《傳感器技術(shù) 教學課件作者 陳建元 第八章 化學與生物傳感器》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《傳感器技術(shù) 教學課件作者 陳建元 第八章 化學與生物傳感器（94頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、新型傳感器技術(shù)第八章化學與生物傳感器 8 化學與生物傳感器 作為信息變換手段之一的化學傳感器，是因化學反應(yīng)產(chǎn)生的電化學現(xiàn)象及根據(jù)化學反應(yīng)中產(chǎn)生的各種信息（如光效應(yīng)、熱效應(yīng)、場效應(yīng)和質(zhì)量變化）來設(shè)計的各種精密而靈敏的探測裝置。此類傳感器用于檢測及測量特定的某種或多種化學物質(zhì)，因此化學傳感器必須具有對待測化學物質(zhì)的形狀或分子結(jié)構(gòu)選擇性俘獲的功能（接受器功能）和將俘獲的化學量有效轉(zhuǎn)換為電信號的功能（轉(zhuǎn)換器功能）。用固定化生物成分或生物體作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器。生物傳感器實際上是化學傳感器的子系統(tǒng)，但也常冠以其名單獨作專題考慮。此類傳感器檢測及測量的待分析物質(zhì)也可是純化學物質(zhì)(甚至是無機物

2、)，盡管其生物組分是目標分析物，關(guān)鍵不同之處在于其識別元件在性質(zhì)上是生物質(zhì)。本章對化學傳感器主要介紹離子敏感器件和氣敏傳感器；對生物傳感器將介紹酶、微生物、抗體等傳感器。8.1 8.1 化學傳感器化學傳感器 化學傳感器包括電化學傳感器、光化學傳感器、質(zhì)量化學傳感器和熱化學傳感器。根據(jù)轉(zhuǎn)換的電信號種類不同，可將電化學傳感器分為電流型化學傳感器、電位型化學傳感器和電阻型化學傳感器。本節(jié)只涉及到電位型化學傳感器和電阻型化學傳感器，在生物傳感器一節(jié)中有關(guān)于光化學傳感器、質(zhì)量化學傳感器的介紹。8.1.1 8.1.1 電位型電化學傳感器原理電位型電化學傳感器原理 有三種基本電化學過程適用于構(gòu)成傳感器：1電

3、位法：測量零電流下的電池電位；2.伏安法(電流法)：在電池電位間設(shè)置氧化(或還原)電位來測量電池的電流；3.電導(dǎo)法：用一交流電橋方法來測量電池的電導(dǎo)。這里只討論電位法。將一金屬條(例如銀)置于一含離子的溶液(如銀離子)中，沿著金屬和溶液的界面會產(chǎn)生電荷分布(圖 8-1)，這就產(chǎn)生了人們所說的電子壓力，通常稱為電位。此電位不能直接測量取得，需要兩個這樣的電極與電解質(zhì)的組合，其中每一個稱作半電池，這樣一個組合稱作電化學電池(圖 8-2)。兩組半電池內(nèi)部通過一電導(dǎo)橋或膜將電路相連，然后，在兩電極外端連接一測量電位的裝置，該電路可用來測定電池的電動勢(emf)，其值為兩個半電池電極間的電位差。電動勢數(shù)

4、值大小取決于幾個因素：電極材料；各個半電池內(nèi)的溶液性質(zhì)及濃度；通過膜(或鹽橋)的液體接界電位。8.1.1 8.1.1 電位型電化學傳感器原理電位型電化學傳感器原理 圖8-1 將一金屬電極浸在電解液中為一半電池8.1.1 8.1.1 電位型電化學傳感器原理電位型電化學傳感器原理圖8-2 兩個半電池電極組合成一完整的電池 8.1.1 8.1.1 電位型電化學傳感器原理電位型電化學傳感器原理圖 8-3 氫電極與其它半電池相連接 8.1.1 8.1.1 電位型電化學傳感器原理電位型電化學傳感器原理 在標準狀態(tài)，氫氣分壓為101325Pa，溫度為298K(25)，定義氫的標準電極電位為零（電位E0=0V

5、），可決定另一電極電位。由于氫電極不方便，常用飽和甘汞電極作參考電極（電位E0=0.24V）。溶液濃度與測量電極電位的關(guān)系由能斯特方程確定，基本能斯持方程是從基礎(chǔ)熱力學方程導(dǎo)出的對數(shù)關(guān)系式 式（8-1）式中 E-測量電極電位，V；E0-參考電極電位，V；Ox-溶液中氧化性物質(zhì)濃度（活度），mol/L；R-溶液中還原性物質(zhì)濃度（活度），mol/L，金屬電 極R=1。ROExElg06.008.1.2 8.1.2 離子敏感器件離子敏感器件 離子敏感器件是一種對離子具有選擇敏感作用的場效應(yīng)晶體管。它是由離子選擇性電極（ISE）與金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）組合而成，簡稱ISFET。I

6、SFET是用來測量溶液（或體液）中的離子活度的微型固態(tài)電化學敏感器件。8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理 為了介紹離子敏感器件的工作原理，必須對為了介紹離子敏感器件的工作原理，必須對場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和特性有個基本了解。場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和特性有個基本了解。一、一、MOFETMOFET的結(jié)構(gòu)和特性的結(jié)構(gòu)和特性 用半導(dǎo)體工藝制作的金屬氧化物半導(dǎo)體用半導(dǎo)體工藝制作的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的典型結(jié)構(gòu)如圖場效應(yīng)晶體管的典型結(jié)構(gòu)如圖8-48-4所示。它的襯底所示。它的襯底材料為材料為P P型硅。用擴散法做兩個型硅。用擴散法做兩個N N區(qū)，分別稱為區(qū)

7、，分別稱為源（源（S S）和漏（）和漏（D D），在漏源之間的），在漏源之間的P P型硅表面，型硅表面，生長一薄層生長一薄層SiO2SiO2，在，在SiO2SiO2上再蒸發(fā)一層金屬上再蒸發(fā)一層金屬AlAl，稱為柵電極，用稱為柵電極，用GG所示。所示。在柵極不加偏壓時，柵氧化層下面的硅是在柵極不加偏壓時，柵氧化層下面的硅是P P型，型，而源漏是而源漏是N N型，故源漏之間不導(dǎo)通。型，故源漏之間不導(dǎo)通。8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理圖84 MOSFET 8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理 當柵源

8、之間加正向偏壓VGS，且有VGSVT（閾電壓）時，則柵氧化層下面的硅就反型，從P型變?yōu)镹型。這個N型區(qū)就將源區(qū)和漏區(qū)連接起來，起導(dǎo)電通道的作用，稱為溝道，此時MOSFET就進人工作狀態(tài)。這種類型稱為N溝道增強型MOFET。我們的討論以此為例。在 MOSFET的柵電極加上大于VT的正偏壓后，源漏之間加電壓VDS，則源和漏之間就有電流流通，用IDS表示。IDS的大小隨VGS和VDS的大小而變化，其變化規(guī)律即MOSFET的電流電壓特性，圖8-5所示是其輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線。所謂轉(zhuǎn)移特性曲線是指漏源電壓VDS一定時，漏源電流IDS與柵源電壓VGS之間的關(guān)系曲線。由圖可見，當VGSVT時，MOSFET

9、的表面溝道尚未形成，故無漏源電流；當VDSVT時，MOSFE才開啟，此時ISD隨VGS的增加而加大。閾電壓VT的定義是當VDS0時，要使源和漏之間的半導(dǎo)體表面剛開始形成導(dǎo)電溝道時，所需加的柵源電壓。電壓的大小除了與襯底材料的性質(zhì)有關(guān)外，還與SiO2層中的電荷數(shù)及金屬與半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差有關(guān)，離子敏傳感器正是利用VT的這一特性來進行工作的。8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理 圖85 N溝增強型MOSFET特性(a)輸出特性；(b)轉(zhuǎn)移特性8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理 二、離子敏傳感器的結(jié)構(gòu)

10、與工作原理二、離子敏傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理 前面我們已經(jīng)簡要介紹了MOSFET的結(jié)構(gòu)和特征。如果將普通的MOSFET的金屬柵去掉，讓絕緣體氧化層直接與溶液相接觸，或者將柵極用鉑膜作引出線，并在鉑膜上涂覆一層離子敏感膜，就構(gòu)成了一只ISFET。如圖8-6所示。圖86 敏感膜涂覆在MOSFET柵極上的ISFET示意圖1MOSFET；2鉑膜；3敏感膜8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理 MOS場效應(yīng)晶體管是利用金屬柵上所加電壓大小來控制漏源電流的；ISFET則是利用其對溶液中離子有選擇作用而改變柵極電位，以此來控制漏源電流變化的。當將ISFET插入溶液

11、時，被測溶液與敏感膜接觸處就會產(chǎn)生一定的界面電勢，其大小決定于溶液中被測離子的活度，這一界面電勢的大小將直接影響VT的值。如果以ai表示響應(yīng)離子的活度，則當被測溶液中的干擾離子影響極小時，閾值電壓可用下式表示：式（8-2）式中的C、S，對一定的器件、一定的溶液而言，在固定參考電極電位時是常數(shù)，因此ISFET的閾值電壓與被測溶液中的離子活度的對數(shù)成線性關(guān)系。根據(jù)場效應(yīng)晶體管的工作原理，漏源電流的大小又與VT的值有關(guān)。因此，ISFET的漏源電流將隨溶液中離子活度的變化而變化。在一定條件下，IDS與ai的對數(shù)呈線性關(guān)系，于是就可以從中確定離子的活度。aViTSClg8.1.2.1 ISFET8.1.

12、2.1 ISFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理 關(guān)于ISFET的敏感膜對溶液中離子活度的響應(yīng)機理，許多學者曾提出過各種理論解釋，目前尚在發(fā)展之中。下面我們以無機絕緣柵的ISFET為例，簡述其工作機理。無機絕緣柵ISFET是將普通MOSFET的金屬柵去掉，使無機絕緣柵SiO2兼作敏感膜直接與溶液接觸，這種柵對溶液中的H離子將產(chǎn)生響應(yīng)。若在SiO2上再淀積一層無機物S3N4或Al2O3，則除了對H響應(yīng)外，對N也有響應(yīng)。根據(jù)電化學觀點，敏感膜與溶液界面可分如下兩種情況：（1）非極性界面 這種界面至少可讓一種帶電粒子通過，界面產(chǎn)生電勢的大小取決于電子或離子的交換作用?？梢哉J為，在HISFET的表面

13、存在著SiOH、AlOH等羥基（中性基因），當HISFET浸漬于電解質(zhì)溶液時，在其界面處將會產(chǎn)生水化膠層，并存在如下平衡：8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理 表面離解的MO基團和電解質(zhì)溶液中一側(cè)的水合陽離子之間形成雙電層。MO一基團的電荷密度隨溶液中H離子濃度而變化，H濃度越大，則界面電勢變化也越大。其電荷分布的大致情況如圖8-7所示，它說明了溶液中H離子濃度將對界面電勢產(chǎn)生影響，從而改變閾電壓VT的值。8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理（2）極性界面 這種界面不允許帶電粒子通過或傳遞極緩慢，此

14、時界面電勢的情況取決于帶電粒子的表面吸附或偶極子的定向排列作用。當ISFET插入溶液時，表面由于吸附離子而使電荷增加，從而加大了電勢差。其電荷分布大致情況如圖8-8所示，圖中虛線代表由于吸附而增加的電荷密度。8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理圖87 ISFET 非極性界面電荷分布示意圖 圖88 ISFET極性界面電荷分布示意圖 8.1.2.2 ISFET8.1.2.2 ISFET的特點和應(yīng)用的特點和應(yīng)用 一、一、ISFETISFET的特點的特點 根據(jù)以上介紹的ISFET的結(jié)構(gòu)和工作原理可知，它具有以下特點：（1）ISFET具有MOSFET輸入阻

15、抗高，輸出阻抗低的特點，因此器件本身就能完成由高阻抗到低阻抗的變換，同時具有展寬頻帶和對信號進行放大的作用，這將使測量儀器大為簡化。（2）ISFET是全固態(tài)化結(jié)構(gòu)，因此具有體積小，重量輕，機械強度大等特點，特別適合于生物體內(nèi)和高壓條件下的測量使用。（3）由于利用了成熟的半導(dǎo)體微細加工工藝技術(shù)，并將敏感材料直接附著于半導(dǎo)體器件上，因此，敏感膜可以做得很薄，一般可小于100nm。這可使ISFET的水化時間很短，從而使離子活度的響應(yīng)速度很快，響應(yīng)時間可小于1s。8.1.2.2 ISFET8.1.2.2 ISFET的特點和應(yīng)用的特點和應(yīng)用（4）由于ISFET是利用半導(dǎo)體集成電路工藝制造的，這對實現(xiàn)集成

16、化和多種離子多功能化十分有利，易于將信息轉(zhuǎn)換部分和信號放大檢出部分與敏感器件集成在一塊芯片上，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的智能化、小型化和全固態(tài)化。（5）由ISFET的結(jié)構(gòu)特點可見，離子敏感材料與場效應(yīng)晶體管的源漏之間是互相絕緣的，是依靠敏感膜與絕緣體界面電位的變化來控制溝道中源漏電流變化的。因此，無需考慮離子敏感材料導(dǎo)電性問題，這就可在包括絕緣材料在內(nèi)的廣泛材料領(lǐng)域中找到更多更好的離子敏感材料。8.1.2.2 ISFET8.1.2.2 ISFET的特點和應(yīng)用的特點和應(yīng)用 二、二、ISFETISFET的應(yīng)用的應(yīng)用 ISFET可以用來測量離子敏感電極（ISE）所不能測量的生物體中的微小區(qū)域和微量離子，因此，它

17、在生物醫(yī)學領(lǐng)域中具有很強的生命力。此外，在環(huán)境保護、化工自控、礦山、土壤水文以及家庭生活等各個方面都有其應(yīng)用，有關(guān)這方面的例子簡單介紹如下：（1）對生物體液中無機離子的檢測 臨床醫(yī)學和生理學的主要檢查對象是人或動物的體液，其中包括血液、腦髓液、脊髓液、汗液和尿液等。體液中某種無機離子的微量變化都與身體某個器官的病變有關(guān)，因此，利用ISFET迅速而準確地檢測出體液中某種離子的變化，就可以為正確診斷、治療及搶救提供可靠的依據(jù)。（2）在環(huán)境保護中的應(yīng)用 ISFET也廣泛應(yīng)用在大氣污染的監(jiān)測中。監(jiān)測大氣污染的內(nèi)容很多，譬如通過檢測雨水成分中各種離子的濃度，可以監(jiān)測大氣污染的情況及查明污染的原因。另外，

18、用ISFET對江河湖海中魚類及其他動物血液中有關(guān)離子的檢測，可以確定水域污染的情況及其對生物體的影響。用ISFET對植物不同生長期體內(nèi)離子的檢測，可以研究植物在不同生長期對營養(yǎng)成分的需求情況，以及土壤污染對植物生長的影響等。8.1.2.2 ISFET8.1.2.2 ISFET的特點和應(yīng)用的特點和應(yīng)用（3）在其他方面的應(yīng)用 由于ISFET具有小型化、全固態(tài)化的優(yōu)點，因此對被檢樣品影響很小。這樣，在食品發(fā)酵工業(yè)中，可以用ISFET直接測量發(fā)酵面粉的酸堿度，隨時監(jiān)視發(fā)酵情況和質(zhì)量。又如，廚師用 ISFET通過對煮面面湯 pH值的測量和控制，可以做出美味可口的面條；使用微型ISFET既可隨時檢測水果的

19、酸甜情況，又可保證水果完好無損；應(yīng)用ISFET還可以檢測藥品純度以及洗滌劑的濃度。隨著對ISFET研制工作的廣泛深入開展，可以預(yù)期它的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V泛，地位也將越來越重要。8.1.3 8.1.3 氣敏傳感器氣敏傳感器 早在20世紀30年代就已發(fā)現(xiàn)氧化亞銅的導(dǎo)電率隨水蒸氣的吸附而發(fā)生改變，其后又發(fā)現(xiàn)其它許多金屬氧化物也都具有氣敏效應(yīng)。20世紀 60年代研制成功了SnO2氣敏元件，從此進入了實用階段。這些金屬氧化物都是利用陶瓷工藝制成的具有半導(dǎo)體特性的材料，因此稱之謂半導(dǎo)體陶瓷（簡稱半導(dǎo)瓷）。由于半導(dǎo)瓷與半導(dǎo)體單晶相比，具有工藝簡單、制作方便、價格低廉等優(yōu)點，因此已用它制作了多種具有實用價值的

20、敏感元件，例如各種電阻型的氣敏器件，其敏感材料多是SnO2。此外，由于把對氫的敏感性，目前已發(fā)展了其它非電阻型的氣敏器件，例如把柵MOSFET等。本節(jié)主要討論用SnO2制作的三種電阻型氣敏器件，適當介紹其它氣敏器件。8.1.3.18.1.3.1氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機理氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機理 氣敏半導(dǎo)體材料SnO2是N型半導(dǎo)體，它的導(dǎo)電機理可以用吸附效應(yīng)來解釋。圖8-9（a）為燒結(jié)體N型半導(dǎo)瓷的模型，它是多晶體，晶粒內(nèi)部電阻較低，晶粒間界有較高的電阻，圖中分別以空白部分和黑點示意表示。導(dǎo)電通路的等效電路如圖8-9（b）所示，圖中Rn為頸部等效電阻，Rb為晶粒的等效體電阻，Rs晶粒的等效表面電阻

21、。其中Rb的阻值較低，它不受吸附氣體影響，Rs和Rn則受吸附氣體所控制，且RnRb，RsRb。由于Rs被Rb所短路，因而圖（b）可簡化為圖（c）只由頸部等效電阻Rn串聯(lián)而成的等效電路。由此可見，半導(dǎo)瓷氣敏電阻的阻值將隨吸附氣體的數(shù)量和種類而改變。8.1.3.18.1.3.1氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機理氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機理 這類半導(dǎo)瓷氣敏電阻工作時通常都需要加熱，器件在加熱到穩(wěn)定狀態(tài)的情況下，當有氣體吸附時，吸附分子首先在表面自由地擴散，失去其功能。其間一部分分子蒸發(fā)，一部分分子就固定在吸附處。此時，如果材料的功函數(shù)小于吸附分子的電子親和力，則吸附，分子將從材料奪取電子而變成負離子吸附；如果材料

22、的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向材料釋放電子而成為正離子吸附。O2和N Ox傾向于負離子吸附，稱為氧化型氣體；H2、CO、碳氧化合物和酒類傾向于正離子吸附，稱為還原型氣體。氧化型氣體圖8-10 N型半導(dǎo)體吸附氣體時的器件阻值變化吸附到N型半導(dǎo)體上，將使載流子減少，從而使材料的電阻率增大。還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，將使載流子增多，材料電阻率下降。圖8-10為氣體吸附到N型半導(dǎo)體上時所產(chǎn)生的器件阻值變化情況，根據(jù)這一特性，就可以從阻值變化的情況得知吸附氣體的種類和濃度。8.1.3.18.1.3.1氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機理氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機理SnO2氣敏半導(dǎo)瓷對許多可燃性氣體，如氫

23、、一氧化碳、甲烷、乙醇、丙酮等都有較高的靈敏度；摻加Pd（鈀石棉，PdCl2）、Mo（鉬粉、鉬酸）、Ga等雜質(zhì)的SnO2元件可在常溫下工作，對煙霧的靈敏度有明顯的增加，可供制造常溫工作的煙霧報警器。8.1.3.18.1.3.1氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機理氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機理圖89 氣敏半導(dǎo)瓷吸附效應(yīng)模型（a）燒結(jié)體模型；（b）（c）等效電路8.1.3.18.1.3.1氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機理氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機理圖810 N型半導(dǎo)體吸附氣體時的器件阻值變化8.1.3.28.1.3.2 電電阻型氣氣敏器件 目前使用較廣泛的是電阻型氣敏器件，按其結(jié)構(gòu)又可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種，下面分別予

24、以介紹。一、燒結(jié)型氣敏器件一、燒結(jié)型氣敏器件 這類器件以半導(dǎo)瓷SnO2為基體材料（其粒度在1m以下），添加不同雜質(zhì)，采用傳統(tǒng)制陶方法燒結(jié)。燒結(jié)時埋入加熱線和測量電極，制成管芯，最后將加熱絲和測量電極焊在管座上，加特制外殼構(gòu)成器件。燒結(jié)型器件的結(jié)構(gòu)示于圖8-11（a）。燒結(jié)型器件的一致性較差，機械強度也不高，但它價格便宜，工作壽命長，因此目前仍得到廣泛應(yīng)用。二、薄膜型氣敏器件二、薄膜型氣敏器件 薄膜型氣敏器件的結(jié)構(gòu)如圖8-11（b）所示，采用蒸發(fā)或濺射方法在石英基片上形成一薄層氧化物半導(dǎo)體薄膜。實測表明SnO2和 ZnO薄膜的氣敏特性最好，但這種薄膜為物理性附著系統(tǒng)，器件之間的性能差異仍較大。8

25、.1.3.28.1.3.2 電阻型氣敏器件電阻型氣敏器件 三、厚膜型氣敏器件三、厚膜型氣敏器件 它是用 SnO2或 ZnO等材料與315（重量）的硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，把厚膜膠用絲網(wǎng)印制到事先安裝有鉑電極的Al2O3基片上，以400800燒結(jié)1小時制成。其結(jié)構(gòu)如圖8-11（c）所示。厚膜工藝制成的元件一致性較好，機械強度高，適于批量生產(chǎn)，是一種有前途的器件。以上三類氣敏器件都附有加熱器，在實用時，加熱器能使附著在探測部分油霧、塵埃等燒掉，同時加速氣體的吸附，從而提高了器件的靈敏度和響應(yīng)速度。一般加熱到200400，具體溫度視摻雜質(zhì)不同而異。這些氣敏器件的優(yōu)點是：工藝簡單、價格便宜、使用

26、方便、對氣體濃度變化時的響應(yīng)快，即使在低濃度（3000mgkg）下，靈敏度也很高。其缺點在于：穩(wěn)定性差、老化較快、氣體識別能力不強、各器件之間的特性差異大等。為了揚長避短，目前正開展各項研究，以提高其氣體識別能力及穩(wěn)定性。8.1.3.28.1.3.2 電阻型氣敏器件電阻型氣敏器件8.1.3.28.1.3.2 電阻型氣敏器件電阻型氣敏器件 圖811 中電阻型氣敏器件結(jié)構(gòu)分別為：（a）燒結(jié)型；（b）薄膜型；（c）厚膜型 各種可燃性氣體的濃度與SnO2半導(dǎo)瓷氣敏器件的電阻變化率的關(guān)系如圖8-12所示。對各種氣體的相對靈敏度，可通過不同的燒結(jié)條件和添加增感劑進行調(diào)整。一般說，燒結(jié)型SnO2氣敏器件在低

27、濃度下靈敏度高，而高濃度下趨于穩(wěn)定值。這一特點非常適宜檢測低濃度微量氣體。因此，這種器件常用來檢查可燃性氣體的泄漏、定限報警等。目前，檢測液化石油氣、管道煤氣、NH3等氣體泄漏傳感器已付諸實際應(yīng)用。但是，由于選擇性比較差，在應(yīng)用時還應(yīng)充分考慮共存的其他氣體的影響。同時，其價格也應(yīng)降到用戶能接受的程度。SnO2氣敏器件易受環(huán)境溫濕度的影響，圖8-13給出了溫濕度綜合特性曲線。由于環(huán)境溫濕度對氣敏器件的特性有影響，在使用時要加溫濕度補償，或選用溫濕度性能好的氣敏器件。8.1.3.28.1.3.2 電阻型氣敏器件電阻型氣敏器件 除了電阻型氣敏器件以外，目前已發(fā)展了多種利用其他物理特性的氣敏器件。譬如

28、用硅單晶制成的對氫氣敏感的把柵MOS場效應(yīng)晶體管，PdSi、MIS二極管和PdMOS二極管等，這是氣敏器件發(fā)展中值得注意的動向。8.1.3.28.1.3.2 電阻型氣敏器件電阻型氣敏器件 圖8-12 各種可燃氣體的濃度與氣敏器件電阻變化率的關(guān)系8.1.3.28.1.3.2 電阻型氣敏器件電阻型氣敏器件圖813 SnO2氣敏器件溫濕度特性8.1.3.3 8.1.3.3 非電阻型氣敏器件非電阻型氣敏器件 非電阻型氣敏器件是利用 MOS二極管的電容電壓特性（CV特性）的變化，和MOS場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的閾值電壓的變化等物理特性做成的半導(dǎo)體氣敏器件。這類器件可應(yīng)用目前成熟的集成電路工藝來制造

29、，其重復(fù)性和穩(wěn)定性大為改善，性能價格比得以提高，并使器件的集成化和智能化成為可能。8.1.3.3 8.1.3.3 非電阻型氣敏器件非電阻型氣敏器件 一、一、MOS二極管氣敏器件二極管氣敏器件 MOS二極管的結(jié)構(gòu)和等效電路示于圖8-14。在P型半導(dǎo)體硅芯片上，采用熱氧化工藝生長一層厚度為50100nm左右的SiO2層，然后再在其上蒸發(fā)一層金屬薄膜，作為柵電極。SiO2層電容Cax是固定不變的，SiSiO2界面的電容Cs是外加電壓的函數(shù)。所以總電容C是柵偏壓的函數(shù)，其函數(shù)關(guān)系稱為該MOS管的CV特性。由于Pd在吸附H2以后，會使它的功函數(shù)降低，這將引起MOS管的CV特性向負偏壓方向平移，如圖8-1

30、5所示，據(jù)此可測定H2的濃度。8.1.3.3 8.1.3.3 非電阻型氣敏器件非電阻型氣敏器件圖814 MOS結(jié)構(gòu)和等效電路圖815 MOS結(jié)構(gòu)的C-V特性 a吸附H2前；b吸附H2后8.1.3.3 8.1.3.3 非電阻型氣敏器件非電阻型氣敏器件二、二、PdMOSFET氣敏器件氣敏器件 關(guān)于MOSFET的結(jié)構(gòu)和主要特性已在8.1.2節(jié)作了介紹PdMOSFET與普通MOSFET的主要區(qū)別在于用鈀Pd薄膜取代鋁Al膜作為柵電極。因為Pd對H2的吸附能力極強，而H2在Pd上的吸附將導(dǎo)致Pd的功函數(shù)降低。如前所述，閾電壓VT的大小與金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差有關(guān)。PdMOSFET氣敏器件正是利用H2

31、在Pd柵上吸附后引起閾電壓VT下降這一特性來檢測H2濃度的。8.2 8.2 生物傳感器生物傳感器 在生物圈中，存在數(shù)以千萬計的物質(zhì)，它們影響著生物學過程的各個方面，對這些物質(zhì)進行快速自動分析，是科學家們夢寐以求的目標。20世紀70年代以來，生物醫(yī)學工程迅猛發(fā)展，作為檢測生物體內(nèi)化學成分的各種生物傳感器不斷出現(xiàn)。20世紀60年代中期起首先利用酶的催化作用和它的催化專一性開發(fā)了酶傳感器，并達到實用階段。20世紀70年代又研制出微生物傳感器、免疫傳感器等。在過去的20多年中，生物學與物理學、化學融為一體，產(chǎn)生了新一代的裝置-生物傳感器(Biosensor)，一個典型的多學科交叉產(chǎn)物，導(dǎo)致了分析生物學

32、技術(shù)的一場革命。目前，生物傳感器的概念得到公認，作為傳感器的一個分文，它從化學傳感器中獨立出來。8.2 8.2 生物傳感器生物傳感器 生物傳感器是利用各種生物或生物物質(zhì)做成的，用以檢測與識別生物體內(nèi)的化學成分的傳感器，生物或生物物質(zhì)是指酶、微生物、抗體等，生物傳感器的傳感原理如圖8-16表示。待測物質(zhì)經(jīng)擴散作用進入固定生物敏感膜層，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學反應(yīng)(物理、化學變化)，產(chǎn)生的物理、化學信息繼而被相應(yīng)的化學或物理換能器轉(zhuǎn)變成可定量、可傳輸、可處理的電信號，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度。根據(jù)生物反應(yīng)的奇異和多樣性，從理論上講可以制造出測定所有生物物質(zhì)的多種多樣的生物傳感器。這

33、類生物傳感器是在無試劑條件下工作的(緩沖液除外)，比各種傳統(tǒng)的生物學和化學分析法操作簡便、快速、準確，可連續(xù)測量、分析、聯(lián)機操作、直接顯示與讀出測試結(jié)果。8.2 8.2 生物傳感器生物傳感器 各種生物傳感器有以下共同的結(jié)構(gòu)：包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達的信號轉(zhuǎn)換為電信號的物理或化學換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動化儀表技術(shù)進行生物信號的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。8.2 8.2 生物傳感器生物傳感器圖8-16生物傳感器傳感原理8.2 8.2 生物傳感器生物傳感器 生物傳感器的分類和命名方法較多且不盡統(tǒng)一，主要有兩種

34、分類法，即分子識別元件分 類法和器件分類法。按所用生物活性物質(zhì)(分子識別元件)的不同，可以將生物傳感器分為五大類，即酶傳感器(enzyme sensor)、微生物傳感器(microbial sensor)、免疫傳感器(immunol sensor)、組織傳感器(tissue sensor)和細胞器傳感器(organelle sensor)；按器件分類是依據(jù)所用變換器器件不同對生物傳感器進行分類，即生物電極(bioelectrode)、半導(dǎo)體生物傳感器(Semiconduct biosensor)、光生物傳感器(optical biosensor)、熱生物傳感器(calorimetric bio

35、sensor)、壓電晶體生物傳感器(piezo-electric biosensor)。關(guān)于個別生物傳感器的命名，一般采用“功能+構(gòu)成特征”的方法，如葡萄糖氧化酶電極、谷氨酸脫氫酶電極、BOD微生物電極、葡萄糖酶光纖傳感器等，如下圖所示8.2 8.2 生物傳感器生物傳感器按敏感材料分 分子識別部分 信號轉(zhuǎn)換部分 按信號轉(zhuǎn)換器分類半導(dǎo)體生物傳感器電化學生物傳感器酶傳感器微生物傳感器免疫傳感器細胞傳感器組織傳感器測光型生物傳感器測熱型生物傳感器測聲型生物傳感器酶 電化學測定裝置 微生物 場效應(yīng)晶體管 抗體或抗原 光纖 光敏二極管細胞器 熱敏電阻 動、植物組織 SAW裝置 8.2 8.2 生物傳感器

36、生物傳感器 生物傳感器的基本原理就是利用生物反應(yīng)，而生物反應(yīng)實際上包括了生理生化、新陳代謝、遺傳變異等一切形式的生命活動。生物傳感器的任務(wù)是如何將生物反應(yīng)與傳感器技術(shù)恰當?shù)亟Y(jié)合起來。當前，將生物工程技術(shù)與半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)結(jié)合起來，利用生物體的奇特功能，制造出類似于生物感覺器官的各種傳感器，這將是國內(nèi)外傳感器技術(shù)研究的一個新的研究課題，是傳感器技術(shù)的新發(fā)展，具有很重要的現(xiàn)實意義。本章將介紹一些具有代表性的生物傳感器。8.2.18.2.1 酶傳感器酶傳感器 酶傳感器是問世最早、成熟度最高的一類生物傳感器。它是利用酶的催化作用，在常溫常壓下將糖類、醇類、有機酸、氨基酸等生物分子氧化或分解，然后通

37、過換能器將反應(yīng)過程中化學物質(zhì)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栍涗浵聛恚M而推出相應(yīng)的生物分子濃度。因此，酶傳感器是間接型傳感器，它不是直接測定待測物質(zhì)，而是通過對反應(yīng)有關(guān)物質(zhì)的濃度測定來推斷底物的濃度。8.2.1.1 8.2.1.1 酶反應(yīng)應(yīng) 酶是生物體內(nèi)產(chǎn)生并具有催化活性的一類蛋白質(zhì)，此類蛋白質(zhì)表現(xiàn)出特異的催化功能，因此，酶被稱為生物催化劑。酶在生命活動中起著極為重要的作用，它們參加新陳代謝過程中的所有生化反應(yīng)，并以極高的速度和明顯的方向性維持生命的代謝活動，包括生長、發(fā)育、繁殖與運動。酶與一般催化劑相同，在相對濃度較低時，僅能影響化學反應(yīng)的速度，而不改變反應(yīng)的平衡點，反應(yīng)前后其組成與質(zhì)量均不發(fā)生明顯改變

38、。酶催化的化學形式主要包括共價催化和酸堿催化。在共價催化中，酶與底物形成反應(yīng)活性很高的共價中間物，這個中間物很容易變成轉(zhuǎn)變態(tài)，故反應(yīng)的活化能大大降低，底物可以越過較低的“能閥”形成產(chǎn)物。酸堿催化廣義地指質(zhì)子供體及質(zhì)子受體的催化，發(fā)生在細胞內(nèi)的許多反應(yīng)都是酸堿催化的。例如將水加到碳基上、酯類的水解、各種分子重排以及許多取代反應(yīng)等。酶催化效率高，每分鐘每個酶分子能轉(zhuǎn)換103106個底物分子，以分子比為基礎(chǔ)，其催化效率是其他催化劑的1071013倍。酶是蛋白質(zhì)，其催化一般在溫和條件下進行，極端的環(huán)境條件(如高溫、酸堿)會使酶失活。8.2.1.1 8.2.1.1 酶反應(yīng)酶反應(yīng) 酶反應(yīng)具有高度專一性的特

39、點，一種酶只能作用于某一種或某一類物質(zhì)(被酶作用的物質(zhì)稱為底物)，因而有“一種酶，一種(類)底物”之說。非酶融催化劑對作用物沒有如此嚴格的選擇性，如H+可以催化淀粉、脂肪和蛋白質(zhì)等水解，但淀粉酶則只能催化淀粉水解。酶催化的專一性是由酶蛋白分子(特別是分子中的活性部位)結(jié)構(gòu)所決定的，根據(jù)酶對底物專一性程度的不同，大致可分為三種類型：第一種類型的酶專一性較低，能作用結(jié)構(gòu)類似的一系列底物，可分為族專一性和鍵專一性兩種。族專一性酶對底物的化學鍵及其一端有絕對要求，對鍵的另一端只有相對要求；鍵專一性酶對底物分子的化學鍵有絕對要求，而對鍵的兩端只有相對要求。第二種類型的酶僅對一種物質(zhì)有催化作用，它們對底物

40、的化學鍵及其兩端均有絕對要求。第三種類型的酶具有立體專一性，這類酶不僅要求底物有一定的化學結(jié)構(gòu)，而且要有一定的立體結(jié)構(gòu)。8.2.1.2 8.2.1.2 酶傳感器酶傳感器 酶傳感器是由酶敏感膜和電化學器件構(gòu)成的，利用酶的特性可以制造出高靈敏度、選擇性好的傳感器。應(yīng)該指出，酶傳感器中酶敏感膜使用的酶是將各種微生物通過復(fù)雜工序精煉出來的，因此，其造價很高，性能也不太穩(wěn)定。酶的催化反應(yīng)可用下式表示niiPTES18.2.1.2 8.2.1.2 酶傳感器酶傳感器式中 S待測物質(zhì)；E酶；T反應(yīng)溫度，單位；Pi第i個產(chǎn)物。酶的催化作用是在一定的條件下使底物分解，故酶的催化作用實際上是加速底物的分解速度。按輸

41、出信號的不同，酶傳感器有兩種形式:一是電流型酶傳感器，根據(jù)與酶催化反應(yīng)有關(guān)物質(zhì)的電極反應(yīng)所得到的電流，來確定反應(yīng)物的濃度，通常都用氧電極、H202電極等；二是電位型酶傳感器，通過電化學傳感器件測量敏感膜電位來確定與催化反應(yīng)有關(guān)的各種物質(zhì)濃度，電位型一般用NH2+電極、CO2電極、H2電極等，即以離子作為檢測方式，表81給出了酶傳感器的種類。8.2.1.2 8.2.1.2 酶傳感器酶傳感器表81酶傳感器的種類 8.2.1.2 8.2.1.2 酶傳感器酶傳感器 下面以葡萄糖酶傳感器為例說明其工作原理與檢測工程。葡萄糖酶傳感器的敏感膜是葡萄糖氧化酶，它固定在聚乙烯酰胺凝膠上，其電化學器件為Pt陽電極

42、和Pb陰電極，中間溶液為強堿溶液，并在陽電極表面覆蓋一層透氧氣的聚四氟乙烯膜，形成封閉式氧電極(見圖818)。它避免了電極與被測液直接相接觸，防止了電極毒化。如電極Pt為開放式，它浸人蛋白質(zhì)的介質(zhì)中，蛋白質(zhì)會沉淀在電極的表面，從而減小電極的有效面積，使電流下降，從而使傳感器受到毒化。實際應(yīng)用時，葡萄糖酶傳感器安放在被測葡萄糖溶液中。由于酶的催化作用會產(chǎn)生過氧化氫(H2O2)，其反應(yīng)式為 葡萄糖HO2+O2葡萄糖酸H2O2 8.2.1.2 8.2.1.2 酶傳感器酶傳感器圖818葡萄糖酶傳感器8.2.1.2 8.2.1.2 酶傳感器酶傳感器Pt陽極；2-聚四氟乙烯膜；3-固相酶摸；4-半透膜多孔

43、層；5-半透膜致密層反應(yīng)過程中，以葡萄糖氧化酶(GOD)作為催化劑。在上式中，葡萄糖氧化時產(chǎn)生H202，它們通過選擇性透氣膜，在Pt電極上氧化，產(chǎn)生陽極電流，葡萄糖含量與電流成正比，這樣，就測量出了葡萄糖溶液的濃度。例如，在Pt陽極上加0.6V的電壓，則H202在Pt電極上產(chǎn)生的氧化電流是 H2O2O2+2H+2e式中e所形成電流的電子。8.2.2 8.2.2 微生物傳傳感器 微生物傳感器是由固定化的微生物細胞與電化學裝置結(jié)合而形成的生物傳感器。8.2.2.1 8.2.2.1 微生物反應(yīng)微生物反應(yīng)(1)微生物反應(yīng)的特點 微生物反應(yīng)過程是利用生長微生物進行生物化學反應(yīng)的過程，即微生物反應(yīng)是將微生

44、物作為生物催化劑進行的反應(yīng)，酶在微生物反應(yīng)中起最基本的催化作用。微生物反應(yīng)與酶反應(yīng)有幾個共同點:同屬生化反應(yīng)，都在溫和條件下進行；凡是酶能催化的反應(yīng)，微生物也可以催化；催化速度接近，反應(yīng)動力學模式近似。微生物反應(yīng)在下述方面又有其特殊性:微生物細胞的膜系統(tǒng)為酶反應(yīng)提供了天然的適宜環(huán)境，細胞可以在相當長的時間內(nèi)保持一定的催化活性；在多底物反應(yīng)時，微生物顯然比單純酶更適宜作催化劑，細胞本身能提供酶反應(yīng)所需的各種輔酶和輔基。利用微生物作生物敏感膜的缺點有：微生物反應(yīng)通常伴隨自身生長，不容易建立分析標準；細胞是多酶系統(tǒng)，許多代謝途徑并存，難以排除不必要的反應(yīng)；環(huán)境條件變化會引起微生物生理狀態(tài)的復(fù)雜化，不

45、適當?shù)牟僮鲿?dǎo)致代謝轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，出現(xiàn)不期望有的反應(yīng)。8.2.2.1 8.2.2.1 微生物反應(yīng)微生物反應(yīng)(2)微生物反應(yīng)類型 同化與異化 根據(jù)微生物代謝流向可以分為同化作用和異化作用。在微生物反應(yīng)過程中，細胞與環(huán)境不斷地進行物質(zhì)和能量的交換，其方向和速度受各種因素的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)體內(nèi)外環(huán)境的變化。細胞將底物攝人并通過一系列生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成自身的組成物質(zhì)，并儲存能量，稱為同化作用或組成代謝(assimilation)；反之，細胞將自身的組成物質(zhì)分解以釋放能量或排出體外，稱為異化作用或分解代謝(dissimilation)。自養(yǎng)與異養(yǎng) 根據(jù)微生物對營養(yǎng)的要求，微生物反應(yīng)又可分為自養(yǎng)性與異養(yǎng)性。自養(yǎng)微生物

46、以C02作為主要碳源，無機氮化物作為氮源，通過細菌的光合作用或化能合成作用獲得能量。異養(yǎng)微生物以有機物作碳源，無機物或有機物作為氮源，通過氧化有機物獲得能量。絕大多數(shù)微生物種類都屬于異養(yǎng)型。8.2.2.1 8.2.2.1 微生物反應(yīng)微生物反應(yīng) 好氣性與厭氣性 根據(jù)微生物反應(yīng)對氧的需求與否可以分為好氧反應(yīng)和厭氧反應(yīng)。微生物反應(yīng)生長過程中需要氧氣的稱為好氧反應(yīng)；微生物反應(yīng)生長過程中不需要氧氣，而需要CO2的稱為厭氧反應(yīng)，也稱二者為好氣性與厭氣性。細胞能量的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移 微生物反應(yīng)所產(chǎn)生的能大部分轉(zhuǎn)移為高能化合物。所謂高能化合物是指轉(zhuǎn)移勢能高的基團的化合物，其中以ATP(三磷酸腺苷)最為重要，它不僅潛

47、能高，而且是生物體能量轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵物質(zhì)，直接參與各種代謝反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)移。8.2.2.2 8.2.2.2 微生物傳感器微生物傳感器 用微生物作為分子識別元件制成的傳感器稱為微生物傳感器。微生物傳感器與酶傳感器相比有價格便宜、性能穩(wěn)定的優(yōu)點，但其響應(yīng)時間較長(數(shù)分鐘)，選擇性較差。目前微生物傳感器已成功地應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)和環(huán)境檢測中，例如測定江水及廢水污染程度，在醫(yī)學中可測量血清中微量氨基酸，有效地診斷尿毒癥和糖尿病等。微生物本身就是具有生命活性的細胞，有各種生理機能，其主要機能是呼吸機能(02的消耗)和新陳代謝機能(物質(zhì)的合成與分解)。還有菌體內(nèi)的復(fù)合酶、能量再生系統(tǒng)等。因此在不損壞微生物機能情況下

48、，可將微生物用固定化技術(shù)固定在載體上就可制作出微生物敏感膜，而采用的載體一般是多孔醋酸纖維膜和膠原膜。微生物傳感器從工作原理上可分為兩種類型，即呼吸機能型和代謝機能型，微生物傳感器結(jié)構(gòu)如圖819所示8.2.2.2 8.2.2.2 微生物傳感器微生物傳感器8.2.2.2 8.2.2.2 微生物傳感器微生物傳感器(1)呼吸機能型微生物傳感器 微生物呼吸機能存在好氣性和厭氣性兩種。其中好氣性微生物需要有氧氣，因此可通過測量氧氣來控制呼吸機能，并了解其生理狀態(tài)；而厭氣性微生物相反，它不需要氧氣，氧氣存在會妨礙微生物生長，而可以通過測量碳酸氣消耗及其他生成物來探知生理狀態(tài)。由此可知，呼吸機能型微生物傳感

49、器是由微生物固定化膜和02電極(或CO2電極)組成。在應(yīng)用氧電極時，把微生物放在纖維性蛋白質(zhì)中固化處理，然后把固化膜附著在封閉式氧極的透氧膜上。圖820是生物化學耗氧量傳感器BOD(Biological Oxygen Demand)，圖中把這種呼吸機能型微生物傳感器放入含有有機化合物的被測溶液中，于是有機物向微生物膜擴散，而被微生物攝取(稱為資化)。8.2.2.2 8.2.2.2 微生物傳感器微生物傳感器 由于微生物呼吸量與有機物資化前后不同，可通過測量02電極轉(zhuǎn)變?yōu)閿U散電流值，從而間接測定有機物濃度。BOD生物傳感器使用的微生物可以是絲孢酵母，菌體吸附在多孔膜上，室溫下干燥后保存待用。測量系

50、統(tǒng)包括：帶有夾套的流通池（直徑1.7cm，高0.6cm，體積1.4ml，生物傳感器探頭安裝在流通池內(nèi)）、蠕動泵、自動采樣器和記錄儀。8.2.2.2 8.2.2.2 微生物傳感器微生物傳感器 圖821為這種傳感器的響應(yīng)曲線，曲線穩(wěn)定電流值表示傳感器放入待測溶解氧飽和狀態(tài)緩沖溶液中(磷酸鹽緩沖液)微生物的吸收水平。當溶液加入葡萄糖或谷氨酸等營養(yǎng)膜后，電流迅速下降，并達到新的穩(wěn)定電流值，這說明微生物在資化葡萄糖等營養(yǎng)源時呼吸機能增加，即氧的消耗量增加。導(dǎo)致向02電極擴散氧氣量減少，使電流值下降，直到被測溶液向固化微生物膜擴散的氧量與微生物呼吸消耗的氧量之間達到平衡時，便得到相應(yīng)的穩(wěn)定電流值。由此可見

51、，這個穩(wěn)定值與未添加營養(yǎng)時的電流穩(wěn)定值之差與樣品中有機物濃度成正比。8.2.2.2 8.2.2.2 微生物傳感器微生物傳感器圖 820 生物化學耗氧量傳感器 1）微生物固定化膜 2）電解液 3）陰極（Au）4）陽極（Pb）5）02電極 6）透氧膜 7）護套8.2.2.2 8.2.2.2 微生物傳感器微生物傳感器圖821生物化學耗氧傳感器響應(yīng)曲線8.2.2.2 8.2.2.2 微生物傳感器微生物傳感器(2)代謝機能型微生物傳感器 代謝機能型微生物傳感器的基本原理是微生物使有機物資化而產(chǎn)生各種代謝生成物。這些代謝生成物中，含有遇電極產(chǎn)生電化學反應(yīng)的物質(zhì)(即電極活性物質(zhì))。因此，微生物傳感器的微生物

52、敏感膜與離子選擇性電極(或燃料電池型電極)相結(jié)合就構(gòu)成了代謝機能型微生物傳感器，圖822為甲酸傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。將產(chǎn)生氫的酪酸梭狀芽菌固定在低溫膠凍膜上，并把它裝在燃料電池Pt電極上。Pt電極、Ag202電極、電解液(1OOmol/m3磷酸緩沖液)以及液體連接面組成傳感器。當傳感器浸入含有甲酸的溶液時，甲酸通過聚四氟乙烯膜向酪酸梭狀芽菌擴散，被資化后產(chǎn)生H2，而H2又穿過Pt電極表面上的聚四氟乙烯膜與Pt電極產(chǎn)生氧化反應(yīng)而產(chǎn)生電流，此電流與微生物所產(chǎn)生的H2含量成正比，而H2量又與待測甲酸濃度有關(guān)，因此傳感器能測定發(fā)酵溶液中的甲酸濃度。8.2.2.2 8.2.2.2 微生物傳感器微生物傳感器

53、圖822甲酸傳感器結(jié)構(gòu)1-圓環(huán)；-液體連接面；3-電解液；4-Ag2O2電極(陰極)；5-Pt電極(陽極)；6-聚四氟乙烯膜表82列出了一些常用微生物傳感器的主要性能。8.2.2.2 8.2.2.2 微生物傳感器微生物傳感器8.2.2.2 8.2.2.2 微生物傳感器微生物傳感器8.2.3 8.2.3 免疫傳感器免疫傳感器8231 免疫學反應(yīng)免疫學反應(yīng) 所謂“免疫”，顧名思義即免除瘟疫。用現(xiàn)代的觀點來講，生物體具有一種“生理防御、自身穩(wěn)定與免疫監(jiān)視”的功能叫“免疫”。免疫是生物體的一種生理功能，生物體依靠這種功能識別“自己”和“非己”成分，從而破壞和排斥進入生物體的抗原物質(zhì)，或生物體本身所產(chǎn)生

54、的損傷細胞和腫瘤細胞等，以維持生物體的健康。與測定抗原抗體反應(yīng)有關(guān)的傳感器稱為免疫傳感器.抗原抗體結(jié)合前后可導(dǎo)致多種信號的改變,如在重量、光學、熱學、電化學等方面。8.2.3.1 8.2.3.1 免疫學反應(yīng)免疫學反應(yīng)(1)抗原與抗體 所謂抗原，就是能夠刺激動物體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)。從廣義的生物學觀點看，凡是引起免疫反應(yīng)性能的物質(zhì)，都可稱為抗原。抗原有兩種功能:刺激機體產(chǎn)生免疫應(yīng)答反應(yīng)和與相應(yīng)免疫反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生異性結(jié)合反應(yīng)。前一種性能稱為免疫原性，后一種性能稱為反應(yīng)原性。通常，根據(jù)來源的不同，抗原又可以分為如下幾種：天然抗原 來源于微生物和動植物，包括細菌、病毒、血細胞、花粉、可溶性抗原毒素、類毒

55、素、血清蛋、蛋白質(zhì)、糖蛋白、脂蛋白等。8.2.3.1 8.2.3.1 免疫學反應(yīng)免疫學反應(yīng) 人工抗原 經(jīng)化學或其他方法變性的天然抗原，如碘化蛋白、偶氮蛋白和半抗原結(jié)合蛋白。合成抗原 合成抗原是化學合成的多肽分子。所謂抗體，就是由抗原刺激機體產(chǎn)生的特異性免疫功能的球蛋白，又稱免疫球蛋白。免疫球蛋白都是由一至幾個單體組成，每個單體有兩條相同的分子量較大的重鏈和兩條相同分子量較小的輕鏈組成，鏈與鏈之間通過非共價鏈連接。(2)抗原的理性性狀 物理性狀 完全抗原的分子量較大，通常在一萬以上，分子量越大，其表面積相應(yīng)擴大，接觸免疫系統(tǒng)細胞的機會增多，因而免疫原性也就增強?？乖哂幸欢ǖ姆肿訕?gòu)型，或為直線

56、型或為立體構(gòu)型。一般認為環(huán)狀構(gòu)型比直線排列的分子免疫性強，聚合態(tài)分子比單體分子的分子免疫性強。8.2.3.1 8.2.3.1 免疫學反應(yīng)免疫學反應(yīng) 化學組成 自然界中絕大多數(shù)抗原都是蛋白質(zhì)，即可以是純蛋白也可以是結(jié)合蛋白。后者包括脂蛋白、核蛋白、糖蛋中等，此外還有血清蛋白、微生物蛋白、植物蛋白和酶類。近年來證明核酸也有抗原性。(3)抗原-抗體反應(yīng) 抗原-抗體結(jié)合時將發(fā)生凝聚、沉淀、溶解反應(yīng)和促進吞噬抗原顆粒的作用。8.2.3.1 8.2.3.1 免疫學反應(yīng)免疫學反應(yīng) 抗原與抗體的特異性結(jié)合點位于Eabl鏈及H鏈的高變區(qū)，又稱抗體活性中心，其構(gòu)型取決于抗原決定簇的空間位置，兩者可形成互補性構(gòu)型。

57、在溶液中，抗原和抗體兩個分子的表面電荷與介質(zhì)中離子形成雙層離子云，內(nèi)層和外層之間的電荷密度差形成靜電位和分子間引力。由于這種引力僅在近距離上發(fā)生作用，抗原與抗體分子結(jié)合時對位應(yīng)十分準確：一是結(jié)合部位的形狀要互補于抗原的形狀；二是抗體活性小心帶有與抗原決定簇相反的電荷?？乖c抗體結(jié)合盡管是穩(wěn)固的，但也是可逆的。某些酶能促使逆反應(yīng)，抗原抗體復(fù)合物解離時，都保持自己本來的特性。8.2.3.2 8.2.3.2 免疫傳感器免疫傳感器 免疫傳感器是生物傳感器領(lǐng)域中發(fā)展較快的分支，它除具有生物傳感器的普遍特點外，還因其高特異性、高選擇性、測定準確度高、重復(fù)性好、反應(yīng)速度快等優(yōu)點，用于大量樣品分析和篩選。利用

58、抗體能識別抗原并與抗原結(jié)合的功能而制成的生物傳感器稱為免疫傳感器，免疫傳感器的基本原理是免疫反應(yīng)。把免疫傳感器的敏感膜與酶免疫分析法結(jié)合起來進行超微量測量，它是利用酶為標識劑的化學放大?；瘜W放大就是指微量酶(E)使少量基質(zhì)(S)生成多量生成物(P)。當酶是被測物時，一個E應(yīng)相對許多P，測量P對E來說就是化學放大，根據(jù)這種原理制成的傳感器稱為酶免疫傳感器。目前正在研究的診斷癌癥用的傳感器把01-甲胎蛋白(AFP)作為癌診斷指標，它將AFP的抗體固定在膜上組成酶免疫傳感器，可檢測1O-9gAFP，這是一種非放射性超微量測量方法。8.2.3.2 8.2.3.2 免疫傳感器免疫傳感器 電位式免疫傳感器

59、是利用固定化抗體(或抗原)膜與相應(yīng)的抗原(或抗體)的特異反應(yīng)，此反應(yīng)的結(jié)果使生物敏感膜的電位發(fā)生變化。圖823為這種免疫傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，圖中2、3兩室間有固定化抗原膜，而1、3兩室之間沒有固定化抗原膜。在1、2室內(nèi)注入0.9%的生理鹽水，當在3室內(nèi)倒入食鹽水時，1、2室內(nèi)電極間無電位差。若3室內(nèi)注入含有抗體的鹽水時，由于抗體和固定化抗原膜上的抗原相結(jié)合，使膜表面吸附了特異的抗體，而抗體是有電荷的蛋白質(zhì)，從而使抗原固定化膜帶電狀態(tài)發(fā)生變化，因此1、2室內(nèi)的電極間有電位差產(chǎn)生。8.2.3.2 8.2.3.2 免疫傳感器免疫傳感器圖8-23 電位式免疫傳感器結(jié)構(gòu)原理8.2.3.2 8.2.3.2

60、 免疫傳感器免疫傳感器 壓電免疫傳感器（Piezoelectric Immunosensor）是因免疫反應(yīng)發(fā)生而導(dǎo)致質(zhì)量改變并通過壓電晶體而感知的傳感器。通常是將抗體或抗原分子固定于壓電晶體（如石英晶體）表面，當其與底物分子發(fā)生識別反應(yīng)時將引起晶體表面質(zhì)量的改變，根據(jù)晶體振蕩相應(yīng)頻率的改變，可以靈敏地監(jiān)測底物分子的濃度。8.2.3.2 8.2.3.2 免疫傳感器免疫傳感器圖824 一種質(zhì)量改變型壓電免疫傳感器8.2.3.2 8.2.3.2 免疫傳感器免疫傳感器 圖824 為一種質(zhì)量改變型壓電免疫傳感，采用石英晶體微量天平(quartz crystalmicrobalance,QCM)技術(shù)。石英

61、微量稱重是應(yīng)用質(zhì)量敏感壓電諧振器進行測量的一種方法。石英微量天平是自激振蕩器型測量裝置，這類裝置可以把石英壓電諧振器表面連接質(zhì)量的變化轉(zhuǎn)換成自激振蕩器輸出頻率的變化。石英微量天平的主要優(yōu)點是靈敏度高，石英微量天平的靈敏度達到2.5MHz/mg，質(zhì)量敏感諧振器的分辨力可以達到l0-11克,這比其它類型的性能好的微量天平高三個數(shù)量級。采用石英微量稱重法可以測量許多參數(shù)：薄膜厚度、濕度、混合氣體的成分、壓力、溫度、微量雜質(zhì)的濃度、耐腐蝕性、耐氧化性、溶解度、蒸汽壓、物質(zhì)的各種物理化學參數(shù)等等，可以在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，從絕對零度到500。微量天平的關(guān)鍵部件是AT切型熱穩(wěn)定諧振器，也有采用表面聲波器

62、件(surface acoustic wave,SAW)技術(shù)?？梢杂糜跈z驗微量多硝基爆炸物、化學戰(zhàn)劑和毒品。8.2.4 8.2.4 生物組織傳組織傳感器 生物組織傳感器是以活的動植物組織細胞切片作為分子識別元件，并與相應(yīng)的變換元件構(gòu)成生物組織傳感器，生物組織傳感器有很多特點：生物組織含有豐富的酶類，這些酶類在適宜的自然環(huán)境中，可以得到相當穩(wěn)定的酶活性，許多組織傳感器工作壽命比相應(yīng)的酶傳感器壽命長得多。在所需要的酶難以提純時，直接利用生物組織可以得到足夠高的酶活性。組織識別元件制作簡便，一般不需要采用固定化技術(shù)。組織傳感器制作的關(guān)鍵是選擇所需要酶活性較高的動、植物的器官組織，表83列出了幾種組織

63、傳感器的構(gòu)成。8.2.4 8.2.4 生物組織傳感器生物組織傳感器8.2.5 8.2.5 光生物傳感器光生物傳感器 光生物傳感器是一種選擇性地識別分子信息、引發(fā)光學變化且把光學變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出。光生物傳感器具有靈敏度高、不需要參比傳感器、光傳播信號不受外界電磁干擾等特點。光生物傳感器主要包括生物光極和表面等離子體共振生物傳感器。一、生物光極 生物光極是將生物敏感膜固定在光導(dǎo)纖維或光電二極管上制成的，根據(jù)不同反應(yīng)原理和器件可制成各種生物光極，化學發(fā)光屬于自然熒光。近年來亦被用于研制生物光極，其優(yōu)點是毋須激發(fā)光源。8.2.5 8.2.5 光生物傳感器光生物傳感器 酶光敏二極管是一種新型的光生物

64、傳感器，它由催化發(fā)光反應(yīng)的酶和光敏二極管(或晶體管)半導(dǎo)體器件構(gòu)成，如圖825所示。在硅光敏二極管的表面透鏡上涂上一層過氧化酶膜，即構(gòu)成了檢測過氧化氫(H2O2)的酶光敏二極管。當二極管表面接觸到過氧化氫時，由于過氧化氫酶的催化作用，加速發(fā)光反應(yīng)，產(chǎn)生的光子照射至硅光敏二極管的PN結(jié)點，改變了二極管的導(dǎo)通狀態(tài)。即將發(fā)光效應(yīng)轉(zhuǎn)換成光敏二極管的光電流，從而檢測出過氧化氫及其濃度大小。8.2.5 8.2.5 光生物傳感器光生物傳感器圖825酶光敏二極管8.2.5 8.2.5 光生物傳感器光生物傳感器二、表面等離子體共振 表面等離子體共振即SPR(surface plasma resonance)生物

65、傳感器，它主要由光波導(dǎo)耦合器件、金屬膜、生物分子膜等組成,其結(jié)構(gòu)如圖826所示。圖826 SPR生物傳感器的結(jié)構(gòu)8.2.5 8.2.5 光生物傳感器光生物傳感器 用光纖作為光波導(dǎo)耦合元件的SPR生物傳感器是將一段光纖中的一部分外包層剝?nèi)ィ诠饫w芯上沉積一層高反射率金屬膜，入射光線在光纖芯與光纖包層的界面上發(fā)生全反射，滲透過界面的漸逝波（見光纖傳感器相關(guān)章節(jié)）將在金屬膜與生物分子膜的界面產(chǎn)生SPR，SPR對吸附在金屬膜表面的基質(zhì)(生物分子膜)的折射率變化非常敏感，從而引起等離子共振角(入射角)的改變。固定入射光角度，改變?nèi)肷涔獠ㄩL，在光纖的出口端檢測輸出光強度與波長分布的關(guān)系，可進行被測物的定量

66、分析。SPR生物傳感器具有非破壞性、高靈敏度和實時在線檢測等優(yōu)點，近年來得到廣泛的研究與應(yīng)用。8.2.5 8.2.5 光生物傳感器光生物傳感器三、光纖漸逝波熒光 光纖漸逝波熒光探測的基本原理是：利用激光在光纖探針中全反射傳播時產(chǎn)生的漸逝波去激發(fā)光纖探針表面標記于生物物質(zhì)上的熒光染料，在漸逝波作用范圍內(nèi)通過特異性反應(yīng)檢測被測物質(zhì)的種類和濃度。圖8-27為全光纖結(jié)構(gòu)的漸逝波生物傳感器示意圖。脈沖激暗光激發(fā)出熒光，熒光返回到光敏器件。光功率耦合器把脈沖激光的一半功率耦合到光纖探針，并把返回熒光耦合到光敏器件。Bragg濾波器過濾出敏感光譜。8.2.5 8.2.5 光生物傳感器光生物傳感器 圖8-27 全光纖結(jié)構(gòu)的漸逝波生物傳感器示意圖思考題思考題1.找出化學傳感器、物理傳感器和生物傳感器的區(qū)別。2.電化學傳感器有哪幾種形式，描述其原理。3.對于應(yīng)用電化學、光學、壓電、熱等轉(zhuǎn)換機理的化學生物傳感器本片做了哪些描述，還可以做哪些補充？4.應(yīng)用表面吸附的作用，再通過哪些物理效應(yīng)把化學量、生物量轉(zhuǎn)換成便于測量的量？人們是如何實現(xiàn)選擇性轉(zhuǎn)換的？5.對生物傳感器分別按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分類，按