化学与生物传感器省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

新型传感器技术第八章化学与生物传感器 第1页 8 化学与生物传感器 作为信息变换伎俩之一化学传感器，是因化学反应产生电化学现象及依据化学反应中产生各种信息（如光效应、热效应、场效应和质量改变）来设计各种精密而灵敏探测装置。这类传感器用于检测及测量特定某种或各种化学物质，所以化学传感器必须含有对待测化学物质形状或分子结构选择性俘获功效（接收器功效）和将俘获化学量有效转换为电信号功效（转换器功效）。用固定化生物成份或生物体作为敏感元件传感器称为生物传感器。生物传感器实际上是化学传感器子系统，但也常冠以其名单独作专题考虑。这类传感器检测及测量待分析物质也可是纯化学物质(甚至是无机物)，尽管其生物组分是目标分析物，关键不一样之处于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。第2页8.1 8.1 化学传感器化学传感器 化学传感器包含电化学传感器、光化学传感器、质量化学传感器和热化学传感器。依据转换电信号种类不一样，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。本节只包括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相关于光化学传感器、质量化学传感器介绍。第3页8.1.1 8.1.1 电位型电化学传感器原理电位型电化学传感器原理 有三种基本电化学过程适合用于组成传感器：1电位法：测量零电流下电池电位；2.伏安法(电流法)：在电池电位间设置氧化(或还原)电位来测量电池电流；3.电导法：用一交流电桥方法来测量电池电导。这里只讨论电位法。将一金属条(比如银)置于一含离子溶液(如银离子)中，沿着金属和溶液界面会产生电荷分布(图 8-1)，这就产生了人们所说电子压力，通常称为电位。此电位不能直接测量取得，需要两个这么电极与电解质组合，其中每一个称作半电池，这么一个组合称作电化学电池(图 8-2)。两组半电池内部经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装置，该电路可用来测定电池电动势(emf)，其值为两个半电池电极间电位差。电动势数值大小取决于几个原因：电极材料；各个半电池内溶液性质及浓度；经过膜(或盐桥)液体接界电位。第4页8.1.1 8.1.1 电位型电化学传感器原理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二分之一电池第5页8.1.1 8.1.1 电位型电化学传感器原理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电池 第6页8.1.1 8.1.1 电位型电化学传感器原理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 第7页8.1.1 8.1.1 电位型电化学传感器原理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)，定义氢标准电极电位为零（电位E0=0V），可决定另一电极电位。因为氢电极不方便，惯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出对数关系式 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。第8页8.1.2 8.1.2 离子敏感器件离子敏感器件 离子敏感器件是一个对离子含有选择敏感作用场效应晶体管。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）中离子活度微型固态电化学敏感器件。第9页8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET结构与工作原理结构与工作原理 为了介绍离子敏感器件工作原理，必须对场效为了介绍离子敏感器件工作原理，必须对场效应晶体管结构和特征有个基本了解。应晶体管结构和特征有个基本了解。一、一、MOFET结构和特征结构和特征 用半导体工艺制作金属氧化物半导体场效用半导体工艺制作金属氧化物半导体场效应晶体管经典结构如图应晶体管经典结构如图8-4所表示。它衬底材料为所表示。它衬底材料为P型硅。用扩散法做两个型硅。用扩散法做两个N区，分别称为源（区，分别称为源（S）和漏（和漏（D），在漏源之间），在漏源之间P型硅表面，生长一薄层型硅表面，生长一薄层SiO2，在，在SiO2上再蒸发一层金属上再蒸发一层金属Al，称为栅电极，称为栅电极，用用G所表示。所表示。在栅极不加偏压时，栅氧化层下面硅是在栅极不加偏压时，栅氧化层下面硅是P型，而型，而源漏是源漏是N型，故源漏之间不导通。型，故源漏之间不导通。第10页8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET结构与工作原理结构与工作原理图84 MOSFET 第11页8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET结构与工作原理结构与工作原理 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，起导电通道作用，称为沟道，此时MOSFET就进人工作状态。这种类型称为N沟道增强型MOFET。我们讨论以此为例。在 MOSFET栅电极加上大于VT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大小随VGS和VDS大小而改变，其改变规律即MOSFET电流电压特征，图8-5所表示是其输出特征和转移特征曲线。所谓转移特征曲线是指漏源电压VDS一定时，漏源电流IDS与栅源电压VGS之间关系曲线。由图可见，当VGSVT时，MOSFET表面沟道还未形成，故无漏源电流；当VDSVT时，MOSFE才开启，此时ISD随VGS增加而加大。阈电压VT定义是当VDS0时，要使源和漏之间半导体表面刚开始形成导电沟道时，所需加栅源电压。电压大小除了与衬底材料性质相关外，还与SiO2层中电荷数及金属与半导体之间功函数差相关，离子敏传感器正是利用VT这一特征来进行工作。第12页8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET结构与工作原理结构与工作原理图85 N沟增强型MOSFET特征(a)输出特征；(b)转移特征第13页8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET结构与工作原理结构与工作原理 二、离子敏传感器结构与工作原理二、离子敏传感器结构与工作原理 前面我们已经简明介绍了MOSFET结构和特征。假如将普通MOSFET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，就组成了一只ISFET。如图8-6所表示。图86 敏感膜涂覆在MOSFET栅极上ISFET示意图1MOSFET；2铂膜；3敏感膜第14页8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET结构与工作原理结构与工作原理 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；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改变。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界面电势，其大小决定于溶液中被测离子活度，这一界面电势大小将直接影响VT值。假如以ai表示响应离子活度，则当被测溶液中干扰离子影响极小时，阈值电压可用下式表示：式（8-2）式中C、S，对一定器件、一定溶液而言，在固定参考电极电位时是常数，所以ISFET阈值电压与被测溶液中离子活度对数成线性关系。依据场效应晶体管工作原理，漏源电流大小又与VT值相关。所以，ISFET漏源电流将随溶液中离子活度改变而改变。在一定条件下，IDS与ai对数呈线性关系，于是就能够从中确定离子活度。第15页8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET结构与工作原理结构与工作原理 关于ISFET敏感膜对溶液中离子活度响应机理，许多学者曾提出过各种理论解释，当前尚在发展之中。下面我们以无机绝缘栅ISFET为例，简述其工作机理。无机绝缘栅ISFET是将普通MOSFET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H离子将产生响应。若在SiO2上再淀积一层无机物S3N4或Al2O3，则除了对H响应外，对N也有响应。依据电化学观点，敏感膜与溶液界面可分以下两种情况：（1）非极性界面 这种界面最少可让一个带电粒子经过，界面产生电势大小取决于电子或离子交换作用。能够认为，在HISFET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，并存在以下平衡：第16页8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET结构与工作原理结构与工作原理 表面离解MO基团和电解质溶液中一侧水合阳离子之间形成双电层。MO一基团电荷密度随溶液中H离子浓度而改变，H浓度越大，则界面电势改变也越大。其电荷分布大致情况如图8-7所表示，它说明了溶液中H离子浓度将对界面电势产生影响，从而改变阈电压VT值。第17页8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET结构与工作原理结构与工作原理（2）极性界面 这种界面不允许带电粒子经过或传递极迟缓，此时界面电势情况取决于带电粒子表面吸附或偶极子定向排列作用。当ISFET插入溶液时，表面因为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所表示，图中虚线代表因为吸附而增加电荷密度。第18页8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET结构与工作原理结构与工作原理图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第19页 8.1.2.2 ISFET8.1.2.2 ISFET特点和应用特点和应用 一、一、ISFET特点特点 依据以上介绍ISFET结构和工作原理可知，它含有以下特点：（1）ISFET含有MOSFET输入阻抗高，输出阻抗低特点，所以器件本身就能完成由高阻抗到低阻抗变换，同时含有展宽频带和对信号进行放大作用，这将使测量仪器大为简化。（2）ISFET是全固态化结构，所以含有体积小，重量轻，机械强度大等特点，尤其适合于生物体内和高压条件下测量使用。（3）因为利用了成熟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，所以，敏感膜能够做得很薄，普通可小于100nm。这可使ISFET水化时间很短，从而使离子活度响应速度很快，响应时间可小于1s。第20页8.1.2.2 ISFET8.1.2.2 ISFET特点和应用特点和应用（4）因为ISFET是利用半导体集成电路工艺制造，这对实现集成化和各种离子多功效化十分有利，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，实现整个系统智能化、小型化和全固态化。（5）由ISFET结构特点可见，离子敏感材料与场效应晶体管源漏之间是相互绝缘，是依靠敏感膜与绝缘体界面电位改变来控制沟道中源漏电流改变。所以，无需考虑离子敏感材料导电性问题，这就可在包含绝缘材料在内广泛材料领域中找到更多更加好离子敏感材料。第21页8.1.2.2 ISFET8.1.2.2 ISFET特点和应用特点和应用 二、ISFET应用 ISFET可以用来测量离子敏感电极（ISE）所不能测量生物体中微小区域和微量离子，所以，它在生物医学领域中具有很强生命力。此外，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，有关这方面例子简单介绍如下：（1）对生物体液中无机离子检测 临床医学和生理学主要检验对象是人或动物体液，其中包含血液、脑髓液、脊髓液、汗液和尿液等。体液中某种无机离子微量变化都与身体某个器官病变有关，所以，利用ISFET迅速而准确地检测出体液中某种离子变化，就可认为正确诊疗、治疗及抢救提供可靠依据。（2）在环境保护中应用 ISFET也广泛应用在大气污染监测中。监测大气污染内容很多，譬如经过检测雨水成分中各种离子浓度，可以监测大气污染情况及查明污染原因。另外，用ISFET对江河湖海中鱼类及其他动物血液中有关离子检测，可以确定水域污染情况及其对生物体影响。用ISFET对植物不一样生长久体内离子检测，可以研究植物在不一样生长久对营养成分需求情况，以及土壤污染对植物生长影响等。第22页8.1.2.2 ISFET8.1.2.2 ISFET特点和应用特点和应用（3）在其它方面应用 因为ISFET含有小型化、全固态化优点，所以对被检样品影响很小。这么，在食品发酵工业中，能够用ISFET直接测量发酵面粉酸碱度，随时监视发酵情况和质量。又如，厨师用 ISFET经过对煮面面汤 pH值测量和控制，能够做出美味可口面条；使用微型ISFET既可随时检测水果酸甜情况，又可确保水果完好无损；应用ISFET还能够检测药品纯度以及洗涤剂浓度。伴随对ISFET研制工作广泛深入开展，能够预期它应用领域将越来越广泛，地位也将越来越主要。第23页8.1.3 8.1.3 气敏传感器气敏传感器 早在20世纪30年代就已发觉氧化亚铜导电率随水蒸气吸附而发生改变，其后又发觉其它许多金属氧化物也都含有气敏效应。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含有半导体特征材料，所以称之谓半导体陶瓷（简称半导瓷）。因为半导瓷与半导体单晶相比，含有工艺简单、制作方便、价格低廉等优点，所以已用它制作了各种含有实用价值敏感元件，比如各种电阻型气敏器件，其敏感材料多是SnO2。另外，因为把对氢敏感性，当前已发展了其它非电阻型气敏器件，比如把栅MOSFET等。本节主要讨论用SnO2制作三种电阻型气敏器件，适当介绍其它气敏器件。第24页8.1.3.18.1.3.1气敏半导体材料导电机理气敏半导体材料导电机理 气敏半导体材料SnO2是N型半导体，它导电机理能够用吸附效应来解释。图8-9（a）为烧结体N型半导瓷模型，它是多晶体，晶粒内部电阻较低，晶粒间界有较高电阻，图中分别以空白部分和黑点示意表示。导电通路等效电路如图8-9（b）所表示，图中Rn为颈部等效电阻，Rb为晶粒等效体电阻，Rs晶粒等效表面电阻。其中Rb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。因为Rs被Rb所短路，因而图（b）可简化为图（c）只由颈部等效电阻Rn串联而成等效电路。由此可见，半导瓷气敏电阻阻值将随吸附气体数量和种类而改变。第25页8.1.3.18.1.3.1气敏半导体材料导电机理气敏半导体材料导电机理 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，失去其功效。其间一部分分子蒸发，一部分分子就固定在吸附处。此时，假如材料功函数小于吸附分子电子亲和力，则吸附，分子将从材料夺取电子而变成负离子吸附；假如材料功函数大于吸附分子离解能，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8-10 N型半导体吸附气体时器件阻值改变吸附到N型半导体上，将使载流子降低，从而使材料电阻率增大。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器件阻值改变情况，依据这一特征，就能够从阻值改变情况得知吸附气体种类和浓度。第26页8.1.3.18.1.3.1气敏半导体材料导电机理气敏半导体材料导电机理SnO2气敏半导瓷对许多可燃性气体，如氢、一氧化碳、甲烷、乙醇、丙酮等都有较高灵敏度；掺加Pd（钯石棉，PdCl2）、Mo（钼粉、钼酸）、Ga等杂质SnO2元件可在常温下工作，对烟雾灵敏度有显著增加，可供制造常温工作烟雾报警器。第27页8.1.3.18.1.3.1气敏半导体材料导电机理气敏半导体材料导电机理图89 气敏半导瓷吸附效应模型（a）烧结体模型；（b）（c）等效电路第28页8.1.3.18.1.3.1气敏半导体材料导电机理气敏半导体材料导电机理图810 N型半导体吸附气体时器件阻值改变第29页8.1.3.28.1.3.2 电阻型气敏器件电阻型气敏器件 当前使用较广泛是电阻型气敏器件，按其结构又可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三种，下面分别给予介绍。一、烧结型气敏器件一、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），添加不一样杂质，采取传统制陶方法烧结。烧结时埋入加热线和测量电极，制成管芯，最终将加热丝和测量电极焊在管座上，加特制外壳组成器件。烧结型器件结构示于图8-11（a）。烧结型器件一致性较差，机械强度也不高，但它价格廉价，工作寿命长，所以当前仍得到广泛应用。二、薄膜型气敏器件二、薄膜型气敏器件 薄膜型气敏器件结构如图8-11（b）所表示，采取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薄膜气敏特征最好，但这种薄膜为物理性附着系统，器件之间性能差异仍较大。第30页8.1.3.28.1.3.2 电阻型气敏器件电阻型气敏器件 三、厚膜型气敏器件三、厚膜型气敏器件 它是用 SnO2或 ZnO等材料与315（重量）硅凝胶混合制成能印刷厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到事先安装有铂电极Al2O3基片上，以400800烧结1小时制成。其结构如图8-11（c）所表示。厚膜工艺制成元件一致性很好，机械强度高，适于批量生产，是一个有前途器件。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，同时加速气体吸附，从而提升了器件灵敏度和响应速度。普通加热到200400，详细温度视掺杂质不一样而异。这些气敏器件优点是：工艺简单、价格廉价、使用方便、对气体浓度改变时响应快，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、各器件之间特征差异大等。为了扬长避短，当前正开展各项研究，以提升其气体识别能力及稳定性。第31页8.1.3.28.1.3.2 电阻型气敏器件电阻型气敏器件第32页8.1.3.28.1.3.2 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 各种可燃性气体浓度与SnO2半导瓷气敏器件电阻改变率关系如图8-12所表示。对各种气体相对灵敏度，可经过不一样烧结条件和添加增感剂进行调整。普通说，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。所以，这种器件惯用来检验可燃性气体泄漏、定限报警等。当前，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。不过，因为选择性比较差，在应用时还应充分考虑共存其它气体影响。同时，其价格也应降到用户能接收程度。SnO2气敏器件易受环境温湿度影响，图8-13给出了温湿度综合特征曲线。因为环境温湿度对气敏器件特征有影响，在使用时要加温湿度赔偿，或选取温湿度性能好气敏器件。第33页8.1.3.28.1.3.2 电阻型气敏器件电阻型气敏器件 除了电阻型气敏器件以外，当前已发展了各种利用其它物理特征气敏器件。譬如用硅单晶制成对氢气敏感把栅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动向。第34页8.1.3.28.1.3.2 电阻型气敏器件电阻型气敏器件 图8-12 各种可燃气体浓度与气敏器件电阻改变率关系第35页8.1.3.28.1.3.2 电阻型气敏器件电阻型气敏器件图813 SnO2气敏器件温湿度特征第36页8.1.3.3 8.1.3.3 非电阻型气敏器件非电阻型气敏器件 非电阻型气敏器件是利用 MOS二极管电容电压特征（CV特征）改变，和MOS场效应晶体管（MOSFET）阈值电压改变等物理特征做成半导体气敏器件。这类器件可应用当前成熟集成电路工艺来制造，其重复性和稳定性大为改进，性能价格比得以提升，并使器件集成化和智能化成为可能。第37页8.1.3.3 8.1.3.3 非电阻型气敏器件非电阻型气敏器件 一、一、MOS二极管气敏器件二极管气敏器件 MOS二极管结构和等效电路示于图8-14。在P型半导体硅芯片上，采取热氧化工艺生长一层厚度为50100nm左右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，SiSiO2界面电容Cs是外加电压函数。所以总电容C是栅偏压函数，其函数关系称为该MOS管CV特征。因为Pd在吸附H2以后，会使它功函数降低，这将引发MOS管CV特征向负偏压方向平移，如图8-15所表示，据此可测定H2浓度。第38页8.1.3.3 8.1.3.3 非电阻型气敏器件非电阻型气敏器件图814 MOS结构和等效电路图815 MOS结构C-V特征 a吸附H2前；b吸附H2后第39页8.1.3.3 8.1.3.3 非电阻型气敏器件非电阻型气敏器件二、二、PdMOSFET气敏器件气敏器件 关于MOSFET结构和主要特征已在8.1.2节作了介绍PdMOSFET与普通MOSFET主要区分在于用钯Pd薄膜取代铝Al膜作为栅电极。因为Pd对H2吸附能力极强，而H2在Pd上吸附将造成Pd功函数降低。如前所述，阈电压VT大小与金属和半导体之间功函数差相关。PdMOSFET气敏器件正是利用H2在Pd栅上吸附后引发阈电压VT下降这一特征来检测H2浓度。第40页8.2 8.2 生物传感器生物传感器 在生物圈中，存在数以千万计物质，它们影响着生物学过程各个方面，对这些物质进行快速自动分析，是科学家们梦寐以求目标。20世纪70年代以来，生物医学工程迅猛发展，作为检测生物体内化学成份各种生物传感器不停出现。20世纪60年代中期起首先利用酶催化作用和它催化专一性开发了酶传感器，并到达实用阶段。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20多年中，生物学与物理学、化学融为一体，产生了新一代装置-生物传感器(Biosensor)，一个经典多学科交叉产物，造成了分析生物学技术一场革命。当前，生物传感器概念得到公认，作为传感器一个分文，它从化学传感器中独立出来。第41页8.2 8.2 生物传感器生物传感器 生物传感器是利用各种生物或生物物质做成，用以检测与识别生物体内化学成份传感器，生物或生物物质是指酶、微生物、抗体等，生物传感器传感原理如图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、化学改变)，产生物理、化学信息继而被对应化学或物理换能器转变成可定量、可传输、可处理电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。依据生物反应奇异和多样性，从理论上讲能够制造出测定全部生物物质各种多样生物传感器。这类生物传感器是在无试剂条件下工作(缓冲液除外)，比各种传统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。第42页8.2 8.2 生物传感器生物传感器 各种生物传感器有以下共同结构：包含一个或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表示信号转换为电信号物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用当代微电子和自动化仪表技术进行生物信号再加工，组成各种能够使用生物传感器分析装置、仪器和系统。第43页8.2 8.2 生物传感器生物传感器图8-16生物传感器传感原理第44页8.2 8.2 生物传感器生物传感器 生物传感器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)不一样，能够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(organelle sensor)；按器件分类是依据所用变换器器件不一样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命名，普通采取“功效+组成特征”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，以下列图所表示第45页8.2 8.2 生物传感器生物传感器按敏感材料分 分子识别部分 信号转换部分 按信号转换器分类半导体生物传感器电化学生物传感器酶传感器微生物传感器免疫传感器细胞传感器组织传感器测光型生物传感器测热型生物传感器测声型生物传感器酶 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 第46页8.2 8.2 生物传感器生物传感器 生物传感器基本原理就是利用生物反应，而生物反应实际上包含了生理生化、新陈代谢、遗传变异等一切形式生命活动。生物传感器任务是怎样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，利用生物体奇特功效，制造出类似于生物感觉器官各种传感器，这将是国内外传感器技术研究一个新研究课题，是传感器技术新发展，含有很主要现实意义。本章将介绍一些含有代表性生物传感器。第47页8.2.18.2.1 酶传感器酶传感器 酶传感器是问世最早、成熟度最高一类生物传感器。它是利用酶催化作用，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，然后经过换能器将反应过程中化学物质改变转变为电信号统计下来，进而推出对应生物分子浓度。所以，酶传感器是间接型传感器，它不是直接测定待测物质，而是经过对反应相关物质浓度测定来推断底物浓度。第48页 8.2.1.1 8.2.1.1 酶反应酶反应 酶是生物体内产生并含有催化活性一类蛋白质，这类蛋白质表现出特异催化功效，所以，酶被称为生物催化剂。酶在生命活动中起着极为主要作用，它们参加新陈代谢过程中全部生化反应，并以极高速度和显著方向性维持生命代谢活动，包含生长、发育、繁殖与运动。酶与普通催化剂相同，在相对浓度较低时，仅能影响化学反应速度，而不改变反应平衡点，反应前后其组成与质量均不发生显著改变。酶催化化学形式主要包含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共价中间物，这个中间物很轻易变成转变态，故反应活化能大大降低，底物能够越过较低“能阀”形成产物。酸碱催化广义地指质子供体及质子受体催化，发生在细胞内许多反应都是酸碱催化。比如将水加到碳基上、酯类水解、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，其催化效率是其它催化剂1071013倍。酶是蛋白质，其催化普通在温和条件下进行，极端环境条件(如高温、酸碱)会使酶失活。第49页8.2.1.1 8.2.1.1 酶反应酶反应 酶反应含有高度专一性特点，一个酶只能作用于某一个或某一类物质(被酶作用物质称为底物)，因而有“一个酶，一个(类)底物”之说。非酶融催化剂对作用物没有如此严格选择性，如H+能够催化淀粉、脂肪和蛋白质等水解，但淀粉酶则只能催化淀粉水解。酶催化专一性是由酶蛋白分子(尤其是分子中活性部位)结构所决定，依据酶对底物专一性程度不一样，大致可分为三种类型：第一个类型酶专一性较低，能作用结构类似一系列底物，可分为族专一性和键专一性两种。族专一性酶对底物化学键及其一端有绝对要求，对键另一端只有相对要求；键专一性酶对底物分子化学键有绝对要求，而对键两端只有相对要求。第二种类型酶仅对一个物质有催化作用，它们对底物化学键及其两端都有绝对要求。第三种类型酶含有立体专一性，这类酶不但要求底物有一定化学结构，而且要有一定立体结构。第50页8.2.1.2 8.2.1.2 酶传感器酶传感器 酶传感器是由酶敏感膜和电化学器件组成，利用酶特征能够制造出高灵敏度、选择性好传感器。应该指出，酶传感器中酶敏感膜使用酶是将各种微生物经过复杂工序精炼出来，所以，其造价很高，性能也不太稳定。酶催化反应可用下式表示第51页8.2.1.2 8.2.1.2 酶传感器酶传感器式中 S待测物质；E酶；T反应温度，单位；Pi第i个产物。酶催化作用是在一定条件下使底物分解，故酶催化作用实际上是加速底物分解速度。按输出信号不一样，酶传感器有两种形式:一是电流型酶传感器，依据与酶催化反应相关物质电极反应所得到电流，来确定反应物浓度，通常都用氧电极、H202电极等；二是电位型酶传感器，经过电化学传感器件测量敏感膜电位来确定与催化反应相关各种物质浓度，电位型普通用NH2+电极、CO2电极、H2电极等，即以离子作为检测方式，表81给出了酶传感器种类。第52页8.2.1.2 8.2.1.2 酶传感器酶传感器表81酶传感器种类 第53页8.2.1.2 8.2.1.2 酶传感器酶传感器 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，中间溶液为强碱溶液，并在阳电极表面覆盖一层透氧气聚四氟乙烯膜，形成封闭式氧电极(见图818)。它防止了电极与被测液直接相接触，预防了电极毒化。如电极Pt为开放式，它浸人蛋白质介质中，蛋白质会沉淀在电极表面，从而减小电极有效面积，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。因为酶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 第54页8.2.1.2 8.2.1.2 酶传感器酶传感器图818葡萄糖酶传感器第55页8.2.1.2 8.2.1.2 酶传感器酶传感器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。在上式中，葡萄糖氧化时产生H202，它们经过选择性透气膜，在Pt电极上氧化，产生阳极电流，葡萄糖含量与电流成正比，这么，就测量出了葡萄糖溶液浓度。比如，在Pt阳极上加0.6V电压，则H202在Pt电极上产生氧化电流是 H2O2O2+2H+2e式中e所形成电流电子。第56页8.2.2 8.2.2 微生物传感器微生物传感器 微生物传感器是由固定化微生物细胞与电化学装置结合而形成生物传感器。第57页8.2.2.1 8.2.2.1 微生物反应微生物反应(1)微生物反应特点 微生物反应过程是利用生长微生物进行生物化学反应过程，即微生物反应是将微生物作为生物催化剂进行反应，酶在微生物反应中起最基本催化作用。微生物反应与酶反应有几个共同点:同属生化反应，都在温和条件下进行；凡是酶能催化反应，微生物也能够催化；催化速度靠近，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:微生物细胞膜系统为酶反应提供了天然适宜环境，细胞能够在相当长时间内保持一定催化活性；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各种辅酶和辅基。利用微生物作生物敏感膜缺点有：微生物反应通常伴随本身生长，不轻易建立分析标准；细胞是多酶系统，许多代谢路径并存，难以排除无须要反应；环境条件改变会引发微生物生理状态复杂化，不适当操作会造成代谢转换现象，出现不期望有反应。第58页8.2.2.1 8.2.2.1 微生物反应微生物反应(2)微生物反应类型 同化与异化 依据微生物代谢流向能够分为同化作用和异化作用。在微生物反应过程中，细胞与环境不停地进行物质和能量交换，其方向和速度受各种原因调整，以适应体内外环境改变。细胞将底物摄人并经过一系列生化反应转变成本身组成物质，并储存能量，称为同化作用或组成代谢(assimilation)；反之，细胞将本身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 依据微生物对营养要求，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，经过细菌光合作用或化能合成作用取得能量。异养微生物以有机物作碳源，无机物或有机物作为氮源，经过氧化有机物取得能量。绝大多数微生物种类都属于异养型。第59页8.2.2.1 8.2.2.1 微生物反应微生物反应 好气性与厌气性 依据微生物反应对氧需求是否能够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称为厌氧反应，也称二者为好气性与厌气性。细胞能量产生与转移 微生物反应所产生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基团化合物，其中以ATP(三磷酸腺苷)最为主要，它不但潜能高，而且是生物体能量转移关键物质，直接参加各种代谢反应能量转移。第60页8.2.2.2 8.2.2.2 微生物传感器微生物传感器 用微生物作为分子识别元件制成传感器称为微生物传感器。微生物传感器与酶传感器相比有价格廉价、性能稳定优点，但其响应时间较长(数分钟)，选择性较差。当前微生物传感器已成功地应用于发酵工业和环境检测中，比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，有效地诊疗尿毒症和糖尿病等。微生物本身就是含有生命活性细胞，有各种生理机能，其主要机能是呼吸机能(02消耗)和新陈代谢机能(物质合成与分解)。还有菌体内复合酶、能量再生系统等。所以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，而采取载体普通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，微生物传感器结构如图819所表示第61页8.2.2.2 8.2.2.2 微生物传感器微生物传感器第62页8.2.2.2 8.2.2.2 微生物传感器微生物传感器(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，所以可经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，而能够经过测量碳酸气消耗及其它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透氧膜上。图820是生物化学耗氧量传感器BOD(Biological Oxygen Demand)，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)。第63页8.2.2.2 8.2.2.2 微生物传感器微生物传感器 因为微生物呼吸量与有机物资化前后不一样，可经过测量02电极转变为扩散电流值，从而间接测定有机物浓度。BOD生物传感器使用微生物能够是丝孢酵母，菌体吸附在多孔膜上，室温下干燥后保留待用。测量系统包含：带有夹套流通池（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、自动采样器和统计仪。第64页8.2.2.2 8.2.2.2 微生物传感器微生物传感器 图821为这种传感器响应曲线，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(磷酸盐缓冲液)微生物吸收水平。当溶液加入葡萄糖或谷氨酸等营养膜后，电流快速下降，并到达新稳定电流值，这说明微生物在资化葡萄糖等营养源时呼吸机能增加，即氧消耗量增加。造成向02电极扩散氧气量降低，使电流值下降，直到被测溶液向固化微生物膜扩散氧量与微生物呼吸消耗氧量之间到达平衡时，便得到对应稳定电流值。由此可见，这个稳定值与未添加营养时电流稳定值之差与样品中有机物浓度成正比。第65页8.2.2.2 8.2.2.2 微生物传感器微生物传感器图 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）护套第66页8.2.2.2 8.2.2.2 微生物传感器微生物传感器图821生物化学耗氧传感器响应曲线第67页8.2.2.2 8.2.2.2 微生物传感器微生物传感器(2)代谢机能型微生物传感器 代谢机能型微生物传感器基本原理是微生物使有机物