水平对人及动物的毒害程度。

　　1　原理与酶活性的数学描述

　　乙酰胆碱是人和动物体内神经、肌肉的连接点或神经细胞之间实现神经信号传递作用的介质, 若其含量过多就会产生抽筋、昏迷等中毒症状。正常的动物体内有足够活性的胆碱酯酶, 促成乙酰胆碱的水解[ 1] , 其化学表达式为:

　　有机磷农药进入人体或动物体后, 能抑制胆碱酯酶的活性, 使水解速度变慢, 导致乙酰胆碱在体内积蓄而出现中毒症状。所以可通过测定水解产生乙酸的速率来测定酶的活性, 从而监测出环境的污染水平和对动物组织的毒性程度。把乙酰胆碱称为底物, 胆碱酯酶称为酶原, 则酶催化分解底物反应的通式为[ 1] :

　　式中, S 为底物; E 为酶; T 为反应温度; Pi 为第i 个产物。

　　即在一定的温度下, 由于酶的催化作用可使底物分解, 故催化的实质就是加快底物分解的速率, 因而酶的活性可用数学式表示。

　　用生物电化学传感器( BES) 可以把化学量[ P i] 转换为电量Ui, 即BES[ Pi ] Ui

　　如果所选用的生物电化学传感器是对底物所分解的产物有选择性的膜电极, 则有

　　式中　S 为能斯特因子; lnaPi为第i 个产物Pi 活度的对数; Ui 为对应于化学量aPi 的电压值。即转换得到的电压值与产物活度之间的关系应符合能斯特公式。酶的活性可表达为:

　式中　t 1、t 2为测试开始与结束的时刻; Ui ( t1 ) 、Ui( t 2) 分别为对应于t1、t2时刻BES 转换的电压。

　　对于一定的时间间隔t= t 2- t1 , Ui ( t 2- t1 ) 越大, 说明酶的活性越高。如图1所示, 有3条酶活性测试曲线OA 、OB、OC, 若选??t= 30 s, 则Ua> Ub> Uc , 这说明曲线OA 所表示的酶活性最大, 为此可根据上述的数学表达式设计胆碱酯酶活性探测仪。

　　2　胆碱酯酶活性探测仪的构成

　　胆碱酯酶活性探测仪的构成框图如图2所示。该装置由生物电化学传感器、恒温装置和以8031为核心的测试电路3部分组成。

　　2. 1　生物电化学传感器( BES)

　　由图2中的平头玻璃电极和平板Ag / AgCl 参比电极组成的电极测试系统来测定放在载纸上酶原的活性。