1、離子敏傳感器及生物傳感器應(yīng)用 如圖所示是ELIT雙電極組合系統(tǒng)，是由插入式全固態(tài)離子選擇電極、8mm參比電極和雙極組合插座組成，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的復(fù)合電極，有效地達(dá)到了高率益、低成本和實(shí)用性的最佳化。第14章 離子敏傳感器與生物傳感器 圖示為英飛凌科技與德國(guó)馬克思浦朗克研究所合作研發(fā)的具有活神經(jīng)細(xì)胞的生物傳感器芯片，可讀取細(xì)胞所發(fā)出的電子訊號(hào)。第14章 離子敏傳感器與生物傳感器 這種被英飛凌稱為“神經(jīng)芯片”的突破技術(shù)，將有助于研究人員在神經(jīng)元、神經(jīng)組織及有機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方面獲得新發(fā)現(xiàn)。在藥物發(fā)展領(lǐng)域中，此種神經(jīng)芯片將有助于測(cè)試活神經(jīng)元新藥物配方的功效。第14章 離子敏傳感器與生物傳感器 SBA-4

2、0型生物傳感分析儀如圖所示，是快速、精確測(cè)定葡萄糖、L-乳酸和谷氨酸的雙指標(biāo)智能化儀表，國(guó)家級(jí)重點(diǎn)新產(chǎn)品，通過更換不同的酶膜，可以同時(shí)得到上述任兩種成分的定量分析結(jié)果。第14章 離子敏傳感器與生物傳感器14.1 離子敏傳感器14.2 生物傳感器14.1 離子敏傳感器 離子敏傳感器是一種電化學(xué)敏感器件，是最早研究開發(fā)應(yīng)用的一類化學(xué)傳感器，它能在復(fù)雜的被測(cè)物質(zhì)中迅速、靈敏、定量地測(cè)出離子或中性分子的濃度。其中，離子選擇電極(ISE)已在化學(xué)、環(huán)保、醫(yī)藥、食品及生物工程等工業(yè)領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)及微電子技術(shù)與微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，離子敏場(chǎng)效應(yīng)管等也得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用。14.1 離子

3、敏傳感器離子敏傳感器的原理框圖如圖所示。14.1 離子敏傳感器 離子傳感器技術(shù)的進(jìn)步取決于敏感膜與換能器，因此離子傳感器的分類通常是根據(jù)敏感膜的種類或換能器的類型來劃分的。 根據(jù)敏感膜的種類，可劃分為玻璃膜式、固態(tài)膜式、液態(tài)膜式、以離子傳感器為基本體的隔膜式等。 根據(jù)換能器的類型，可劃分為電極型、場(chǎng)效應(yīng)晶體管型、光導(dǎo)纖維型、聲表面波型等。14.1 離子敏傳感器14.1.1 離子選擇電極14.1.2 離子敏場(chǎng)效應(yīng)管14.1.3 離子敏傳感器的應(yīng)用14.1.1 離子選擇電極 離子選擇電極法是指使用離子選擇電極作指示電極的電位分析方法，是電化學(xué)分析的重要分支。它具有快捷、準(zhǔn)確、精密度高、操作簡(jiǎn)單、儀

4、器體積小、適于連續(xù)操作等特點(diǎn)，且電極不受樣品顏色、濁度、懸浮物或粘度的干擾。已被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室痕量分析、常規(guī)離子分析及環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。 現(xiàn)代離子電極定量分析方法的理論基礎(chǔ)是描述電極電勢(shì)與溶液組分關(guān)系的表達(dá)式Nernst方程。14.1.1 離子選擇電極 1.離子電極結(jié)構(gòu) 內(nèi)參比電極封入一個(gè)塑料或玻璃材質(zhì)的無反應(yīng)性容器中，并浸在容器中的內(nèi)參比溶液里。在容器的下端用一塊離子選擇性膜封閉，使離子選擇電極的溶液與外界隔離。 不同的離子選擇電極其膜的物理性質(zhì)也不同，離子選擇電極的選擇性即源于離子選擇性膜。14.1.1 離子選擇電極 2.離子選擇電極工作原理 當(dāng)把離子選擇電極浸入溶液時(shí)，若溶液中含有能透過

5、離子選擇性膜的離子，且內(nèi)參比溶液中該離子的濃度與樣品溶液中的濃度不相等時(shí)，該種離子從高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)擴(kuò)散，就在離子選擇性膜兩側(cè)產(chǎn)生了電位差，該電位差依賴于樣品溶液中離子活度及內(nèi)參比溶液中離子的活度，為14.1.1 離子選擇電極 式中，n為被測(cè)離子上的基本電荷數(shù)，即相當(dāng)于n個(gè)質(zhì)子的電荷；ai為樣品中的離子活度，aj為內(nèi)參比溶液中的離子活度；T為溫度；R為氣體常數(shù)；F為法拉弟常數(shù)。14.1.1 離子選擇電極 3.離子的活度 電解質(zhì)溶液中某種離子的體積濃度是化學(xué)計(jì)量濃度，以Ci表示，活度是指有效體積濃度，以ai表示。二者是有區(qū)別的，例如濃度為/L的NaCl溶液其活度卻為/L。活度與體積濃度的關(guān)

6、系為式中，ui為離子的活度系數(shù)，一般ui1，只有當(dāng)Ci趨于零時(shí)，ui=1。14.1.1 離子選擇電極 如圖所示，通過一個(gè)高輸入阻抗的電位測(cè)量裝置測(cè)量離子選擇電極和參比電極之間的電位差即可知道離子濃度。 前面公式是在電極僅對(duì)被測(cè)離子響應(yīng)的前提下得出的。然而離子選擇電極常常對(duì)其他離子也有響應(yīng)，則輸出將受其他離子的影響。14.1 離子敏傳感器14.1.1 離子選擇電極14.1.2 離子敏場(chǎng)效應(yīng)管14.1.3 離子敏傳感器的應(yīng)用14.1.2 離子敏場(chǎng)效應(yīng)管 離子敏場(chǎng)效應(yīng)管ISFET傳感器是在金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)基礎(chǔ)上制成的對(duì)特定離子敏感的離子檢測(cè)器件，是集半導(dǎo)體制造工藝和普通離子電極

7、特性于一體的傳感器，其結(jié)構(gòu)與普通的MOSFET類似。在ISFET中由特定的離子敏感膜、被測(cè)電解液及參比電極代替了MOSFET的金屬柵極。14.1.2 離子敏場(chǎng)效應(yīng)管 1.ISFET傳感器的結(jié)構(gòu)與原理 離子選擇電極是利用離子感應(yīng)膜產(chǎn)生的膜電位(也稱為界面電位)來進(jìn)行檢測(cè)的。用離子感應(yīng)膜來取代MOSFET的金屬柵極，得到ISFET。溶液中的特定離子能使膜兩側(cè)產(chǎn)生膜電位差，此電位差又能引起溝道電流變化。所以ISFET傳感器是集半導(dǎo)體制造工藝和普通離子電極特性于一體的新型傳感器。14.1.2 離子敏場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的結(jié)構(gòu)如圖所示。14.1.2 離子敏場(chǎng)效應(yīng)管 ISFET的結(jié)構(gòu)如圖所示，和MOSFE

8、T相比，用離子敏感膜代替了金屬柵極。14.1.2 離子敏場(chǎng)效應(yīng)管 電壓電流關(guān)系如圖所示。在飽和區(qū)，Id與Uds無關(guān)，僅取決于Ugs。若外加Ugs不變，因離子濃度改變導(dǎo)致膜兩側(cè)出現(xiàn)電勢(shì)差，Id將改變。14.1 離子敏傳感器14.1.1 離子選擇電極14.1.2 離子敏場(chǎng)效應(yīng)管14.1.3 離子敏傳感器的應(yīng)用14.1.3 離子敏傳感器的應(yīng)用 1.離子選擇電極的應(yīng)用 主要應(yīng)用范圍分為下列三大類 實(shí)驗(yàn)室的分析； 工業(yè)流程的分析； 醫(yī)學(xué)上的分析。14.1.3 離子敏傳感器的應(yīng)用 離子選擇電極直接響應(yīng)溶液中的離子組分，因此應(yīng)用離子電極對(duì)溶液體系(例如各種水質(zhì)、工業(yè)流程溶液、生理溶液等)進(jìn)行分析是最為方便的

9、。固體樣品(例如礦石、土壤、生物組織等)可經(jīng)過溶解、浸取或消煮后進(jìn)行測(cè)定，氣體組分或大氣中的微?？捎萌芤何蘸筮M(jìn)行測(cè)定。使用氣敏電極還可直接測(cè)定溶液中的氣體組分(NH3、CO2、NOx及SO2等)。離子選擇電極還可用來測(cè)定許多有機(jī)化合物(例如氨基酸、扁桃苷、腦甾醇、尿素、青霉素等)。14.1.3 離子敏傳感器的應(yīng)用 例如，土壤中氯含量的測(cè)定。長(zhǎng)期以來采用汞量滴定法或銀量滴定法。由于土壤提取液本身比較渾濁，故妨礙了滴定分析。采用氯離子選擇電極進(jìn)行土壤中氯的測(cè)定則不受干擾。 再比如測(cè)水泥生、熟料中二氧化硅的含量等。14.1.3 離子敏傳感器的應(yīng)用 一種工業(yè)流程自動(dòng)電位滴定系統(tǒng)如圖所示。IR是由IS

10、E和參比電極構(gòu)成的復(fù)合電極，TE為溫度計(jì)，APT為自動(dòng)電位滴定儀，內(nèi)設(shè)時(shí)間控制程序，F(xiàn)T為流量變送器，SV為取樣閥。14.1.3 離子敏傳感器的應(yīng)用 先加樣品，由SV1的啟、停時(shí)間和FT1給出的流速可知樣品加入量Vx。之后SV2開啟，加入滴定試劑，通過ISE指示滴定終點(diǎn)。到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，SV2自動(dòng)關(guān)閉。由SV2的啟、停時(shí)間和FT2給出的流速可知滴定試劑的加入量Vs。14.1.3 離子敏傳感器的應(yīng)用 滴定試劑的濃度Cs已知，由此可求得樣品的濃度Cx。最后SV3開啟放掉溶液，SV1又重新開啟，重復(fù)上述滴定過程。分析結(jié)果由記錄儀給出。需要自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，分析結(jié)果信號(hào)可送至調(diào)節(jié)器去控制調(diào)節(jié)閥。上述整個(gè)滴定過程

11、和數(shù)據(jù)處理可由微機(jī)完成。14.1.3 離子敏傳感器的應(yīng)用 2.離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)用 離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)在生物醫(yī)學(xué)上取得了廣泛的應(yīng)用，這是由于它具有體積小、反應(yīng)快、使用方便等特點(diǎn)，能迅速測(cè)定人體中血液、尿、汗、淋巴、唾液、腦髓液、骨髓、胃液中的成分，為臨床診斷提供可靠依據(jù)。14.1.3 離子敏傳感器的應(yīng)用 實(shí)用的探針式ISFET器件，漏源柵區(qū)被設(shè)計(jì)成平行長(zhǎng)條形，用集成工藝技術(shù)制造。敏感膜在針端部，用SiO2和Si3N4絕緣，以防止離子浸入，最外面覆蓋離子敏感層(譬如測(cè)Na用硅酸鋁)。ISFET做成的微型探針嵌入注射器針頭內(nèi)，可直接監(jiān)測(cè)生物體內(nèi)所需部位的瞬態(tài)離子狀況。 目前做成的

12、微型結(jié)構(gòu)，端部寬僅30mm，可插入細(xì)胞中直接測(cè)量像神經(jīng)細(xì)胞等隨著興奮狀態(tài)變化的離子濃度變化情況，能鑒別正常細(xì)胞與癌細(xì)胞。14.1.3 離子敏傳感器的應(yīng)用 利用集成化技術(shù)做成的多功能ISFET，在同一探頭上可以同時(shí)測(cè)量和綜合診斷。例如用多功能的ISFET可同時(shí)測(cè)出兔子頭蓋骨內(nèi)pH和pNa在停止呼吸四分鐘時(shí)有瞬時(shí)增加的現(xiàn)象，如圖所示。14.1 離子敏傳感器14.1.1 離子選擇電極14.1.2 離子敏場(chǎng)效應(yīng)管14.1.3 離子敏傳感器的應(yīng)用第14章 離子敏傳感器與生物傳感器14.1 離子敏傳感器14.2 生物傳感器14.2 生物傳感器 生物傳感器是利用酶、抗體、微生物等作為傳感材料，將所感受到的生

13、物體轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器。由兩部分組成：固定化的生物大分子作識(shí)別元件(或稱為感受器)；適當(dāng)?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換器，稱基礎(chǔ)電極或內(nèi)敏感器(如電流或電位測(cè)量電極、氧電極、場(chǎng)效應(yīng)管、光纖等)，是一個(gè)電化學(xué)或光學(xué)檢測(cè)元件。當(dāng)分子識(shí)別元件與底物(待測(cè)物)特異結(jié)合后，所產(chǎn)生的復(fù)合物(或光、熱等)通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭娦盘?hào)、光信號(hào)，從而達(dá)到分析檢測(cè)的目的。14.2 生物傳感器14.2.1 生物傳感器的特點(diǎn)、原理及分類14.2.2 酶?jìng)鞲衅?4.2.3 微生物傳感器14.2.4 免疫傳感器14.2.5 組織傳感器14.2.6 生物電子學(xué)傳感器14.2.7 仿生傳感器 14.2.8 生物傳感器的應(yīng)用 14.2

14、.9 生物芯片技術(shù)14.2.1 生物傳感器的特點(diǎn)、原理及分類 1.生物傳感器的特點(diǎn) 生物傳感器是利用酶、抗體、微生物等作為元件敏感材料，故采用不同的生物物質(zhì)，可有選擇地對(duì)特定物質(zhì)響應(yīng)。如酶識(shí)別酶作用物、抗體識(shí)別抗原、核酸識(shí)別形成互補(bǔ)堿基對(duì)的核酸等。和普通化學(xué)分析方法相比，生物傳感器具有如下特點(diǎn) 選擇性好，只對(duì)特定的被測(cè)物質(zhì)起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響；14.2.1 生物傳感器的特點(diǎn)、原理及分類 操作簡(jiǎn)單，需樣品量少，能直接完成測(cè)定； 經(jīng)固定化處理，可保持較長(zhǎng)期生物活性，傳感器可反復(fù)使用； 分析檢測(cè)速度快； 準(zhǔn)確度高，一般相對(duì)誤差小于1%； 主要缺點(diǎn)是使用壽命較短。14.2.1 生物傳感器的

15、特點(diǎn)、原理及分類 2.生物傳感器的結(jié)構(gòu)與原理 生物傳感器的結(jié)構(gòu)一般是在基礎(chǔ)電極上再耦合一個(gè)生物敏感膜。生物傳感器的原理如圖所示。14.2.1 生物傳感器的特點(diǎn)、原理及分類 生物傳感器中信號(hào)的測(cè)量主要有電化學(xué)式和光學(xué)式兩種，測(cè)量方法的選擇(即基礎(chǔ)電極的選擇)是傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，而測(cè)量方法的選擇在很大程度上取決于生化過程的本質(zhì)。生物傳感器所用基礎(chǔ)電極如表所示。14.2.1 生物傳感器的特點(diǎn)、原理及分類聲表面波生物傳感器如圖所示。14.2 生物傳感器14.2.1 生物傳感器的特點(diǎn)、原理及分類14.2.2 酶?jìng)鞲衅?4.2.3 微生物傳感器14.2.4 免疫傳感器14.2.5 組織傳感器14.

16、2.6 生物電子學(xué)傳感器14.2.7 仿生傳感器 14.2.8 生物傳感器的應(yīng)用 14.2.9 生物芯片技術(shù)14.2.2 酶?jìng)鞲衅?1.酶?jìng)鞲衅鞯姆诸?酶是由蛋白質(zhì)組成的生物催化劑，能對(duì)特定的待測(cè)物質(zhì)進(jìn)行選擇性催化，故利用酶的特性可制造出高靈敏度、高選擇性的傳感器。 按照輸出信號(hào)不同，一般將酶?jìng)鞲衅鞣譃閮深?，即電流型和電位型?4.2.2 酶?jìng)鞲衅?(1)電流型酶?jìng)鞲衅?電流型酶?jìng)鞲衅魇歉鶕?jù)與催化反應(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)物質(zhì)的濃度。即電流型傳感器是基于溶液中的電極組成的電化學(xué)反應(yīng)池中電流電壓關(guān)系，當(dāng)傳感器加上一個(gè)電壓時(shí)，電流值同活性物質(zhì)的濃度成比例。O2與H2O2都是電化學(xué)

17、活性物質(zhì)與酶一起參加反應(yīng)，一般采用O2電極、燃料電池電極H2O2電極等。14.2.2 酶?jìng)鞲衅?(2)電位型酶?jìng)鞲衅?電位型酶?jìng)鞲衅魇峭ㄟ^電化學(xué)敏感器件測(cè)量敏感膜電位來確定催化反應(yīng)有關(guān)的各種離子濃度，一般采用NH3電極，CO2、H2電極等。 酶?jìng)鞲衅鞯姆诸惾绫?4.2所示。14.2.2 酶?jìng)鞲衅?2.酶?jìng)鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)與原理 (1)葡萄糖酶?jìng)鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)與原理 葡萄糖酶?jìng)鞲衅鞯拿舾心槠咸烟茄趸?。它固定在聚乙烯酰胺凝膠上。其中的電化學(xué)傳感器的陰極為Pt，陽極為Pb，中間為電解液。在Pt電極表面上覆蓋一層透氧氣的聚四氟乙烯膜，形成封閉式氧電極。在聚四氟乙烯膜外側(cè)再包上一層葡萄糖氧化酶即構(gòu)成葡萄糖酶?jìng)?/p>

18、感器。14.2.2 酶?jìng)鞲衅?陰極；2聚四氟乙烯膜；3固定酶膜；4非對(duì)稱的透膜多孔層；5半透膜致密層 典型的葡萄糖酶?jìng)鞲衅饔扇龑咏M成。內(nèi)層用來固定酶，同時(shí)是O2或H2O2的選擇膜。中層為酶膜，是酶反應(yīng)的場(chǎng)所，在此膜內(nèi)葡萄糖與O2反應(yīng)產(chǎn)生H2O2。外層膜用來限制葡萄糖的傳質(zhì)過程，以使葡萄糖在膜內(nèi)擴(kuò)散過程為反應(yīng)的控制步驟。14.2.2 酶?jìng)鞲衅髌涔ぷ髟頌槠咸烟?O2+H2O葡糖酶GOD葡萄糖酸+ H2O2 當(dāng)傳感器放入葡萄糖溶液中時(shí)，由于酶的作用而耗氧，此時(shí)聚四氟乙烯膜附近的氧氣量減少，相應(yīng)電極的還原電流減少，通過電流值的變化可確定葡萄糖濃度的大小。當(dāng)然也可用金屬電極通過測(cè)量H2O2測(cè)定葡萄糖濃

19、度。上述氧電極的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是聚四氟乙烯膜起到了隔離作用，避免了被測(cè)物質(zhì)與電極直接接觸。14.2.2 酶?jìng)鞲衅?(2)常見的酶?jìng)鞲衅骷捌渲饕匦?由于酶能選擇性地快速識(shí)別特定的底物，并在較溫和的條件下對(duì)底物起催化作用，所以酶是一種作為生物傳感器的首選生物活性物質(zhì)。自然界中已獲鑒定的酶有2500多種，但大多數(shù)酶的制備與純化困難，加之固定化技術(shù)對(duì)酶的活性影響很大，這就極大的限制了酶?jìng)鞲衅鞯难芯亢蛻?yīng)用。目前已實(shí)用化的市售酶?jìng)鞲衅鬟_(dá)200種以上。一些酶?jìng)鞲衅鞯闹饕匦粤杏诒?4.3中。14.2 生物傳感器14.2.1 生物傳感器的特點(diǎn)、原理及分類14.2.2 酶?jìng)鞲衅?4.2.3 微生物傳感器14.2.4

20、 免疫傳感器14.2.5 組織傳感器14.2.6 生物電子學(xué)傳感器14.2.7 仿生傳感器 14.2.8 生物傳感器的應(yīng)用 14.2.9 生物芯片技術(shù)14.2.3 微生物傳感器 微生物包括細(xì)菌、酵母、霉菌等，它們?cè)谶m宜的條件下分裂繁殖很快，故活性微生物是生物電極的優(yōu)良酶源。微生物傳感器的分子識(shí)別是由固定化的微生物構(gòu)成的。提出這類傳感器的基本思路是 (1)微生物細(xì)胞內(nèi)含有能使從外部攝入的物質(zhì)進(jìn)行代謝的酶體系，因而可避免使用價(jià)格較高的分離酶。而且有些微生物的酶體系的功能是單種酶所沒有的。14.2.3 微生物傳感器 (2)微生物能繁殖生長(zhǎng)或在營(yíng)養(yǎng)液中再生，因而有可能長(zhǎng)時(shí)間保持生物催化劑的活性，延長(zhǎng)傳

21、感器的使用期限。14.2.3 微生物傳感器 1.微生物傳感器的分類及特點(diǎn) 微生物本身就具有生命活動(dòng)的細(xì)胞，有各種生理機(jī)能。如呼吸機(jī)能(O2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)、輔助酶再生系統(tǒng)等。因此設(shè)計(jì)微生物傳感器的重要問題是在不損壞微生物機(jī)能情況下，如何把細(xì)胞內(nèi)的酶反應(yīng)與電化學(xué)過程偶聯(lián)起來。就偶聯(lián)方式而言，微生物傳感器可分為兩類 14.2.3 微生物傳感器 (1)呼吸機(jī)能型 即微生物是好(親)氣型細(xì)菌。它呼吸時(shí)會(huì)使有機(jī)物氧化，消耗氧并生成CO2，因此可用O2電極或CO2氣敏電極進(jìn)行檢測(cè)。 (2)代謝機(jī)能型 即微生物代謝產(chǎn)物是電極活性物質(zhì)，可借助惰性金屬

22、電極進(jìn)行電信號(hào)檢測(cè)。如某些稱為氫菌的微生物可使葡萄糖、蔗糖、淀粉、各種氨基酸的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生氫。因此可通過氫的氧化電流測(cè)定將微生物作用轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。14.2.3 微生物傳感器微生物傳感器的原理如圖所示。14.2.3 微生物傳感器 微生物電極與普通酶電極比較有以下優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。而許多酶很昂貴。 菌體內(nèi)的酶存在于細(xì)胞內(nèi)的天然環(huán)境中，壽命長(zhǎng)，不用時(shí)可將微生物存放在營(yíng)養(yǎng)介質(zhì)中還可再生，而很多純化的酶不穩(wěn)定。 細(xì)胞中除酶外還包括代謝反應(yīng)中所需的輔助因子，而某些用酶作的電極需加昂貴的輔助因子。14.2.3 微生物傳感器 若與被測(cè)物有關(guān)的酶還末分離出或復(fù)雜的反應(yīng)還不清楚時(shí)，則用微生物細(xì)胞是唯一的方

23、法。 主要的缺點(diǎn)是特效性、響應(yīng)時(shí)間和重現(xiàn)性比酶電極差。14.2.3 微生物傳感器 2.呼吸機(jī)能型微生物傳感器 微生物呼吸機(jī)能存在好氣性和厭氣性兩種。 好氣性微生物生長(zhǎng)需要氧氣。可通過測(cè)量氧氣來控制呼吸機(jī)能并了解其生理狀態(tài)。 厭氣性微生物相反，它不需要氧氣，氧氣存在會(huì)妨礙微生物的生長(zhǎng)。可通過測(cè)量CO2及其他生成物來探知其生理狀態(tài)。14.2.3 微生物傳感器 可見呼吸機(jī)能型微生物傳感器是由微生物固定化膜和O2電極(或CO2電極)組成，在應(yīng)用O2電極時(shí)把微生物放在纖維性蛋白質(zhì)中固定化處理，然后把固定化膜附著在封閉式O2電極的透氧膜上。14.2.3 微生物傳感器 圖示為生物化學(xué)耗氧量(BOD)傳感器。

24、將其放入含有機(jī)化合物的被測(cè)溶液中，有機(jī)物向微生物固定化膜擴(kuò)散，而被微生物攝取(稱為資化)，由于微生物呼吸量在有機(jī)物資化前后不同，這可通過O2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。1電解質(zhì)；2O形環(huán)；3Pb陰極；4聚四氟乙烯；5固化微生物膜；6尼龍網(wǎng)；7Pt陽極14.2.3 微生物傳感器 圖示為響應(yīng)曲線。穩(wěn)定電流值表示傳感器放入待測(cè)溶解氧處于飽和狀態(tài)的緩沖溶液中的微生物呼吸水平。當(dāng)溶液中加入葡萄糖或谷氨酸等營(yíng)養(yǎng)液后，電流迅速下降，并達(dá)到新的穩(wěn)定電流值。該穩(wěn)定值與未添加營(yíng)養(yǎng)源時(shí)的電流值之間的差值和樣品中有機(jī)物的濃度成正比。14.2.3 微生物傳感器 3.代謝機(jī)能型微生物傳感器 代謝型微生物傳

25、感器的基本原理是用微生物使有機(jī)物資化而產(chǎn)生各種代謝生成物，在這些代謝生成物中，含有被電極產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)(即電極活性物質(zhì))。因此微生物固定化膜與離子電極(或燃料電池型電極)相結(jié)合就構(gòu)成了代謝型生物傳感器。14.2.3 微生物傳感器 把產(chǎn)生H2的酪酸梭狀芽細(xì)菌固定在低溫膠凍膜并把它裝在燃料電池Pt電極上，燃料電池由Pt電極(陽極)5，Ag2O2電極(陰極)4，電解液3(/L磷酸緩沖液)以及液體聯(lián)結(jié)面2組成，1為O型環(huán)，6為聚四氟乙烯膜。14.2.3 微生物傳感器 當(dāng)傳感器浸入含有甲酸的溶液時(shí)，甲酸通過聚四氟乙烯膜向酪酸梭狀芽細(xì)菌擴(kuò)散，被資化后產(chǎn)生H2。H2穿過Pt電極表面上聚四氟乙烯膜與Pt

26、電極產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)電流，此穩(wěn)定電流與微生物產(chǎn)生的H2含量成正比，而氫氣量又與待測(cè)溶液的甲酸濃度有關(guān)，因此傳感器能迅速測(cè)定發(fā)酵液中甲酸濃度。14.2.3 微生物傳感器 4.常見微生物傳感器的特性 和酶?jìng)鞲衅飨啾?，微生物傳感器的穩(wěn)定性好(達(dá)數(shù)月)，價(jià)格便宜，使用壽命較長(zhǎng)、靈敏度不亞于酶?jìng)鞲衅?，但響?yīng)時(shí)間較長(zhǎng)(數(shù)分鐘)、選擇性較差，因?yàn)橐话阄⑸锬芘c多種有機(jī)物作用。 常見的一些微生物傳感器的性能見表14.4。14.2 生物傳感器14.2.1 生物傳感器的特點(diǎn)、原理及分類14.2.2 酶?jìng)鞲衅?4.2.3 微生物傳感器14.2.4 免疫傳感器14.2.5 組織傳感器14.2.6 生物電子學(xué)傳感器14

27、.2.7 仿生傳感器 14.2.8 生物傳感器的應(yīng)用 14.2.9 生物芯片技術(shù)14.2.4 免疫傳感器 免疫傳感器的基本原理是免疫反應(yīng)，當(dāng)有病原菌或其他異種蛋白(抗原)侵入動(dòng)物體內(nèi)，體內(nèi)即可產(chǎn)生能識(shí)別這些異物并把他們從體內(nèi)排出的抗體，抗原和抗體結(jié)合即可發(fā)生免疫反應(yīng)。其特異性很高。免疫傳感器就是利用抗體(抗原)對(duì)抗原(抗體)的識(shí)別功能而研制成的生物傳感器。由于抗體(或抗原)中沒有酶那樣的催化功能，免疫傳感器的構(gòu)成與酶或微生物傳感器略有區(qū)別。14.2.4 免疫傳感器 1.抗原與抗體 (1)抗原 抗原是能夠刺激動(dòng)物機(jī)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，凡具有引起免疫反應(yīng)性能的物質(zhì)都可以稱為

28、抗原?？乖袃煞N性能：刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫應(yīng)答反應(yīng)；與相應(yīng)的免疫反應(yīng)物發(fā)生特異性結(jié)合反應(yīng)?？乖坏┍涣馨颓蝽憫?yīng)就形成抗體。14.2.4 免疫傳感器 (2)抗體 抗體是由抗原刺激機(jī)體產(chǎn)生的具有特異性免疫功能的球蛋白，又稱免疫蛋白?？贵w為Y字型結(jié)構(gòu)，兩個(gè)分支具有選擇結(jié)合的能力?？乖钱愋缘鞍踪|(zhì)，一旦與抗體結(jié)合，就形成穩(wěn)定的復(fù)合體，二者的結(jié)合反應(yīng)稱為免疫反應(yīng)。14.2.4 免疫傳感器 2.標(biāo)識(shí)免疫傳感器與非標(biāo)識(shí)免疫傳感器 抗體對(duì)抗原的選擇親和性與酶對(duì)底物有很大差別。酶與底物形成的復(fù)合物壽命短，只存在于底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的過渡態(tài)中。而抗體-抗原復(fù)合物非常穩(wěn)定，難以分離。此外，抗體-抗原反應(yīng)不能直接提供電化學(xué)檢

29、測(cè)可利用的效應(yīng)。這些特點(diǎn)是設(shè)計(jì)免疫傳感器時(shí)必須考慮的。依檢測(cè)的原理，免疫傳感器可分為標(biāo)識(shí)免疫傳感器與非標(biāo)識(shí)免疫傳感器。14.2.4 免疫傳感器 (1)標(biāo)識(shí)免疫傳感器 標(biāo)識(shí)免疫測(cè)定法是用放射性同位素、酶、熒光物質(zhì)、穩(wěn)定的游離基、金屬、紅細(xì)胞、脂質(zhì)體及噬菌體等作為標(biāo)識(shí)物的免疫測(cè)定法。 酶標(biāo)識(shí)免疫傳感器既利用了免疫反應(yīng)的特異性又吸收了酶催化反應(yīng)的靈敏性，是一種很有前途的分析方法。14.2.4 免疫傳感器 以酶免疫傳感器為例。結(jié)構(gòu)如圖所示。工作原理是：測(cè)量前在待測(cè)溶液中添加一定量的酶(如過氧化氫酶)標(biāo)識(shí)抗原2，即抗原與過氧化氫酶結(jié)合而成的復(fù)合體。當(dāng)酶免疫電極與待測(cè)溶液接觸時(shí)，非標(biāo)識(shí)抗原1(待測(cè)對(duì)象)與

30、標(biāo)識(shí)抗原競(jìng)爭(zhēng)與電極上的抗體3結(jié)合。14.2.4 免疫傳感器 一定時(shí)間后，將電極取出洗去未成復(fù)合物的游離抗原，接著浸入含有H2O2的溶液中，此時(shí)在過氧化氫酶作用下能引起大量H2O2分解產(chǎn)生O2。由氧電極可檢測(cè)出O2生成速率，進(jìn)而求出抗體膜上過氧化氫酶的含量。若標(biāo)識(shí)抗原的添加量恒定，則待測(cè)液中非標(biāo)識(shí)抗原含量越高，競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合在抗體膜上的標(biāo)識(shí)抗原量越少，因而檢測(cè)到的O2生成速率越小。由此可求出非標(biāo)識(shí)抗原的含量。14.2.4 免疫傳感器 (2)非標(biāo)識(shí)免疫傳感器 非標(biāo)識(shí)免疫傳感器工作原理是抗體(抗原)被固定在膜或電極表面上。當(dāng)發(fā)生免疫反應(yīng)后，抗體與抗原形成復(fù)合體，改變了電極的物理性質(zhì)，如表面電荷密度、離子在

31、膜中的傳輸速度等，從而引起膜電極電位的變化。這些變化是固定有抗體的膜表面的單分子層水平內(nèi)發(fā)生的微小變化。當(dāng)然，首先還必須解決在表面的非特異吸附等問題。14.2.4 免疫傳感器 非標(biāo)識(shí)免疫傳感器的工作原理如圖所示?？贵w(或抗原)固定在基體上，基體一旦與含有抗原的溶液接觸，在基體表面就形成抗原-抗體復(fù)合體。 比較基體表面形成抗原-抗體復(fù)合體前后物理性質(zhì)的變化，就可知道抗原的多少。已發(fā)現(xiàn)的物理性質(zhì)變化有：膜電位；電極電位；壓電特性；光學(xué)特性等。14.2.4 免疫傳感器 免疫傳感器的的主要研究例子列于表14.5中。 免疫傳感器的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例是梅毒抗體傳感器。梅毒抗體傳感器是使用脂質(zhì)抗原固定化膜。將乙酰

32、纖維素與抗原溶于二氯乙烷與乙醇溶液中，然后將它攤在玻璃板上，形成厚度為10mm的膜。將抗原在膜中進(jìn)行包裹固定化。干燥后將膜剝下，通過支持物將它固定于容器內(nèi)。14.2.4 免疫傳感器 梅毒抗體傳感器由三個(gè)容器組成，參考膜(不含有抗原的純乙酰纖維素膜)與抗原固定化膜分開。血清注入容器II中。抗原膜帶負(fù)電。如果血清中存在抗體，則抗體被吸附于抗原表面形成復(fù)合體。 因抗體帶正電荷，所以膜的負(fù)電荷減少，而引起膜電位變化。通過測(cè)定兩個(gè)電極間的電位差，判斷血清中梅毒抗體的有無。14.2.4 免疫傳感器幾種光纖免疫傳感方式如圖所示。14.2 生物傳感器14.2.1 生物傳感器的特點(diǎn)、原理及分類14.2.2 酶?jìng)?/p>

33、感器14.2.3 微生物傳感器14.2.4 免疫傳感器14.2.5 組織傳感器14.2.6 生物電子學(xué)傳感器14.2.7 仿生傳感器 14.2.8 生物傳感器的應(yīng)用 14.2.9 生物芯片技術(shù)14.2.5 組織傳感器 組織傳感器是將哺乳動(dòng)物或植物的組織切片作為分子識(shí)別元件的傳感器。由于組織只是生物體的局部，組織細(xì)胞內(nèi)的酶品種可能少于作為生命整體的微生物細(xì)胞內(nèi)的酶品種。因此，組織傳感器可望有較高的選擇性。14.2 生物傳感器14.2.1 生物傳感器的特點(diǎn)、原理及分類14.2.2 酶?jìng)鞲衅?4.2.3 微生物傳感器14.2.4 免疫傳感器14.2.5 組織傳感器14.2.6 生物電子學(xué)傳感器14.

34、2.7 仿生傳感器 14.2.8 生物傳感器的應(yīng)用 14.2.9 生物芯片技術(shù)14.2.6 生物電子學(xué)傳感器 由生物分子和半導(dǎo)體器件等電子器件融合制作的傳感器稱為生物電子學(xué)傳感器。 其敏感膜的制備與前述幾種生物傳感器相似。主要特點(diǎn)是，容易微型化、集成化、多參數(shù)與批量生產(chǎn)。這類生物傳感器中主要有下面幾種 (1)酶熱敏電阻 由敏感膜包覆于熱敏電阻上構(gòu)成。反應(yīng)產(chǎn)生的熱信號(hào)由熱敏電阻傳出。14.2.6 生物電子學(xué)傳感器 (2)生物敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管 通常是由敏感膜涂覆于ISFET的柵區(qū)構(gòu)成，如圖所示。 例如把青霉素酶膜涂覆于測(cè)量H+的ISFET，可做成青霉素FET。酶與青霉素作用生成的H+被傳感，對(duì)青霉素

35、進(jìn)行定量測(cè)試，響應(yīng)時(shí)間約25s，壽命可達(dá)數(shù)月。14.2.6 生物電子學(xué)傳感器 (3)光尋址電位傳感器 它是場(chǎng)效應(yīng)傳感器家族中的一員，結(jié)構(gòu)如圖所示。 其基本原理是基于電場(chǎng)效應(yīng)器件對(duì)絕緣層與電解質(zhì)溶液間界面電位變化敏感。不同的是，它采用調(diào)制光束照射，并采用鎖相檢測(cè)技術(shù)。因此具有如下突出優(yōu)點(diǎn)14.2.6 生物電子學(xué)傳感器 應(yīng)用范圍廣。它檢測(cè)的是光照射部位所對(duì)應(yīng)的絕緣層表面電位，因此凡能通過各種反應(yīng)引起絕緣層表面電位變化的各種參數(shù)均能檢測(cè)。 光尋址能力。利用光束對(duì)不同部位的照射，可選擇性地激活不同敏感部位，使其成為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(只需2根引線)而具有多參數(shù)或多樣品同時(shí)檢測(cè)功能的生物傳感器。 極高的靈敏度

36、。14.2.6 生物電子學(xué)傳感器 較高的穩(wěn)定性。 所需樣品少(數(shù)微升到數(shù)百微升)。 測(cè)量范圍寬。 檢測(cè)時(shí)間短。 光尋址電位傳感器的研究發(fā)展非常迅速，在短短的幾年內(nèi)，其功能己從單一的H+敏光尋址電位傳感器發(fā)展到酶光尋址電位傳感器、免疫光尋址電位傳感器及生物光尋址電位傳感器，應(yīng)用范圍越來越廣。14.2 生物傳感器14.2.1 生物傳感器的特點(diǎn)、原理及分類14.2.2 酶?jìng)鞲衅?4.2.3 微生物傳感器14.2.4 免疫傳感器14.2.5 組織傳感器14.2.6 生物電子學(xué)傳感器14.2.7 仿生傳感器 14.2.8 生物傳感器的應(yīng)用 14.2.9 生物芯片技術(shù)14.2.7 仿生傳感器 從廣義上說仿生傳感器是屬于生物傳感器的重要組成部分，因?yàn)樵谏镏杏幸曈X、嗅覺、味覺、聽覺和觸覺等。所以生物傳感器研究中的一個(gè)重要內(nèi)容就是研究能代替這些感覺器官的生物傳感器。稱它為仿生傳感器，也稱它為