化学与生物传感器讲稿.ppt

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1、关于化学与生物传感器第一页，讲稿共六十页哦8.1 化学传感器化学传感器811 电位型电化学传感器原理电位型电化学传感器原理812 离子敏感器件离子敏感器件8121 ISFET的结构与工作原理的结构与工作原理8122 ISFET的特点和应用的特点和应用813 气敏传感器气敏传感器8131气敏半导体材料的导电机理气敏半导体材料的导电机理8132 电阻型气敏器件电阻型气敏器件 8133 非电阻型气敏器件非电阻型气敏器件第二页，讲稿共六十页哦8.2 生物传感器生物传感器821 酶传感器 8211 酶反应8212 酶传感器 822 微生物传感器 8221 微生物反应 8222 微生物传感器823 免疫传

2、感器 8231 免疫学反应 8232 免疫传感器824 生物组织传感器 825 光生物传感器第三页，讲稿共六十页哦8.1 化学传感器化学传感器 化学传感器包括电化学传感器、化学传感器包括电化学传感器、光化学传感器、质量化学传感器和热化光化学传感器、质量化学传感器和热化学传感器。学传感器。根据转换的电信号种类不同，可根据转换的电信号种类不同，可将电化学传感器分为电流型化学传感器、将电化学传感器分为电流型化学传感器、电位型化学传感器和电阻型化学传感器。电位型化学传感器和电阻型化学传感器。第四页，讲稿共六十页哦8.1.1 电位型电化学传感器原理电位型电化学传感器原理有三种基本电化学过程适用于构成传有

3、三种基本电化学过程适用于构成传感器：感器：1电位法：测量零电流下的电池电电位法：测量零电流下的电池电位；位；2.伏安法伏安法(电流法电流法)：在电池电位间设：在电池电位间设置氧化置氧化(或还原或还原)电位来测量电池的电位来测量电池的电流；电流；3.电导法：用一交流电桥方法来测量电导法：用一交流电桥方法来测量电池的电导。电池的电导。第五页，讲稿共六十页哦现在只讨论电位法现在只讨论电位法:将一金属条(例如银)置于一含离子的溶液(如银离子)中，沿着金属和溶液的界面会产生电荷分布，这就产生了人们所说的电子压力，通常称为电位。电动势数值大小取决于几个因素：电极材料；各个半电池内的溶液性质及浓度；通过膜(

4、或盐桥)的液体接界电位。如图图 8-1,8-2,8-3.第六页，讲稿共六十页哦图图8-1 将一金属电极浸在电解液中为一半电池将一金属电极浸在电解液中为一半电池第七页，讲稿共六十页哦图图8-2 两个半电池电极组合成一完整的电池两个半电池电极组合成一完整的电池 第八页，讲稿共六十页哦图图 8-3 氢电极与其它半电池相连接氢电极与其它半电池相连接 第九页，讲稿共六十页哦 溶液浓度与测量电极电位的关系由能斯特方程确定，基本能斯持方程是从基础热力学方程导出的对数关系式 式中 E-测量电极电位，V；E0-参考电极电位，V；Ox-溶液中氧化性物质浓度（活度），mol/L；R-溶液中还原性物质浓度（活度），m

5、ol/L，金属电极R=1。第十页，讲稿共六十页哦812 离子敏感器件离子敏感器件 离子敏感器件是一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管。它是由离子选择性电极（ISE）与金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）组合而成，简称ISFET。ISFET是用来测量溶液（或体液）中的离子活度的微型固态电化学敏感器件。第十一页，讲稿共六十页哦8.1.2.1 ISFET8.1.2.1 ISFET的结构与工作原理的结构与工作原理MOFETMOFET的结构和特性的结构和特性 用半导体工艺制作的金属氧化物半导体场效应晶体管的典型结构如图8-4所示。它的衬底材料为P型硅。用扩散法做两个N区，分别称为源（S）和漏

6、（D），在漏源之间的P型硅表面，生长一薄层SiO2，在SiO2上再蒸发一层金属Al，称为栅电极，用G所示。第十二页，讲稿共六十页哦 在栅极不加偏压时，栅氧化层下面的硅是P型，而源漏是N型，故源漏之间不导通。当栅源之间加正向 偏 压 VGS，且 有VGSVT（阈电压）时，则栅氧化层下面的硅就反型，从P型变为N型。这个N型区就将源区和漏区连接起来，起导电通道的作用，称为沟道，此时MOSFET就进人工作状态。第十三页，讲稿共六十页哦 在 MOSFET的栅电极加上大于VT的正偏压后，源漏之间加电压VDS，则源和漏之间就有电流流通，用IDS表示。IDS的大小随VGS和VDS的大小而变化，其变化规律即MO

7、SFET的电流电压特性，图8-5所示是其输出特性和转移特性曲线。第十四页，讲稿共六十页哦离子敏传感器的结构与工作原理离子敏传感器的结构与工作原理 将普通的MOSFET的金属栅去掉，让绝缘体氧化层直接与溶液相接触，或者将栅极用铂膜作引出线，并在铂膜上涂覆一层离子敏感膜，就构成了一只ISFET。如图8-6所示。ISFET是利用其对溶液中离子有选择作用而改变栅极电位，以此来控制漏源电流变化的。第十五页，讲稿共六十页哦 当将ISFET插入溶液时，被测溶液与敏感膜接触处就会产生一定的界面电势，其大小决定于溶液中被测离子的活度，这一界面电势的大小将直接影响VT的值。如果以ai表示响应离子的活度，则当被测溶

8、液中的干扰离子影响极小时，阈值电压可用下式表示：式（8-2）式中的C、S，对一定的器件、一定的溶液而言，在固定参考电极电位时是常数，因此ISFET的阈值电压与被测溶液中的离子活度的对数成线性关系。第十六页，讲稿共六十页哦 根据电化学观点，敏感膜与溶液界面可分根据电化学观点，敏感膜与溶液界面可分如下两种情况：如下两种情况：（1 1）非极性界面）非极性界面这种界面至少可让一种带电粒子通过，界面产生电势的大小取决于电子或离子的交换作用。可以认为，在HISFET的表面存在如下平衡：（2）极性界面 这种界面不允许带电粒子通过或传递极缓慢，此时界面电势的情况取决于带电粒子的表面吸附或偶极子的定向排列作用。

9、第十七页，讲稿共六十页哦 非非极极性性界界面面和和极性界面电荷分布的大致情况如图8-7和如图8-8所示:第十八页，讲稿共六十页哦8.1.2.2 ISFET的特点和应用的特点和应用 ISFET的特点的特点:根据以上介绍的ISFET的结构和工作原理可知，它具有以下特点：（1）ISFET器件本身就能完成由高阻抗到低阻抗的变换，同时具有展宽频带和对信号进行放大的作用，这将使测量仪器大为简化。（2）ISFET具有体积小，重量轻，机械强度大等特点，特别适合于生物体内和高压条件下的测量使用。（3）敏感膜可以做得很薄，一般可小于100nm。这可使ISFET的水化时间很短，从而使离子活度的响应速度很快，响应时间

10、可小于1s。（4）易于将信息转换部分和信号放大检出部分与敏感器件集成在一块芯片上，实现整个系统的智能化、小型化和全固态化。（5）ISFET无需考虑离子敏感材料导电性问题，这就可在包括绝缘材料在内的广泛材料领域中找到更多更好的离子敏感材料。第十九页，讲稿共六十页哦ISFET的应用的应用:（1）对生物体液中无机离子的检测）对生物体液中无机离子的检测（2）在环境保护中的应用）在环境保护中的应用（3）在其他方面的应用）在其他方面的应用串行通信串行通信 第二十页，讲稿共六十页哦813 气敏传感器气敏传感器 早在20世纪30年代就已发现氧化亚铜的导电率随水蒸气的吸附而发生改变，其后又发现其它许多金属氧化物

11、也都具有气敏效应。20世纪 60年代研制成功了SnO2气敏元件，从此进入了实用阶段。这些金属氧化物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料，因此称之谓半导体陶瓷（简称半导瓷）。第二十一页，讲稿共六十页哦8.1.3.1气敏半导体材料的导电机理气敏半导体材料的导电机理 气敏半导体材料气敏半导体材料SnO2是是N型半导体，它的导电机理可以用吸型半导体，它的导电机理可以用吸附效应来解释。图附效应来解释。图8-9（a）为烧结体）为烧结体N型半导瓷的模型，它是多型半导瓷的模型，它是多晶体，晶粒内部电阻较低，晶粒间界有较高的电阻，图中分别以晶体，晶粒内部电阻较低，晶粒间界有较高的电阻，图中分别以空白部分和

12、黑点示意表示。导电通路的等效电路如图空白部分和黑点示意表示。导电通路的等效电路如图8-9（b）所）所示，图中示，图中Rn为颈部等效电阻，为颈部等效电阻，Rb为晶粒的等效体电阻，为晶粒的等效体电阻，Rs晶粒晶粒的等效表面电阻。其中的等效表面电阻。其中Rb的阻值较低，它不受吸附气体影响，的阻值较低，它不受吸附气体影响，Rs和和Rn则受吸附气体所控制，且则受吸附气体所控制，且RnRb，RsRb。由于。由于Rs被被Rb所短路，因而图（所短路，因而图（b）可简化为图（）可简化为图（c）只由颈部等效电阻）只由颈部等效电阻Rn串联串联而成的等效电路。由此可见，半导瓷气敏电阻的阻值将随吸附气而成的等效电路。由

13、此可见，半导瓷气敏电阻的阻值将随吸附气体的数量和种类而改变。体的数量和种类而改变。第二十二页，讲稿共六十页哦第二十三页，讲稿共六十页哦8132 电阻型气敏器件电阻型气敏器件 目目前前使使用用较较广广泛泛的的是是电电阻阻型型气气敏敏器器件件，按按其其结结构构又又可可分分为为烧烧结结型型、薄薄膜膜型型和和厚厚膜膜型三种，下面分别予以介绍型三种，下面分别予以介绍:1.烧结型气敏器件烧结型气敏器件（如图8-11（a）2.薄膜型气敏器件薄膜型气敏器件（如图8-11（b）3.厚膜型气敏器件厚膜型气敏器件（如图8-11（c）第二十四页，讲稿共六十页哦第二十五页，讲稿共六十页哦如图8-12所示为各种可燃性气体

14、的浓度与SnO2半导瓷气敏器件的电阻变化率的关系。对各种气体的相对灵敏度，可通过 不同的烧结条 件和添加增感 剂进行调整。第二十六页，讲稿共六十页哦 SnO2气敏器件易受环境温湿度的影响，图8-13给出了温湿度综合特性曲线。由于环境温湿度 对气敏器件的特 性有影响，在使 用时要加温湿度 补偿，或选用温 湿度性能好的气 敏器件。第二十七页，讲稿共六十页哦8.1.3.3 非电阻型气敏器件非电阻型气敏器件 非电阻型气敏器件是利用MOS二极管的电容电压特性（CV特性）的变化，和MOS场效应晶体管（MOSFET）的阈值电压的变化等物理特性做成的半导体气敏器件。它分为两种：1 1、MOSMOS二极管气敏器

15、件二极管气敏器件MOS二极管的结构和等效电路示于图8-14。由于Pd在吸附H2以后，会使它的功函数降低，这将引起MOS管的CV特性向负偏压向平移，如图8-15，据此可测定H2的浓度。2 2、PdPdMOSFETMOSFET气敏器件气敏器件PdMOSFET与普通MOSFET的主要区别在于用钯Pd薄膜取代铝Al膜作为栅电极。第二十八页，讲稿共六十页哦82 生物传感器生物传感器在过去的20多年中，生物学与物理学、化学融为一体，产生了新一代的装置生物传感器(Biosensor)，一个典型的多学科交叉产物，导致了分析生物学技术的一场革命。目前，生物传感器的概念得到公认，作为传感器的一个分支，从化学传感器

16、中独立出来。生物传感器是一类特殊的化学传感器，它利用各种生物或生物物质做成的，用以检测与识别生物体内的化学成分的传感器，生物或生物物质是指酶、核酸、细胞、微生物、抗体等，生物传感器的传感原理如图8-16表示。第二十九页，讲稿共六十页哦 生物传感器的结构一般有两个主要组成部分：其一是生物分子识别元件（感受器、生物膜），是一种或数种相关的具有分子识别能力的生物活性材料（如组织切片、细胞、细胞器、酶、有机物分子等），其二是信号转换器（换能器），能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器，包括电化学电极、光学检测元件、热敏电阻等。第三十页，讲稿共六十页哦 生物传感器的分类与命名：生物传感器的

17、分类与命名：生物传感器的分类和命名方法较多且不尽统一，主要有生物传感器的分类和命名方法较多且不尽统一，主要有两种分类法，即分子识别元件分类法和器件分类法。按所用两种分类法，即分子识别元件分类法和器件分类法。按所用生物活性物质生物活性物质(分子识别元件分子识别元件)的不同，可以将生物传感器分的不同，可以将生物传感器分为五大类为五大类 ，即酶传感器，即酶传感器(enzyme sensor)(enzyme sensor)、微生物传感器、微生物传感器 (microbial sensor)(microbial sensor)、免疫传感器、免疫传感器(immunol sensor)(immunol sen

18、sor)、组织、组织传感器传感器(tissue sensor)(tissue sensor)和细胞器传感器和细胞器传感器(organelle (organelle sensor)sensor)；按器件分类是依据所用变换器器件不同对生物传感；按器件分类是依据所用变换器器件不同对生物传感器进行分类，即生物电极器进行分类，即生物电极(bioelectrode)(bioelectrode)、半导体生物传感、半导体生物传感器器(Semiconduct biosensor)(Semiconduct biosensor)、光生物传感器、光生物传感器(optical (optical biosensor)bi

19、osensor)、热生物传感器、热生物传感器(calorimetric biosensor)(calorimetric biosensor)、压、压电晶体生物传感器电晶体生物传感器(piezo-electric biosensor)(piezo-electric biosensor)。关于个别。关于个别生物传感器的命名，一般采用生物传感器的命名，一般采用 功能功能+构成特征构成特征 的方法，如的方法，如葡萄糖氧化酶电极、谷氨酸脱氢酶电极、葡萄糖氧化酶电极、谷氨酸脱氢酶电极、BODBOD微生物电极、葡微生物电极、葡萄糖酶光纤传感器等，如图萄糖酶光纤传感器等，如图8-178-17所示所示 第三十一

20、页，讲稿共六十页哦图图8-178-17生物传感器的分类生物传感器的分类 第三十二页，讲稿共六十页哦821 酶传感器酶传感器 酶传感器是问世最早、成熟度最高的一类生物传酶传感器是问世最早、成熟度最高的一类生物传感器。它是利用酶的催化作用，在常温常压下将糖类、感器。它是利用酶的催化作用，在常温常压下将糖类、醇类、有机酸、氨基酸等生物分子氧化或分解，然后醇类、有机酸、氨基酸等生物分子氧化或分解，然后通过换能器将反应过程中化学物质的变化转变为电信通过换能器将反应过程中化学物质的变化转变为电信号记录下来，进而推出相应的生物分子浓度。因此，号记录下来，进而推出相应的生物分子浓度。因此，酶传感器是间接型传感

21、器，它不是直接测定待测物质，而是酶传感器是间接型传感器，它不是直接测定待测物质，而是通过对反应有关物质的浓度测定来推断底物的浓度。通过对反应有关物质的浓度测定来推断底物的浓度。第三十三页，讲稿共六十页哦8211 酶反应酶反应 酶的基本特征包括两个方面：酶的基本特征包括两个方面：其一：酶是生物体内产生并具有催化活性的一类蛋白质，此类蛋白质表现出特异的催化功能，因此，酶被称为生物催化剂。其二：酶反应具有高度专一性的特点，一种酶只能作用于某一种或某一类物质(被酶作用的物质称为底物)，因而有“一种酶，一种(类)底物”之说。第三十四页，讲稿共六十页哦酶催化的专一性是由酶蛋白分子(特别是分子中的活性部位)

22、结构所决定的，根据酶对底物专一性程度的不同，大致可分为三种类型：第一种类型的酶专一性较低，能作用结构类似的一系列底物，可分为族专一性和键专一性两种。族专一性酶对底物的化学键及其一端有绝对要求，对键的另一端只有相对要求；键专一性酶对底物分子的化学键有绝对要求，而对键的两端只有相对要求。第二种类型的酶仅对一种物质有催化作用，它们对底物的化学键及其两端均有绝对要求。第三种类型的酶具有立体专一性，这类酶不仅要求底物有一定的化学结构，而且要有一定的立体结构。第三十五页，讲稿共六十页哦8212 酶传感器酶传感器酶传感器是由酶敏感膜和电化学器件构成的，利用酶的特性可酶传感器是由酶敏感膜和电化学器件构成的，利

23、用酶的特性可以制造出高灵敏度、选择性好的传感器。应该指出，酶传感器中酶敏以制造出高灵敏度、选择性好的传感器。应该指出，酶传感器中酶敏感膜使用的酶是将各种微生物通过复杂工序精炼出来的，因此，其造感膜使用的酶是将各种微生物通过复杂工序精炼出来的，因此，其造价很高，性能也不太稳定。酶的催化反应可用下式表示价很高，性能也不太稳定。酶的催化反应可用下式表示 ：式中式中 S S待测物质；待测物质；E E酶；酶；T T反应温度，单位反应温度，单位；Pi Pi第第i i个产物。个产物。酶的催化作用是在一定的条件下使底物分解，故酶的催化作用酶的催化作用是在一定的条件下使底物分解，故酶的催化作用实际上是加速底物的

24、分解速度。实际上是加速底物的分解速度。第三十六页，讲稿共六十页哦 按输出信号的不同，酶传感器有两种形按输出信号的不同，酶传感器有两种形式式:一是电流型酶传感器；二是电位型酶传感一是电流型酶传感器；二是电位型酶传感器，即以离子作为检测方式，表器，即以离子作为检测方式，表81给出了给出了酶传感器的种类。酶传感器的种类。第三十七页，讲稿共六十页哦 下面以葡萄糖酶传感器为例说明其工作原理与检测工程。葡萄糖氧化酶电极是研究最早、最成熟的酶电极。它是由葡萄糖氧化酶膜和电化学电极组成。葡萄糖酶传感器的葡萄糖氧化酶膜固定在聚乙烯酰胺凝胶上，其电化学器件为Pt阳电极和Pb阴电极，中间溶液为强碱溶液，并在阳电极表

25、面覆盖一层透氧气的聚四氟乙烯膜，形成封闭式氧电极(见图818)。第三十八页，讲稿共六十页哦 实际应用时，葡萄糖酶传感器安放在被测葡萄糖溶液中。由于酶的催化作用会产生过氧化氢(H2O2)，其反应式为：反应过程中，以葡萄糖氧化酶(GOD)作为催化剂。在上式中，葡萄糖氧化时产生H202，它们通过选择性透气膜，在Pt电极上氧化，产生阳极电流，葡萄糖含量与电流成正比，这样，就测量出了葡萄糖溶液的浓度。第三十九页，讲稿共六十页哦822 微生物传感器微生物传感器 微微生生物物传传感感器器是是由由固固定定化化的的微微生生物物细细胞胞与与电电化化学学装装置置结结合而形成的生物传感器。合而形成的生物传感器。(1)

26、微生物反应的特点微生物反应的特点:微微生生物物反反应应过过程程是是利利用用微微生生物物的的生生长长所所进进行行的的生生物物化化学学反反应应过过程程，即即微微生生物物反反应应是是将将微微生生物物作作为为生生物物催催化化剂剂进进行行的的反反应应，酶酶在在微微生生物物反反应应中中起起最最基基本本的催化作用。同时微生物反应在又有其特殊性。的催化作用。同时微生物反应在又有其特殊性。8221 微生物反应微生物反应第四十页，讲稿共六十页哦(2)微生物反应类型：微生物反应类型：同化与异化同化与异化 根据微生物代谢流向可以分为同化作用和根据微生物代谢流向可以分为同化作用和异化作用。异化作用。自养与异养自养与异养

27、 根据微生物对营养的要求，微生物反根据微生物对营养的要求，微生物反应又可分为自养性与异养性。应又可分为自养性与异养性。好气性与厌气性好气性与厌气性 根据微生物反应对氧的需求与否根据微生物反应对氧的需求与否可以分为好氧反应和厌氧反应。可以分为好氧反应和厌氧反应。细胞能量的产生与转移细胞能量的产生与转移 微生物反应所产生的能量大部微生物反应所产生的能量大部分转化为高能化合物。分转化为高能化合物。第四十一页，讲稿共六十页哦8.2.2.2 微生物传感器微生物传感器 用微生物作为分子识别元件制成的传感器称为微用微生物作为分子识别元件制成的传感器称为微生物传感器。微生物传感器与酶传感器相比有价格便生物传感

28、器。微生物传感器与酶传感器相比有价格便宜、寿命长、易于完成需要辅助因子的复杂的连续反宜、寿命长、易于完成需要辅助因子的复杂的连续反应、性能稳定等优点，但其响应时间较长应、性能稳定等优点，但其响应时间较长(数分钟数分钟)，选择性较差。选择性较差。微生物本身就是具有生命活性的细胞，有各种生理机能，其主要机能是呼吸机能(02的消耗)和新陈代谢机能(物质的合成与分解)。微生物传感器从工作原理上可分为两种类型，即呼吸机能型和代谢机能型，微生物传感器结构如图819所示第四十二页，讲稿共六十页哦第四十三页，讲稿共六十页哦(1)(1)呼吸机能型微生物传感器呼吸机能型微生物传感器 呼吸机能型微生物传感器是基于微

29、生物呼吸量与呼吸机能型微生物传感器是基于微生物呼吸量与呼吸机能型微生物传感器是基于微生物呼吸量与呼吸机能型微生物传感器是基于微生物呼吸量与有机物前后不同，通过测量有机物前后不同，通过测量有机物前后不同，通过测量有机物前后不同，通过测量O2O2O2O2电极转变为扩散电流值电极转变为扩散电流值电极转变为扩散电流值电极转变为扩散电流值从而间接测定有机物浓度。生物呼吸机能存在好气性从而间接测定有机物浓度。生物呼吸机能存在好气性从而间接测定有机物浓度。生物呼吸机能存在好气性从而间接测定有机物浓度。生物呼吸机能存在好气性和厌气性两种。其中好气性微生物需要有氧气，因此和厌气性两种。其中好气性微生物需要有氧气

30、，因此和厌气性两种。其中好气性微生物需要有氧气，因此和厌气性两种。其中好气性微生物需要有氧气，因此可通过测量氧气来控制呼吸机能，并了解其生理状态；可通过测量氧气来控制呼吸机能，并了解其生理状态；可通过测量氧气来控制呼吸机能，并了解其生理状态；可通过测量氧气来控制呼吸机能，并了解其生理状态；而厌气性微生物相反，它不需要氧气，氧气存在会妨而厌气性微生物相反，它不需要氧气，氧气存在会妨而厌气性微生物相反，它不需要氧气，氧气存在会妨而厌气性微生物相反，它不需要氧气，氧气存在会妨碍微生物生长，而可以通过测量碳酸气消耗及其他生碍微生物生长，而可以通过测量碳酸气消耗及其他生碍微生物生长，而可以通过测量碳酸气

31、消耗及其他生碍微生物生长，而可以通过测量碳酸气消耗及其他生成物来探知生理状态。由此可知，呼吸机能型微生物成物来探知生理状态。由此可知，呼吸机能型微生物成物来探知生理状态。由此可知，呼吸机能型微生物成物来探知生理状态。由此可知，呼吸机能型微生物传感器是由微生物固定化膜和传感器是由微生物固定化膜和传感器是由微生物固定化膜和传感器是由微生物固定化膜和02020202电极电极电极电极(或或或或CO2CO2CO2CO2电极电极电极电极)组组组组成。成。成。成。第四十四页，讲稿共六十页哦图图图图 8 8 2020是是是是 生生生生 物物物物 化化化化 学学学学 耗耗耗耗 氧氧氧氧 量量量量 传传传传 感感

32、感感 器器器器BOD(Biological BOD(Biological Oxygen Oxygen Demand)Demand)，图图图图中中中中把把把把这这这这种种种种呼吸机能型微生物传感器放入含有有机化呼吸机能型微生物传感器放入含有有机化呼吸机能型微生物传感器放入含有有机化呼吸机能型微生物传感器放入含有有机化合物的被测合物的被测合物的被测合物的被测溶液中，于溶液中，于溶液中，于溶液中，于是有机物向是有机物向是有机物向是有机物向微生物膜扩微生物膜扩微生物膜扩微生物膜扩散，而被微散，而被微散，而被微散，而被微生物摄取生物摄取生物摄取生物摄取(称称称称为资化为资化为资化为资化)。第四十五页，讲

33、稿共六十页哦图图8 82121为为这这种种传传感感器器的的响响应应曲曲线线，曲曲线线稳稳定定电电流流值值表表示示传传感感器器放放入入待待测测溶溶解解氧氧饱饱和和状状态态缓缓冲冲溶溶液液中中(磷磷酸酸盐盐缓缓冲冲液液)微微生生物物的的吸吸收收水水平平。当当溶溶液液加加入入葡葡萄萄糖糖或或谷谷氨氨酸酸等等营营养养膜膜后后，电电流流迅迅速速下下降降，并并达达到到新新的的稳稳定定电电流流值值，这这说说明明微微生生物物在在资资化化葡葡萄萄糖糖等等营营养养源源时时呼吸机能增加，呼吸机能增加，即氧的消耗量增即氧的消耗量增加。这个稳定值加。这个稳定值与未添加营养时与未添加营养时的电流稳定值之的电流稳定值之差与

34、样品中有机差与样品中有机物浓度成正比。物浓度成正比。第四十六页，讲稿共六十页哦(2)(2)代谢机能型微生物传感器代谢机能型微生物传感器代谢机能型微生物传感器代谢机能型微生物传感器 代谢机能型微生物传感器的基本原理是微生物使有机代谢机能型微生物传感器的基本原理是微生物使有机代谢机能型微生物传感器的基本原理是微生物使有机代谢机能型微生物传感器的基本原理是微生物使有机物资化而产生各种代谢生成物。这些代谢生成物中，含有物资化而产生各种代谢生成物。这些代谢生成物中，含有物资化而产生各种代谢生成物。这些代谢生成物中，含有物资化而产生各种代谢生成物。这些代谢生成物中，含有遇电极产生电化学反应的物质遇电极产生

35、电化学反应的物质遇电极产生电化学反应的物质遇电极产生电化学反应的物质(即电极活性物质即电极活性物质即电极活性物质即电极活性物质)。因此，。因此，。因此，。因此，微生物传感器的微生物微生物传感器的微生物微生物传感器的微生物微生物传感器的微生物敏感膜与离子选择敏感膜与离子选择敏感膜与离子选择敏感膜与离子选择性电极性电极性电极性电极(或燃料电池或燃料电池或燃料电池或燃料电池型电极型电极型电极型电极)相结合就构相结合就构相结合就构相结合就构成了代谢机能型微成了代谢机能型微成了代谢机能型微成了代谢机能型微生物传感器，图生物传感器，图生物传感器，图生物传感器，图8 82222为甲酸传感器结为甲酸传感器结为

36、甲酸传感器结为甲酸传感器结构示意图。构示意图。构示意图。构示意图。第四十七页，讲稿共六十页哦表表表表8 8 8 82 2 2 2列出了一些常用微生物传感器的主要性能。列出了一些常用微生物传感器的主要性能。列出了一些常用微生物传感器的主要性能。列出了一些常用微生物传感器的主要性能。第四十八页，讲稿共六十页哦8.2.3 免疫传感器免疫传感器 (1)抗原与抗体抗原与抗体 所谓抗原，就是能够刺激动物体产生免疫反应的物质。从广义的生物学观点看，凡是引起免疫反应性能的物质，都可称为抗原。根据来源的不同，抗原又可以分为如下几种：天然抗原 人工抗原 合成抗原所谓抗体，就是由抗原刺激机体产生的特异性免疫功能的球

37、蛋白，又称免疫球蛋白。8.2.3.1 免疫学反应免疫学反应 第四十九页，讲稿共六十页哦(2)(2)抗原的理性性状抗原的理性性状 物理性状物理性状 化学组成化学组成 (3)抗原抗原-抗体反应抗体反应 抗原抗原-抗体结合时将发生凝聚、沉淀、抗体结合时将发生凝聚、沉淀、溶解反应和促进吞噬抗原颗粒的作用。溶解反应和促进吞噬抗原颗粒的作用。抗原与抗体结合尽管是稳固的，但也是抗原与抗体结合尽管是稳固的，但也是可逆的。某些酶能促使逆反应，抗原抗体复可逆的。某些酶能促使逆反应，抗原抗体复合物解离时，都保持自己本来的特性。合物解离时，都保持自己本来的特性。第五十页，讲稿共六十页哦8.2.3.2 免疫传感器免疫传

38、感器免免疫疫传传感感器器是是生生物物传传感感器器领领域域中中发发展展较较快快的的分分支支，它它除除具具有有生生物物传传感感器器的的普普遍遍特特点点外外，还还因因其其高高特特异异性性、高高选选择择性性、测测定定准准确确度度高高、重重复复性性好好、反反应应速速度度快快等等优点，用于大量样品分析和筛选。电位优点，用于大量样品分析和筛选。电位式免疫传感器是利用固定式免疫传感器是利用固定化抗体化抗体(或抗原或抗原)膜与相应膜与相应的抗原的抗原(或抗体或抗体)的特异反的特异反应，此反应的结果使生应，此反应的结果使生物敏感膜的电位发生变化物敏感膜的电位发生变化。图。图823为这种免疫传为这种免疫传感器的结构

39、原理图感器的结构原理图 第五十一页，讲稿共六十页哦压电免疫传感器（Piezoelectric Immunosensor）是因免疫反应发生而导致）是因免疫反应发生而导致质量改变并通过压电晶体而感知的传感器。质量改变并通过压电晶体而感知的传感器。图824 为一种质量改变型压一种质量改变型压电免疫传感器，采用石英晶石英晶体微量天平体微量天平(quartz crystalmicrobalance,QCM)技术。技术。第五十二页，讲稿共六十页哦8.2.4 生物组织传感器生物组织传感器 生物组织传感器是以活的动植物组织细胞切片作为生物组织传感器是以活的动植物组织细胞切片作为生物组织传感器是以活的动植物组织

40、细胞切片作为生物组织传感器是以活的动植物组织细胞切片作为分子识别元件，并与相应的变换元件构成生物组织传感分子识别元件，并与相应的变换元件构成生物组织传感分子识别元件，并与相应的变换元件构成生物组织传感分子识别元件，并与相应的变换元件构成生物组织传感器，生物组织传感器有很多特点：器，生物组织传感器有很多特点：器，生物组织传感器有很多特点：器，生物组织传感器有很多特点：生物组织含有丰富的酶类，这些酶类在适宜的生物组织含有丰富的酶类，这些酶类在适宜的生物组织含有丰富的酶类，这些酶类在适宜的生物组织含有丰富的酶类，这些酶类在适宜的自然环境中，可以得到相当稳定的酶活性，许多组织自然环境中，可以得到相当稳

41、定的酶活性，许多组织自然环境中，可以得到相当稳定的酶活性，许多组织自然环境中，可以得到相当稳定的酶活性，许多组织传感器工作寿命比相应的酶传感器寿命长得多。传感器工作寿命比相应的酶传感器寿命长得多。传感器工作寿命比相应的酶传感器寿命长得多。传感器工作寿命比相应的酶传感器寿命长得多。在所需要的酶难以提纯时，直接利用生物组织可以在所需要的酶难以提纯时，直接利用生物组织可以在所需要的酶难以提纯时，直接利用生物组织可以在所需要的酶难以提纯时，直接利用生物组织可以得到足够高的酶活性。得到足够高的酶活性。得到足够高的酶活性。得到足够高的酶活性。组织识别元件制作简便，一般不需要采用固定化组织识别元件制作简便，

42、一般不需要采用固定化组织识别元件制作简便，一般不需要采用固定化组织识别元件制作简便，一般不需要采用固定化技术。技术。技术。技术。第五十三页，讲稿共六十页哦组组织织传传感感器器制制作作的的关关键键是是选选择择所所需需要要酶酶活活性性较较高高的的动动、植植物物的的器器官官组组织织，表表83列出了几种组织传感器的构成。列出了几种组织传感器的构成。第五十四页，讲稿共六十页哦8.2.5 光生物传感器光生物传感器 光光生生物物传传感感器器是是一一种种选选择择性性地地识识别别分分子子信信息息、引引发发光光学学变变化化且且把把光光学学变变化化转转换换为为电电信信号号输输出出的的传传感感器器。光光生生物物传传感

43、感器器具具有有灵灵敏敏度度高高、不不需需要要参参比比传传感感器器、光光传传播播信信号号不不受受外外界界电电磁磁干干扰扰等等特特点点。光光生生物物传传感感器器主主要要包包括括生生物物光光极极和和表表面面等离子体共振生物传感器。等离子体共振生物传感器。第五十五页，讲稿共六十页哦生物光极生物光极 生物光极是将生物敏感膜固定在光导纤维或光电二极管上制成的。如图825所示酶光敏二极管是一种新型的光生物传感器，它由催化发光反应的酶和光敏二极管(或晶体管)半导体器件构成。第五十六页，讲稿共六十页哦表面等离子体共振表面等离子体共振 表面等离子体共振即表面等离子体共振即SPR(surface plasma SP

44、R(surface plasma resonance)resonance)生物传感器，它主要由光波导耦合生物传感器，它主要由光波导耦合器器件、金属膜、件、金属膜、生物分子膜等生物分子膜等组成组成,其结构其结构如图如图8 82626所所示。示。第五十七页，讲稿共六十页哦光纤渐逝波荧光光纤渐逝波荧光 光光光光纤纤纤纤渐渐渐渐逝逝逝逝波波波波荧荧荧荧光光光光探探探探测测测测的的的的基基基基本本本本原原原原理理理理是是是是：利利利利用用用用激激激激光光光光在在在在光光光光纤纤纤纤探探探探针针针针中中中中全全全全反反反反射射射射传传传传播播播播时时时时产产产产生生生生的的的的渐渐渐渐逝逝逝逝波波波波去去

45、去去激激激激发发发发光光光光纤纤纤纤探探探探针针针针表表表表面面面面标标标标记记记记于于于于生生生生物物物物物物物物质质质质上上上上的的的的荧荧荧荧光光光光染染染染料料料料，在在在在渐渐渐渐逝逝逝逝波波波波作作作作用用用用范范范范围内围内围内围内通过特异性反通过特异性反通过特异性反通过特异性反应检测被测物应检测被测物应检测被测物应检测被测物质的种类和浓质的种类和浓质的种类和浓质的种类和浓度。图度。图度。图度。图8-278-27为为为为全光纤结构的全光纤结构的全光纤结构的全光纤结构的渐逝波生物传渐逝波生物传渐逝波生物传渐逝波生物传感器示意图。感器示意图。感器示意图。感器示意图。第五十八页，讲稿共

46、六十页哦思考题：思考题：1.1.1.1.找出化学传感器、物理传感器和生物传感器的区别。找出化学传感器、物理传感器和生物传感器的区别。找出化学传感器、物理传感器和生物传感器的区别。找出化学传感器、物理传感器和生物传感器的区别。2.2.2.2.电化学传感器有哪几种形式，描电化学传感器有哪几种形式，描电化学传感器有哪几种形式，描电化学传感器有哪几种形式，描述其原理。述其原理。述其原理。述其原理。3.3.3.3.对于应用电化学、光学、压电、热等转换机理的化学生物传感器本片做了哪些描述，对于应用电化学、光学、压电、热等转换机理的化学生物传感器本片做了哪些描述，对于应用电化学、光学、压电、热等转换机理的化

47、学生物传感器本片做了哪些描述，对于应用电化学、光学、压电、热等转换机理的化学生物传感器本片做了哪些描述，还可以做哪些补充？还可以做哪些补充？还可以做哪些补充？还可以做哪些补充？4.4.4.4.应用表面吸附的作用，再通过哪些物理效应把化学量、生物量转换成便于测应用表面吸附的作用，再通过哪些物理效应把化学量、生物量转换成便于测应用表面吸附的作用，再通过哪些物理效应把化学量、生物量转换成便于测应用表面吸附的作用，再通过哪些物理效应把化学量、生物量转换成便于测量的量？人们是如何实现选择性转换的？量的量？人们是如何实现选择性转换的？量的量？人们是如何实现选择性转换的？量的量？人们是如何实现选择性转换的？

48、5.5.5.5.对生物传感器分别按照其感受器中所采用的生命物质分类，按照传感器器件检测的原理分对生物传感器分别按照其感受器中所采用的生命物质分类，按照传感器器件检测的原理分对生物传感器分别按照其感受器中所采用的生命物质分类，按照传感器器件检测的原理分对生物传感器分别按照其感受器中所采用的生命物质分类，按照传感器器件检测的原理分类类类类 ，按照生物敏感物质相互作用的类型分类，进行归纳举例。，按照生物敏感物质相互作用的类型分类，进行归纳举例。，按照生物敏感物质相互作用的类型分类，进行归纳举例。，按照生物敏感物质相互作用的类型分类，进行归纳举例。6.6.6.6.回顾场效应晶体管回顾场效应晶体管回顾场

49、效应晶体管回顾场效应晶体管FETsFETsFETsFETs的工作原理。比较其在化学和生物传感器技术中的应的工作原理。比较其在化学和生物传感器技术中的应的工作原理。比较其在化学和生物传感器技术中的应的工作原理。比较其在化学和生物传感器技术中的应用机理的异同。用机理的异同。用机理的异同。用机理的异同。7.7.7.7.查阅相关资料，描绘出一种血糖测量传感器原理与结构。查阅相关资料，描绘出一种血糖测量传感器原理与结构。查阅相关资料，描绘出一种血糖测量传感器原理与结构。查阅相关资料，描绘出一种血糖测量传感器原理与结构。8.8.8.8.查阅相关资料，描绘出一种应用生物发光传感原理检测微量三硝基甲苯查阅相关

50、资料，描绘出一种应用生物发光传感原理检测微量三硝基甲苯查阅相关资料，描绘出一种应用生物发光传感原理检测微量三硝基甲苯查阅相关资料，描绘出一种应用生物发光传感原理检测微量三硝基甲苯TNTTNTTNTTNT的传感器的传感器的传感器的传感器原理与结构。原理与结构。原理与结构。原理与结构。9 9 9 9气敏传感器有哪几种类型？简述电阻式气敏传感器的工作原理。气敏传感器有哪几种类型？简述电阻式气敏传感器的工作原理。气敏传感器有哪几种类型？简述电阻式气敏传感器的工作原理。气敏传感器有哪几种类型？简述电阻式气敏传感器的工作原理。10101010为什么大多数气敏传感器要装有加热器？为什么大多数气敏传感器要装有