化學(xué)與生物傳感器

關(guān)于化學(xué)與生物傳感器第一頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日8.1化學(xué)傳感器8．1．1電位型電化學(xué)傳感器原理8．1．2離子敏感器件8．1．2．1ISFET的結(jié)構(gòu)與工作原理8．1．2．2ISFET的特點(diǎn)和應(yīng)用8．1．3氣敏傳感器8．1．3．1氣敏半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機(jī)理8．1．3．2電阻型氣敏器件8．1．3．3非電阻型氣敏器件第二頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日8.2生物傳感器8．2．1酶?jìng)鞲衅?．2．1．1酶反應(yīng)8．2．1．2酶?jìng)鞲衅?．2．2微生物傳感器8．2．2．1微生物反應(yīng)8．2．2．2微生物傳感器8．2．3免疫傳感器8．2．3．1免疫學(xué)反應(yīng)8．2．3．2免疫傳感器8．2．4生物組織傳感器8．2．5光生物傳感器第三頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日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。

第四頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日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(guò)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(lái)測(cè)量電池的電流；3.電導(dǎo)法：用一交流電橋方法來(lái)測(cè)量電池的電導(dǎo)。第五頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日現(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(shuō)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：①電極材料；②各個(gè)半電池內(nèi)的溶液性質(zhì)及濃度；③通過(guò)膜(或鹽橋)的液體接界電位。如圖圖8-1,8-2,8-3.第六頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D8-1將一金屬電極浸在電解液中為一半電池第七頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D8-2兩個(gè)半電池電極組合成一完整的電池

第八頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D8-3氫電極與其它半電池相連接

第九頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日溶液濃度與測(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。第十頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日8．1．2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）組合而成，簡(jiǎn)稱ISFET。IS－FET是用來(lái)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。第十一頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日8.1.2.1ISFET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。第十二頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日在柵極不加偏壓時(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)通。當(dāng)柵源之間加正向偏壓VGS，且有VGS＞VT（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(lái)，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)。第十三頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日

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MOS－FET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。

第十四頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日離子敏傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

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。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(lái)控制漏源電流變化的。

第十五頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日

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，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。第十六頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日

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(guò)，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H＋－ISFET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(guò)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。第十七頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日

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8-8所示:第十八頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日8.1.2.2ISFET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(wú)需考慮離子敏感材料導(dǎo)電性問(wèn)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。第十九頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日ISFET的應(yīng)用:

（1）對(duì)生物體液中無(wú)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

第二十頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日8．1．3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，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）。第二十一頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日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(lái)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，且Rn＞Rb，Rs＞Rb。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(jiàn)，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。第二十二頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日第二十三頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日8．1．3．2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））第二十四頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日第二十五頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日

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(guò)不同的燒結(jié)條件和添加增感劑進(jìn)行調(diào)整。第二十六頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日

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。第二十七頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日8.1.3.3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（C－V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C－V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、Pd－MOSFET氣敏器件

Pd－MOSFET與普通MOS－FET的主要區(qū)別在于用鈀Pd薄膜取代鋁Al膜作為柵電極。第二十八頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日8．2生物傳感器

在過(guò)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(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(lái)。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。第二十九頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日

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。第三十頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日

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?enzymesensor)、微生物傳感器(microbialsensor)、免疫傳感器(immunolsensor)、組織傳感器(tissuesensor)和細(xì)胞器傳感器(organellesensor)；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(Semiconductbiosensor)、光生物傳感器(opticalbiosensor)、熱生物傳感器(calorimetricbiosensor)、壓電晶體生物傳感器(piezo-electricbiosensor)。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

第三十一頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D8-17生物傳感器的分類

第三十二頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日8．2．1酶?jìng)鞲衅?/p>

酶?jìng)鞲衅魇菃?wèn)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(jī)酸、氨基酸等生物分子氧化或分解，然后通過(guò)換能器將反應(yīng)過(guò)程中化學(xué)物質(zhì)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)記錄下來(lái)，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(guò)對(duì)反應(yīng)有關(guān)物質(zhì)的濃度測(cè)定來(lái)推斷底物的濃度。第三十三頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日8．2．1．1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(shuō)。第三十四頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日

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)。第三十五頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日8．2．1．2酶?jìng)鞲衅?/p>

酶?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(guò)復(fù)雜工序精煉出來(lái)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，故酶的催化作用實(shí)際上是加速底物的分解速度。第三十六頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日

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)鞲衅鳎匆噪x子作為檢測(cè)方式，表8－1給出了酶?jìng)鞲衅鞯姆N類。第三十七頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日下面以葡萄糖酶?jìng)鞲衅鳛槔f(shuō)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(yáng)電極和Pb陰電極，中間溶液為強(qiáng)堿溶液，并在陽(yáng)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(jiàn)圖8－18)。

第三十八頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日實(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(guò)氧化氫(H2O2)，其反應(yīng)式為：反應(yīng)過(guò)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(guò)選擇性透氣膜，在Pt電極上氧化，產(chǎn)生陽(yáng)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。第三十九頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日8．2．2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(guò)程是利用微生物的生長(zhǎng)所進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)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。

8．2．2．1微生物反應(yīng)第四十頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日(2)微生物反應(yīng)類型：

①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。②自養(yǎng)與異養(yǎng)根據(jù)微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的要求，微生物反應(yīng)又可分為自養(yǎng)性與異養(yǎng)性。③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)。④細(xì)胞能量的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移微生物反應(yīng)所產(chǎn)生的能量大部分轉(zhuǎn)化為高能化合物。第四十一頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日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8－19所示第四十二頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日第四十三頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日(1)呼吸機(jī)能型微生物傳感器

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(guò)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(guò)測(cè)量氧氣來(lái)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(guò)測(cè)量碳酸氣消耗及其他生成物來(lái)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。

第四十四頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D8－20是生物化學(xué)耗氧量傳感器BOD(BiologicalOxygenDemand)，圖中把這種呼吸機(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)。

第四十五頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日

圖8－21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(yíng)養(yǎng)膜后，電流迅速下降，并達(dá)到新的穩(wěn)定電流值，這說(shuō)明微生物在資化葡萄糖等營(yíng)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(yíng)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。第四十六頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日(2)代謝機(jī)能型微生物傳感器代謝機(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8－22為甲酸傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

第四十七頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日表8－2列出了一些常用微生物傳感器的主要性能。

第四十八頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日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)，都可稱為抗原。根據(jù)來(lái)源的不同，抗原又可以分為如下幾種：①天然抗原②人工抗原③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)

第四十九頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日(2)抗原的理性性狀①物理性狀②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?？乖c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(lái)的特性。第五十頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日8.2.3.2免疫傳感器免疫傳感器是生物傳感器領(lǐng)域中發(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8－23為這種免疫傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖第五十一頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日壓電免疫傳感器（PiezoelectricImmunosensor）是因免疫反應(yīng)發(fā)生而導(dǎo)致質(zhì)量改變并通過(guò)壓電晶體而感知的傳感器。

圖8－24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(quartzcrystalmicrobalance,QCM)技術(shù)。

第五十二頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日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)：①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。②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。③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)。

第五十三頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日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8－3列出了幾種組織傳感器的構(gòu)成。第五十四頁(yè)，共六十頁(yè)，2022年，8月28日8.2.5光生物傳感器

光生物傳感器是一種選擇性