化學(xué)與生物傳感器

1、第八章 化學(xué)與生物傳感器81 化學(xué)傳感器811 電位型電化學(xué)傳感器原理812 離子敏感器件8121 ISFET的結(jié)構(gòu)與工作原理8122 ISFET的特點(diǎn)和應(yīng)用813 氣敏傳感器8131氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機(jī)理8132 電阻型氣敏器件 8133 非電阻型氣敏器件 82 生物傳感器 821 酶?jìng)鞲衅?8211 酶反應(yīng)8212 酶?jìng)鞲衅?22 微生物傳感器 8221 微生物反應(yīng) 8222 微生物傳感器823 免疫傳感器 8231 免疫學(xué)反應(yīng) 8232 免疫傳感器824 生物組織傳感器 825 光生物傳感器 思考題第八章 化學(xué)與生物傳感器作為信息變換手段之一的化學(xué)傳感器，是應(yīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電化學(xué)現(xiàn)象及

2、根據(jù)化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的各種信息（如光效應(yīng)、熱效應(yīng)、場(chǎng)效應(yīng)和質(zhì)量變化）來(lái)設(shè)計(jì)的各種精密而靈敏的探測(cè)裝置。此類傳感器用于檢測(cè)及測(cè)量特定的某種或多種化學(xué)物質(zhì)，因此化學(xué)傳感器必須具有對(duì)待測(cè)化學(xué)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(xué)量有效轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(shí)際上是化學(xué)傳感器的子系統(tǒng)，但也常冠以其名單獨(dú)作專題考慮。此類傳感器檢測(cè)及測(cè)量的待分析物質(zhì)也可是純化學(xué)物質(zhì)(甚至是無(wú)機(jī)物)，盡管其生物組分是目標(biāo)分析物，關(guān)鍵不同之處在于其識(shí)別元件在性質(zhì)上是生物質(zhì)。本章對(duì)化學(xué)傳感器主要介紹離子敏感器件和氣敏傳感器

3、；對(duì)生物傳感器將介紹酶、微生物、抗體等傳感器。81 化學(xué)傳感器 化學(xué)傳感器包括電化學(xué)傳感器、光化學(xué)傳感器、質(zhì)量化學(xué)傳感器和熱化學(xué)傳感器。 根據(jù)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)種類不同，可將電化學(xué)傳感器分為電流型化學(xué)傳感器、電位型化學(xué)傳感器和電阻型化學(xué)傳感器。本節(jié)只涉及到電位型化學(xué)傳感器和電阻型化學(xué)傳感器，在生物傳感器一節(jié)中有關(guān)于光化學(xué)傳感器、質(zhì)量化學(xué)傳感器的介紹。811 電位型電化學(xué)傳感器原理有三種基本電化學(xué)過(guò)程適用于構(gòu)成傳感器：1電位法：測(cè)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(lái)測(cè)量電池的電流；3. 電導(dǎo)法：用一交流電橋方法來(lái)測(cè)量電池的電導(dǎo)。這里只討論電位法。將一金屬條

4、(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(huì)產(chǎn)生電荷分布(圖 8-1)，這就產(chǎn)生了人們所說(shuō)的電子壓力，通常稱為電位。此電位不能直接測(cè)量取得，需要兩個(gè)這樣的電極與電解質(zhì)的組合，其中每一個(gè)稱作半電池，這樣一個(gè)組合稱作電化學(xué)電池(圖 8-2)。兩組半電池內(nèi)部通過(guò)一電導(dǎo)橋或膜將電路相連，然后，在兩電極外端連接一測(cè)量電位的裝置，該電路可用來(lái)測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)(emf)，其值為兩個(gè)半電池電極間的電位差。電動(dòng)勢(shì)數(shù)值大小取決于幾個(gè)因素：電極材料；各個(gè)半電池內(nèi)的溶液性質(zhì)及濃度；通過(guò)膜(或鹽橋)的液體接界電位。圖8-1 將一金屬電極浸在電解液中為一半電池圖8-2 兩個(gè)半電池電極組合成一完整的電

5、池圖 8-3 氫電極與其它半電池相連接在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，氫氣分壓為101325Pa，溫度為298K(25)，定義氫的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為零（電位E0=0V），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(cè)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(xué)方程導(dǎo)出的對(duì)數(shù)關(guān)系式 式（8-1）式中 E-測(cè)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。812 離子敏感器件離子敏感器件是一種對(duì)離子具有選擇敏感作用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它是由離子

6、選擇性電極（ISE）與金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）組合而成，簡(jiǎn)稱ISFET。ISFET是用來(lái)測(cè)量溶液（或體液）中的離子活度的微型固態(tài)電化學(xué)敏感器件。8121 ISFET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(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和特性有個(gè)基本了解。 一、MOFET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)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的典型結(jié)構(gòu)如圖8-4所示。它的襯底材料為P型硅。用擴(kuò)散法做兩個(gè)N區(qū)，分別稱為源（S）和漏（D），在漏源之間的P型硅表面，生長(zhǎng)一薄層SiO2，在SiO2上再蒸發(fā)一層金屬Al，稱為柵電極，用G所示。在柵極不加偏壓時(shí)，柵氧化層下面的硅是P型，而源漏是N

7、型，故源漏之間不導(dǎo)通。 圖84 MOSFET當(dāng)柵源之間加正向偏壓VGS，且有VGSVT（閾電壓）時(shí)，則柵氧化層下面的硅就反型，從P型變?yōu)镹型。這個(gè)N型區(qū)就將源區(qū)和漏區(qū)連接起來(lái)，起導(dǎo)電通道的作用，稱為溝道，此時(shí)MOSFET就進(jìn)人工作狀態(tài)。這種類型稱為N溝道增強(qiáng)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(shí)，漏源電流IDS與柵源電壓VGS之

8、間的關(guān)系曲線。由圖可見(jiàn)，當(dāng)VGSVT時(shí)，MOSFET的表面溝道尚未形成，故無(wú)漏源電流；當(dāng)VDSVT時(shí)，MOSFE才開(kāi)啟，此時(shí)ISD隨VGS的增加而加大。閾電壓VT的定義是當(dāng)VDS0時(shí)，要使源和漏之間的半導(dǎo)體表面剛開(kāi)始形成導(dǎo)電溝道時(shí)，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(lái)進(jìn)行工作的。 圖85 N溝增強(qiáng)型MOSFET特性(a)輸出特性； (b)轉(zhuǎn)移特性 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(jiǎn)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

9、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MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管是利用金屬柵上所加電壓大小來(lái)控制漏源電流的；ISFET則是利用其對(duì)溶液中離子有選擇作用而改變柵極電位，以此來(lái)控制漏源電流變化的。 當(dāng)將ISFET插入溶液時(shí)，被測(cè)溶液與敏感膜接觸處就會(huì)產(chǎn)生一定的界面電勢(shì)，其大小決定于溶液中被測(cè)離子的活度，這一界面電勢(shì)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(dāng)被測(cè)溶液中的干擾離子影響極小時(shí)，閾值電壓可用下式表示： 式（8-2）式中的

10、C、S，對(duì)一定的器件、一定的溶液而言，在固定參考電極電位時(shí)是常數(shù)，因此ISFET的閾值電壓與被測(cè)溶液中的離子活度的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。根據(jù)場(chǎng)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(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，于是就可以從中確定離子的活度。 關(guān)于ISFET的敏感膜對(duì)溶液中離子活度的響應(yīng)機(jī)理，許多學(xué)者曾提出過(guò)各種理論解釋，目前尚在發(fā)展之中。下面我們以無(wú)機(jī)絕緣柵的ISFET為例，簡(jiǎn)述其工作機(jī)理。 無(wú)機(jī)絕緣柵ISFET是將普通MOSFET的金屬柵去掉，使無(wú)機(jī)絕緣柵SiO2兼作敏感膜直接與溶液接觸，這種柵對(duì)溶液中的H離子

11、將產(chǎn)生響應(yīng)。若在SiO2上再淀積一層無(wú)機(jī)物S3N4或Al2O3，則除了對(duì)H響應(yīng)外，對(duì)N也有響應(yīng)。 根據(jù)電化學(xué)觀點(diǎn)，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(guò)，界面產(chǎn)生電勢(shì)的大小取決于電子或離子的交換作用?？梢哉J(rèn)為，在HISFET的表面存在著SiOH、AlOH等羥基（中性基因），當(dāng)HISFET浸漬于電解質(zhì)溶液時(shí)，在其界面處將會(huì)產(chǎn)生水化膠層，并存在如下平衡：表面離解的MO基團(tuán)和電解質(zhì)溶液中一側(cè)的水合陽(yáng)離子之間形成雙電層。MO一基團(tuán)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(shì)變化也越大。其電荷分布的大致情況如圖8-7所示，它說(shuō)明了溶液中H離子

12、濃度將對(duì)界面電勢(shì)產(chǎn)生影響，從而改變閾電壓VT的值。（2）極性界面 這種界面不允許帶電粒子通過(guò)或傳遞極緩慢，此時(shí)界面電勢(shì)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(dāng)ISFET插入溶液時(shí)，表面由于吸附離子而使電荷增加，從而加大了電勢(shì)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。 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 8122 ISFET的特點(diǎn)和應(yīng)用 一、ISFET的特點(diǎn) 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(diǎn)： （1）ISFET具有MOSFET輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點(diǎn)，因此器件本身

13、就能完成由高阻抗到低阻抗的變換，同時(shí)具有展寬頻帶和對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的作用，這將使測(cè)量?jī)x器大為簡(jiǎn)化。 （2）ISFET是全固態(tài)化結(jié)構(gòu)，因此具有體積小，重量輕，機(jī)械強(qiáng)度大等特點(diǎn)，特別適合于生物體內(nèi)和高壓條件下的測(cè)量使用。 （3）由于利用了成熟的半導(dǎo)體微細(xì)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(shí)間很短，從而使離子活度的響應(yīng)速度很快，響應(yīng)時(shí)間可小于1s。 （4）由于ISFET是利用半導(dǎo)體集成電路工藝制造的，這對(duì)實(shí)現(xiàn)集成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(hào)放大檢出部分與敏感器件集成在一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)

14、的智能化、小型化和全固態(tài)化。 （5）由ISFET的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可見(jiàn)，離子敏感材料與場(chǎng)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(lái)控制溝道中源漏電流變化的。因此，無(wú)需考慮離子敏感材料導(dǎo)電性問(wèn)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。 二、ISFET的應(yīng)用 ISFET可以用來(lái)測(cè)量離子敏感電極（ISE）所不能測(cè)量的生物體中的微小區(qū)域和微量離子，因此，它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有很強(qiáng)的生命力。此外，在環(huán)境保護(hù)、化工自控、礦山、 土壤水文以及家庭生活等各個(gè)方面都有其應(yīng)用，有關(guān)這方面的例子簡(jiǎn)單介紹如下： （1）對(duì)生物體液中無(wú)機(jī)離子的檢測(cè) 臨床醫(yī)學(xué)和生理學(xué)的主要

15、檢查對(duì)象是人或動(dòng)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(wú)機(jī)離子的微量變化都與身體某個(gè)器官的病變有關(guān)，因此，利用ISFET迅速而準(zhǔn)確地檢測(cè)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(hù)中的應(yīng)用 ISFET也廣泛應(yīng)用在大氣污染的監(jiān)測(cè)中。監(jiān)測(cè)大氣污染的內(nèi)容很多，譬如通過(guò)檢測(cè)雨水成分中各種離子的濃度，可以監(jiān)測(cè)大氣污染的情況及查明污染的原因。另外，用ISFET對(duì)江河湖海中魚類及其他動(dòng)物血液中有關(guān)離子的檢測(cè)，可以確定水域污染的情況及其對(duì)生物體的影響。用ISFET對(duì)植物不同生長(zhǎng)期體內(nèi)離子的檢測(cè)，可以研究植物在不同生長(zhǎng)期對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的需求情況，以

16、及土壤污染對(duì)植物生長(zhǎng)的影響等。 （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(diǎn)，因此對(duì)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(cè)量發(fā)酵面粉的酸堿度，隨時(shí)監(jiān)視發(fā)酵情況和質(zhì)量。又如，廚師用 ISFET通過(guò)對(duì)煮面面湯 pH值的測(cè)量和控制，可以做出美味可口的面條；使用微型ISFET既可隨時(shí)檢測(cè)水果的酸甜情況，又可保證水果完好無(wú)損；應(yīng)用ISFET還可以檢測(cè)藥品純度以及洗滌劑的濃度。隨著對(duì)ISFET研制工作的廣泛深入開(kāi)展，可以預(yù)期它的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹?lái)越廣泛，地位也將越來(lái)越重要。813 氣敏傳感器早在20世紀(jì)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

17、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(jì) 60年代研制成功了SnO2氣敏元件，從此進(jìn)入了實(shí)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(jiǎn)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(jiǎn)單、制作方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此已用它制作了多種具有實(shí)用價(jià)值的敏感元件，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(duì)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(dāng)介紹其它氣敏器件。8131氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機(jī)理氣敏半導(dǎo)體材料SnO2是N型半導(dǎo)體，它的導(dǎo)電機(jī)理

18、可以用吸附效應(yīng)來(lái)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(diǎn)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。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(jiǎn)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(jiàn)，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。 這類半導(dǎo)瓷氣敏電阻工作時(shí)通常都需要加熱，器件在加熱到穩(wěn)定狀態(tài)的情況下，當(dāng)有氣體吸附時(shí)，吸附分子

19、首先在表面自由地?cái)U(kuò)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(shí)，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(fù)離子吸附；如果材料的功函數(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(fù)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。當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上時(shí)，將使載流子減少，從而使材料的電阻率增大，器件阻值變大。還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上時(shí)，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(shí)所產(chǎn)生的器件阻值變化情況，根據(jù)這一特性，就可以從

20、阻值變化的情況得知吸附氣體的種類和濃度。SnO2氣敏半導(dǎo)瓷對(duì)許多可燃性氣體，如氫、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(duì)煙霧的靈敏度有明顯的增加，可供制造常溫工作的煙霧報(bào)警器。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 圖810 N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)的器件阻值變化8132 電阻型氣敏器件 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，下面分別予以介紹。 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

21、雜質(zhì)，采用傳統(tǒng)制陶方法燒結(jié)。燒結(jié)時(shí)埋入加熱線和測(cè)量電極，制成管芯，最后將加熱絲和測(cè)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(jī)械強(qiáng)度也不高，但它價(jià)格便宜，工作壽命長(zhǎng)，因此目前仍得到廣泛應(yīng)用。 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?yàn)R射方法在石英基片上形成一薄層氧化物半導(dǎo)體薄膜。實(shí)測(cè)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。 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

22、安裝有鉑電極的Al2O3基片上，以400800燒結(jié)1小時(shí)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(jī)械強(qiáng)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(shí)用時(shí)，加熱器能使附著在探測(cè)部分油霧、塵埃等燒掉，同時(shí)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(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、使用方便、對(duì)氣體濃度變化時(shí)的響應(yīng)快，即使在低濃度（3000mgkg）下，靈敏度也很高。其缺點(diǎn)在于：穩(wěn)定性差、老化較快、氣體識(shí)別能力不強(qiáng)、各器件之間的特性差異大等。為了揚(yáng)長(zhǎng)避短，目前正開(kāi)展各項(xiàng)研究，以提高

23、其氣體識(shí)別能力及穩(wěn)定性。 圖811 電阻型氣敏器件結(jié)構(gòu)（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(duì)各種氣體的相對(duì)靈敏度，可通過(guò)不同的燒結(jié)條件和添加增感劑進(jìn)行調(diào)整。一般說(shuō)，燒結(jié)型SnO2氣敏器件在低濃度下靈敏度高，而高濃度下趨于穩(wěn)定值。這一特點(diǎn)非常適宜檢測(cè)低濃度微量氣體。因此，這種器件常用來(lái)檢查可燃性氣體的泄漏、定限報(bào)警等。目前，檢測(cè)液化石油氣、管道煤氣、NH3等氣體泄漏傳感器已付諸實(shí)際應(yīng)用。但是，由于選擇性比較差，在應(yīng)用時(shí)還應(yīng)充分考慮共存的其他氣體的影響。同時(shí)，其價(jià)格也應(yīng)降到用戶能接受的程度。 SnO2氣敏器件易受

24、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(duì)氣敏器件的特性有影響，在使用時(shí)要加溫濕度補(bǔ)償，或選用溫濕度性能好的氣敏器件。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。譬如用硅單晶制成的對(duì)氫氣敏感的把柵MOS場(chǎng)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(dòng)向。圖8-12 各種可燃?xì)怏w的濃度與氣敏器件電阻變化率的關(guān)系圖813 SnO2氣敏器件溫濕度特性8133 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(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的閾值電壓的變化等物理特性做

25、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(lái)制造，其重復(fù)性和穩(wěn)定性大為改善，性能價(jià)格比得以提高，并使器件的集成化和智能化成為可能。 一、MOS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(zhǎng)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(huì)使它的功函數(shù)降低，這將引起MOS管的CV特性向負(fù)偏壓方向平移，如圖8-15所示，據(jù)此可測(cè)定H

26、2的濃度。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 二、PdMOSFET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?yàn)镻d對(duì)H2的吸附能力極強(qiáng)，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在Pd柵上吸附后引起閾電壓VT下降這一特性來(lái)檢測(cè)H2濃度的。82 生物傳感器 在生物圈中，存在數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的物質(zhì)，它們影響著生物學(xué)過(guò)程的各個(gè)方面，對(duì)這些物質(zhì)進(jìn)行

27、快速自動(dòng)分析，是科學(xué)家們夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。20世紀(jì)70年代以來(lái)，生物醫(yī)學(xué)工程迅猛發(fā)展，作為檢測(cè)生物體內(nèi)化學(xué)成分的各種生物傳感器不斷出現(xiàn)。20世紀(jì)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(kāi)發(fā)了酶?jìng)鞲衅鳎⑦_(dá)到實(shí)用階段。20世紀(jì)70年代又研制出微生物傳感器、免疫傳感器等。在過(guò)去的20多年中，生物學(xué)與物理學(xué)、化學(xué)融為一體，產(chǎn)生了新一代的裝置-生物傳感器 (Biosensor)，一個(gè)典型的多學(xué)科交叉產(chǎn)物，導(dǎo)致了分析生物學(xué)技術(shù)的一場(chǎng)革命。目前，生物傳感器的概念得到公認(rèn)，作為傳感器的一個(gè)分文，它從化學(xué)傳感器中獨(dú)立出來(lái)。 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(cè)與識(shí)別生物體內(nèi)的化學(xué)成分的傳

28、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(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入固定生物敏感膜層，經(jīng)分子識(shí)別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng) (物理、化學(xué)變化)，產(chǎn)生的物理、化學(xué)信息繼而被相應(yīng)的化學(xué)或物理?yè)Q能器轉(zhuǎn)變成可定量、可傳輸、可處理的電信號(hào)，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測(cè)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(cè)定所有生物物質(zhì)的多種多樣的生物傳感器。這類生物傳感器是在無(wú)試劑條件下工作的(緩沖液除外)，比各種傳統(tǒng)的生物學(xué)和化學(xué)分析法操作簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確，可連續(xù)測(cè)量、分析、聯(lián)機(jī)操作、直接顯示與讀出測(cè)試結(jié)果。 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

29、活性材料（生物膜）及能把生物活性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的物理或化學(xué)換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動(dòng)化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號(hào)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)。圖8-16生物傳感器傳感原理 生物傳感器的分類和命名方法較多且不盡統(tǒng)一，主要有兩種分類法，即分子識(shí)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(shí)別元件)的不同，可以將生物傳感器分為五大類 ，即酶?jìng)鞲衅?(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(xì)胞器傳感器 (o

30、rganelle sensor)；按器件分類是依據(jù)所用變換器器件不同對(duì)生物傳感器進(jìn)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 biosensor)、壓電晶體生物傳感器 (piezo-electric biosensor)。關(guān)于個(gè)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，如圖8-17所示按敏感材料分 分子識(shí)別部分 信號(hào)轉(zhuǎn)

31、換部分 按信號(hào)轉(zhuǎn)換器分類半導(dǎo)體生物傳感器電化學(xué)生物傳感器酶?jìng)鞲衅魑⑸飩鞲衅髅庖邆鞲衅骷?xì)胞傳感器組織傳感器酶 電化學(xué)測(cè)定裝置微生物 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 光纖抗體或抗原 光敏二極管細(xì)胞器 熱敏電阻動(dòng)、植物組織 SAW裝置測(cè)光型生物傳感器測(cè)熱型生物傳感器測(cè)聲型生物傳感器 圖8-17 生物傳感器的分類 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(shí)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(dòng)。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(dāng)?shù)亟Y(jié)合起來(lái)。當(dāng)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(lái)，利用生物體的奇特功能，制造出類似于生物感覺(jué)器官的各種傳感器，這將是國(guó)內(nèi)外傳感器技術(shù)研究

32、的一個(gè)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(shí)意義。本章將介紹一些具有代表性的生物傳感器。 821 酶?jìng)鞲衅髅競(jìng)鞲衅魇菃?wèn)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(jī)酸、氨基酸等生物分子氧化或分解，然后通過(guò)換能器將反應(yīng)過(guò)程中化學(xué)物質(zhì)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)記錄下來(lái)，進(jìn)而推出相應(yīng)的生物分子濃度。因此，酶?jìng)鞲衅魇情g接型傳感器，它不是直接測(cè)定待測(cè)物質(zhì)，而是通過(guò)對(duì)反應(yīng)有關(guān)物質(zhì)的濃度測(cè)定來(lái)推斷底物的濃度。 8211 酶反應(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(dòng)中起著極為重要的作用

33、，它們參加新陳代謝過(guò)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(dòng)，包括生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖與運(yùn)動(dòng)。酶與一般催化劑相同，在相對(duì)濃度較低時(shí)，僅能影響化學(xué)反應(yīng)的速度，而不改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)，反應(yīng)前后其組成與質(zhì)量均不發(fā)生明顯改變。酶催化的化學(xué)形式主要包括共價(jià)催化和酸堿催化。在共價(jià)催化中，酶與底物形成反應(yīng)活性很高的共價(jià)中間物，這個(gè)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(guò)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(xì)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(gè)酶分子能轉(zhuǎn)

34、換103106個(gè)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(jìn)行，極端的環(huán)境條件 (如高溫、酸堿)會(huì)使酶失活。酶反應(yīng)具有高度專一性的特點(diǎn)，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(shuō)。非酶融催化劑對(duì)作用物沒(méi)有如此嚴(yán)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(duì)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

35、一性兩種。族專一性酶對(duì)底物的化學(xué)鍵及其一端有絕對(duì)要求，對(duì)鍵的另一端只有相對(duì)要求；鍵專一性酶對(duì)底物分子的化學(xué)鍵有絕對(duì)要求，而對(duì)鍵的兩端只有相對(duì)要求。 第二種類型的酶僅對(duì)一種物質(zhì)有催化作用，它們對(duì)底物的化學(xué)鍵及其兩端均有絕對(duì)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(xué)結(jié)構(gòu)，而且要有一定的立體結(jié)構(gòu)。8212 酶?jìng)鞲衅髅競(jìng)鞲衅魇怯擅该舾心ず碗娀瘜W(xué)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?jìng)鞲衅髦忻该舾心な褂玫拿甘菍⒏鞣N微生物通過(guò)復(fù)雜工序精煉出來(lái)的，因此，其造價(jià)很高，性能也不太穩(wěn)定。酶的催化反應(yīng)可用下式表示 式中 S待測(cè)物質(zhì)； E酶； T反應(yīng)溫度，單

36、位； Pi第i個(gè)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(shí)際上是加速底物的分解速度。 按輸出信號(hào)的不同，酶?jìng)鞲衅饔袃煞N形式:一是電流型酶?jìng)鞲衅?，根?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(lái)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?jìng)鞲衅?，通過(guò)電化學(xué)傳感器件測(cè)量敏感膜電位來(lái)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(cè)方式，表81給出了酶?jìng)鞲衅鞯姆N類。表81酶?jìng)鞲衅鞯姆N類檢測(cè)方式被測(cè)物質(zhì)酶檢出物質(zhì)電流型氧檢測(cè)方式葡萄糖葡萄糖氧化酶O2過(guò)氧化氫過(guò)氧化氫酶O2尿酸尿酸氧化酶O2膽固醇膽固醇氧化酶O2

37、過(guò)氧化氫檢測(cè)方式葡萄糖葡萄糖氧化酶H2O2L-氨基酸L-氨基酸氧化酶H2O2電位型離子檢測(cè)方式尿素尿素酸NH4-L-氨基酸L-氨基酸氧化酶NH4-D-氨基酸D-氨基酸氧化酶NH4-天門冬酰胺天門冬酰胺酸NH4-L-酪氨酸酪氨酸脫羧酶CO2L谷氨酸谷氨酸脫氧酶NH4-青霉素青霉素酶H- 下面以葡萄糖酶?jìng)鞲衅鳛槔f(shuō)明其工作原理與檢測(cè)工程。葡萄糖酶?jìng)鞲衅鞯拿舾心な瞧咸烟茄趸?，它固定在聚乙烯酰胺凝膠上，其電化學(xué)器件為Pt陽(yáng)電極和Pb陰電極，中間溶液為強(qiáng)堿溶液，并在陽(yáng)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(jiàn)圖818 )。它避免了電極與被測(cè)液直接相接觸，防止了電極毒化。如電極Pt為開(kāi)放

38、式，它浸人蛋白質(zhì)的介質(zhì)中，蛋白質(zhì)會(huì)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，葡萄糖酶?jìng)鞲衅靼卜旁诒粶y(cè)葡萄糖溶液中。由于酶的催化作用會(huì)產(chǎn)生過(guò)氧化氫 (H2O2)，其反應(yīng)式為 葡萄糖HO2+O2葡萄糖酸H2O2 圖818葡萄糖酶?jìng)鞲衅?- Pt陽(yáng)極；2-聚四氟乙烯膜；3-固相酶摸；4-半透膜多孔層；5-半透膜致密層反應(yīng)過(guò)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(shí)產(chǎn)生H202，它們通過(guò)選擇性透氣膜，在Pt電極上氧化，產(chǎn)生陽(yáng)極電流，葡萄糖含量與電流成正比，這樣，就測(cè)量出了葡萄糖溶液的濃度。例如，在Pt陽(yáng)極上加0.6V的電壓，則H20

39、2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。 822 微生物傳感器 微生物傳感器是由固定化的微生物細(xì)胞與電化學(xué)裝置結(jié)合而形成的生物傳感器。8221 微生物反應(yīng) (1)微生物反應(yīng)的特點(diǎn) 微生物反應(yīng)過(guò)程是利用生長(zhǎng)微生物進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，即微生物反應(yīng)是將微生物作為生物催化劑進(jìn)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(gè)共同點(diǎn):同屬生化反應(yīng)，都在溫和條件下進(jìn)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(dòng)力學(xué)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(xì)胞的膜系統(tǒng)為酶反應(yīng)提供了天然的適宜環(huán)境，細(xì)胞可以在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)

40、間內(nèi)保持一定的催化活性；在多底物反應(yīng)時(shí)，微生物顯然比單純酶更適宜作催化劑，細(xì)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(diǎn)有：微生物反應(yīng)通常伴隨自身生長(zhǎng)，不容易建立分析標(biāo)準(zhǔn)；細(xì)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(huì)引起微生物生理狀態(tài)的復(fù)雜化，不適當(dāng)?shù)牟僮鲿?huì)導(dǎo)致代謝轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，出現(xiàn)不期望有的反應(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(guò)程中，細(xì)胞與環(huán)境不斷地進(jìn)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(xì)胞將底物攝人并通過(guò)一系列生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成自身的組成物質(zhì)，并

41、儲(chǔ)存能量，稱為同化作用或組成代謝 (assimilation)；反之，細(xì)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(duì)營(yíng)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)微生物以C02作為主要碳源，無(wú)機(jī)氮化物作為氮源，通過(guò)細(xì)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(jī)物作碳源，無(wú)機(jī)物或有機(jī)物作為氮源，通過(guò)氧化有機(jī)物獲得能量。絕大多數(shù)微生物種類都屬于異養(yǎng)型。 好氣性與厭氣性 根據(jù)微生物反應(yīng)對(duì)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(zhǎng)過(guò)程中需要氧氣的稱為好氧反應(yīng)；微生物反應(yīng)生長(zhǎng)過(guò)程中不需要氧氣，而需要

42、CO2的稱為厭氧反應(yīng)，也稱二者為好氣性與厭氣性。 細(xì)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(shì)能高的基團(tuán)的化合物，其中以ATP(三磷酸腺苷)最為重要，它不僅潛能高，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。8222 微生物傳感器用微生物作為分子識(shí)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?jìng)鞲衅飨啾扔袃r(jià)格便宜、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但其響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)(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(cè)中，例如測(cè)定江水及廢水污染程度，在醫(yī)學(xué)中可測(cè)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

43、有生命活性的細(xì)胞，有各種生理機(jī)能，其主要機(jī)能是呼吸機(jī)能 (02的消耗)和新陳代謝機(jī)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(jī)能情況下，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(jī)能型和代謝機(jī)能型，微生物傳感器結(jié)構(gòu)如圖819所示 氧電極O2O2陽(yáng)極底物 固定化微生物 鉑陰極O2 （a）呼吸機(jī)能型 H2 燃料電池型電極 CO2 CO2電極NH3 NH3電極 H+ pH電極底物固定化微生物 （b） 代謝機(jī)能型 圖819微生物傳感器結(jié)構(gòu)(1)呼吸機(jī)能型微生物傳

44、感器 微生物呼吸機(jī)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(guò)測(cè)量氧氣來(lái)控制呼吸機(jī)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(huì)妨礙微生物生長(zhǎng)，而可以通過(guò)測(cè)量碳酸氣消耗及其他生成物來(lái)探知生理狀態(tài)。由此可知，呼吸機(jī)能型微生物傳感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(shí)，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(xué)耗氧量傳感器BOD(Biological Oxygen Demand)，圖中把這種呼吸機(jī)能型微生物傳感器放入含有有機(jī)化合物的被測(cè)溶液中，于是有機(jī)物向微生物膜擴(kuò)散，而被微生

45、物攝取 (稱為資化)。由于微生物呼吸量與有機(jī)物資化前后不同，可通過(guò)測(cè)量02電極轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散電流值，從而間接測(cè)定有機(jī)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(cè)量系統(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(dòng)泵、自動(dòng)采樣器和記錄儀。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(cè)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(dāng)溶液加入葡萄糖或谷氨酸等營(yíng)養(yǎng)膜后，電流迅速下降，并達(dá)到新的穩(wěn)定電流值，這說(shuō)明微生物在資化葡萄糖等營(yíng)養(yǎng)源時(shí)呼吸機(jī)能增加，即氧的消耗量

46、增加。導(dǎo)致向02電極擴(kuò)散氧氣量減少，使電流值下降，直到被測(cè)溶液向固化微生物膜擴(kuò)散的氧量與微生物呼吸消耗的氧量之間達(dá)到平衡時(shí)，便得到相應(yīng)的穩(wěn)定電流值。由此可見(jiàn)，這個(gè)穩(wěn)定值與未添加營(yíng)養(yǎng)時(shí)的電流穩(wěn)定值之差與樣品中有機(jī)物濃度成正比。 圖 820 生物化學(xué)耗氧量傳感器1）微生物固定化膜 2）電解液 3）陰極（Au） 4）陽(yáng)極（Pb）5）02電極 6）透氧膜 7）護(hù)套 圖821生物化學(xué)耗氧傳感器響應(yīng)曲線(2)代謝機(jī)能型微生物傳感器 代謝機(jī)能型微生物傳感器的基本原理是微生物使有機(jī)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(xué)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敏感膜

47、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(jī)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(dāng)傳感器浸入含有甲酸的溶液時(shí)，甲酸通過(guò)聚四氟乙烯膜向酪酸梭狀芽菌擴(kuò)散，被資化后產(chǎn)生H2，而H2又穿過(guò)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(cè)甲酸濃度有關(guān)，因此傳感器能測(cè)定發(fā)酵溶液中的甲酸濃度。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-

48、Ag2O2電極(陰極)；5-Pt電極(陽(yáng)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。 表82常用微生物傳感器的主要性能傳感器微生物固定方法電化學(xué)器件穩(wěn)定性/d響應(yīng)時(shí)間/min測(cè)量范圍/mg·L葡萄糖P.fluoreseens包埋法O2電極14以上1052×10脂化糖B.lactofermemtem吸附法O2電極2010202×102 甲醇未固定菌吸附法O2電極301052×10乙醇T.brassicae吸附法O2電極301053×10醋酸T.brassicae吸附法O2電極201010102蟻酸C.butyricum包埋法

49、燃料電池303013×102谷酰氨酸E.coli吸附法CO2電極205108×102己胺酸E.coli吸附法CO2電極14以上510102谷酰胺S.flara吸附法氨氣電極14以上520102精氨酸S.faecium吸附法氨氣電極20110170天門冬酰胺B.cadavaris吸附法氨氣電極1055×10990胺硝化菌吸附法O2電極205545制霉菌素S.cerrvisiae吸附法O2電極6018×102烴酸L.arabinosus包埋法pH電極30601025維生素B1 L.fermenti燃料電池60360103102頭孢霉菌素C.freumdil包

50、埋法pH電池7以上101025×102BODT.cmaneum包埋法O2電極301053×10菌數(shù)燃料電池60151061011（個(gè)/ml）823 免疫傳感器 8231 免疫學(xué)反應(yīng) 所謂“免疫”，顧名思義即免除瘟疫。用現(xiàn)代的觀點(diǎn)來(lái)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(shí)別“自己”和“非己”成分，從而破壞和排斥進(jìn)入生物體的抗原物質(zhì)，或生物體本身所產(chǎn)生的損傷細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞等，以維持生物體的健康。與測(cè)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(hào)的改變,如在重量、光學(xué)、熱學(xué)、電化

51、學(xué)等方面。(1)抗原與抗體 所謂抗原，就是能夠刺激動(dòng)物體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)。從廣義的生物學(xué)觀點(diǎn)看，凡是引起免疫反應(yīng)性能的物質(zhì)，都可稱為抗原?？乖袃煞N功能:刺激機(jī)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(lái)源的不同，抗原又可以分為如下幾種： 天然抗原 來(lái)源于微生物和動(dòng)植物，包括細(xì)菌、病毒、血細(xì)胞、花粉、可溶性抗原毒素、類毒素、血清蛋、蛋白質(zhì)、糖蛋白、脂蛋白等。 人工抗原 經(jīng)化學(xué)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(xué)合成的多肽分子。所謂抗體，就是由抗原刺激機(jī)體產(chǎn)生的特異性免

52、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(gè)單體組成，每個(gè)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(guò)非共價(jià)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(wàn)以上，分子量越大，其表面積相應(yīng)擴(kuò)大，接觸免疫系統(tǒng)細(xì)胞的機(jī)會(huì)增多，因而免疫原性也就增強(qiáng)?？乖哂幸欢ǖ姆肿訕?gòu)型，或?yàn)橹本€型或?yàn)榱Ⅲw構(gòu)型。一般認(rèn)為環(huán)狀構(gòu)型比直線排列的分子免疫性強(qiáng)，聚合態(tài)分子比單體分子的分子免疫性強(qiáng)。 化學(xué)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

53、年來(lái)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(shí)將發(fā)生凝聚、沉淀、溶解反應(yīng)和促進(jìn)吞噬抗原顆粒的作用。 抗原與抗體的特異性結(jié)合點(diǎn)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(bǔ)性構(gòu)型。在溶液中，抗原和抗體兩個(gè)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(shí)對(duì)位應(yīng)十分準(zhǔn)確：一是結(jié)合部位的形狀要互補(bǔ)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。 抗原與抗體結(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(shí)，都保持自己本來(lái)的特性。8232 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(diǎn)外，還因其高特異性、高選擇性、測(cè)定準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，用于大量樣品分析和篩選。利用抗體能識(shí)別抗原并與抗原結(jié)合的功能而制成的