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1、新型传感器技术,第八章化学与生物传感器,8 化学与生物传感器,作为信息变换手段之一的化学传感器，是因化学反应产生的电化学现象及根据化学反应中产生的各种信息（如光效应、热效应、场效应和质量变化）来设计的各种精密而灵敏的探测装置。此类传感器用于检测及测量特定的某种或多种化学物质，因此化学传感器必须具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的功能（接受器功能）和将俘获的化学量有效转换为电信号的功能（转换器功能）。用固定化生物成分或生物体作为敏感元件的传感器称为生物传感器。生物传感器实际上是化学传感器的子系统，但也常冠以其名单独作专题考虑。此类传感器检测及测量的待分析物质也可是纯化学物质(甚至是无机
2、物)，尽管其生物组分是目标分析物，关键不同之处在于其识别元件在性质上是生物质。本章对化学传感器主要介绍离子敏感器件和气敏传感器；对生物传感器将介绍酶、微生物、抗体等传感器。,8.1 化学传感器,化学传感器包括电化学传感器、光化学传感器、质量化学传感器和热化学传感器。根据转换的电信号种类不同，可将电化学传感器分为电流型化学传感器、电位型化学传感器和电阻型化学传感器。本节只涉及到电位型化学传感器和电阻型化学传感器，在生物传感器一节中有关于光化学传感器、质量化学传感器的介绍。,8.1.1 电位型电化学传感器原理,有三种基本电化学过程适用于构成传感器：1电位法：测量零电流下的电池电位；2.伏安法(电流
3、法)：在电池电位间设置氧化(或还原)电位来测量电池的电流；3.电导法：用一交流电桥方法来测量电池的电导。这里只讨论电位法。将一金属条(例如银)置于一含离子的溶液(如银离子)中，沿着金属和溶液的界面会产生电荷分布(图 8-1)，这就产生了人们所说的电子压力，通常称为电位。此电位不能直接测量取得，需要两个这样的电极与电解质的组合，其中每一个称作半电池，这样一个组合称作电化学电池(图 8-2)。两组半电池内部通过一电导桥或膜将电路相连，然后，在两电极外端连接一测量电位的装置，该电路可用来测定电池的电动势(emf)，其值为两个半电池电极间的电位差。电动势数值大小取决于几个因素：电极材料；各个半电池内的
4、溶液性质及浓度；通过膜(或盐桥)的液体接界电位。,8.1.1 电位型电化学传感器原理,图8-1 将一金属电极浸在电解液中为一半电池,8.1.1 电位型电化学传感器原理,图8-2 两个半电池电极组合成一完整的电池,8.1.1 电位型电化学传感器原理,图 8-3 氢电极与其它半电池相连接,8.1.1 电位型电化学传感器原理,在标准状态，氢气分压为101325Pa，温度为298K(25)，定义氢的标准电极电位为零（电位E0=0V），可决定另一电极电位。由于氢电极不方便，常用饱和甘汞电极作参考电极（电位E0=0.24V）。溶液浓度与测量电极电位的关系由能斯特方程确定，基本能斯持方程是从基础热力学方程导
5、出的对数关系式 式（8-1）式中 E-测量电极电位，V；E0-参考电极电位，V；Ox-溶液中氧化性物质浓度（活度），mol/L；R-溶液中还原性物质浓度（活度），mol/L，金属电 极R=1。,8.1.2 离子敏感器件,离子敏感器件是一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管。它是由离子选择性电极（ISE）与金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）组合而成，简称ISFET。ISFET是用来测量溶液（或体液）中的离子活度的微型固态电化学敏感器件。,8.1.2.1 ISFET的结构与工作原理,为了介绍离子敏感器件的工作原理，必须对场效应晶体管的结构和特性有个基本了解。一、MOFET的结构和特性
6、用半导体工艺制作的金属氧化物半导体场效应晶体管的典型结构如图8-4所示。它的衬底材料为P型硅。用扩散法做两个N区，分别称为源（S）和漏（D），在漏源之间的P型硅表面，生长一薄层SiO2，在SiO2上再蒸发一层金属Al，称为栅电极，用G所示。在栅极不加偏压时，栅氧化层下面的硅是P型，而源漏是N型，故源漏之间不导通。,8.1.2.1 ISFET的结构与工作原理,图84 MOSFET,8.1.2.1 ISFET的结构与工作原理,当栅源之间加正向偏压VGS，且有VGSVT（阈电压）时，则栅氧化层下面的硅就反型，从P型变为N型。这个N型区就将源区和漏区连接起来，起导电通道的作用，称为沟道，此时MOSFE
7、T就进人工作状态。这种类型称为N沟道增强型MOFET。我们的讨论以此为例。在 MOSFET的栅电极加上大于VT的正偏压后，源漏之间加电压VDS，则源和漏之间就有电流流通，用IDS表示。IDS的大小随VGS和VDS的大小而变化，其变化规律即MOSFET的电流电压特性，图8-5所示是其输出特性和转移特性曲线。所谓转移特性曲线是指漏源电压VDS一定时，漏源电流IDS与栅源电压VGS之间的关系曲线。由图可见，当VGSVT时，MOSFET的表面沟道尚未形成，故无漏源电流；当VDSVT时，MOSFE才开启，此时ISD随VGS的增加而加大。阈电压VT的定义是当VDS0时，要使源和漏之间的半导体表面刚开始形成
8、导电沟道时，所需加的栅源电压。电压的大小除了与衬底材料的性质有关外，还与SiO2层中的电荷数及金属与半导体之间的功函数差有关，离子敏传感器正是利用VT的这一特性来进行工作的。,8.1.2.1 ISFET的结构与工作原理,图85 N沟增强型MOSFET特性(a)输出特性；(b)转移特性,8.1.2.1 ISFET的结构与工作原理,二、离子敏传感器的结构与工作原理 前面我们已经简要介绍了MOSFET的结构和特征。如果将普通的MOSFET的金属栅去掉，让绝缘体氧化层直接与溶液相接触，或者将栅极用铂膜作引出线，并在铂膜上涂覆一层离子敏感膜，就构成了一只ISFET。如图8-6所示。图86 敏感膜涂覆在M
9、OSFET栅极上的ISFET示意图1MOSFET；2铂膜；3敏感膜,8.1.2.1 ISFET的结构与工作原理,MOS场效应晶体管是利用金属栅上所加电压大小来控制漏源电流的；ISFET则是利用其对溶液中离子有选择作用而改变栅极电位，以此来控制漏源电流变化的。当将ISFET插入溶液时，被测溶液与敏感膜接触处就会产生一定的界面电势，其大小决定于溶液中被测离子的活度，这一界面电势的大小将直接影响VT的值。如果以ai表示响应离子的活度，则当被测溶液中的干扰离子影响极小时，阈值电压可用下式表示：式（8-2）式中的C、S，对一定的器件、一定的溶液而言，在固定参考电极电位时是常数，因此ISFET的阈值电压与
10、被测溶液中的离子活度的对数成线性关系。根据场效应晶体管的工作原理，漏源电流的大小又与VT的值有关。因此，ISFET的漏源电流将随溶液中离子活度的变化而变化。在一定条件下，IDS与ai的对数呈线性关系，于是就可以从中确定离子的活度。,8.1.2.1 ISFET的结构与工作原理,关于ISFET的敏感膜对溶液中离子活度的响应机理，许多学者曾提出过各种理论解释，目前尚在发展之中。下面我们以无机绝缘栅的ISFET为例，简述其工作机理。无机绝缘栅ISFET是将普通MOSFET的金属栅去掉，使无机绝缘栅SiO2兼作敏感膜直接与溶液接触，这种栅对溶液中的H离子将产生响应。若在SiO2上再淀积一层无机物S3N4
11、或Al2O3，则除了对H响应外，对N也有响应。根据电化学观点，敏感膜与溶液界面可分如下两种情况：（1）非极性界面 这种界面至少可让一种带电粒子通过，界面产生电势的大小取决于电子或离子的交换作用。可以认为，在HISFET的表面存在着SiOH、AlOH等羟基（中性基因），当HISFET浸渍于电解质溶液时，在其界面处将会产生水化胶层，并存在如下平衡：,8.1.2.1 ISFET的结构与工作原理,表面离解的MO基团和电解质溶液中一侧的水合阳离子之间形成双电层。MO一基团的电荷密度随溶液中H离子浓度而变化，H浓度越大，则界面电势变化也越大。其电荷分布的大致情况如图8-7所示，它说明了溶液中H离子浓度将对
12、界面电势产生影响，从而改变阈电压VT的值。,8.1.2.1 ISFET的结构与工作原理,（2）极性界面 这种界面不允许带电粒子通过或传递极缓慢，此时界面电势的情况取决于带电粒子的表面吸附或偶极子的定向排列作用。当ISFET插入溶液时，表面由于吸附离子而使电荷增加，从而加大了电势差。其电荷分布大致情况如图8-8所示，图中虚线代表由于吸附而增加的电荷密度。,8.1.2.1 ISFET的结构与工作原理,图87 ISFET 非极性界面电荷分布示意图 图88 ISFET极性界面电荷分布示意图,8.1.2.2 ISFET的特点和应用,一、ISFET的特点 根据以上介绍的ISFET的结构和工作原理可知，它具
13、有以下特点：（1）ISFET具有MOSFET输入阻抗高，输出阻抗低的特点，因此器件本身就能完成由高阻抗到低阻抗的变换，同时具有展宽频带和对信号进行放大的作用，这将使测量仪器大为简化。（2）ISFET是全固态化结构，因此具有体积小，重量轻，机械强度大等特点，特别适合于生物体内和高压条件下的测量使用。（3）由于利用了成熟的半导体微细加工工艺技术，并将敏感材料直接附着于半导体器件上，因此，敏感膜可以做得很薄，一般可小于100nm。这可使ISFET的水化时间很短，从而使离子活度的响应速度很快，响应时间可小于1s。,8.1.2.2 ISFET的特点和应用,（4）由于ISFET是利用半导体集成电路工艺制造
14、的，这对实现集成化和多种离子多功能化十分有利，易于将信息转换部分和信号放大检出部分与敏感器件集成在一块芯片上，实现整个系统的智能化、小型化和全固态化。（5）由ISFET的结构特点可见，离子敏感材料与场效应晶体管的源漏之间是互相绝缘的，是依靠敏感膜与绝缘体界面电位的变化来控制沟道中源漏电流变化的。因此，无需考虑离子敏感材料导电性问题，这就可在包括绝缘材料在内的广泛材料领域中找到更多更好的离子敏感材料。,8.1.2.2 ISFET的特点和应用,二、ISFET的应用 ISFET可以用来测量离子敏感电极（ISE）所不能测量的生物体中的微小区域和微量离子，因此，它在生物医学领域中具有很强的生命力。此外，
15、在环境保护、化工自控、矿山、土壤水文以及家庭生活等各个方面都有其应用，有关这方面的例子简单介绍如下：（1）对生物体液中无机离子的检测 临床医学和生理学的主要检查对象是人或动物的体液，其中包括血液、脑髓液、脊髓液、汗液和尿液等。体液中某种无机离子的微量变化都与身体某个器官的病变有关，因此，利用ISFET迅速而准确地检测出体液中某种离子的变化，就可以为正确诊断、治疗及抢救提供可靠的依据。（2）在环境保护中的应用 ISFET也广泛应用在大气污染的监测中。监测大气污染的内容很多，譬如通过检测雨水成分中各种离子的浓度，可以监测大气污染的情况及查明污染的原因。另外，用ISFET对江河湖海中鱼类及其他动物血
16、液中有关离子的检测，可以确定水域污染的情况及其对生物体的影响。用ISFET对植物不同生长期体内离子的检测，可以研究植物在不同生长期对营养成分的需求情况，以及土壤污染对植物生长的影响等。,8.1.2.2 ISFET的特点和应用,（3）在其他方面的应用 由于ISFET具有小型化、全固态化的优点，因此对被检样品影响很小。这样，在食品发酵工业中，可以用ISFET直接测量发酵面粉的酸碱度，随时监视发酵情况和质量。又如，厨师用 ISFET通过对煮面面汤 pH值的测量和控制，可以做出美味可口的面条；使用微型ISFET既可随时检测水果的酸甜情况，又可保证水果完好无损；应用ISFET还可以检测药品纯度以及洗涤剂
17、的浓度。随着对ISFET研制工作的广泛深入开展，可以预期它的应用领域将越来越广泛，地位也将越来越重要。,8.1.3 气敏传感器,早在20世纪30年代就已发现氧化亚铜的导电率随水蒸气的吸附而发生改变，其后又发现其它许多金属氧化物也都具有气敏效应。20世纪 60年代研制成功了SnO2气敏元件，从此进入了实用阶段。这些金属氧化物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料，因此称之谓半导体陶瓷（简称半导瓷）。由于半导瓷与半导体单晶相比，具有工艺简单、制作方便、价格低廉等优点，因此已用它制作了多种具有实用价值的敏感元件，例如各种电阻型的气敏器件，其敏感材料多是SnO2。此外，由于把对氢的敏感性，目前已发
18、展了其它非电阻型的气敏器件，例如把栅MOSFET等。本节主要讨论用SnO2制作的三种电阻型气敏器件，适当介绍其它气敏器件。,气敏半导体材料的导电机理,气敏半导体材料SnO2是N型半导体，它的导电机理可以用吸附效应来解释。图8-9（a）为烧结体N型半导瓷的模型，它是多晶体，晶粒内部电阻较低，晶粒间界有较高的电阻，图中分别以空白部分和黑点示意表示。导电通路的等效电路如图8-9（b）所示，图中Rn为颈部等效电阻，Rb为晶粒的等效体电阻，Rs晶粒的等效表面电阻。其中Rb的阻值较低，它不受吸附气体影响，Rs和Rn则受吸附气体所控制，且RnRb，RsRb。由于Rs被Rb所短路，因而图（b）可简化为图（c）
19、只由颈部等效电阻Rn串联而成的等效电路。由此可见，半导瓷气敏电阻的阻值将随吸附气体的数量和种类而改变。,气敏半导体材料的导电机理,这类半导瓷气敏电阻工作时通常都需要加热，器件在加热到稳定状态的情况下，当有气体吸附时，吸附分子首先在表面自由地扩散，失去其功能。其间一部分分子蒸发，一部分分子就固定在吸附处。此时，如果材料的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附，分子将从材料夺取电子而变成负离子吸附；如果材料的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向材料释放电子而成为正离子吸附。O2和N Ox倾向于负离子吸附，称为氧化型气体；H2、CO、碳氧化合物和酒类倾向于正离子吸附，称为还原型气体。氧化型气体图
20、8-10 N型半导体吸附气体时的器件阻值变化吸附到N型半导体上，将使载流子减少，从而使材料的电阻率增大。还原型气体吸附到N型半导体上，将使载流子增多，材料电阻率下降。图8-10为气体吸附到N型半导体上时所产生的器件阻值变化情况，根据这一特性，就可以从阻值变化的情况得知吸附气体的种类和浓度。,气敏半导体材料的导电机理,SnO2气敏半导瓷对许多可燃性气体，如氢、一氧化碳、甲烷、乙醇、丙酮等都有较高的灵敏度；掺加Pd（钯石棉，PdCl2）、Mo（钼粉、钼酸）、Ga等杂质的SnO2元件可在常温下工作，对烟雾的灵敏度有明显的增加，可供制造常温工作的烟雾报警器。,气敏半导体材料的导电机理,图89 气敏半导
21、瓷吸附效应模型（a）烧结体模型；（b）（c）等效电路,气敏半导体材料的导电机理,图810 N型半导体吸附气体时的器件阻值变化,电阻型气敏器件,目前使用较广泛的是电阻型气敏器件，按其结构又可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三种，下面分别予以介绍。一、烧结型气敏器件 这类器件以半导瓷SnO2为基体材料（其粒度在1m以下），添加不同杂质，采用传统制陶方法烧结。烧结时埋入加热线和测量电极，制成管芯，最后将加热丝和测量电极焊在管座上，加特制外壳构成器件。烧结型器件的结构示于图8-11（a）。烧结型器件的一致性较差，机械强度也不高，但它价格便宜，工作寿命长，因此目前仍得到广泛应用。二、薄膜型气敏器件 薄膜型气敏
22、器件的结构如图8-11（b）所示，采用蒸发或溅射方法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体薄膜。实测表明SnO2和 ZnO薄膜的气敏特性最好，但这种薄膜为物理性附着系统，器件之间的性能差异仍较大。,电阻型气敏器件,三、厚膜型气敏器件 它是用 SnO2或 ZnO等材料与315（重量）的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到事先安装有铂电极的Al2O3基片上，以400800烧结1小时制成。其结构如图8-11（c）所示。厚膜工艺制成的元件一致性较好，机械强度高，适于批量生产，是一种有前途的器件。以上三类气敏器件都附有加热器，在实用时，加热器能使附着在探测部分油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体的吸
23、附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度。一般加热到200400，具体温度视掺杂质不同而异。这些气敏器件的优点是：工艺简单、价格便宜、使用方便、对气体浓度变化时的响应快，即使在低浓度（3000mgkg）下，灵敏度也很高。其缺点在于：稳定性差、老化较快、气体识别能力不强、各器件之间的特性差异大等。为了扬长避短，目前正开展各项研究，以提高其气体识别能力及稳定性。,电阻型气敏器件,电阻型气敏器件,图811 中电阻型气敏器件结构分别为：（a）烧结型；（b）薄膜型；（c）厚膜型 各种可燃性气体的浓度与SnO2半导瓷气敏器件的电阻变化率的关系如图8-12所示。对各种气体的相对灵敏度，可通过不同的烧结条件和添加
24、增感剂进行调整。一般说，烧结型SnO2气敏器件在低浓度下灵敏度高，而高浓度下趋于稳定值。这一特点非常适宜检测低浓度微量气体。因此，这种器件常用来检查可燃性气体的泄漏、定限报警等。目前，检测液化石油气、管道煤气、NH3等气体泄漏传感器已付诸实际应用。但是，由于选择性比较差，在应用时还应充分考虑共存的其他气体的影响。同时，其价格也应降到用户能接受的程度。SnO2气敏器件易受环境温湿度的影响，图8-13给出了温湿度综合特性曲线。由于环境温湿度对气敏器件的特性有影响，在使用时要加温湿度补偿，或选用温湿度性能好的气敏器件。,电阻型气敏器件,除了电阻型气敏器件以外，目前已发展了多种利用其他物理特性的气敏器
25、件。譬如用硅单晶制成的对氢气敏感的把栅MOS场效应晶体管，PdSi、MIS二极管和PdMOS二极管等，这是气敏器件发展中值得注意的动向。,电阻型气敏器件,图8-12 各种可燃气体的浓度与气敏器件电阻变化率的关系,电阻型气敏器件,图813 SnO2气敏器件温湿度特性,8.1.3.3 非电阻型气敏器件,非电阻型气敏器件是利用 MOS二极管的电容电压特性（CV特性）的变化，和MOS场效应晶体管（MOSFET）的阈值电压的变化等物理特性做成的半导体气敏器件。这类器件可应用目前成熟的集成电路工艺来制造，其重复性和稳定性大为改善，性能价格比得以提高，并使器件的集成化和智能化成为可能。,8.1.3.3 非电
26、阻型气敏器件,一、MOS二极管气敏器件 MOS二极管的结构和等效电路示于图8-14。在P型半导体硅芯片上，采用热氧化工艺生长一层厚度为50100nm左右的SiO2层，然后再在其上蒸发一层金属薄膜，作为栅电极。SiO2层电容Cax是固定不变的，SiSiO2界面的电容Cs是外加电压的函数。所以总电容C是栅偏压的函数，其函数关系称为该MOS管的CV特性。由于Pd在吸附H2以后，会使它的功函数降低，这将引起MOS管的CV特性向负偏压方向平移，如图8-15所示，据此可测定H2的浓度。,8.1.3.3 非电阻型气敏器件,图814 MOS结构和等效电路,图815 MOS结构的C-V特性 a吸附H2前；b吸附
27、H2后,8.1.3.3 非电阻型气敏器件,二、PdMOSFET气敏器件 关于MOSFET的结构和主要特性已在节作了介绍PdMOSFET与普通MOSFET的主要区别在于用钯Pd薄膜取代铝Al膜作为栅电极。因为Pd对H2的吸附能力极强，而H2在Pd上的吸附将导致Pd的功函数降低。如前所述，阈电压VT的大小与金属和半导体之间的功函数差有关。PdMOSFET气敏器件正是利用H2在Pd栅上吸附后引起阈电压VT下降这一特性来检测H2浓度的。,8.2 生物传感器,在生物圈中，存在数以千万计的物质，它们影响着生物学过程的各个方面，对这些物质进行快速自动分析，是科学家们梦寐以求的目标。20世纪70年代以来，生物
28、医学工程迅猛发展，作为检测生物体内化学成分的各种生物传感器不断出现。20世纪60年代中期起首先利用酶的催化作用和它的催化专一性开发了酶传感器，并达到实用阶段。20世纪70年代又研制出微生物传感器、免疫传感器等。在过去的20多年中，生物学与物理学、化学融为一体，产生了新一代的装置-生物传感器(Biosensor)，一个典型的多学科交叉产物，导致了分析生物学技术的一场革命。目前，生物传感器的概念得到公认，作为传感器的一个分文，它从化学传感器中独立出来。,8.2 生物传感器,生物传感器是利用各种生物或生物物质做成的，用以检测与识别生物体内的化学成分的传感器，生物或生物物质是指酶、微生物、抗体等，生物
29、传感器的传感原理如图8-16表示。待测物质经扩散作用进入固定生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应(物理、化学变化)，产生的物理、化学信息继而被相应的化学或物理换能器转变成可定量、可传输、可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。根据生物反应的奇异和多样性，从理论上讲可以制造出测定所有生物物质的多种多样的生物传感器。这类生物传感器是在无试剂条件下工作的(缓冲液除外)，比各种传统的生物学和化学分析法操作简便、快速、准确，可连续测量、分析、联机操作、直接显示与读出测试结果。,8.2 生物传感器,各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活
30、性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。,8.2 生物传感器,图8-16生物传感器传感原理,8.2 生物传感器,生物传感器的分类和命名方法较多且不尽统一，主要有两种分类法，即分子识别元件分 类法和器件分类法。按所用生物活性物质(分子识别元件)的不同，可以将生物传感器分为五大类，即酶传感器(enzyme sensor)、微生物传感器(microbial sensor)、免疫传感器(immunol sensor)、组织传感器(tissue sensor)和细胞器传感器(
31、organelle sensor)；按器件分类是依据所用变换器器件不同对生物传感器进行分类，即生物电极(bioelectrode)、半导体生物传感器(Semiconduct biosensor)、光生物传感器(optical biosensor)、热生物传感器(calorimetric biosensor)、压电晶体生物传感器(piezo-electric biosensor)。关于个别生物传感器的命名，一般采用“功能+构成特征”的方法，如葡萄糖氧化酶电极、谷氨酸脱氢酶电极、BOD微生物电极、葡萄糖酶光纤传感器等，如下图所示,8.2 生物传感器,按敏感材料分 分子识别部分 信号转换部分 按信号
32、转换器分类,酶,电化学测定装置,微生物,场效应晶体管,抗体或抗原,光纤,光敏二极管,细胞器,热敏电阻,动、植物组织,SAW装置,8.2 生物传感器,生物传感器的基本原理就是利用生物反应，而生物反应实际上包括了生理生化、新陈代谢、遗传变异等一切形式的生命活动。生物传感器的任务是如何将生物反应与传感器技术恰当地结合起来。当前，将生物工程技术与半导体技术、电子技术结合起来，利用生物体的奇特功能，制造出类似于生物感觉器官的各种传感器，这将是国内外传感器技术研究的一个新的研究课题，是传感器技术的新发展，具有很重要的现实意义。本章将介绍一些具有代表性的生物传感器。,酶传感器,酶传感器是问世最早、成熟度最高
33、的一类生物传感器。它是利用酶的催化作用，在常温常压下将糖类、醇类、有机酸、氨基酸等生物分子氧化或分解，然后通过换能器将反应过程中化学物质的变化转变为电信号记录下来，进而推出相应的生物分子浓度。因此，酶传感器是间接型传感器，它不是直接测定待测物质，而是通过对反应有关物质的浓度测定来推断底物的浓度。,8.2.1.1 酶反应,酶是生物体内产生并具有催化活性的一类蛋白质，此类蛋白质表现出特异的催化功能，因此，酶被称为生物催化剂。酶在生命活动中起着极为重要的作用，它们参加新陈代谢过程中的所有生化反应，并以极高的速度和明显的方向性维持生命的代谢活动，包括生长、发育、繁殖与运动。酶与一般催化剂相同，在相对浓
34、度较低时，仅能影响化学反应的速度，而不改变反应的平衡点，反应前后其组成与质量均不发生明显改变。酶催化的化学形式主要包括共价催化和酸碱催化。在共价催化中，酶与底物形成反应活性很高的共价中间物，这个中间物很容易变成转变态，故反应的活化能大大降低，底物可以越过较低的“能阀”形成产物。酸碱催化广义地指质子供体及质子受体的催化，发生在细胞内的许多反应都是酸碱催化的。例如将水加到碳基上、酯类的水解、各种分子重排以及许多取代反应等。酶催化效率高，每分钟每个酶分子能转换103106个底物分子，以分子比为基础，其催化效率是其他催化剂的1071013倍。酶是蛋白质，其催化一般在温和条件下进行，极端的环境条件(如高
35、温、酸碱)会使酶失活。,8.2.1.1 酶反应,酶反应具有高度专一性的特点，一种酶只能作用于某一种或某一类物质(被酶作用的物质称为底物)，因而有“一种酶，一种(类)底物”之说。非酶融催化剂对作用物没有如此严格的选择性，如H+可以催化淀粉、脂肪和蛋白质等水解，但淀粉酶则只能催化淀粉水解。酶催化的专一性是由酶蛋白分子(特别是分子中的活性部位)结构所决定的，根据酶对底物专一性程度的不同，大致可分为三种类型：第一种类型的酶专一性较低，能作用结构类似的一系列底物，可分为族专一性和键专一性两种。族专一性酶对底物的化学键及其一端有绝对要求，对键的另一端只有相对要求；键专一性酶对底物分子的化学键有绝对要求，而
36、对键的两端只有相对要求。第二种类型的酶仅对一种物质有催化作用，它们对底物的化学键及其两端均有绝对要求。第三种类型的酶具有立体专一性，这类酶不仅要求底物有一定的化学结构，而且要有一定的立体结构。,8.2.1.2 酶传感器,酶传感器是由酶敏感膜和电化学器件构成的，利用酶的特性可以制造出高灵敏度、选择性好的传感器。应该指出，酶传感器中酶敏感膜使用的酶是将各种微生物通过复杂工序精炼出来的，因此，其造价很高，性能也不太稳定。酶的催化反应可用下式表示,8.2.1.2 酶传感器,式中 S待测物质；E酶；T反应温度，单位；Pi第i个产物。酶的催化作用是在一定的条件下使底物分解，故酶的催化作用实际上是加速底物的
37、分解速度。按输出信号的不同，酶传感器有两种形式:一是电流型酶传感器，根据与酶催化反应有关物质的电极反应所得到的电流，来确定反应物的浓度，通常都用氧电极、H202电极等；二是电位型酶传感器，通过电化学传感器件测量敏感膜电位来确定与催化反应有关的各种物质浓度，电位型一般用NH2+电极、CO2电极、H2电极等，即以离子作为检测方式，表81给出了酶传感器的种类。,8.2.1.2 酶传感器,表81酶传感器的种类,8.2.1.2 酶传感器,下面以葡萄糖酶传感器为例说明其工作原理与检测工程。葡萄糖酶传感器的敏感膜是葡萄糖氧化酶，它固定在聚乙烯酰胺凝胶上，其电化学器件为Pt阳电极和Pb阴电极，中间溶液为强碱溶
38、液，并在阳电极表面覆盖一层透氧气的聚四氟乙烯膜，形成封闭式氧电极(见图818)。它避免了电极与被测液直接相接触，防止了电极毒化。如电极Pt为开放式，它浸人蛋白质的介质中，蛋白质会沉淀在电极的表面，从而减小电极的有效面积，使电流下降，从而使传感器受到毒化。实际应用时，葡萄糖酶传感器安放在被测葡萄糖溶液中。由于酶的催化作用会产生过氧化氢(H2O2)，其反应式为 葡萄糖HO2+O2葡萄糖酸H2O2,8.2.1.2 酶传感器,图818葡萄糖酶传感器,8.2.1.2 酶传感器,Pt阳极；2-聚四氟乙烯膜；3-固相酶摸；4-半透膜多孔层；5-半透膜致密层反应过程中，以葡萄糖氧化酶(GOD)作为催化剂。在上
39、式中，葡萄糖氧化时产生H202，它们通过选择性透气膜，在Pt电极上氧化，产生阳极电流，葡萄糖含量与电流成正比，这样，就测量出了葡萄糖溶液的浓度。例如，在Pt阳极上加0.6V的电压，则H202在Pt电极上产生的氧化电流是 H2O2O2+2H+2e式中e所形成电流的电子。,8.2.2 微生物传感器,微生物传感器是由固定化的微生物细胞与电化学装置结合而形成的生物传感器。,8.2.2.1 微生物反应,(1)微生物反应的特点 微生物反应过程是利用生长微生物进行生物化学反应的过程，即微生物反应是将微生物作为生物催化剂进行的反应，酶在微生物反应中起最基本的催化作用。微生物反应与酶反应有几个共同点:同属生化反
40、应，都在温和条件下进行；凡是酶能催化的反应，微生物也可以催化；催化速度接近，反应动力学模式近似。微生物反应在下述方面又有其特殊性:微生物细胞的膜系统为酶反应提供了天然的适宜环境，细胞可以在相当长的时间内保持一定的催化活性；在多底物反应时，微生物显然比单纯酶更适宜作催化剂，细胞本身能提供酶反应所需的各种辅酶和辅基。利用微生物作生物敏感膜的缺点有：微生物反应通常伴随自身生长，不容易建立分析标准；细胞是多酶系统，许多代谢途径并存，难以排除不必要的反应；环境条件变化会引起微生物生理状态的复杂化，不适当的操作会导致代谢转换现象，出现不期望有的反应。,8.2.2.1 微生物反应,(2)微生物反应类型 同化
41、与异化 根据微生物代谢流向可以分为同化作用和异化作用。在微生物反应过程中，细胞与环境不断地进行物质和能量的交换，其方向和速度受各种因素的调节，以适应体内外环境的变化。细胞将底物摄人并通过一系列生化反应转变成自身的组成物质，并储存能量，称为同化作用或组成代谢(assimilation)；反之，细胞将自身的组成物质分解以释放能量或排出体外，称为异化作用或分解代谢(dissimilation)。自养与异养 根据微生物对营养的要求，微生物反应又可分为自养性与异养性。自养微生物以C02作为主要碳源，无机氮化物作为氮源，通过细菌的光合作用或化能合成作用获得能量。异养微生物以有机物作碳源，无机物或有机物作为
42、氮源，通过氧化有机物获得能量。绝大多数微生物种类都属于异养型。,8.2.2.1 微生物反应,好气性与厌气性 根据微生物反应对氧的需求与否可以分为好氧反应和厌氧反应。微生物反应生长过程中需要氧气的称为好氧反应；微生物反应生长过程中不需要氧气，而需要CO2的称为厌氧反应，也称二者为好气性与厌气性。细胞能量的产生与转移 微生物反应所产生的能大部分转移为高能化合物。所谓高能化合物是指转移势能高的基团的化合物，其中以ATP(三磷酸腺苷)最为重要，它不仅潜能高，而且是生物体能量转移的关键物质，直接参与各种代谢反应的能量转移。,8.2.2.2 微生物传感器,用微生物作为分子识别元件制成的传感器称为微生物传感
43、器。微生物传感器与酶传感器相比有价格便宜、性能稳定的优点，但其响应时间较长(数分钟)，选择性较差。目前微生物传感器已成功地应用于发酵工业和环境检测中，例如测定江水及废水污染程度，在医学中可测量血清中微量氨基酸，有效地诊断尿毒症和糖尿病等。微生物本身就是具有生命活性的细胞，有各种生理机能，其主要机能是呼吸机能(02的消耗)和新陈代谢机能(物质的合成与分解)。还有菌体内的复合酶、能量再生系统等。因此在不损坏微生物机能情况下，可将微生物用固定化技术固定在载体上就可制作出微生物敏感膜，而采用的载体一般是多孔醋酸纤维膜和胶原膜。微生物传感器从工作原理上可分为两种类型，即呼吸机能型和代谢机能型，微生物传感
44、器结构如图819所示,8.2.2.2 微生物传感器,8.2.2.2 微生物传感器,(1)呼吸机能型微生物传感器 微生物呼吸机能存在好气性和厌气性两种。其中好气性微生物需要有氧气，因此可通过测量氧气来控制呼吸机能，并了解其生理状态；而厌气性微生物相反，它不需要氧气，氧气存在会妨碍微生物生长，而可以通过测量碳酸气消耗及其他生成物来探知生理状态。由此可知，呼吸机能型微生物传感器是由微生物固定化膜和02电极(或CO2电极)组成。在应用氧电极时，把微生物放在纤维性蛋白质中固化处理，然后把固化膜附着在封闭式氧极的透氧膜上。图820是生物化学耗氧量传感器BOD(Biological Oxygen Deman
45、d)，图中把这种呼吸机能型微生物传感器放入含有有机化合物的被测溶液中，于是有机物向微生物膜扩散，而被微生物摄取(称为资化)。,8.2.2.2 微生物传感器,由于微生物呼吸量与有机物资化前后不同，可通过测量02电极转变为扩散电流值，从而间接测定有机物浓度。BOD生物传感器使用的微生物可以是丝孢酵母，菌体吸附在多孔膜上，室温下干燥后保存待用。测量系统包括：带有夹套的流通池（直径1.7cm，高0.6cm，体积1.4ml，生物传感器探头安装在流通池内）、蠕动泵、自动采样器和记录仪。,8.2.2.2 微生物传感器,图821为这种传感器的响应曲线，曲线稳定电流值表示传感器放入待测溶解氧饱和状态缓冲溶液中(
46、磷酸盐缓冲液)微生物的吸收水平。当溶液加入葡萄糖或谷氨酸等营养膜后，电流迅速下降，并达到新的稳定电流值，这说明微生物在资化葡萄糖等营养源时呼吸机能增加，即氧的消耗量增加。导致向02电极扩散氧气量减少，使电流值下降，直到被测溶液向固化微生物膜扩散的氧量与微生物呼吸消耗的氧量之间达到平衡时，便得到相应的稳定电流值。由此可见，这个稳定值与未添加营养时的电流稳定值之差与样品中有机物浓度成正比。,8.2.2.2 微生物传感器,图 820 生物化学耗氧量传感器 1）微生物固定化膜 2）电解液 3）阴极（Au）4）阳极（Pb）5）02电极 6）透氧膜 7）护套,8.2.2.2 微生物传感器,图821生物化学
47、耗氧传感器响应曲线,8.2.2.2 微生物传感器,(2)代谢机能型微生物传感器 代谢机能型微生物传感器的基本原理是微生物使有机物资化而产生各种代谢生成物。这些代谢生成物中，含有遇电极产生电化学反应的物质(即电极活性物质)。因此，微生物传感器的微生物敏感膜与离子选择性电极(或燃料电池型电极)相结合就构成了代谢机能型微生物传感器，图822为甲酸传感器结构示意图。将产生氢的酪酸梭状芽菌固定在低温胶冻膜上，并把它装在燃料电池Pt电极上。Pt电极、Ag202电极、电解液(1OOmol/m3磷酸缓冲液)以及液体连接面组成传感器。当传感器浸入含有甲酸的溶液时，甲酸通过聚四氟乙烯膜向酪酸梭状芽菌扩散，被资化后
48、产生H2，而H2又穿过Pt电极表面上的聚四氟乙烯膜与Pt电极产生氧化反应而产生电流，此电流与微生物所产生的H2含量成正比，而H2量又与待测甲酸浓度有关，因此传感器能测定发酵溶液中的甲酸浓度。,8.2.2.2 微生物传感器,图822甲酸传感器结构1-圆环；-液体连接面；3-电解液；4-Ag2O2电极(阴极)；5-Pt电极(阳极)；6-聚四氟乙烯膜表82列出了一些常用微生物传感器的主要性能。,8.2.2.2 微生物传感器,8.2.2.2 微生物传感器,8.2.3 免疫传感器,8231 免疫学反应 所谓“免疫”，顾名思义即免除瘟疫。用现代的观点来讲，生物体具有一种“生理防御、自身稳定与免疫监视”的功
49、能叫“免疫”。免疫是生物体的一种生理功能，生物体依靠这种功能识别“自己”和“非己”成分，从而破坏和排斥进入生物体的抗原物质，或生物体本身所产生的损伤细胞和肿瘤细胞等，以维持生物体的健康。与测定抗原抗体反应有关的传感器称为免疫传感器.抗原抗体结合前后可导致多种信号的改变,如在重量、光学、热学、电化学等方面。,8.2.3.1 免疫学反应,(1)抗原与抗体 所谓抗原，就是能够刺激动物体产生免疫反应的物质。从广义的生物学观点看，凡是引起免疫反应性能的物质，都可称为抗原。抗原有两种功能:刺激机体产生免疫应答反应和与相应免疫反应产物发生异性结合反应。前一种性能称为免疫原性，后一种性能称为反应原性。通常，根
50、据来源的不同，抗原又可以分为如下几种：天然抗原 来源于微生物和动植物，包括细菌、病毒、血细胞、花粉、可溶性抗原毒素、类毒素、血清蛋、蛋白质、糖蛋白、脂蛋白等。,8.2.3.1 免疫学反应,人工抗原 经化学或其他方法变性的天然抗原，如碘化蛋白、偶氮蛋白和半抗原结合蛋白。合成抗原 合成抗原是化学合成的多肽分子。所谓抗体，就是由抗原刺激机体产生的特异性免疫功能的球蛋白，又称免疫球蛋白。免疫球蛋白都是由一至几个单体组成，每个单体有两条相同的分子量较大的重链和两条相同分子量较小的轻链组成，链与链之间通过非共价链连接。(2)抗原的理性性状 物理性状 完全抗原的分子量较大，通常在一万以上，分子量越大，其表面
