1、第八篇 化學與生物傳感器81 化學傳感器811 電位型電化學傳感器原理812 離子敏感器件8121 ISFET的結構與工作原理8122 ISFET的特點和應用813 氣敏傳感器8131氣敏半導體材料的導電機理8132 電阻型氣敏器件 8133 非電阻型氣敏器件 82 生物傳感器 821 酶傳感器 8211 酶反應8212 酶傳感器822 微生物傳感器 8221 微生物反應 8222 微生物傳感器823 免疫傳感器 8231 免疫學反應 8232 免疫傳感器824 生物組織傳感器 825 光生物傳感器 思考題8化學與生物傳感器作為信息變換手段之一的化學傳感器，是應化學反應產生的電化學現象及根據化

2、學反應中產生的各種信息（如光效應、熱效應、場效應和質量變化）來設計的各種精密而靈敏的探測裝置。此類傳感器用于檢測及測量特定的某種或多種化學物質，因此化學傳感器必須具有對待測化學物質的形狀或分子結構選擇性俘獲的功能（接受器功能）和將俘獲的化學量有效轉換為電信號的功能（轉換器功能）。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。生物傳感器實際上是化學傳感器的子系統，但也常冠以其名單獨作專題考慮。此類傳感器檢測及測量的待分析物質也可是純化學物質(甚至是無機物)，盡管其生物組分是目標分析物，關鍵不同之處在于其識別元件在性質上是生物質。本章對化學傳感器主要介紹離子敏感器件和氣敏傳感器；對生

3、物傳感器將介紹酶、微生物、抗體等傳感器。1 / 3181 化學傳感器 化學傳感器包括電化學傳感器、光化學傳感器、質量化學傳感器和熱化學傳感器。 根據轉換的電信號種類不同，可將電化學傳感器分為電流型化學傳感器、電位型化學傳感器和電阻型化學傳感器。本節只涉及到電位型化學傳感器和電阻型化學傳感器，在生物傳感器一節中有關于光化學傳感器、質量化學傳感器的介紹。811 電位型電化學傳感器原理有三種基本電化學過程適用于構成傳感器：1電位法：測量零電流下的電池電位；2. 伏安法(電流法)：在電池電位間設置氧化(或還原)電位來測量電池的電流；3. 電導法：用一交流電橋方法來測量電池的電導。這里只討論電位法。將一

4、金屬條(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產生電荷分布(圖 8-1)，這就產生了人們所說的電子壓力，通常稱為電位。此電位不能直接測量取得，需要兩個這樣的電極與電解質的組合，其中每一個稱作半電池，這樣一個組合稱作電化學電池(圖 8-2)。兩組半電池內部通過一電導橋或膜將電路相連，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。電動勢數值大小取決于幾個因素：電極材料；各個半電池內的溶液性質及濃度；通過膜(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 兩個半電池電極組合成一完

5、整的電池圖 8-3 氫電極與其它半電池相連接在標準狀態，氫氣分壓為101325Pa，溫度為298K(25)，定義氫的標準電極電位為零（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）。溶液濃度與測量電極電位的關系由能斯特方程確定，基本能斯持方程是從基礎熱力學方程導出的對數關系式 式（8-1）式中 E-測量電極電位，V； E0-參考電極電位，V； Ox-溶液中氧化性物質濃度（活度），mol/L； R- 溶液中還原性物質濃度（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離子具有選擇敏感作用的場效應晶體管。它是

6、由離子選擇性電極（ISE）與金屬氧化物半導體場效應晶體管（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電化學敏感器件。8121 ISFET的結構與工作原理 為了介紹離子敏感器件的工作原理，必須對場效應晶體管的結構和特性有個基本了解。 一、MOFET的結構和特性 用半導體工藝制作的金屬氧化物半導體場效應晶體管的典型結構如圖8-4所示。它的襯底材料為P型硅。用擴散法做兩個N區，分別稱為源（S）和漏（D），在漏源之間的P型硅表面，生長一薄層SiO2，在SiO2上再蒸發一層金屬Al，稱為柵電極，用G所示。在柵極不加偏壓時，柵氧化層下面的硅是P型，而源

7、漏是N型，故源漏之間不導通。 圖84 MOSFET當柵源之間加正向偏壓VGS，且有VGSVT（閾電壓）時，則柵氧化層下面的硅就反型，從P型變為N型。這個N型區就將源區和漏區連接起來，起導電通道的作用，稱為溝道，此時MOSFET就進人工作狀態。這種類型稱為N溝道增強型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，其變化規律即MOSFET的電流電壓特性，圖8-5所示是其輸出特性和轉移特性曲線。所謂轉移特性曲線是指漏源電壓VDS一定時，漏源電流IDS與柵源電壓V

8、GS之間的關系曲線。由圖可見，當VGSVT時，MOSFET的表面溝道尚未形成，故無漏源電流；當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VDS0時，要使源和漏之間的半導體表面剛開始形成導電溝道時，所需加的柵源電壓。電壓的大小除了與襯底材料的性質有關外，還與SiO2層中的電荷數及金屬與半導體之間的功函數差有關，離子敏傳感器正是利用VT的這一特性來進行工作的。 圖85 N溝增強型MOSFET特性(a)輸出特性； (b)轉移特性 二、離子敏傳感器的結構與工作原理 前面我們已經簡要介紹了MOSFET的結構和特征。如果將普通的MOSFET的金屬柵去掉，讓絕緣體氧

9、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場效應晶體管是利用金屬柵上所加電壓大小來控制漏源電流的；ISFET則是利用其對溶液中離子有選擇作用而改變柵極電位，以此來控制漏源電流變化的。 當將ISFET插入溶液時，被測溶液與敏感膜接觸處就會產生一定的界面電勢，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表示響應離子的活度，則當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）

10、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，因此ISFET的閾值電壓與被測溶液中的離子活度的對數成線性關系。根據場效應晶體管的工作原理，漏源電流的大小又與VT的值有關。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的對數呈線性關系，于是就可以從中確定離子的活度。 關于ISFET的敏感膜對溶液中離子活度的響應機理，許多學者曾提出過各種理論解釋，目前尚在發展之中。下面我們以無機絕緣柵的ISFET為例，簡述其工作機理。 無機絕緣柵ISFET是將普通MOSFET的金屬柵去掉，使無機絕緣柵SiO2兼作敏感膜直接與溶液接觸，這種柵對溶液中的

11、H離子將產生響應。若在SiO2上再淀積一層無機物S3N4或Al2O3，則除了對H響應外，對N也有響應。 根據電化學觀點，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，界面產生電勢的大小取決于電子或離子的交換作用。可以認為，在HISFET的表面存在著SiOH、AlOH等羥基（中性基因），當HISFET浸漬于電解質溶液時，在其界面處將會產生水化膠層，并存在如下平衡：表面離解的MO基團和電解質溶液中一側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。其電荷分布的大致情況如圖8-7所示，它說明了溶液中

12、H離子濃度將對界面電勢產生影響，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的特點和應用 一、ISFET的特點 根據以上介紹的ISFET的結構和工作原理可知，它具有以下特點： （1）ISFET具有MOSFET輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點，因此器

13、件本身就能完成由高阻抗到低阻抗的變換，同時具有展寬頻帶和對信號進行放大的作用，這將使測量儀器大為簡化。 （2）ISFET是全固態化結構，因此具有體積小，重量輕，機械強度大等特點，特別適合于生物體內和高壓條件下的測量使用。 （3）由于利用了成熟的半導體微細加工工藝技術，并將敏感材料直接附著于半導體器件上，因此，敏感膜可以做得很薄，一般可小于100nm。這可使ISFET的水化時間很短，從而使離子活度的響應速度很快，響應時間可小于1s。 （4）由于ISFET是利用半導體集成電路工藝制造的，這對實現集成化和多種離子多功能化十分有利，易于將信息轉換部分和信號放大檢出部分與敏感器件集成在一塊芯片上，實現整

14、個系統的智能化、小型化和全固態化。 （5）由ISFET的結構特點可見，離子敏感材料與場效應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控制溝道中源漏電流變化的。因此，無需考慮離子敏感材料導電性問題，這就可在包括絕緣材料在內的廣泛材料領域中找到更多更好的離子敏感材料。 二、ISFET的應用 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域和微量離子，因此，它在生物醫學領域中具有很強的生命力。此外，在環境保護、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用，有關這方面的例子簡單介紹如下： （1）對生物體液中無機離子的檢測 臨床醫學和生理學

15、的主要檢查對象是人或動物的體液，其中包括血液、腦髓液、脊髓液、汗液和尿液等。體液中某種無機離子的微量變化都與身體某個器官的病變有關，因此，利用ISFET迅速而準確地檢測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。 （2）在環境保護中的應用 ISFET也廣泛應用在大氣污染的監測中。監測大氣污染的內容很多，譬如通過檢測雨水成分中各種離子的濃度，可以監測大氣污染的情況及查明污染的原因。另外，用ISFET對江河湖海中魚類及其他動物血液中有關離子的檢測，可以確定水域污染的情況及其對生物體的影響。用ISFET對植物不同生長期體內離子的檢測，可以研究植物在不同生長期對營養成分的需求情

16、況，以及土壤污染對植物生長的影響等。 （3）在其他方面的應用 由于ISFET具有小型化、全固態化的優點，因此對被檢樣品影響很小。這樣，在食品發酵工業中，可以用ISFET直接測量發酵面粉的酸堿度，隨時監視發酵情況和質量。又如，廚師用 ISFET通過對煮面面湯 pH值的測量和控制，可以做出美味可口的面條；使用微型ISFET既可隨時檢測水果的酸甜情況，又可保證水果完好無損；應用ISFET還可以檢測藥品純度以及洗滌劑的濃度。隨著對ISFET研制工作的廣泛深入開展，可以預期它的應用領域將越來越廣泛，地位也將越來越重要。813 氣敏傳感器早在20世紀30年代就已發現氧化亞銅的導電率隨水蒸氣的吸附而發生改變

17、，其后又發現其它許多金屬氧化物也都具有氣敏效應。20世紀 60年代研制成功了SnO2氣敏元件，從此進入了實用階段。這些金屬氧化物都是利用陶瓷工藝制成的具有半導體特性的材料，因此稱之謂半導體陶瓷（簡稱半導瓷）。由于半導瓷與半導體單晶相比，具有工藝簡單、制作方便、價格低廉等優點，因此已用它制作了多種具有實用價值的敏感元件，例如各種電阻型的氣敏器件，其敏感材料多是SnO2。此外，由于把對氫的敏感性，目前已發展了其它非電阻型的氣敏器件，例如把柵MOSFET等。本節主要討論用SnO2制作的三種電阻型氣敏器件，適當介紹其它氣敏器件。8131氣敏半導體材料的導電機理氣敏半導體材料SnO2是N型半導體，它的導

18、電機理可以用吸附效應來解釋。圖8-9（a）為燒結體N型半導瓷的模型，它是多晶體，晶粒內部電阻較低，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串聯而成的等效電路。由此可見，半導瓷氣敏電阻的阻值將隨吸附氣體的數量和種類而改變。 這類半導瓷氣敏電阻工作時通常都需要加熱，器件在加熱到穩定狀態的情況下，當有氣體吸附時，吸

19、附分子首先在表面自由地擴散，失去其功能。其間一部分分子蒸發，一部分分子就固定在吸附處。此時，如果材料的功函數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離子吸附；如果材料的功函數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。氧化型氣體圖8-10 N型半導體吸附氣體時的器件阻值變化吸附到N型半導體上，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型半導體上時所產生的器件阻值

20、變化情況，根據這一特性，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）、Mo（鉬粉、鉬酸）、Ga等雜質的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。圖89 氣敏半導瓷吸附效應模型（a）燒結體模型；（b）（c）等效電路 圖810 N型半導體吸附氣體時的器件阻值變化8132 電阻型氣敏器件 目前使用較廣泛的是電阻型氣敏器件，按其結構又可分為燒結型、薄膜型和厚膜型三種，下面分別予以介紹。 一、燒結型氣敏器件 這類器件以半導瓷SnO2為基體材

21、料（其粒度在1m以下），添加不同雜質，采用傳統制陶方法燒結。燒結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，加特制外殼構成器件。燒結型器件的結構示于圖8-11（a）。 燒結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用。 二、薄膜型氣敏器件 薄膜型氣敏器件的結構如圖8-11（b）所示，采用蒸發或濺射方法在石英基片上形成一薄層氧化物半導體薄膜。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，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

22、厚膜膠，把厚膜膠用絲網印制到事先安裝有鉑電極的Al2O3基片上，以400800燒結1小時制成。其結構如圖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，是一種有前途的器件。 以上三類氣敏器件都附有加熱器，在實用時，加熱器能使附著在探測部分油霧、塵埃等燒掉，同時加速氣體的吸附，從而提高了器件的靈敏度和響應速度。一般加熱到200400，具體溫度視摻雜質不同而異。這些氣敏器件的優點是：工藝簡單、價格便宜、使用方便、對氣體濃度變化時的響應快，即使在低濃度（3000mgkg）下，靈敏度也很高。其缺點在于：穩定性差、老化較快、氣體識別能力不強、各器件之間的特性差異大等。為了揚長

23、避短，目前正開展各項研究，以提高其氣體識別能力及穩定性。 圖811 電阻型氣敏器件結構（a）燒結型；（b）薄膜型；（c）厚膜型 各種可燃性氣體的濃度與SnO2半導瓷氣敏器件的電阻變化率的關系如圖8-12所示。對各種氣體的相對靈敏度，可通過不同的燒結條件和添加增感劑進行調整。一般說，燒結型SnO2氣敏器件在低濃度下靈敏度高，而高濃度下趨于穩定值。這一特點非常適宜檢測低濃度微量氣體。因此，這種器件常用來檢查可燃性氣體的泄漏、定限報警等。目前，檢測液化石油氣、管道煤氣、NH3等氣體泄漏傳感器已付諸實際應用。但是，由于選擇性比較差，在應用時還應充分考慮共存的其他氣體的影響。同時，其價格也應降到用戶能接

24、受的程度。 SnO2氣敏器件易受環境溫濕度的影響，圖8-13給出了溫濕度綜合特性曲線。由于環境溫濕度對氣敏器件的特性有影響，在使用時要加溫濕度補償，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氫氣敏感的把柵MOS場效應晶體管，PdSi、MIS二極管和PdMOS二極管等，這是氣敏器件發展中值得注意的動向。圖8-12 各種可燃氣體的濃度與氣敏器件電阻變化率的關系圖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場效應晶體管（MOSFE

25、T）的閾值電壓的變化等物理特性做成的半導體氣敏器件。這類器件可應用目前成熟的集成電路工藝來制造，其重復性和穩定性大為改善，性能價格比得以提高，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二極管的結構和等效電路示于圖8-14。在P型半導體硅芯片上，采用熱氧化工藝生長一層厚度為50100nm左右的SiO2層，然后再在其上蒸發一層金屬薄膜，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。所以總電容C是柵偏壓的函數，其函數關系稱為該MOS管的CV特性。由于Pd在吸附H2以后，會使它的功函數降低，這將引起MOS管的CV特性向負偏壓方向平移

26、，如圖8-15所示，據此可測定H2的濃度。圖814 MOS結構和等效電路圖815 MOS結構的C-V特性 a吸附H2前；b吸附H2后 二、PdMOSFET氣敏器件 關于MOSFET的結構和主要特性已在8.1.2節作了介紹PdMOSFET與普通MOSFET的主要區別在于用鈀Pd薄膜取代鋁Al膜作為柵電極。因為Pd對H2的吸附能力極強，而H2在Pd上的吸附將導致Pd的功函數降低。如前所述，閾電壓VT的大小與金屬和半導體之間的功函數差有關。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。82 生物傳感器 在生物圈中，存在數以千萬計的物質，它們影響著生物

27、學過程的各個方面，對這些物質進行快速自動分析，是科學家們夢寐以求的目標。20世紀70年代以來，生物醫學工程迅猛發展，作為檢測生物體內化學成分的各種生物傳感器不斷出現。20世紀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了酶傳感器，并達到實用階段。20世紀70年代又研制出微生物傳感器、免疫傳感器等。在過去的20多年中，生物學與物理學、化學融為一體，產生了新一代的裝置-生物傳感器 (Biosensor)，一個典型的多學科交叉產物，導致了分析生物學技術的一場革命。目前，生物傳感器的概念得到公認，作為傳感器的一個分文，它從化學傳感器中獨立出來。 生物傳感器是利用各種生物或生物物質做成的，用以

28、檢測與識別生物體內的化學成分的傳感器，生物或生物物質是指酶、微生物、抗體等，生物傳感器的傳感原理如圖8-16表示。待測物質經擴散作用進入固定生物敏感膜層，經分子識別，發生生物學反應 (物理、化學變化)，產生的物理、化學信息繼而被相應的化學或物理換能器轉變成可定量、可傳輸、可處理的電信號，再經二次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度。根據生物反應的奇異和多樣性，從理論上講可以制造出測定所有生物物質的多種多樣的生物傳感器。這類生物傳感器是在無試劑條件下工作的(緩沖液除外)，比各種傳統的生物學和化學分析法操作簡便、快速、準確，可連續測量、分析、聯機操作、直接顯示與讀出測試結果。圖8-16生物傳感器傳感

29、原理 生物傳感器的分類和命名方法較多且不盡統一，主要有兩種分類法，即分子識別元件分類法和器件分類法。按所用生物活性物質(分子識別元件)的不同，可以將生物傳感器分為五大類 ，即酶傳感器 (enzyme sensor)、微生物傳感器 (microbial sensor)、免疫傳感器 (immunol sensor)、組織傳感器 (tissue sensor)和細胞器傳感器 (organelle sensor)；按器件分類是依據所用變換器器件不同對生物傳感器進行分類，即生物電極 (bioelectrode)、半導體生物傳感器 (Semiconduct biosensor)、光生物傳感器 (optic

30、al biosensor)、熱生物傳感器 (calorimetric biosensor)、壓電晶體生物傳感器 (piezo-electric biosensor)。關于個別生物傳感器的命名，一般采用 功能+構成特征的方法，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 分子識別部分 信號轉換部分 按信號轉換器分類半導體生物傳感器電化學生物傳感器酶傳感器微生物傳感器免疫傳感器細胞傳感器組織傳感器酶 電化學測定裝置微生物 場效應晶體管 光纖抗體或抗原 光敏二極管細胞器 熱敏電阻動、植物組織 SAW裝置測光型生物傳感器測熱型生物傳感器測聲

31、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，而生物反應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。生物傳感器的任務是如何將生物反應與傳感器技術恰當地結合起來。當前，將生物工程技術與半導體技術、電子技術結合起來，利用生物體的奇特功能，制造出類似于生物感覺器官的各種傳感器，這將是國內外傳感器技術研究的一個新的研究課題，是傳感器技術的新發展，具有很重要的現實意義。本章將介紹一些具有代表性的生物傳感器。 821 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

32、解，然后通過換能器將反應過程中化學物質的變化轉變為電信號記錄下來，進而推出相應的生物分子濃度。因此，酶傳感器是間接型傳感器，它不是直接測定待測物質，而是通過對反應有關物質的濃度測定來推斷底物的濃度。 8211 酶反應 酶是生物體內產生并具有催化活性的一類蛋白質，此類蛋白質表現出特異的催化功能，因此，酶被稱為生物催化劑。酶在生命活動中起著極為重要的作用，它們參加新陳代謝過程中的所有生化反應，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、發育、繁殖與運動。酶與一般催化劑相同，在相對濃度較低時，僅能影響化學反應的速度，而不改變反應的平衡點，反應前后其組成與質量均不發生明顯改變。酶催化的化

33、學形式主要包括共價催化和酸堿催化。在共價催化中，酶與底物形成反應活性很高的共價中間物，這個中間物很容易變成轉變態，故反應的活化能大大降低，底物可以越過較低的“能閥”形成產物。酸堿催化廣義地指質子供體及質子受體的催化，發生在細胞內的許多反應都是酸堿催化的。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等。酶催化效率高，每分鐘每個酶分子能轉換103106個底物分子，以分子比為基礎，其催化效率是其他催化劑的1071013倍。酶是蛋白質，其催化一般在溫和條件下進行，極端的環境條件 (如高溫、酸堿)會使酶失活。酶反應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 (被酶作用的物質

34、稱為底物)，因而有“一種酶，一種(類)底物”之說。非酶融催化劑對作用物沒有如此嚴格的選擇性，如H+可以催化淀粉、脂肪和蛋白質等水解，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)結構所決定的，根據酶對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，能作用結構類似的一系列底物，可分為族專一性和鍵專一性兩種。族專一性酶對底物的化學鍵及其一端有絕對要求，對鍵的另一端只有相對要求；鍵專一性酶對底物分子的化學鍵有絕對要求，而對鍵的兩端只有相對要求。 第二種類型的酶僅對一種物質有催化作用，它們對底物的化學鍵及其兩端均有絕對要求。第三種類型的酶具有立體

35、專一性，這類酶不僅要求底物有一定的化學結構，而且要有一定的立體結構。8212 酶傳感器酶傳感器是由酶敏感膜和電化學器件構成的，利用酶的特性可以制造出高靈敏度、選擇性好的傳感器。應該指出，酶傳感器中酶敏感膜使用的酶是將各種微生物通過復雜工序精煉出來的，因此，其造價很高，性能也不太穩定。酶的催化反應可用下式表示 式中 S待測物質； E酶； T反應溫度，單位； Pi第i個產物。 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。 按輸出信號的不同，酶傳感器有兩種形式:一是電流型酶傳感器，根據與酶催化反應有關物質的電極反應所得到的電流，來確定反應物的濃度，通常都用氧電極

36、、H202電極等；二是電位型酶傳感器，通過電化學傳感器件測量敏感膜電位來確定與催化反應有關的各種物質濃度，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。表81酶傳感器的種類檢測方式被測物質酶檢出物質電流型氧檢測方式葡萄糖葡萄糖氧化酶O2過氧化氫過氧化氫酶O2尿酸尿酸氧化酶O2膽固醇膽固醇氧化酶O2過氧化氫檢測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

37、氨酸脫氧酶NH4-青霉素青霉素酶H- 下面以葡萄糖酶傳感器為例說明其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氣的聚四氟乙烯膜，形成封閉式氧電極(見圖818 )。它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，它浸人蛋白質的介質中，蛋白質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生過氧化氫 (H2O2)，其反應式為 葡萄糖HO2+O2葡萄糖酸H

38、2O2 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-半透膜致密層反應過程中，以葡萄糖氧化酶(GOD)作為催化劑。在上式中，葡萄糖氧化時產生H202，它們通過選擇性透氣膜，在Pt電極上氧化，產生陽極電流，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 8221 微生物反應 (1)微生物反應的特點 微生物反應過程是利用生長微生物進行生物化學反應的過程，即微生物反應是將微生物作為生物催化劑進行的反

39、應，酶在微生物反應中起最基本的催化作用。微生物反應與酶反應有幾個共同點:同屬生化反應，都在溫和條件下進行；凡是酶能催化的反應，微生物也可以催化；催化速度接近，反應動力學模式近似。 微生物反應在下述方面又有其特殊性:微生物細胞的膜系統為酶反應提供了天然的適宜環境，細胞可以在相當長的時間內保持一定的催化活性；在多底物反應時，微生物顯然比單純酶更適宜作催化劑，細胞本身能提供酶反應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：微生物反應通常伴隨自身生長，不容易建立分析標準；細胞是多酶系統，許多代謝途徑并存，難以排除不必要的反應；環境條件變化會引起微生物生理狀態的復雜化，不適當的操作會導致代謝轉

40、換現象，出現不期望有的反應。 (2)微生物反應類型 同化與異化 根據微生物代謝流向可以分為同化作用和異化作用。 在微生物反應過程中，細胞與環境不斷地進行物質和能量的交換，其方向和速度受各種因素的調節，以適應體內外環境的變化。細胞將底物攝人并通過一系列生化反應轉變成自身的組成物質，并儲存能量，稱為同化作用或組成代謝 (assimilation)；反之，細胞將自身的組成物質分解以釋放能量或排出體外，稱為異化作用或分解代謝 (dissimilation)。 自養與異養 根據微生物對營養的要求，微生物反應又可分為自養性與異養性。自養微生物以C02作為主要碳源，無機氮化物作為氮源，通過細菌的光合作用或化

41、能合成作用獲得能量。異養微生物以有機物作碳源，無機物或有機物作為氮源，通過氧化有機物獲得能量。絕大多數微生物種類都屬于異養型。 好氣性與厭氣性 根據微生物反應對氧的需求與否可以分為好氧反應和厭氧反應。微生物反應生長過程中需要氧氣的稱為好氧反應；微生物反應生長過程中不需要氧氣，而需要CO2的稱為厭氧反應，也稱二者為好氣性與厭氣性。 細胞能量的產生與轉移 微生物反應所產生的能大部分轉移為高能化合物。所謂高能化合物是指轉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移的關鍵物質，直接參與各種代謝反應的能量轉移。8222 微生物傳感器用微生物作為分子識別元

42、件制成的傳感器稱為微生物傳感器。微生物傳感器與酶傳感器相比有價格便宜、性能穩定的優點，但其響應時間較長(數分鐘)，選擇性較差。目前微生物傳感器已成功地應用于發酵工業和環境檢測中，例如測定江水及廢水污染程度，在醫學中可測量血清中微量氨基酸，有效地診斷尿毒癥和糖尿病等。微生物本身就是具有生命活性的細胞，有各種生理機能，其主要機能是呼吸機能 (02的消耗)和新陳代謝機能 (物質的合成與分解)。還有菌體內的復合酶、能量再生系統等。因此在不損壞微生物機能情況下，可將微生物用固定化技術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

43、吸機能型和代謝機能型，微生物傳感器結構如圖819所示 氧電極O2O2陽極底物 固定化微生物 鉑陰極O2 （a）呼吸機能型 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） 代謝機能型 圖819微生物傳感器結構(1)呼吸機能型微生物傳感器 微生物呼吸機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，因此可通過測量氧氣來控制呼吸機能，并了解其生理狀態；而厭氣性微生物相反，它不需要氧氣，氧氣存在會妨礙微生物生長，而可以通過測量碳酸氣消耗及其他生成物來探知生理狀態。由此可知，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

44、。在應用氧電極時，把微生物放在纖維性蛋白質中固化處理，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中，于是有機物向微生物膜擴散，而被微生物攝取 (稱為資化)。由于微生物呼吸量與有機物資化前后不同，可通過測量02電極轉變為擴散電流值，從而間接測定有機物濃度。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。測量系統包括：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）、

45、蠕動泵、自動采樣器和記錄儀。圖821為這種傳感器的響應曲線，曲線穩定電流值表示傳感器放入待測溶解氧飽和狀態緩沖溶液中(磷酸鹽緩沖液)微生物的吸收水平。當溶液加入葡萄糖或谷氨酸等營養膜后，電流迅速下降，并達到新的穩定電流值，這說明微生物在資化葡萄糖等營養源時呼吸機能增加，即氧的消耗量增加。導致向02電極擴散氧氣量減少，使電流值下降，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到平衡時，便得到相應的穩定電流值。由此可見，這個穩定值與未添加營養時的電流穩定值之差與樣品中有機物濃度成正比。 圖 820 生物化學耗氧量傳感器1）微生物固定化膜 2）電解液 3）陰極（Au） 4）陽極（

46、Pb）5）02電極 6）透氧膜 7）護套 圖821生物化學耗氧傳感器響應曲線(2)代謝機能型微生物傳感器 代謝機能型微生物傳感器的基本原理是微生物使有機物資化而產生各種代謝生成物。這些代謝生成物中，含有遇電極產生電化學反應的物質 (即電極活性物質)。因此，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)相結合就構成了代謝機能型微生物傳感器，圖822為甲酸傳感器結構示意圖。將產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。當傳感器浸入含有甲酸的溶液時，甲酸通過聚四氟乙烯

47、膜向酪酸梭狀芽菌擴散，被資化后產生H2，而H2又穿過Pt電極表面上的聚四氟乙烯膜與Pt電極產生氧化反應而產生電流，此電流與微生物所產生的H2含量成正比，而H2量又與待測甲酸濃度有關，因此傳感器能測定發酵溶液中的甲酸濃度。圖822甲酸傳感器結構1-圓環；-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。 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器件穩定性/d響應時間/min測量范圍/mgL葡萄糖P.fluoreseens包埋法O2電極14以上105210脂化糖B.lactofermemtem吸

48、附法O2電極2010202102 甲醇未固定菌吸附法O2電極30105210乙醇T.brassicae吸附法O2電極30105310醋酸T.brassicae吸附法O2電極201010102蟻酸C.butyricum包埋法燃料電池303013102谷酰氨酸E.coli吸附法CO2電極205108102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105510990胺硝化菌吸附法O2電極205545制霉菌素S.cerrvisiae吸附法

49、O2電極6018102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包埋法pH電池7以上101025102BODT.cmaneum包埋法O2電極30105310菌數燃料電池60151061011（個/ml）823 免疫傳感器 8231 免疫學反應 (1)抗原與抗體 所謂抗原，就是能夠刺激動物體產生免疫反應的物質。從廣義的生物學觀點看，凡是引起免疫反應性能的物質，都可稱為抗原。抗原有兩種功能:刺激機體產生免疫應答反應和與相應免疫反應產物發生異性結合反應。前一種性能稱為免疫原性，后一種性能稱為反

50、應原性。通常，根據來源的不同，抗原又可以分為如下幾種： 天然抗原 來源于微生物和動植物，包括細菌、病毒、血細胞、花粉、可溶性抗原毒素、類毒素、血清蛋、蛋白質、糖蛋白、脂蛋白等。 人工抗原 經化學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合蛋白。 合成抗原 合成抗原是化學合成的多肽分子。所謂抗體，就是由抗原刺激機體產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。 (2)抗原的理性性狀 物理性狀 完全抗原的分子量較大，通常在一萬以上，分子量越大，其表面積相應

51、擴大，接觸免疫系統細胞的機會增多，因而免疫原性也就增強。抗原均具有一定的分子構型，或為直線型或為立體構型。一般認為環狀構型比直線排列的分子免疫性強，聚合態分子比單體分子的分子免疫性強。 化學組成 自然界中絕大多數抗原都是蛋白質，即可以是純蛋白也可以是結合蛋白。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。 (3)抗原-抗體反應 抗原-抗體結合時將發生凝聚、沉淀、溶解反應和促進吞噬抗原顆粒的作用。 抗原與抗體的特異性結合點位于Eabl鏈及H鏈的高變區，又稱抗體活性中心，其構型取決于抗原決定簇的空間位置，兩者可形成互補性構型。在溶液中，抗

52、原和抗體兩個分子的表面電荷與介質中離子形成雙層離子云，內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生作用，抗原與抗體分子結合時對位應十分準確：一是結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。 抗原與抗體結合盡管是穩固的，但也是可逆的。某些酶能促使逆反應，抗原抗體復合物解離時，都保持自己本來的特性。8232 免疫傳感器免疫傳感器是生物傳感器領域中發展較快的分支，它除具有生物傳感器的普遍特點外，還因其高特異性、高選擇性、測定準確度高、重復性好、反應速度快等優點，用于大量樣品分析和篩選。利用抗體能識別抗原并與抗原結合的功能而制成的生物傳感器稱為免疫傳感器，免疫傳感器的基本原理是免疫反應。把免疫傳感器的敏感膜與酶免疫分析法結合起來進行超微量測量，它是利用酶為標識劑的化學放大。化學放大就是指微量酶(E)使少量基質(S)生成多量生成物(P)。當酶是被測物時，一個E應相對許多P，測量P對E來說就是化學放大，根據這種原理制成的傳感器稱為酶免疫傳感器。目前正在研究的診斷癌癥用的傳感器把01-甲胎蛋白(AFP)作為癌診斷指標，它將AFP的抗體固定在膜上組成酶免疫傳感器，可檢測1O-9gAFP，這是一種非放射性超微量測量方法。電位式免疫傳感器是利用固定化抗體(或抗原)膜與相應的抗原(或抗體)的特異反應，