化學(xué)和生物傳感器

1、關(guān)于化學(xué)與生物傳感器第1頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四8.1 化學(xué)傳感器811 電位型電化學(xué)傳感器原理812 離子敏感器件8121 ISFET的結(jié)構(gòu)與工作原理8122 ISFET的特點(diǎn)和應(yīng)用813 氣敏傳感器8131氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機(jī)理8132 電阻型氣敏器件 8133 非電阻型氣敏器件第2頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四8.2 生物傳感器821 酶?jìng)鞲衅?8211 酶反應(yīng)8212 酶?jìng)鞲衅?822 微生物傳感器 8221 微生物反應(yīng) 8222 微生物傳感器823 免疫傳感器 8231 免疫學(xué)反應(yīng) 8232 免疫傳感器824 生物組織傳

2、感器 825 光生物傳感器第3頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四8.1 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)傳感器和熱化學(xué)傳感器。 根據(jù)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)種類不同，可將電化學(xué)傳感器分為電流型化學(xué)傳感器、電位型化學(xué)傳感器和電阻型化學(xué)傳感器。 第4頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四8.1.1 電位型電化學(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：1電位法：測(cè)量零電流下的電池電位；2. 伏安法(電流法)：在電池電位間設(shè)置氧化(或還原)電位來測(cè)量電池的電流； 3. 電導(dǎo)法：用一交流電橋方法來測(cè)量電池的電導(dǎo)。第5頁，共60頁，20

3、22年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四現(xiàn)在只討論電位法: 將一金屬條(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(huì)產(chǎn)生電荷分布，這就產(chǎn)生了人們所說的電子壓力，通常稱為電位。 電動(dòng)勢(shì)數(shù)值大小取決于幾個(gè)因素：電極材料；各個(gè)半電池內(nèi)的溶液性質(zhì)及濃度；通過膜(或鹽橋)的液體接界電位。 如圖圖 8-1,8-2,8-3.第6頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四圖8-1 將一金屬電極浸在電解液中為一半電池第7頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四圖8-2 兩個(gè)半電池電極組合成一完整的電池 第8頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，

4、星期四圖 8-3 氫電極與其它半電池相連接 第9頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四 溶液濃度與測(cè)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(duì)數(shù)關(guān)系式 式中 E-測(cè)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- 溶液中還原性物質(zhì)濃度（活度），mol/L，金屬電極R=1。 第10頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四812 離子敏感器件 離子敏感器件是一種對(duì)離子具有選擇敏感作用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它是由離子選擇性電極（ISE）與金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）組合而

5、成，簡(jiǎn)稱ISFET。ISFET是用來測(cè)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。第11頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四8.1.2.1 ISFET的結(jié)構(gòu)與工作原理MOFET的結(jié)構(gòu)和特性 用半導(dǎo)體工藝制作的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的典型結(jié)構(gòu)如圖8-4所示。它的襯底材料為P型硅。用擴(kuò)散法做兩個(gè)N區(qū)，分別稱為源（S）和漏（D），在漏源之間的P型硅表面，生長(zhǎng)一薄層SiO2，在SiO2上再蒸發(fā)一層金屬Al，稱為柵電極，用G所示。 第12頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四 在柵極不加偏壓時(shí)，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)

6、通。 當(dāng)柵源之間加正向偏壓VGS，且有VGSVT（閾電壓）時(shí)，則柵氧化層下面的硅就反型，從P型變?yōu)镹型。這個(gè)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(shí)MOSFET就進(jìn)人工作狀態(tài)。 第13頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四 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。 第14頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四離子敏傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理 將普通

7、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。 ISFET是利用其對(duì)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。 第15頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四 當(dāng)將ISFET插入溶液時(shí)，被測(cè)溶液與敏感膜接觸處就會(huì)產(chǎn)生一定的界面電勢(shì)，其大小決定于溶液中被測(cè)離子的活度，這一界面電勢(shì)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(cè)溶液中的干擾離子影響極小時(shí)，閾值電壓可用下式表示： 式（8-2） 式中的C、S，對(duì)一定的器件、一定的溶液而言，

8、在固定參考電極電位時(shí)是常數(shù)，因此ISFET的閾值電壓與被測(cè)溶液中的離子活度的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。 第16頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四 根據(jù)電化學(xué)觀點(diǎn)，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(chǎn)生電勢(shì)的大小取決于電子或離子的交換作用?？梢哉J(rèn)為，在HISFET的表面存在如下平衡： （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(shí)界面電勢(shì)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。 第17頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四 非極性界面和極性界面電荷分布的大致情況如圖8-7和如圖8

9、-8所示 :第18頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四8.1.2.2 ISFET的特點(diǎn)和應(yīng)用 ISFET的特點(diǎn): 根據(jù)以上介紹的ISFET的結(jié)構(gòu)和工作原理可知，它具有以下特點(diǎn)： （1）ISFET器件本身就能完成由高阻抗到低阻抗的變換，同時(shí)具有展寬頻帶和對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的作用，這將使測(cè)量?jī)x器大為簡(jiǎn)化。 （2）ISFET具有體積小，重量輕，機(jī)械強(qiáng)度大等特點(diǎn)，特別適合于生物體內(nèi)和高壓條件下的測(cè)量使用。 （3）敏感膜可以做得很薄，一般可小于100nm。這可使ISFET的水化時(shí)間很短，從而使離子活度的響應(yīng)速度很快，響應(yīng)時(shí)間可小于1s。 （4）易于將信息轉(zhuǎn)換部分和信號(hào)放大檢出部分與敏感

10、器件集成在一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的智能化、小型化和全固態(tài)化。 （5）ISFET無需考慮離子敏感材料導(dǎo)電性問題，這就可在包括絕緣材料在內(nèi)的廣泛材料領(lǐng)域中找到更多更好的離子敏感材料。第19頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四ISFET的應(yīng)用: （1）對(duì)生物體液中無機(jī)離子的檢測(cè) （2）在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用 （3）在其他方面的應(yīng)用串行通信 第20頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四813 氣敏傳感器 早在20世紀(jì)30年代就已發(fā)現(xiàn)氧化亞銅的導(dǎo)電率隨水蒸氣的吸附而發(fā)生改變，其后又發(fā)現(xiàn)其它許多金屬氧化物也都具有氣敏效應(yīng)。20世紀(jì) 60年代研制成功了SnO2氣敏元件

11、，從此進(jìn)入了實(shí)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(dǎo)體特性的材料，因此稱之謂半導(dǎo)體陶瓷（簡(jiǎn)稱半導(dǎo)瓷）。 第21頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四8.1.3.1氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機(jī)理 氣敏半導(dǎo)體材料SnO2是N型半導(dǎo)體，它的導(dǎo)電機(jī)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(diǎn)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，

12、且RnRb，RsRb。由于Rs被Rb所短路，因而圖（b）可簡(jiǎn)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。第22頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四第23頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四8132 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(jié)構(gòu)又可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種，下面分別予以介紹: 1.燒結(jié)型氣敏器件 （如圖8-11（a） ） 2.薄膜型氣敏器件 （如圖8-11（b） ） 3.厚膜型氣敏器件 （如圖8-11（c） ）第24頁，共60頁，2022年，5月2

13、0日，12點(diǎn)57分，星期四第25頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四如圖8-12所示為各種可燃性氣體的濃度與SnO2半導(dǎo)瓷氣敏器件的電阻變化率的關(guān)系。對(duì)各種氣體的相對(duì)靈敏度，可通過 不同的燒結(jié)條 件和添加增感 劑進(jìn)行調(diào)整。 第26頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四 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。由于環(huán)境溫濕度 對(duì)氣敏器件的特 性有影響，在使 用時(shí)要加溫濕度 補(bǔ)償，或選用溫 濕度性能好的氣 敏器件。 第27頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四8.1.3.3 非電阻型氣敏器件 非電阻型氣

14、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(chǎng)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。它分為兩種：1、MOS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。由于Pd在吸附H2以后，會(huì)使它的功函數(shù)降低，這將引起MOS管的CV特性向負(fù)偏壓向平移，如圖8-15，據(jù)此可測(cè)定H2的濃度。 2、PdMOSFET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。 第28頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四82 生物傳感器在過去的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

15、代的裝置生物傳感器 (Biosensor)，一個(gè)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(chǎng)革命。目前，生物傳感器的概念得到公認(rèn)，作為傳感器的一個(gè)分支，從化學(xué)傳感器中獨(dú)立出來。 生物傳感器是一類特殊的化學(xué)傳感器，它利用各種生物或生物物質(zhì)做成的，用以檢測(cè)與識(shí)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、核酸、細(xì)胞、微生物、抗體等，生物傳感器的傳感原理如圖8-16表示。 第29頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四 生物傳感器的結(jié)構(gòu)一般有兩個(gè)主要組成部分：其一是生物分子識(shí)別元件（感受器、生物膜），是一種或數(shù)種相關(guān)的具有分子識(shí)別能力的生物活性材料（如組織切片、細(xì)胞、細(xì)胞

16、器、酶、有機(jī)物分子等），其二是信號(hào)轉(zhuǎn)換器（換能器），能把生物活性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的物理或化學(xué)換能器，包括電化學(xué)電極、光學(xué)檢測(cè)元件、熱敏電阻等。 第30頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四 生物傳感器的分類與命名： 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(shí)別元件分類法和器件分類法。按所用生物活性物質(zhì)(分子識(shí)別元件)的不同，可以將生物傳感器分為五大類 ，即酶?jìng)鞲衅?(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(xì)胞器

17、傳感器 (organelle sensor)；按器件分類是依據(jù)所用變換器器件不同對(duì)生物傳感器進(jìn)行分類，即生物電極 (bioelectrode)、半導(dǎo)體生物傳感器 (Semiconduct biosensor)、光生物傳感器 (optical biosensor)、熱生物傳感器 (calorimetric biosensor)、壓電晶體生物傳感器 (piezo-electric biosensor)。關(guān)于個(gè)別生物傳感器的命名，一般采用 功能+構(gòu)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 第31頁，共60頁，2022年，5月20日，

18、12點(diǎn)57分，星期四圖8-17生物傳感器的分類 第32頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四821 酶?jìng)鞲衅?酶?jìng)鞲衅魇菃柺雷钤?、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(jī)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?hào)記錄下來，進(jìn)而推出相應(yīng)的生物分子濃度。因此， 酶?jìng)鞲衅魇情g接型傳感器，它不是直接測(cè)定待測(cè)物質(zhì)，而是通過對(duì)反應(yīng)有關(guān)物質(zhì)的濃度測(cè)定來推斷底物的濃度。第33頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四8211 酶反應(yīng) 酶的基本特征包括兩個(gè)方面：其一：酶是生物體內(nèi)產(chǎn)生并具有催化活

19、性的一類蛋白質(zhì)，此類蛋白質(zhì)表現(xiàn)出特異的催化功能，因此，酶被稱為生物催化劑。其二：酶反應(yīng)具有高度專一性的特點(diǎn)，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)，因而有“一種酶，一種(類)底物”之說。第34頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四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(jié)構(gòu)所決定的，根據(jù)酶對(duì)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(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。族專一性酶對(duì)底物的化學(xué)鍵及其一端有絕對(duì)要求，對(duì)鍵的另一端只有相對(duì)要求；鍵專一性酶對(duì)底物分子的化學(xué)鍵有絕對(duì)要求，而對(duì)鍵的兩端只

20、有相對(duì)要求。 第二種類型的酶僅對(duì)一種物質(zhì)有催化作用，它們對(duì)底物的化學(xué)鍵及其兩端均有絕對(duì)要求。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)。 第35頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四8212 酶?jìng)鞲衅髅競(jìng)鞲衅魇怯擅该舾心ず碗娀瘜W(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。應(yīng)該指出，酶?jìng)鞲衅髦忻该舾心な褂玫拿甘菍⒏鞣N微生物通過復(fù)雜工序精煉出來的，因此，其造價(jià)很高，性能也不太穩(wěn)定。酶的催化反應(yīng)可用下式表示 ： 式中 S待測(cè)物質(zhì)； E酶； T反應(yīng)溫度，單位； Pi第i個(gè)產(chǎn)物。 酶的催化作用是在一定的條件下使底物分解，

21、故酶的催化作用實(shí)際上是加速底物的分解速度。第36頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四 按輸出信號(hào)的不同，酶?jìng)鞲衅饔袃煞N形式:一是電流型酶?jìng)鞲衅?；二是電位型酶?jìng)鞲衅?，即以離子作為檢測(cè)方式，表81給出了酶?jìng)鞲衅鞯姆N類。第37頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四 下面以葡萄糖酶?jìng)鞲衅鳛槔f明其工作原理與檢測(cè)工程。葡萄糖氧化酶電極是研究最早、最成熟的酶電極。它是由葡萄糖氧化酶膜和電化學(xué)電極組成。葡萄糖酶?jìng)鞲衅鞯钠咸烟茄趸改す潭ㄔ诰垡蚁０纺z上，其電化學(xué)器件為Pt陽電極和Pb陰電極，中間溶液為強(qiáng)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

22、氧電極(見圖818 )。 第38頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，葡萄糖酶?jìng)鞲衅靼卜旁诒粶y(cè)葡萄糖溶液中。由于酶的催化作用會(huì)產(chǎn)生過氧化氫 (H2O2)，其反應(yīng)式為： 反應(yīng)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(shí)產(chǎn)生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(cè)量出了葡萄糖溶液的濃度。 第39頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四822 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。(1)微生物反應(yīng)的特點(diǎn): 微生物反應(yīng)過程是利

23、用微生物的生長(zhǎng)所進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)過程，即微生物反應(yīng)是將微生物作為生物催化劑進(jìn)行的反應(yīng)，酶在微生物反應(yīng)中起最基本的催化作用。同時(shí)微生物反應(yīng)在又有其特殊性。 8221 微生物反應(yīng)第40頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四(2)微生物反應(yīng)類型： 同化與異化 根據(jù)微生物代謝流向可以分為同化作用和異化作用。 自養(yǎng)與異養(yǎng) 根據(jù)微生物對(duì)營養(yǎng)的要求，微生物反應(yīng)又可分為自養(yǎng)性與異養(yǎng)性。 好氣性與厭氣性 根據(jù)微生物反應(yīng)對(duì)氧的需求與否可以分為好氧反應(yīng)和厭氧反應(yīng)。 細(xì)胞能量的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移 微生物反應(yīng)所產(chǎn)生的能量大部分轉(zhuǎn)化為高能化合物。第41頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期

24、四8.2.2.2 微生物傳感器 用微生物作為分子識(shí)別元件制成的傳感器稱為微生物傳感器。微生物傳感器與酶?jìng)鞲衅飨啾扔袃r(jià)格便宜、壽命長(zhǎng)、易于完成需要輔助因子的復(fù)雜的連續(xù)反應(yīng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但其響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)(數(shù)分鐘)，選擇性較差。 微生物本身就是具有生命活性的細(xì)胞，有各種生理機(jī)能，其主要機(jī)能是呼吸機(jī)能 (02的消耗)和新陳代謝機(jī)能 (物質(zhì)的合成與分解)。微生物傳感器從工作原理上可分為兩種類型，即呼吸機(jī)能型和代謝機(jī)能型，微生物傳感器結(jié)構(gòu)如圖819所示第42頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四第43頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四(1)呼吸機(jī)能型微生物傳

25、感器 呼吸機(jī)能型微生物傳感器是基于微生物呼吸量與有機(jī)物前后不同，通過測(cè)量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。生物呼吸機(jī)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(cè)量氧氣來控制呼吸機(jī)能，并了解其生理狀態(tài)；而厭氣性微生物相反，它不需要氧氣，氧氣存在會(huì)妨礙微生物生長(zhǎng)，而可以通過測(cè)量碳酸氣消耗及其他生成物來探知生理狀態(tài)。由此可知，呼吸機(jī)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。 第44頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四圖820是生物化學(xué)耗氧量傳感器BOD(Biological Oxygen Demand)，圖中把這種呼

26、吸機(jī)能型微生物傳感器放入含有有機(jī)化合物的被測(cè)溶液中，于是有機(jī)物向微生物膜擴(kuò)散，而被微生物攝取 (稱為資化)。 第45頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四圖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(cè)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，這說明微生物在資化葡萄糖等營養(yǎng)源時(shí)呼吸機(jī)能增加，即氧的消耗量增加。這個(gè)穩(wěn)定值與未添加營養(yǎng)時(shí)的電流穩(wěn)定值之差與樣品中有機(jī)物濃度成正比。 第46頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四(2)代謝機(jī)能型微生物傳感器 代謝

27、機(jī)能型微生物傳感器的基本原理是微生物使有機(jī)物資化而產(chǎn)生各種代謝生成物。這些代謝生成物中，含有遇電極產(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(jī)能型微生物傳感器，圖822為甲酸傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 第47頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四表82列出了一些常用微生物傳感器的主要性能。 第48頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四8.2.3 免疫傳感器 (1)抗原與抗體 所謂抗原，就是能夠刺激動(dòng)物體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)。從廣義的生物學(xué)觀點(diǎn)看，凡是引起免疫反應(yīng)性能的物質(zhì)，都可稱

28、為抗原。根據(jù)來源的不同，抗原又可以分為如下幾種：天然抗原 人工抗原 合成抗原所謂抗體，就是由抗原刺激機(jī)體產(chǎn)生的特異性免疫功能的球蛋白，又稱免疫球蛋白。 8.2.3.1 免疫學(xué)反應(yīng) 第49頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四(2)抗原的理性性狀 物理性狀 化學(xué)組成 (3)抗原-抗體反應(yīng) 抗原-抗體結(jié)合時(shí)將發(fā)生凝聚、沉淀、溶解反應(yīng)和促進(jìn)吞噬抗原顆粒的作用。抗原與抗體結(jié)合盡管是穩(wěn)固的，但也是可逆的。某些酶能促使逆反應(yīng)，抗原抗體復(fù)合物解離時(shí)，都保持自己本來的特性。第50頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四8.2.3.2 免疫傳感器免疫傳感器是生物傳感器領(lǐng)域中

29、發(fā)展較快的分支，它除具有生物傳感器的普遍特點(diǎn)外，還因其高特異性、高選擇性、測(cè)定準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，用于大量樣品分析和篩選。電位式免疫傳感器是利用固定化抗體(或抗原)膜與相應(yīng)的抗原(或抗體)的特異反應(yīng)，此反應(yīng)的結(jié)果使生物敏感膜的電位發(fā)生變化。圖823為這種免疫傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 第51頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四壓電免疫傳感器（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。圖824 為一種質(zhì)量改變型壓電免疫傳感器，采用石英晶體微量天平( quartz crystalmicrobal

30、ance ,QCM)技術(shù)。 第52頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四8.2.4 生物組織傳感器 生物組織傳感器是以活的動(dòng)植物組織細(xì)胞切片作為分子識(shí)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(diǎn)： 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)定的酶活性，許多組織傳感器工作壽命比相應(yīng)的酶?jìng)鞲衅鲏勖L(zhǎng)得多。 在所需要的酶難以提純時(shí)，直接利用生物組織可以得到足夠高的酶活性。 組織識(shí)別元件制作簡(jiǎn)便，一般不需要采用固定化技術(shù)。 第53頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四組織傳感器制作的關(guān)鍵是選擇所需要酶活性較高的動(dòng)、植物的器官組織，表83列出了幾種組織傳感器的構(gòu)成。第54頁，共60頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期四8.2.5 光生物傳感器 光生物傳感器是一種選擇性地識(shí)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(hào)輸出的傳感器。光生物傳感器具有靈敏度高