Enzym là các thụ thể sinh học được sử dụng phổ biến nhất trong sinh học. Các xét nghiệm enzym chủ yếu dựa trên sự ức chế hoạt động của enzym hoặc xúc tác. Trong thiết kế sinh học xác định thuốc trừ sâu và cảm biến sinh học sử dụng nhiều loại enzym như organophotphative hydrolaza, kiềm photphataza, ascorbat oxyaza, tyrosinaza và axid photsphataza.[139]
Ứng dụng phân tích xác định nồng độ cơ chất như glucose, ure, cholesterol… với sự hỗ trợ của enzym, định lượng ure bằng enzym ureaza. Bên cạnh đó, enzym còn được dùng làm thuốc, chẳng hạn như sử dụng protease làm thuốc tắc nghẽn tim mạch, tiêu mủ vết thương, làm thông đường hô hấp, chống viêm, làm thuốc tăng tiêu hóa protein; sử dụng amylase phối hợp với coenzym A, cytochrome C, ATP,
carboxylase để chế thuốc điều trị bệnh tim mạch, bệnh thần kinh, phối hợp với enzym thủy phân để chữa bệnh thiếu enzym tiêu hóa.[140,141]
Trong thực tế enzym tác dụng với chất nền tạo thành phức chất enzym-chất nền (E-S). Phức chất này sắp xếp lại các phân tử của chất nền để tạo thành sản phẩm phản ứng (P) và sau đó lại giải phóng enzym để rồi lượng enzym vừa được giải phóng ấy lại xúc tác cho phản ứng tiếp theo. Khi nồng độ của chất nền cao thì lượng sản phẩm phản ứng được tạo ra sẽ tỷ lệ với thời gian vì khi đó toàn bộ lượng enzym sẽ phải tạo phức và không còn enzym thừa nữa mà enzym chỉ được giải phóng khi phức bị tách ra thành sản phẩm. Enzym vừa được giải phóng này sẽ lại xúc tác cho phản ứng hoá học khác.
Như vậy thực chất enzym không phải là nhân tố trực tiếp tham gia vào quá trình phản ứng mà nó chỉ đóng vai trò là chất xúc tác cho quá trình phản ứng.
Do enzym có cảm ứng cao đối với nhiệt độ, pH và những thay đổi khác của môi trường. Một trong số những ứng dụng là dùng chế phẩm enzym làm chất mang để gắn phức hợp enzym xúc tác cho phản ứng nhiều bước trong quy trình tổng hợp glutathion, acid béo, alcaloid, sản xuất hormon cũng như sử dụng trong công nghệ xử lý nước thải, sản xuất alcohol, amino acid. Enzym cũng được sử dụng trong nghiên cứu cấu trúc hóa học như: dùng enzyme protease để nghiên cứu cấu trúc protein, dùng enzym endonuclease để nghiên cứu cấu trúc nucleic acid. Ngoài ra, enzym còn được dùng làm thuốc thử trong hóa phân tích. [140]
Để nhận biết ure, cảm biến sinh học và điện cực chuẩn được nhúng vào trong dung dịch chất đệm có chứa ure. Ure trong dung dịch phân tích sẽ khuếch tán đến lớp màng enzym trên bề mặt cảm biến. Phản ứng thủy phân của ure được xúc tác bởi enzyme cố định trên bề mặt của cảm biến. Sản phẩm của phản ứng là những ion tích điện hoặc không tích điện được khuếch tán vào dung dịch và có thể thêm các phản ứng khác. Các ion được hình thành trong các phản ứng sẽ làm tăng độ dẫn của dung dịch ở bề mặt cảm biến. Sự thay đổi này được nhận biết bởi thiết bị cảm biến sinh học.
Có nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng tốc độ của phản ứng thủy phân urê được xúc tác bởi enzym ureaza phụ thuộc vào pH, nhiệt độ, thành phần chất đệm.
Các chứng minh cũng chỉ ra rằng sản phẩm đầu tiên của phản ứng xúc tác enzym là amoni cacbamat:
(NH2)2CO + H2O → H2NCOO− + NH4+
Sau đó cacbamat chuyển thành NH3 và CO2
H2NCOO− + H+ → NH3 + CO2 Tiếp theo là sự hòa tan CO2 sinh ra
CO2 + H2O → H2CO3
Sản phẩm của phản ứng là các axít yếu và bazo yếu. Và cuối cùng các phản ứng phụ xảy ra trong dung dịch tạo ra các ion và khuếch tán đến bề mặt cảm biến:
NH3 + H2O → NH4+ + OH− H2CO3 → H+ + HCO3− HCO3− → H+ + CO32−
Các ion của các phản ứng này sẽ được thiết bị cảm biến sinh học nhận biết chuyển thành tín hiệu điện rồi đưa ra đầu ra.
Hình 1.14: Cơ chế nhận biết ure ở bề mặt cảm biến sinh học