第二章信號轉(zhuǎn)換器

1、1 第二章第二章 生物傳感器生物傳感器 的信號轉(zhuǎn)換器的信號轉(zhuǎn)換器 信號轉(zhuǎn)換器作為生物傳感器的重要組成部分，信號轉(zhuǎn)換器作為生物傳感器的重要組成部分，它的作用是將生物敏感元件拾取的生物化學(xué)信息它的作用是將生物敏感元件拾取的生物化學(xué)信息轉(zhuǎn)換為容易進(jìn)行處理測量的、與被測量有對應(yīng)關(guān)轉(zhuǎn)換為容易進(jìn)行處理測量的、與被測量有對應(yīng)關(guān)系的電信息。系的電信息。 2 電化學(xué)信號轉(zhuǎn)換器電化學(xué)信號轉(zhuǎn)換器 離子敏場效應(yīng)晶體管離子敏場效應(yīng)晶體管 熱敏電阻熱敏電阻 壓電晶體信號轉(zhuǎn)換器壓電晶體信號轉(zhuǎn)換器 光電換能器光電換能器3一、電化學(xué)型信號轉(zhuǎn)換器一、電化學(xué)型信號轉(zhuǎn)換器 電化學(xué)電極作為生物傳感器信號轉(zhuǎn)換器，一般電化學(xué)電極作為生物傳

2、感器信號轉(zhuǎn)換器，一般可分為兩種類型：可分為兩種類型：電位型電位型和和電流型電流型。 電化學(xué)電極電化學(xué)電極( (固體電極、離子選擇性電極、氣固體電極、離子選擇性電極、氣敏電極、修飾電極等敏電極、修飾電極等) )作為信號轉(zhuǎn)換器已廣泛用于酶作為信號轉(zhuǎn)換器已廣泛用于酶傳感器、微生物傳感器及其它類型的生物傳感器中。傳感器、微生物傳感器及其它類型的生物傳感器中。 41.1 電化學(xué)測量基礎(chǔ)電化學(xué)測量基礎(chǔ)1.1.測量系統(tǒng)測量系統(tǒng) 根據(jù)轉(zhuǎn)變方式和輸出電信號的不同，根據(jù)轉(zhuǎn)變方式和輸出電信號的不同，可將電化學(xué)傳感器分為：可將電化學(xué)傳感器分為： 電位型（原電池） 三種類型 電流型（電解電池）電導(dǎo)型（電導(dǎo)池） 5圖圖2

3、-1 原電池構(gòu)成原電池構(gòu)成6 電位型測量系統(tǒng)電位型測量系統(tǒng)在電極在電極/ /溶液界溶液界面上自發(fā)地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將被測化學(xué)量面上自發(fā)地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將被測化學(xué)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娢恍盘柕臏y定裝置。轉(zhuǎn)變?yōu)殡娢恍盘柕臏y定裝置。 被測的化學(xué)量與電位之間的關(guān)系，符被測的化學(xué)量與電位之間的關(guān)系，符合能斯特方程：合能斯特方程： lnEC7圖圖2-2 電解電池構(gòu)成電解電池構(gòu)成8 電流型測量系統(tǒng)電流型測量系統(tǒng)外加電壓下，外加電壓下，在電極在電極/ /溶液界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將被溶液界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將被測化學(xué)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘柕臏y定裝置。測化學(xué)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘柕臏y定裝置。 在一定條件下，其電流大小與離子在一定條件下，其

4、電流大小與離子濃度成比例。濃度成比例。IC9 電導(dǎo)型測量系統(tǒng)電導(dǎo)型測量系統(tǒng)在外加電壓下，在外加電壓下，將化學(xué)量轉(zhuǎn)變成電導(dǎo)信號的測定裝置。將化學(xué)量轉(zhuǎn)變成電導(dǎo)信號的測定裝置。 在離子濃度不大時(shí)，溶液的電導(dǎo)與離在離子濃度不大時(shí)，溶液的電導(dǎo)與離子濃度成正比。子濃度成正比。GC101.2 基本基本概念概念 1. 電離常數(shù)電離常數(shù) Ionization constant 電離常數(shù)表示電解質(zhì)電離能力的強(qiáng)弱電離常數(shù)表示電解質(zhì)電離能力的強(qiáng)弱。 AB表示平衡時(shí)未電離的分子濃度，表示平衡時(shí)未電離的分子濃度，A-和和B+表示平衡時(shí)表示平衡時(shí)A-和和B+離子的濃度。離子的濃度。 ABKAB112. 活度和活度系數(shù)活度和

5、活度系數(shù) Activity and activity coefficient 活度指電解質(zhì)溶液的有效濃度?；疃戎鸽娊赓|(zhì)溶液的有效濃度。 溶液濃度與活度之間的關(guān)系表示為：溶液濃度與活度之間的關(guān)系表示為： 為活度系數(shù)，表示電解質(zhì)溶液的濃度與活為活度系數(shù)，表示電解質(zhì)溶液的濃度與活度的偏差程度，即表示濃度有百分之幾是有效的。度的偏差程度，即表示濃度有百分之幾是有效的。通常通常 0 0 1 1，當(dāng)溶液無限稀釋，當(dāng)溶液無限稀釋 。 .ac112 如如0.1mol/L的鹽酸溶液中，的鹽酸溶液中，H+的活度就等于的活度就等于0.0799mol/L，意思是說，意思是說，H+在化學(xué)反應(yīng)起作用在化學(xué)反應(yīng)起作用的濃度

6、是的濃度是0.0799mol/L。131.3 電極種類電極種類 電極是傳感器非常重要的信號轉(zhuǎn)換器，電極是傳感器非常重要的信號轉(zhuǎn)換器，可分為：可分為：參比電極指示電極四類工作電極輔助電極141. 參比電極參比電極Reference electrode 參比電極參比電極測量電極電位時(shí)用作基測量電極電位時(shí)用作基準(zhǔn)電位的電極。準(zhǔn)電位的電極。 常用參比電極：標(biāo)準(zhǔn)氫電極、甘汞電常用參比電極：標(biāo)準(zhǔn)氫電極、甘汞電極、極、 電極。電極。Ag AgCl15（1 1）標(biāo)準(zhǔn)氫電極）標(biāo)準(zhǔn)氫電極 氫電極作基準(zhǔn)氫電極作基準(zhǔn)測量電極電位，測量電極電位，精度一般可高精度一般可高達(dá)達(dá)10v，但，但實(shí)驗(yàn)室中不用實(shí)驗(yàn)室中不用，因其容

7、易爆炸。因其容易爆炸。圖圖2-2 標(biāo)準(zhǔn)氫電極標(biāo)準(zhǔn)氫電極16（2）甘汞電極）甘汞電極 電極由電極由Hg和和 Hg2Cl2的糊狀物浸入含有的糊狀物浸入含有Cl-的溶液中，插入的溶液中，插入Pt導(dǎo)導(dǎo)線構(gòu)成。放置在線構(gòu)成。放置在KCl溶液中。溶液中。圖圖2-3 甘汞電極甘汞電極1725時(shí)甘汞電極的電極電位時(shí)甘汞電極的電極電位18（3） 電極電極一種性能較好的一種性能較好的參比電極。它結(jié)參比電極。它結(jié)構(gòu)簡單，只需在構(gòu)簡單，只需在Ag絲上，鍍上絲上，鍍上一薄層一薄層AgCl，并浸入一定濃度并浸入一定濃度的的KCl溶液中便溶液中便制成電極制成電極。 圖圖2-4 銀銀/氯化銀電極氯化銀電極Ag AgCl192

8、. 指示電極指示電極 Indicating electrode 指示電極指示電極根據(jù)電極電位的大小指根據(jù)電極電位的大小指示出物質(zhì)濃度的電極。示出物質(zhì)濃度的電極。 包括離子選擇性電極、氣敏電極、金包括離子選擇性電極、氣敏電極、金屬或非金屬電極屬或非金屬電極(Au、Cu、Pt，石墨電極，石墨電極等等)。20 圖圖2-5 pH玻璃電極玻璃電極 213. 工作電極和輔助電極工作電極和輔助電極 Working electrode auxiliary electrode 工作電極工作電極在外加電壓下電解時(shí)，根據(jù)其在外加電壓下電解時(shí)，根據(jù)其電解電流的大小測定物質(zhì)含量的電極。電解電流的大小測定物質(zhì)含量的電極。

9、 輔助電極輔助電極電解時(shí)為測定電流構(gòu)成回路所用電解時(shí)為測定電流構(gòu)成回路所用的電極（對電極）的電極（對電極）。 22圖圖2-6 測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)23 三電極系統(tǒng)：三電極系統(tǒng)：包括工作電極、輔助包括工作電極、輔助電極和參比電極（用于確定或控制工作電極和參比電極（用于確定或控制工作電極的電極電位的大?。?。電極的電極電位的大?。?。 二電極系統(tǒng)：二電極系統(tǒng)：參比電極兼作輔助電參比電極兼作輔助電極時(shí)的構(gòu)成方式。極時(shí)的構(gòu)成方式。241.4 電位電位型換能器型換能器 電位型換能器是由指示電極和參比電極電位型換能器是由指示電極和參比電極構(gòu)成的測量系統(tǒng)，在零電流條件下通過測量構(gòu)成的測量系統(tǒng)，在零電流條件下通過測量

10、兩個(gè)電極之間的電位差，實(shí)現(xiàn)待測物質(zhì)含量兩個(gè)電極之間的電位差，實(shí)現(xiàn)待測物質(zhì)含量測量。測量。25（一）離子選擇性電極（一）離子選擇性電極 Ion selective electrode (ISE) 離子選擇性電極離子選擇性電極用用特殊敏感薄膜特殊敏感薄膜制制作的對作的對特定特定陽離子或陰離子呈陽離子或陰離子呈選擇性響應(yīng)選擇性響應(yīng)的的電極電極。 離子選擇性電極具有快速、靈敏、可靠、離子選擇性電極具有快速、靈敏、可靠、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用范圍很廣。價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用范圍很廣。 261. pH電極電極 氫離子活度對化學(xué)反應(yīng)和生物化學(xué)反應(yīng)有氫離子活度對化學(xué)反應(yīng)和生物化學(xué)反應(yīng)有重要的決定作用。有一些酶反應(yīng)

11、，涉及到氫離子重要的決定作用。有一些酶反應(yīng)，涉及到氫離子的生成和消耗，因此可用的生成和消耗，因此可用pH玻璃電極作為某些玻璃電極作為某些生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器。生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器。27 圖圖2-7 pH電極測量系統(tǒng)電極測量系統(tǒng)28 （1）ISE的特點(diǎn)的特點(diǎn) ISE的電極電位與特定離子活度的的電極電位與特定離子活度的對數(shù)呈線性關(guān)系；對數(shù)呈線性關(guān)系； ISE結(jié)構(gòu)簡單、測定快速、靈敏度結(jié)構(gòu)簡單、測定快速、靈敏度高、重復(fù)性好。高、重復(fù)性好。29（2）ISE的組成的組成30（3）ISE的特性的特性 31 檢測極限檢測極限 指電極所能檢測離子的最低濃度。指電極所能檢測離子的最低濃度。 圖圖2-8 電極

12、校準(zhǔn)曲線及檢測極限的確定電極校準(zhǔn)曲線及檢測極限的確定32 在一定活度范圍內(nèi)（在一定活度范圍內(nèi)（CD段）電極電位與段）電極電位與被測離子活度的對數(shù)成正比，當(dāng)被測離子活被測離子活度的對數(shù)成正比，當(dāng)被測離子活度逐漸減小時(shí)，曲線由度逐漸減小時(shí)，曲線由CD直線段逐漸彎曲成直線段逐漸彎曲成EF段，電極電位不為零，說明離子選擇電極段，電極電位不為零，說明離子選擇電極存在檢測極限。存在檢測極限。 極限值的確定是根據(jù)極限值的確定是根據(jù)CD與與EF延長線相交延長線相交點(diǎn)對應(yīng)的離子活度作為其檢測極限。點(diǎn)對應(yīng)的離子活度作為其檢測極限。 鈉電極：鈉電極：10-6 mol/L ； 氯電極氯電極: 510-6 mol/L。

13、33 電位選擇系數(shù)電位選擇系數(shù) 指同一支電極對不同離子的選擇性響應(yīng)，指同一支電極對不同離子的選擇性響應(yīng)，表征表征ISE選擇性的優(yōu)劣。選擇性的優(yōu)劣。電極對各種離子的選擇電極對各種離子的選擇性可用電位選擇系數(shù)表示。在性可用電位選擇系數(shù)表示。在 中，中，A表示被表示被測離子，測離子，X表示干擾離子。表示干擾離子。,potA XK,potA XK34 鈣電極用于測鈣電極用于測Ca2+，但其對，但其對Ba2+也有響應(yīng)，也有響應(yīng)，因此是測量時(shí)的干擾離子，若其對因此是測量時(shí)的干擾離子，若其對Ca2+的響應(yīng)為的響應(yīng)為Ba2+的的100倍，則倍，則Ba2+對對Ca2+的干擾為的干擾為1/100倍，所倍，所以以:

14、22,0.01PotCaBaK 越小，表明干擾越小，電極的選擇性越越小，表明干擾越小，電極的選擇性越好好。 ,potA XK35 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間指電極達(dá)到平衡電位時(shí)所需要的時(shí)響應(yīng)時(shí)間指電極達(dá)到平衡電位時(shí)所需要的時(shí)間。間。 它與電極的種類及被測離子的活度、溶液的它與電極的種類及被測離子的活度、溶液的攪拌速度、敏感膜的組成及性質(zhì)、膜的厚度、攪拌速度、敏感膜的組成及性質(zhì)、膜的厚度、參比電極的穩(wěn)定性等有關(guān)。參比電極的穩(wěn)定性等有關(guān)。 36 電極壽命電極壽命 電極壽命是指電極保持電極壽命是指電極保持Nernst響應(yīng)的時(shí)間。響應(yīng)的時(shí)間。主要取決于膜的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。當(dāng)實(shí)測電勢與理主要取決于膜的結(jié)構(gòu)與

15、性質(zhì)。當(dāng)實(shí)測電勢與理論電勢之比小于論電勢之比小于0.9時(shí)，電極不宜再使用。時(shí)，電極不宜再使用。372. 碘電極碘電極 碘離子選擇電極常用于有碘離子選擇電極常用于有 生成的生成的酶反應(yīng)中，碘離子與酶反應(yīng)中，碘離子與 相遇，在過氧化相遇，在過氧化物酶催化下，可快速發(fā)生如下反應(yīng)：物酶催化下，可快速發(fā)生如下反應(yīng)：2232232HH OIIH O 過氧化物酶22H O22H O2232232HH OIIH O 過氧化物酶22H O22H O38（二）氣敏電極（二）氣敏電極 電位型氣敏電極作為各種生物傳感器的電位型氣敏電極作為各種生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器，使用較多的是氨氣敏電極和信號轉(zhuǎn)換器，使用較多的是氨氣

16、敏電極和 氣敏電極。氣敏電極。 2CO39 1. 1. 氨氣敏電極氨氣敏電極 氨是酶反應(yīng)中氨是酶反應(yīng)中最常見的產(chǎn)物和最常見的產(chǎn)物和反應(yīng)物，因此氨反應(yīng)物，因此氨電極是常用的信電極是常用的信號轉(zhuǎn)換器之一。號轉(zhuǎn)換器之一。 40 氨電極浸入堿性待測液時(shí)，待測液中的銨鹽轉(zhuǎn)氨電極浸入堿性待測液時(shí)，待測液中的銨鹽轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性氨，經(jīng)透氣膜滲入內(nèi)充液薄層發(fā)生如下化成揮發(fā)性氨，經(jīng)透氣膜滲入內(nèi)充液薄層發(fā)生如下反應(yīng)：反應(yīng)： 電位與待測溶液中氨的濃度符合能斯特方程。電位與待測溶液中氨的濃度符合能斯特方程。 412.二氧化碳電極二氧化碳電極 CO2氣敏電極的結(jié)構(gòu)由氣敏電極的結(jié)構(gòu)由pH玻璃電極和玻璃電極和Ag/AgCl 參

17、比電極組成電池，用透氣膜將中間參比電極組成電池，用透氣膜將中間溶液與被測溶液隔離開來。溶液與被測溶液隔離開來。 圖圖2-9 CO2氣敏電極氣敏電極42223COH OHCOH 測定時(shí)溶液中的測定時(shí)溶液中的CO2通過透氣膜進(jìn)入溶液，而通過透氣膜進(jìn)入溶液，而發(fā)生下列反應(yīng)：發(fā)生下列反應(yīng)：43二氧化碳?xì)饷綦姌O在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用二氧化碳?xì)饷綦姌O在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用44451.5 電流型換能器電流型換能器 輸出直接與被測物濃度呈線性關(guān)系；輸出直接與被測物濃度呈線性關(guān)系； 電極輸出值的讀數(shù)誤差較電位型電極??；電極輸出值的讀數(shù)誤差較電位型電極??； 靈敏度比電位型電極高。靈敏度比電位型電極高。 常用的電流型電極常用的電流

18、型電極有有O2 電極電極、電極電極、H2O2 電極電極及燃料電池型電極等。及燃料電池型電極等。46（一）（一） 氧電極氧電極 各種氧化酶和加氧酶在催化底物反應(yīng)時(shí)，要各種氧化酶和加氧酶在催化底物反應(yīng)時(shí)，要用溶解氧為輔助試劑，反應(yīng)中所消耗的氧量可用用溶解氧為輔助試劑，反應(yīng)中所消耗的氧量可用氧電極來測定。此外，在微生物電極、免疫電極氧電極來測定。此外，在微生物電極、免疫電極等生物傳感器中也常用氧電極作為信號轉(zhuǎn)換器，等生物傳感器中也常用氧電極作為信號轉(zhuǎn)換器，因此氧電極在生物傳感器中使用很廣。因此氧電極在生物傳感器中使用很廣。47 氧電極是一個(gè)通過測定電解電流來測氧電極是一個(gè)通過測定電解電流來測定溶液中

19、氧含量的電解池。定溶液中氧含量的電解池。 有兩種：開放式和封閉式。有兩種：開放式和封閉式。481. 1. 開放式氧電極開放式氧電極開放式氧電極測定氧的裝置如圖所示。開放式氧電極測定氧的裝置如圖所示。 49 外加電解電壓，當(dāng)鉑電極電位相對參比電外加電解電壓，當(dāng)鉑電極電位相對參比電極低極低0.2V時(shí)，氧在鉑絲上開始電解，此時(shí)電流時(shí)，氧在鉑絲上開始電解，此時(shí)電流計(jì)中有電流指示。計(jì)中有電流指示。50 當(dāng)鉑電極相對參比電極低當(dāng)鉑電極相對參比電極低0.60.8V時(shí)，電流趨于時(shí)，電流趨于恒定，此時(shí)的電流與溶液中氧含量成正比。恒定，此時(shí)的電流與溶液中氧含量成正比。51 Clark氧電極是一種較為穩(wěn)定的封閉式氧

20、電氧電極是一種較為穩(wěn)定的封閉式氧電極。極。鉑電極與鉑電極與 電極組合在一起置于參比電極組合在一起置于參比溶液中，與被測溶液之間用透氧膜隔開。溶液中，與被測溶液之間用透氧膜隔開。 此膜將被測溶液中溶解的氧氣通過膜擴(kuò)散到此膜將被測溶液中溶解的氧氣通過膜擴(kuò)散到膜內(nèi)電解質(zhì)溶液薄層，再擴(kuò)散到鉑電極表面進(jìn)行膜內(nèi)電解質(zhì)溶液薄層，再擴(kuò)散到鉑電極表面進(jìn)行還原產(chǎn)生電流。還原產(chǎn)生電流。 2.2.封閉式氧電極封閉式氧電極( (Clark氧電極氧電極) )/Ag AgCl52Clark氧電極氧電極結(jié)構(gòu)見圖。結(jié)構(gòu)見圖。533.3.氧電極在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用氧電極在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 5455 二、二、H2O2電極電極 H2O2電極是

21、根據(jù)電解氧化時(shí)所產(chǎn)生的電流輸出電極是根據(jù)電解氧化時(shí)所產(chǎn)生的電流輸出來測定濃度的復(fù)合式電極。來測定濃度的復(fù)合式電極。 電極包括陽極、陰極、電解液和滲透膜，陽極電極包括陽極、陰極、電解液和滲透膜，陽極一般用金、白金，陰極一般用一般用金、白金，陰極一般用Ag/AgCl，滲透膜可，滲透膜可用醋酸纖維素膜，電解液是氯化鉀與磷酸緩沖液及用醋酸纖維素膜，電解液是氯化鉀與磷酸緩沖液及氯化鉀與醋酸緩沖液等氯化鉀與醋酸緩沖液等。56兩極間外加一定電壓，實(shí)際測量時(shí)，外加電壓控制兩極間外加一定電壓，實(shí)際測量時(shí)，外加電壓控制在電壓在電壓- -電流曲線的平滑電流曲線的平滑部分，即部分，即0.7-0.9V，此時(shí)輸，此時(shí)輸出

22、電流就與濃度成比例。出電流就與濃度成比例。陽極反應(yīng)陽極反應(yīng)陰極放應(yīng)陰極放應(yīng) 22222H OOHe 221222eHOH O 57H2O2電極基本測量電路和電壓電極基本測量電路和電壓-電流曲線電流曲線 58 電化學(xué)信號轉(zhuǎn)換器電化學(xué)信號轉(zhuǎn)換器 離子敏場效應(yīng)晶體管離子敏場效應(yīng)晶體管 熱敏電阻熱敏電阻 壓電晶體信號轉(zhuǎn)換器壓電晶體信號轉(zhuǎn)換器 光電換能器光電換能器5959二、離子敏場效應(yīng)晶體管（二、離子敏場效應(yīng)晶體管（ISFETISFET） ISFETISFET是把離子選擇性敏感膜和是把離子選擇性敏感膜和 FETFET相結(jié)合，將離子相結(jié)合，將離子活度的化學(xué)信息轉(zhuǎn)化為電流或電壓的變化?；疃鹊幕瘜W(xué)信息轉(zhuǎn)化為

23、電流或電壓的變化。P-Sip-SinnSDGFET結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2.1 2.1 結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)與原理ISFET結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)P-Sip-SinnSD參比電極參比電極敏感膜敏感膜被測溶液被測溶液60FET工作原理工作原理P-Sip-SinnSDGVGSVDSIDFETFET工作原理工作原理: :6161 反型層的形成反型層的形成 在柵極與源極之間施加電壓，會導(dǎo)致柵源極之間的在柵極與源極之間施加電壓，會導(dǎo)致柵源極之間的電荷流動，并在柵極絕緣層下的電荷流動，并在柵極絕緣層下的P P型半導(dǎo)體材料的表面大型半導(dǎo)體材料的表面大量積累負(fù)電荷而形成反型層。量積累負(fù)電荷而形成反型層。 N N型溝道的形成型溝道的形成 柵源電

24、壓若大于閾值電壓，柵極絕緣層下面將形成柵源電壓若大于閾值電壓，柵極絕緣層下面將形成強(qiáng)反型層，源漏極之間形成強(qiáng)反型層，源漏極之間形成N N型溝道。型溝道。 漏電流的形成漏電流的形成 在源漏極之間施加電壓，則帶電粒子沿著該溝道流在源漏極之間施加電壓，則帶電粒子沿著該溝道流通，電子便從源極流向漏極，形成漏源極之間的溝道電通，電子便從源極流向漏極，形成漏源極之間的溝道電流，稱作漏電流，用流，稱作漏電流，用I ID D表示。表示。 6262ISFET工作原理工作原理P-Sip-SinnSDVGSVDSID參比電極參比電極敏感膜敏感膜被測溶液被測溶液 2.2 ISFET工作原理工作原理 ISFET正是利用

25、場效應(yīng)管的上述特性而實(shí)現(xiàn)對離正是利用場效應(yīng)管的上述特性而實(shí)現(xiàn)對離子濃度測量的。子濃度測量的。6363 敏感膜與溶液界面產(chǎn)生膜電位，該電位疊加在柵敏感膜與溶液界面產(chǎn)生膜電位，該電位疊加在柵壓壓上，引起場效應(yīng)管漏電流的變化。根據(jù)能斯特方上，引起場效應(yīng)管漏電流的變化。根據(jù)能斯特方程，膜電位的大小與溶液中的離子活度有關(guān)，即：程，膜電位的大小與溶液中的離子活度有關(guān)，即：6464 實(shí)際施加于場效應(yīng)管絕緣膜和半導(dǎo)體表面上的電實(shí)際施加于場效應(yīng)管絕緣膜和半導(dǎo)體表面上的電壓為壓為 GSGSirefVV 因此，只要設(shè)法利用生化反應(yīng)過程所產(chǎn)生的物質(zhì)因此，只要設(shè)法利用生化反應(yīng)過程所產(chǎn)生的物質(zhì)變化來影響柵極電壓，便可設(shè)計(jì)

26、出以離子敏場效應(yīng)管變化來影響柵極電壓，便可設(shè)計(jì)出以離子敏場效應(yīng)管為轉(zhuǎn)換器件的半導(dǎo)體生物傳感器。為轉(zhuǎn)換器件的半導(dǎo)體生物傳感器。 65652.3 特點(diǎn)特點(diǎn) 構(gòu)造簡單，體積小，便于批量制作，成本低；構(gòu)造簡單，體積小，便于批量制作，成本低； 易微型化和多功能化；易微型化和多功能化； FETFET制作的敏感器件響應(yīng)快，適用于自控監(jiān)測制作的敏感器件響應(yīng)快，適用于自控監(jiān)測 和流程分析等。和流程分析等。66662.4 應(yīng)用應(yīng)用尿素的測定：尿素的測定：2 2223()2CO NHH OCONH脲酶2H O2H O3HCOH422NHOH +6767雙柵極酶-FET傳感器6868葡萄糖的測定葡萄糖的測定：氟離子的

27、測定氟離子的測定61262261272222C H OH OOC H OH O 葡萄糖氧化酶69 電化學(xué)信號轉(zhuǎn)換器電化學(xué)信號轉(zhuǎn)換器 離子敏場效應(yīng)晶體管離子敏場效應(yīng)晶體管 熱敏電阻熱敏電阻 壓電晶體信號轉(zhuǎn)換器壓電晶體信號轉(zhuǎn)換器 光電換能器光電換能器7070三、熱敏電阻型信號轉(zhuǎn)換器三、熱敏電阻型信號轉(zhuǎn)換器 熱敏電阻熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的特性實(shí)現(xiàn)溫度測量的率隨溫度變化而變化的特性實(shí)現(xiàn)溫度測量的阻抗元件。阻抗元件。 熱敏電阻不僅在生物醫(yī)學(xué)的溫度測量、熱敏電阻不僅在生物醫(yī)學(xué)的溫度測量、電路元件的溫度補(bǔ)償?shù)确矫嬗兄鴱V泛的應(yīng)用，電路元件的溫度補(bǔ)償?shù)确矫嬗兄鴱V

28、泛的應(yīng)用，而且可作為生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器，構(gòu)成而且可作為生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器，構(gòu)成量熱型生物傳感器。量熱型生物傳感器。 71713.1 結(jié)構(gòu)與種類結(jié)構(gòu)與種類 7272 半導(dǎo)體熱敏電阻按其材料、性質(zhì)的不同半導(dǎo)體熱敏電阻按其材料、性質(zhì)的不同可分為三種類型：可分為三種類型： PTC型型由鈦酸鋇和鈦酸鍶的混合物高由鈦酸鋇和鈦酸鍶的混合物高溫?zé)Y(jié)而成，具有正的溫度系數(shù)。溫?zé)Y(jié)而成，具有正的溫度系數(shù)。 單晶硅型單晶硅型溫度系數(shù)為正。溫度系數(shù)為正。 NTC型型由某些金屬氧化物的混合物高由某些金屬氧化物的混合物高溫?zé)Y(jié)而成，具有負(fù)的溫度系數(shù)。通常用氧溫?zé)Y(jié)而成，具有負(fù)的溫度系數(shù)。通常用氧化鈷、氧化鎳、氧化

29、錳及其它氧化物構(gòu)成的化鈷、氧化鎳、氧化錳及其它氧化物構(gòu)成的陶瓷半導(dǎo)體。陶瓷半導(dǎo)體。 73733.2 熱敏電阻的性能和參數(shù)熱敏電阻的性能和參數(shù) 電阻電阻溫度特性溫度特性 Resistance-temperature characteristic 對對NTC型熱敏電阻，在一定的溫度范圍內(nèi)，其型熱敏電阻，在一定的溫度范圍內(nèi)，其電阻電阻溫度特性為溫度特性為 其中其中 RT 溫度為溫度為T時(shí)的電阻值時(shí)的電阻值 R0溫度為溫度為T0 時(shí)的電阻值時(shí)的電阻值 B熱敏電阻常數(shù)熱敏電阻常數(shù) 0110BTTTRR e000lnTTTRBTTR7474溫度系數(shù)溫度系數(shù) （相對靈敏度）（相對靈敏度）Temperatur

30、e coefficient 熱敏電阻的溫度系數(shù)指單位溫度變化引起的電阻熱敏電阻的溫度系數(shù)指單位溫度變化引起的電阻值的相對變化量。值的相對變化量。 （單位為（單位為K-1） 溫度系數(shù)是溫度的函數(shù)，實(shí)質(zhì)上反應(yīng)熱敏電阻的溫度系數(shù)是溫度的函數(shù)，實(shí)質(zhì)上反應(yīng)熱敏電阻的靈敏度的大小靈敏度的大小, , 愈大，靈敏度愈高。愈大，靈敏度愈高。2211TTTdRBRdTTT T7575伏安特性伏安特性 Volt-ampere characteristicVolt-ampere characteristic 伏安特性指熱敏電阻在達(dá)到熱平衡后其端電壓與伏安特性指熱敏電阻在達(dá)到熱平衡后其端電壓與電流之間的關(guān)系。表征熱敏電

31、阻工作狀態(tài)的重要特性，電流之間的關(guān)系。表征熱敏電阻工作狀態(tài)的重要特性，可幫助正確選擇熱敏電阻的正常工作范圍（工作電壓）?？蓭椭_選擇熱敏電阻的正常工作范圍（工作電壓）。 圖2-7 NTC型熱敏電阻的伏安特性7676耗散常數(shù)耗散常數(shù) Dissipation constantDissipation constant 指熱敏電阻在規(guī)定的環(huán)境溫度下，由于自熱而指熱敏電阻在規(guī)定的環(huán)境溫度下，由于自熱而 每上升每上升11所消耗的功率，單位為所消耗的功率，單位為mw/mw/ 熱時(shí)間常數(shù)熱時(shí)間常數(shù) Heat time constantHeat time constant 表示在零功耗條件下，環(huán)境溫度發(fā)生階躍

32、變化時(shí)，表示在零功耗條件下，環(huán)境溫度發(fā)生階躍變化時(shí)，熱敏電阻的溫度變化達(dá)到終止溫度的熱敏電阻的溫度變化達(dá)到終止溫度的63.2%63.2%所需要的所需要的時(shí)間。它是描述熱敏電阻熱惰性的重要參數(shù)，也可以時(shí)間。它是描述熱敏電阻熱惰性的重要參數(shù)，也可以說是描述熱敏電阻動態(tài)特性的物理量。說是描述熱敏電阻動態(tài)特性的物理量。最高工作溫度最高工作溫度 Highest working temperatureHighest working temperature 指熱敏電阻在保證其性能符合技術(shù)條件規(guī)定情況指熱敏電阻在保證其性能符合技術(shù)條件規(guī)定情況下能長期連續(xù)工作的最高溫度。下能長期連續(xù)工作的最高溫度。77773.

33、3 熱敏電阻的線性化熱敏電阻的線性化 Linearization of thermistor 在恒流源激勵(lì)下，以熱敏電阻兩端的在恒流源激勵(lì)下，以熱敏電阻兩端的電壓作為溫度指示，可用一個(gè)經(jīng)適當(dāng)選擇電壓作為溫度指示，可用一個(gè)經(jīng)適當(dāng)選擇的電阻的電阻R RP P與熱敏電阻與熱敏電阻R RT T并聯(lián)進(jìn)行線性化。并聯(lián)進(jìn)行線性化。PTPTR RRRR787822iPTiiBTRRBT使并聯(lián)組合的拐點(diǎn)與測溫中點(diǎn)溫度相吻合，所需使并聯(lián)組合的拐點(diǎn)與測溫中點(diǎn)溫度相吻合，所需并聯(lián)電阻值可由下式求出并聯(lián)電阻值可由下式求出其中其中 溫度為溫度為 處處的電阻值的電阻值 iTRiT7979 在恒壓源激勵(lì)下，以流過熱敏電阻的電

34、在恒壓源激勵(lì)下，以流過熱敏電阻的電流作為溫度指示，可用適當(dāng)選擇的電導(dǎo)流作為溫度指示，可用適當(dāng)選擇的電導(dǎo)GsGs與與GTGT串聯(lián)串聯(lián), ,實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)與溫度的非線性特性的補(bǔ)實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)與溫度的非線性特性的補(bǔ)償。償。11STSTTSG GGGGRRR8080212iSTiSiBTGGRBT 其中 溫度為 處 的電導(dǎo)值 iTGiT使串聯(lián)組合的拐點(diǎn)與測溫中點(diǎn)溫度相吻合，所需串使串聯(lián)組合的拐點(diǎn)與測溫中點(diǎn)溫度相吻合，所需串聯(lián)電導(dǎo)（阻）值可由下式求出聯(lián)電導(dǎo)（阻）值可由下式求出 81813.4 3.4 熱敏電阻型生物傳感器熱敏電阻型生物傳感器 凡有生物體反應(yīng)的地方，大都可以觀察到放凡有生物體反應(yīng)的地方，大都可以觀察到

35、放熱或吸熱反應(yīng)的熱量變化熱或吸熱反應(yīng)的熱量變化( (焓變化焓變化) )。熱敏電阻生。熱敏電阻生物傳感器就是以測定生化反應(yīng)焓變化作為測定基物傳感器就是以測定生化反應(yīng)焓變化作為測定基礎(chǔ)。礎(chǔ)。 若測量系統(tǒng)是一個(gè)絕熱系統(tǒng)，借助于熱敏電若測量系統(tǒng)是一個(gè)絕熱系統(tǒng)，借助于熱敏電阻，可根據(jù)對系統(tǒng)溫度變化的測量實(shí)現(xiàn)試樣中待阻，可根據(jù)對系統(tǒng)溫度變化的測量實(shí)現(xiàn)試樣中待測成分的測定。測成分的測定。 8282圖圖2-8 酶熱敏電阻的測量系統(tǒng)酶熱敏電阻的測量系統(tǒng) 83 電化學(xué)信號轉(zhuǎn)換器電化學(xué)信號轉(zhuǎn)換器 離子敏場效應(yīng)晶體管離子敏場效應(yīng)晶體管 熱敏電阻熱敏電阻 壓電晶體信號轉(zhuǎn)換器壓電晶體信號轉(zhuǎn)換器 光電換能器光電換能器84四

36、、壓電晶體型信號轉(zhuǎn)換器四、壓電晶體型信號轉(zhuǎn)換器4.14.1壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)當(dāng)沿一定方向施加作用力時(shí)，某些電介質(zhì)當(dāng)沿一定方向施加作用力時(shí)，內(nèi)部會產(chǎn)生極化狀態(tài)的變化，同時(shí)在電介質(zhì)的兩個(gè)端面上內(nèi)部會產(chǎn)生極化狀態(tài)的變化，同時(shí)在電介質(zhì)的兩個(gè)端面上出現(xiàn)符號相反的，與外力成比例的束縛電荷，當(dāng)外力去掉出現(xiàn)符號相反的，與外力成比例的束縛電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。具有壓電效應(yīng)的材料后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。具有壓電效應(yīng)的材料稱其為壓電體。稱其為壓電體。 85 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)指壓電體在外加電場的作指壓電體在外加電場的作用下，其內(nèi)部

37、極化狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致用下，其內(nèi)部極化狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致電介質(zhì)出現(xiàn)與外加電場強(qiáng)度成正比的應(yīng)變現(xiàn)象。電介質(zhì)出現(xiàn)與外加電場強(qiáng)度成正比的應(yīng)變現(xiàn)象。86 常用的壓電體材料有四種：常用的壓電體材料有四種： 壓電晶體壓電晶體 壓電陶瓷壓電陶瓷 壓電高分子聚合物壓電高分子聚合物 復(fù)合壓電材料復(fù)合壓電材料 其中壓電晶體以石英晶體為代表，是生物其中壓電晶體以石英晶體為代表，是生物傳感器信號轉(zhuǎn)換器常用的材料。傳感器信號轉(zhuǎn)換器常用的材料。874.2 壓電效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理壓電效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理 1.1.石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng) 石英晶體石英晶體(SiO(SiO2 2) )之所以存在壓電效應(yīng)，與它的結(jié)

38、之所以存在壓電效應(yīng)，與它的結(jié)構(gòu)有關(guān)，石英晶體屬六方晶系，為一正六面體結(jié)構(gòu)。構(gòu)有關(guān)，石英晶體屬六方晶系，為一正六面體結(jié)構(gòu)。石英晶體有三個(gè)晶軸。石英晶體有三個(gè)晶軸。垂直于晶胞平面的垂直于晶胞平面的Z Z軸軸光軸（中性軸）；光軸（中性軸）；穿過晶胞平面六邊形對角頂?shù)拇┻^晶胞平面六邊形對角頂?shù)腦 X軸軸電軸；電軸；垂直于六邊形對邊的垂直于六邊形對邊的Y Y軸軸機(jī)械軸。機(jī)械軸。88 ( (a a) )石英晶體的外形石英晶體的外形 XY( (b b) )坐標(biāo)系坐標(biāo)系ZYZX 石英晶體石英晶體89+- - - -YXXY+( (a a) )硅氧離子在硅氧離子在Z Z平面上的投影平面上的投影（b b）等效為正

39、六邊形排列的投影）等效為正六邊形排列的投影硅氧離子的排列示意圖硅氧離子的排列示意圖 石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。圖中的。圖中“”代表代表SiSi4+4+，“”代表代表2O2O2-2-。 90Y+-X(a) FX=0P1P2P3 當(dāng)作用力當(dāng)作用力F FX X=0=0時(shí)，正、時(shí)，正、負(fù)離子（即負(fù)離子（即SiSi4+4+和和2O2O2-2-）正）正好分布在正六邊形頂角上，好分布在正六邊形頂角上，形成三個(gè)互成形成三個(gè)互成120120夾角的夾角的電偶極矩電偶極矩P P1 1、P P2 2、P P3 3，如圖，如圖（a a）所示。此時(shí)正負(fù)電荷）所示。

40、此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即量和等于零，即P P1 1P P2 2P P3 30 0 。（1 1）F FX X=0=091 晶體沿晶體沿X X 方向產(chǎn)生收縮，正、負(fù)電荷中心不方向產(chǎn)生收縮，正、負(fù)電荷中心不再重合。再重合。 ( (P P1+1+P P2+2+P P3)3)X X00， ( (P P1+1+P P2+2+P P3)3)Y Y=0, =0, ( (P P1+1+P P2+2+P P3)3)Z Z=0=0， X X 軸的正向出現(xiàn)正軸的正向出現(xiàn)正電荷，在電荷，在Y Y、Z Z 軸方向軸方向則不出現(xiàn)電荷。則不出現(xiàn)電荷。FXXY+FX (b) FX

41、0+-P1P2P3（2 2）F FX X0 092 在在X X軸的正向出現(xiàn)軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在負(fù)電荷，在Y Y、Z Z方向方向則不出現(xiàn)電荷。則不出現(xiàn)電荷。（P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+（3 3）F FX X 0 093Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0Y+-X-+FXFXP2P3P1+石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)原理圖石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)原理圖94 石英晶體受到石英晶體受到沿沿X軸方向的力軸方向的力Fx作用時(shí)，在作用時(shí)，在X方方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而Y、Z方向不產(chǎn)生方向不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)。95 晶體沿晶體沿Y 軸方向受

42、力軸方向受力FY作用下的情況與作用下的情況與FX相相似。當(dāng)似。當(dāng)FY0時(shí)，晶體的形變與圖（時(shí)，晶體的形變與圖（b）相似；當(dāng)）相似；當(dāng)FY0時(shí)，則與圖（時(shí)，則與圖（c）相似。）相似。 96 由此可見由此可見，晶體沿，晶體沿Y 軸方向受力作用時(shí)，同軸方向受力作用時(shí)，同樣在樣在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在Y、Z方向則不產(chǎn)方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，這就是為什么稱生壓電效應(yīng)，這就是為什么稱 X 軸為電軸，稱軸為電軸，稱 Y 軸為機(jī)械軸。軸為機(jī)械軸。 97 晶體沿晶體沿Z Z 軸方向受力軸方向受力F FZ Z的作用下，因?yàn)榫w的作用下，因?yàn)榫w沿沿X X方向和沿方向和沿Y Y方向所產(chǎn)生的應(yīng)變

43、完全相同，所方向所產(chǎn)生的應(yīng)變完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，石英晶體沿和等于零。這就表明，石英晶體沿Z Z ( (即光軸即光軸) )方向受力方向受力F FZ Z作用時(shí)，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，這就作用時(shí)，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，這就是為什么稱是為什么稱Z Z 軸為光軸。軸為光軸。 98FXFX+ + + + + +(a)(b)XX+ + + + + + + (c)(d)FYFYXX 石英晶體壓電效應(yīng)效果圖石英晶體壓電效應(yīng)效果圖(a)(a)、(b)(b)為縱向壓電效應(yīng)效果為縱向壓電效應(yīng)效果(c)(c)、(d)(d)為橫向壓電

44、效應(yīng)效果為橫向壓電效應(yīng)效果99 從石英晶體上切下一片平行六面體從石英晶體上切下一片平行六面體晶體晶體切片，使它的晶面分別平行于切片，使它的晶面分別平行于X X、Y Y、Z Z軸，如圖。軸，如圖。在垂直在垂直X X軸方向兩面用真空鍍膜或沉積法得到電軸方向兩面用真空鍍膜或沉積法得到電極面，接上引線即構(gòu)成壓電傳感器極面，接上引線即構(gòu)成壓電傳感器。zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)1004.3 4.3 壓電晶體諧振頻率變化公式壓電晶體諧振頻率變化公式 壓電石英晶體諧振頻率變化量與晶體表面均勻壓電石英晶體諧振頻率變化量與晶體表面均勻沉積的極薄層剛性物質(zhì)質(zhì)量之間成正比，即沉積的極薄層剛性物質(zhì)質(zhì)量之間成正比，即 是晶體吸附外來物質(zhì)后諧振頻率變化量（是晶體吸附外來物質(zhì)后諧振頻