第八章化學(xué)與生物傳感器4

1、 陳建元第八章化學(xué)與生物傳感器陳淑玲 072368胡相利 0723582022-3-183化學(xué)與生物傳感器328.1 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器38.2 生物傳感器生物傳感器2022-3-1818.0 引言引言2022-3-184 4引言引言化學(xué)與生物傳感器概念化學(xué)與生物傳感器概念2022-3-188.02022-3-185一、化學(xué)傳感器一、化學(xué)傳感器 應(yīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電化學(xué)現(xiàn)象及根據(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。 具有對待測化學(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)換為電信號的功能（轉(zhuǎn)換器功能）。5

2、2022-3-182022-3-186二、生物傳感器二、生物傳感器 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(xué)傳感器的子系統(tǒng)，此類傳感器檢測及測量的待分析物質(zhì)也可是純化學(xué)物質(zhì)(甚至是無機物)，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別元件在性質(zhì)上是生物質(zhì)。 62022-3-182022-3-187三三 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容本章對化學(xué)傳感器主要介紹離子敏感器件以及氣敏傳感器； 對生物傳感器將主要介紹酶、微生物、抗體等傳感器。72022-3-182022-3-1888.1 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

3、學(xué)傳感器。 根據(jù)轉(zhuǎn)換的電信號分類：電流型化學(xué)傳感器 ； 電位型化學(xué)傳感器 ；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。 82022-3-182022-3-1898.1.1 電位型化學(xué)傳感器原理有三種基本電化學(xué)過程適用于構(gòu)成傳感器：l電位法：測量零電流下的電池電位； l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； l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 2022-3-1892022-3-1810電位法102022-3-18圖8-1 將一金屬電極浸在電解液中為一半電池將一金屬條(例如銀)置于一含離子的溶液(如銀離子)中，沿

4、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。2022-3-1811 112022-3-18圖8-2 兩個半電池電極組合成一完整的電池該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(xué)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。2022-3-1812電動勢數(shù)值大小取決于幾個因素 ： 電極材料；電極材料； 各個半電池內(nèi)的溶液性質(zhì)及濃度各個半電池內(nèi)的溶液性質(zhì)及濃度 通過膜通

5、過膜(或鹽橋或鹽橋)的液體接界電位。的液體接界電位。 2022-3-18122022-3-1813 132022-3-18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）。 2022-3-1814 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(xué)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-

6、 溶液中還原性物質(zhì)濃度（活度）mol/L，金屬電極R=1。142022-3-18 ROExElg06. 002022-3-18158.1.2 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。 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 ISFET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(xué)敏感器件。152022-3-182022-3-1816ISFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理 MOFET的結(jié)構(gòu)和特性的結(jié)構(gòu)和特性 在柵極不加偏壓時，柵氧化層下面的硅是P型，而源漏是N型，故源漏之間不導(dǎo)通。 當(dāng)柵源之間加正向

7、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。 162022-3-18圖84 MOSFET 2022-3-1817 172022-3-18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。 圖85 N溝增強型MOSFET特性(a)輸出特性； (b)轉(zhuǎn)移

8、特性2022-3-1818182022-3-18 由圖可見，當(dāng)VGSVT時，MOSFET的表面溝道尚未形成，故無漏源電流；當(dāng)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(dāng)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。2022-3-1819二、離子敏傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理二、離子敏傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理192022-3-18圖86 敏感膜涂覆在MOSFET柵極上的ISFET示意圖1M

9、OSFET；2鉑膜；3敏感膜 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。2022-3-1820202022-3-18當(dāng)將ISFET插入溶液時，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(dāng)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）aViTSClg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

10、被測溶液中的離子活度的對數(shù)成線性關(guān)系。 2022-3-1821 212022-3-18 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。 根據(jù)電化學(xué)觀點，敏感膜與溶液界面可分為兩種情況：l 非極性界面 l 極性界面 2022-3-18221.非極性界面 222022-3-18 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。可以認(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

11、液時，在其界面處將會產(chǎn)生水化膠層，并存在如下平衡： 2022-3-1823232022-3-18 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。 圖87 ISFET 非極性界面電荷分布示意圖 右圖說明了溶液中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。2022-3-18242.極性界面 242022-3-18 這種界面不允許帶電粒子通過或傳遞極緩慢，此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(dāng)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

12、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88 ISFET極性界面電荷分布示意圖 2022-3-1825 ISFET的特點和應(yīng)用的特點和應(yīng)用 一一. ISFET的特點的特點 l具有MOSFET輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點 l全固態(tài)化結(jié)構(gòu)，體積小，重量輕，機械強度大，特別適合于生物體內(nèi)和高壓條件下的測量使用。 l敏感膜可以做得很薄使ISFET的水化時間很短，離子活度的響應(yīng)速度很快，響應(yīng)時間可小于1s。l有利于集成化和多種離子多功能化，易于將信息轉(zhuǎn)換部分、信號放大檢出部分與敏感器件集成，實現(xiàn)系統(tǒng)智能化、小型化和全固態(tài)化。l無離子敏感材料導(dǎo)電性問題，可在包括絕緣

13、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。 252022-3-182022-3-1826262022-3-18二、二、ISFET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，故它在生物醫(yī)學(xué)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 。（1）對生物體液中無機離子的檢測 （2）在環(huán)境保護中的應(yīng)用 （3）在其他方面的應(yīng)用 2022-3-1827813 氣敏傳感器氣敏傳感器272022-3-18一、氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機理一、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

14、導(dǎo)體，其導(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。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。2022-3-1828282022-3-18圖89 氣敏半導(dǎo)瓷吸附效應(yīng)模型（a）

15、燒結(jié)體模型；（b）（c）等效電路圖810 N型半導(dǎo)體吸附氣體時的器件阻值變化2022-3-1829292022-3-18 這類半導(dǎo)瓷氣敏電阻工作時通常都需要加熱到穩(wěn)定狀態(tài)的時 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。 SnO2氣敏半導(dǎo)瓷對許多可燃性氣體，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）

16、、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。 2022-3-1830302022-3-18二、電阻型氣敏器件電阻型氣敏器件1.燒結(jié)型氣敏器件燒結(jié)型氣敏器件 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)如下圖示。 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。 2022-3-18312.薄膜型氣敏器件薄膜型氣敏器件 薄膜型氣敏器件采

17、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。 結(jié)構(gòu)如右圖所示：312022-3-182022-3-18323.厚膜型氣敏器件厚膜型氣敏器件 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。 322022-3-182022-3-1833332022-3-18各種可燃性

18、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 ；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； 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2022-3-1834三、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。 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50100n

19、m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。圖814 MOS結(jié)構(gòu)和等效電路2022-3-1835 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(fù)偏壓方向平移，如圖8-15所示，據(jù)此可測定H2的濃度。 圖815 MOS結(jié)構(gòu)的C-V特性 a吸附H2前；b吸附H2后 2022-3-18362. PdMOSFET氣敏器件氣敏器件 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

20、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。2022-3-18378.1生物傳感器生物傳感器 20世紀(jì)70年代以來，生物醫(yī)學(xué)工程迅猛發(fā)展，作為檢測生物體內(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發(fā)了酶傳感器，并達(dá)到實用階段。20世紀(jì)70年代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(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 (B

21、iosensor)，一個典型的多學(xué)科交叉產(chǎn)物，導(dǎo)致了分析生物學(xué)技術(shù)的一場革命。 2022-3-1838 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(xué)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。 圖8-16生物傳感器傳感原理2022-3-1839 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(dāng)?shù)亟Y(jié)合起來。 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(dá)的信號轉(zhuǎn)換為電信號的

22、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)。 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，即分子識別元件分類法和器件分類法。如圖8-17所示 ： 2022-3-1840圖8-17 生物傳感器的分類2022-3-18418.1.1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，然后通過換能器將反應(yīng)過程中化學(xué)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

23、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。2022-3-1842酶反應(yīng)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)，表現(xiàn)出特異的催化功能，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。 酶催化的化學(xué)形式主要包括共價催化和酸堿催化。酶反應(yīng)具有高度專一性的特點，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) ，該特性由酶蛋白分子(特別是分子中的活性部位)結(jié)構(gòu)所決定的 。 2022-3-1843根據(jù)酶對底物專一性程度的不同，大致可分為三種類型：l 第一種類型的酶專一性較

24、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。l 第二種類型的酶僅對一種物質(zhì)有催化作用，它們對底物 的化學(xué)鍵及其兩端均有絕對要求。l 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)。 2022-3-1844酶傳感器酶傳感器 酶傳感器是由酶敏感膜和電化學(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。 酶的催化反應(yīng)可用下式表示 ：niiPTES1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。 2022-3-1845 按

25、輸出信號的不同，酶傳感器有兩種形式:l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；l電位型酶傳感器，通過電化學(xué)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。 2022-3-1846表81酶傳感器的種類 2022-3-1847葡萄糖酶傳感器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(xué)器件為Pt陽電極和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

26、氣的聚四氟乙烯膜，形成封閉式氧電極(見圖818 ) 圖818葡萄糖酶傳感器1-Pt陽極；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2022-3-1848 封閉式氧電極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 反應(yīng)過程中，以葡萄糖氧化酶(GOD)作為催化劑。 2022-3-1849 葡萄糖氧化時產(chǎn)生

27、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。 2022-3-18508.2.2 微生物傳感器微生物傳感器 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 。微生物反應(yīng)微生物反應(yīng) 一、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(xué)反應(yīng)的過程，即微生物反應(yīng)是將微生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:l

28、 同屬生化反應(yīng)，都在溫和條件下進行；l 凡是酶能催化的反應(yīng)，微生物也可以催化；l 催化速度接近，反應(yīng)動力學(xué)模式近似。 2022-3-1851微生物反應(yīng)的特殊性:l 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)長的時間內(nèi)保持一定的催化活性；l 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(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有：l微生物反應(yīng)通常伴隨自身生長，不容易建立分析標(biāo)準(zhǔn)；l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)；l環(huán)境條件變化會引起微生物生理狀態(tài)的復(fù)雜化，不適當(dāng) 的操作會導(dǎo)致代謝轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，出現(xiàn)不期望有的反應(yīng)。

29、2022-3-1852二、微生物反應(yīng)類型 1.同化與異化 根據(jù)微生物代謝流向劃分；2.自養(yǎng)與異養(yǎng) 根據(jù)微生物對營養(yǎng)的要求劃分；3.好氣性與厭氣性 根據(jù)微生物反應(yīng)對氧的需求與否劃分；4.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。 2022-3-1853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。 與酶傳感器相比： 優(yōu)點：有價格便宜、性能穩(wěn)定 缺點：響應(yīng)時間較長(數(shù)分鐘)，選擇性較差

30、。 微生物本身就是具有生命活性的細(xì)胞，有各種生理機能，主要是呼吸機能 和新陳代謝機能。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：2022-3-1854圖819微生物傳感器結(jié)構(gòu)2022-3-18551.呼吸機能型微生物傳感器 呼吸機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，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)，圖中把這種呼吸機能型微生物傳感器放入含有有機化合物的被測溶液

31、中，于是有機物向微生物膜擴散，而被微生物攝取 (稱為資化)。 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）陽極（Pb）5）02電極 6）透氧膜 7）護套2022-3-1856 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(dāng)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(dá)到新的穩(wěn)定電流值，說明氧的消耗量增加。導(dǎo)致向02電極擴散氧氣量減少，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(dá)到平衡時，得到相應(yīng)的穩(wěn)定電流值，可見該穩(wěn)定值與未添加營養(yǎng)時的電

32、流穩(wěn)定值之差與樣品中有機物濃度成正比。 圖821生物化學(xué)耗氧傳感器響應(yīng)曲線2022-3-18572.代謝機能型微生物傳感器 基本原理：微生物使有機物資化而產(chǎn)生各種代謝生成物。微生物傳感器的微生物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。 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。 2022-3-1858 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、

33、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，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。 2022-3-18598.2.3 免疫傳感器免疫傳感器免疫學(xué)反應(yīng)免疫學(xué)反應(yīng) 免疫是生物體具有的一種“生理防御、自身穩(wěn)定與免疫監(jiān)視”的生理功能 ,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)生的損傷細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞等，以維持生物體的健

34、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(xué)、熱學(xué)、電化學(xué)等方面。2022-3-1860一、抗原與抗體 抗原，就是能夠刺激動物體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)?？乖袃煞N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。 根據(jù)來源的不同，抗原又可以：l天然抗原 l人工抗原 l合成抗原 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。

35、2022-3-1861二、抗原的理性性狀 1.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(xì)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，或為直線型或為立體構(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，聚合態(tài)分子比單體分子的分子免疫性強。 2.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。近年來證明核酸也有抗原性。 2022-3-1862三、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。

36、 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。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(zhǔn)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 。 2022-3-1863免疫傳感器免疫傳感器 利用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，具有生物傳感器的普遍特點，還因其高特異性、高選擇性、測定準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、反應(yīng)速

37、度快等優(yōu)點，用于大量樣品分析和篩選。 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(biāo)識劑的化學(xué)放大?；瘜W(xué)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(dāng)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(xué)放大，根據(jù)這種原理制成的傳感器稱為酶免疫傳感器。 2022-3-1864一、電位式免疫傳感器 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)，反應(yīng)的結(jié)果使生物敏感膜的電位發(fā)生變化。 圖823為結(jié)構(gòu)原理圖，圖中2、3兩室間有固定化抗原膜，而1、3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(dāng)3

38、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。 圖8-23 電位式免疫傳感器結(jié)構(gòu)原理2022-3-1865二、壓電免疫傳感器 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(dāng)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

39、子的濃度。 圖824 一種質(zhì)量改變型壓電免疫傳感器 2022-3-1866 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(dá)到2.5MHz/mg，質(zhì)量敏感諧振器的分辨力可以達(dá)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。 2022-3-1867 采用石英微量稱重法可以測量許多參數(shù)：薄膜厚

40、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(xué)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件(surface acoustic wave , SAW)技術(shù)?？梢杂糜跈z驗微量多硝基爆炸物、化學(xué)戰(zhàn)劑和毒品。 2022-3-18688.2.4 生物組織傳感器生物組織傳感器 生物組織傳感器是以活的動植物組織細(xì)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：l 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(dāng)穩(wěn)定

41、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。l 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。l 組織識別元件制作簡便，一般不需要采用固定化技術(shù)。 2022-3-1869 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，分為植物組織傳感器和動物組織傳感器，但其實用化中還有一些問題，如選擇性差、動植物材料不易保存等。 表83幾種組織傳感器的構(gòu)成2022-3-18708.2.4 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(xué)變化且把光學(xué)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