811 電位型電化學傳感器原理電位型電化學傳感器原理812 離子敏感器件離子敏感器件8121 ISFET的結構與工作原理的結構與工作原理8122 ISFET的特點和應用的特點和應用813 氣敏傳感器氣敏傳感器8131氣敏半導體材料的導電機理氣敏半導體材料的導電機理8132 電阻型氣敏器件電阻型氣敏器件 8133 非電阻型氣敏器件非電阻型氣敏器件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 化學傳感器包括電化學傳感器、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光化學傳感器、質量化學傳感器和熱化學傳感器。學傳感器。根據(jù)轉換的電信號種類不同，可根據(jù)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、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。電位型化學傳感器和電阻型化學傳感器。有三種基本電化學過程適用于構成傳有三種基本電化學過程適用于構成傳感器：感器：1電位法：測量零電流下的電池電電位法：測量零電流下的電池電位；位；2.伏安法伏安法(電流法電流法)：在電池電位間設：在電池電位間設置氧化置氧化(或還原或還原)電位來測量電池的電位來測量電池的電流；電流；3.電導法：用一交流電橋方法來測量電導法：用一交流電橋方法來測量電池的電導。電池的電導。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產生電荷分布，這就產生了人們所說的電子壓力，通常稱為電位。電動勢數(shù)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。如圖圖 8-1,8-2,8-3.圖圖8-1 將一金屬電極浸在電解液中為一半電池將一金屬電極浸在電解液中為一半電池圖圖8-2 兩個半電池電極組合成一完整的電池兩個半電池電極組合成一完整的電池 圖圖 8-3 氫電極與其它半電池相連接氫電極與其它半電池相連接 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(shù)關系式 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。ROExElg06.00812 離子敏感器件離子敏感器件 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(tài)電化學敏感器件。MOFETMOFET的結構和特性的結構和特性 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(qū)，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(fā)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，而源漏是N型，故源漏之間不導通。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?yōu)镹型。這個N型區(qū)就將源區(qū)和漏區(qū)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(tài)。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移特性曲線。離子敏傳感器的結構與工作原理離子敏傳感器的結構與工作原理 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，就構成了一只ISFET。如圖8-6所示。ISFET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）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(shù)，因此ISFET的閾值電壓與被測溶液中的離子活度的對數(shù)成線性關系。aViTSClg 根據(jù)電化學觀點，敏感膜與溶液界面根據(jù)電化學觀點，敏感膜與溶液界面可分如下兩種情況：可分如下兩種情況：（1 1）非極性界面）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?？梢哉J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。極性界面電荷分布的大致情況如圖8-7和如圖8-8所示:8.1.2.2 ISFET的特點和應用的特點和應用 ISFET的特點的特點:根據(jù)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器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）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）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(xiàn)整個系統(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。（1）對生物體液中無機離子的檢測）對生物體液中無機離子的檢測（2）在環(huán)境保護中的應用）在環(huán)境保護中的應用（3）在其他方面的應用）在其他方面的應用串行通信串行通信 813 氣敏傳感器氣敏傳感器 早在20世紀30年代就已發(fā)現(xiàn)氧化亞銅的導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。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）。氣敏半導體材料氣敏半導體材料SnO2是是N型半導體，它的導電機理可型半導體，它的導電機理可以用吸附效應來解釋。圖以用吸附效應來解釋。圖8-9（a）為燒結體）為燒結體N型半導瓷的模型半導瓷的模型，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電路如圖8-9（b）所示，圖中）所示，圖中Rn為頸部等效電阻，為頸部等效電阻，Rb為晶為晶粒的等效體電阻，粒的等效體電阻，Rs晶粒的等效表面電阻。其中晶粒的等效表面電阻。其中Rb的阻值的阻值較低，它不受吸附氣體影響，較低，它不受吸附氣體影響，Rs和和Rn則受吸附氣體所控制，則受吸附氣體所控制，且且RnRb，RsRb。由于。由于Rs被被Rb所短路，因而圖（所短路，因而圖（b）可簡化為圖（可簡化為圖（c）只由頸部等效電阻）只由頸部等效電阻Rn串聯(lián)而成的等效電路。串聯(lián)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(shù)量和種由此可見，半導瓷氣敏電阻的阻值將隨吸附氣體的數(shù)量和種類而改變。類而改變。目前使用較廣泛的是電阻型氣敏器件，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，下面分別予以介紹型三種，下面分別予以介紹:1.燒結型氣敏器件燒結型氣敏器件（如圖8-11（a）2.薄膜型氣敏器件薄膜型氣敏器件（如圖8-11（b）3.厚膜型氣敏器件厚膜型氣敏器件（如圖8-11（c）如圖8-12所示為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。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。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。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（MOSFET）的閾值電壓的變化等物理特性做成的半導體氣敏器件。它分為兩種：1 1、MOSMOS二極管氣敏器件二極管氣敏器件MOS二極管的結構和等效電路示于圖8-14。由于Pd在吸附H2以后，會使它的功函數(shù)降低，這將引起MOS管的CV特性向負偏壓向平移，如圖8-15，據(jù)此可測定H2的濃度。2 2、PdPdMOSFETMOSFET氣敏器件氣敏器件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。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支，從化學傳感器中獨立出來。生物傳感器是一類特殊的化學傳感器，它利用各種生物或生物物質做成的，用以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、核酸、細胞、微生物、抗體等，生物傳感器的傳感原理如圖8-16表示。生物傳感器的結構一般有兩個主要組成部分：其一是生物分子識別元件（感受器、生物膜），是一種或數(shù)種相關的具有分子識別能力的生物活性材料（如組織切片、細胞、細胞器、酶、有機物分子等），其二是信號轉換器（換能器），能把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學換能器，包括電化學電極、光學檢測元件、熱敏電阻等。生物傳感器的分類與命名：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，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，即分子識別元件分類法和器件主要有兩種分類法，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類法。按所用生物活性物質(分子識別元件分子識別元件)的不的不同，可以將生物傳感器分為五大類同，可以將生物傳感器分為五大類 ，即酶傳感器，即酶傳感器 (enzyme sensor)(enzyme sensor)、微生物傳感器、微生物傳感器 (microbial(microbial sensor)sensor)、免疫傳感器、免疫傳感器 (immunol sensor)(immunol sensor)、組織傳、組織傳感器感器 (tissue sensor)(tissue sensor)和細胞器傳感器和細胞器傳感器 (organelle(organelle sensor)sensor)；按器件分類是依據(jù)所用變換器器件不同對；按器件分類是依據(jù)所用變換器器件不同對生物傳感器進行分類，即生物電極生物傳感器進行分類，即生物電極 (bioelectrode)(bioelectrode)、半導體生物傳感器半導體生物傳感器 (Semiconduct biosensor)(Semiconduct biosensor)、光、光生物傳感器生物傳感器 (optical biosensor)(optical biosensor)、熱生物傳感器、熱生物傳感器 (calorimetric biosensor)(calorimetric biosensor)、壓電晶體生物傳感器、壓電晶體生物傳感器 (piezo-electric biosensor)(piezo-electric biosensor)。關于個別生物傳感。關于個別生物傳感器的命名，一般采用器的命名，一般采用 功能功能+構成特征構成特征 的方法，如的方法，如葡萄糖氧化酶電極、谷氨酸脫氫酶電極、葡萄糖氧化酶電極、谷氨酸脫氫酶電極、BODBOD微生物微生物電極、葡萄糖酶光纖傳感器等，如圖電極、葡萄糖酶光纖傳感器等，如圖8-178-17所示所示 圖圖8-178-17生物傳感器的分類生物傳感器的分類 酶傳感器是問世最早、成熟度最高的一類生物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糖類、醇類、有機酸、氨基酸等生物分子氧化或分解，然后通過換能器將反應過程中化學物質的變化解，然后通過換能器將反應過程中化學物質的變化轉變?yōu)殡娦盘栍涗浵聛?，進而推出相應的生物分子轉變?yōu)殡娦盘栍涗浵聛恚M而推出相應的生物分子濃度。因此，濃度。因此，酶傳感器是間接型傳感器，它不是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。度測定來推斷底物的濃度。酶的基本特征包括兩個方面：酶的基本特征包括兩個方面：其一：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(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(被酶作用的物質稱為底物)，因而有“一種酶，一種(類)底物”之說。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(jù)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。酶傳感器是由酶敏感膜和電化學器件構成的，利用酶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，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(wěn)定。酶的催精煉出來的，因此，其造價很高，性能也不太穩(wěn)定。酶的催化反應可用下式表示化反應可用下式表示 ：式中式中 S S待測物質；待測物質；E E酶；酶；T T反應溫度，單位反應溫度，單位；PiPi第第i i個產物。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。催化作用實際上是加速底物的分解速度。niiPTES1 按輸出信號的不同，酶傳感器有兩種形按輸出信號的不同，酶傳感器有兩種形式式:一是電流型酶傳感器；二是電位型酶傳感一是電流型酶傳感器；二是電位型酶傳感器，即以離子作為檢測方式，表器，即以離子作為檢測方式，表81給出了給出了酶傳感器的種類。酶傳感器的種類。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電極組成。葡萄糖酶傳感器的葡萄糖氧化酶膜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)。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：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。微生物傳感器是由固定化的微生物細胞與電化學微生物傳感器是由固定化的微生物細胞與電化學裝置結合而形成的生物傳感器。裝置結合而形成的生物傳感器。(1)微生物反應的特點微生物反應的特點:微生物反應過程是利用微生物的生長所進微生物反應過程是利用微生物的生長所進行的生物化學反應過程，即微生物反應是將行的生物化學反應過程，即微生物反應是將微生物作為生物催化劑進行的反應，酶在微微生物作為生物催化劑進行的反應，酶在微生物反應中起最基本的催化作用。同時微生生物反應中起最基本的催化作用。同時微生物反應在又有其特殊性。物反應在又有其特殊性。8221 微生物反應微生物反應(2)微生物反應類型：微生物反應類型：同化與異化同化與異化 根據(jù)微生物代謝流向可以分為同化根據(jù)微生物代謝流向可以分為同化作用和異化作用。作用和異化作用。自養(yǎng)與異養(yǎng)自養(yǎng)與異養(yǎng) 根據(jù)微生物對營養(yǎng)的要求，微生物根據(jù)微生物對營養(yǎng)的要求，微生物反應又可分為自養(yǎng)性與異養(yǎng)性。反應又可分為自養(yǎng)性與異養(yǎng)性。好氣性與厭氣性好氣性與厭氣性 根據(jù)微生物反應對氧的需求與根據(jù)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。否可以分為好氧反應和厭氧反應。細胞能量的產生與轉移細胞能量的產生與轉移 微生物反應所產生的能微生物反應所產生的能量大部分轉化為高能化合物。量大部分轉化為高能化合物。用微生物作為分子識別元件制成的傳感器稱為用微生物作為分子識別元件制成的傳感器稱為微生物傳感器。微生物傳感器與酶傳感器相比有價微生物傳感器。微生物傳感器與酶傳感器相比有價格便宜、壽命長、易于完成需要輔助因子的復雜的格便宜、壽命長、易于完成需要輔助因子的復雜的連續(xù)反應、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但其響應時間較長連續(xù)反應、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但其響應時間較長(數(shù)數(shù)分鐘分鐘)，選擇性較差。，選擇性較差。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)。微生物傳感器從工作原理上可分為兩種類型，即呼吸機能型和代謝機能型，微生物傳感器結構如圖819所示 圖圖8 82121為這種傳感器的響應曲線，曲為這種傳感器的響應曲線，曲線穩(wěn)定電流值表示傳感器放入待測溶解氧線穩(wěn)定電流值表示傳感器放入待測溶解氧飽和狀態(tài)緩沖溶液中飽和狀態(tài)緩沖溶液中(磷酸鹽緩沖液磷酸鹽緩沖液)微生微生物的吸收水平。當溶液加入葡萄糖或谷氨物的吸收水平。當溶液加入葡萄糖或谷氨酸等營養(yǎng)膜后，電流迅速下降，并達到新酸等營養(yǎng)膜后，電流迅速下降，并達到新的穩(wěn)定電流值，這說明微生物在資化葡萄的穩(wěn)定電流值，這說明微生物在資化葡萄糖等營養(yǎng)源時呼吸機能增加，糖等營養(yǎng)源時呼吸機能增加，即氧的消耗量增即氧的消耗量增加。這個穩(wěn)定值加。這個穩(wěn)定值與未添加營養(yǎng)時與未添加營養(yǎng)時的電流穩(wěn)定值之的電流穩(wěn)定值之差與樣品中有機差與樣品中有機物濃度成正比。物濃度成正比。(1)抗原與抗體抗原與抗體 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。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，就是由抗原刺激機體產生的特異性免疫功能的球蛋白，又稱免疫球蛋白。8.2.3.1 免疫學反應免疫學反應 免疫傳感器是生物傳感器領域中發(fā)展較快的分免疫傳感器是生物傳感器領域中發(fā)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、反特異性、高選擇性、測定準確度高、重復性好、反應速度快等優(yōu)點，用于大量樣品分析和篩選。電位應速度快等優(yōu)點，用于大量樣品分析和篩選。電位式免疫傳感器是利用固定式免疫傳感器是利用固定化抗體化抗體(或抗原或抗原)膜與相應膜與相應的抗原的抗原(或抗體或抗體)的特異反的特異反應，此反應的結果使生應，此反應的結果使生物敏感膜的電位發(fā)生變化物敏感膜的電位發(fā)生變化。圖。圖823為這種免疫傳為這種免疫傳感器的結構原理圖感器的結構原理圖 生物光極是將生物敏感膜固定在光導纖維或光電二極管上制成的。如圖825所示酶光敏二極管是一種新型的光生物傳感器，它由催化發(fā)光反應的酶和光敏二極管(或晶體管)半導體器件構成。表面等離子體共振即表面等離子體共振即SPR(surface SPR(surface plasma resonance)plasma resonance)生物傳感器，它主要由生物傳感器，它主要由光波導耦合器光波導耦合器件、金屬膜、件、金屬膜、生物分子膜等生物分子膜等組成組成,其結構其結構如圖如圖8 82626所所示。示。