1、化学与生物传感器陈淑玲 072368胡相利 0723582022-7-262化学与生物传感器228.1 化学传感器化学传感器38.2 生物传感器生物传感器2022-7-2618.0 引言引言2022-7-263 3引言引言化学与生物传感器概念化学与生物传感器概念2022-7-268.02022-7-264一、化学传感器一、化学传感器 应化学反应产生的电化学现象及根据化学反应中产生的各种信息（如光效应、热效应、场效应和质量变化）来设计的各种精密而灵敏的探测装置。具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的功能（接受器功能）和将俘获的化学量有效转换为电信号的功能（转换器功能）。42022-7-2
2、62022-7-265二、生物传感器二、生物传感器 用固定化生物成分或生物体作为敏感元件的传感器称为生物传感器。生物传感器实际上是化学传感器的子系统，此类传感器检测及测量的待分析物质也可是纯化学物质(甚至是无机物)，尽管其生物组分是目标分析物，关键不同之处在于其识别元件在性质上是生物质。52022-7-262022-7-266三三 本章主要内容本章主要内容本章对化学传感器主要介绍离子敏感器件以及气敏传感器；对生物传感器将主要介绍酶、微生物、抗体等传感器。62022-7-262022-7-2678.1 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学传感器。根据转换的电
3、信号分类：电流型化学传感器；电位型化学传感器；电阻型化学传感器。本节只涉及到电位型化学传感器和电阻型化学传感器。72022-7-262022-7-2688.1.1 电位型化学传感器原理有三种基本电化学过程适用于构成传感器：l电位法：测量零电流下的电池电位；l伏安法(电流法)：在电池电位间设置氧化(或还原)电位来测量电池的电流；l电导法：用一交流电桥方法来测量电池的电导。这里只讨论电位法 2022-7-2682022-7-269电位法92022-7-26图8-1 将一金属电极浸在电解液中为一半电池将一金属条(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(图 8-1
4、)，这就产生了人们所说的电子压力，通常称为电位。2022-7-2610102022-7-26图8-2 两个半电池电极组合成一完整的电池该电位不能直接测量取得，需要两个这样的电极与电解质的组合，其中每一个称作半电池，这样一个组合称作电化学电池(图 8-2)。两组半电池内部通过一电导桥或膜将电路相连，然后，在两电极外端连接一测量电位的装置，该电路可用来测定电池的电动势(emf)，其值为两个半电池电极间的电位差。2022-7-2611电动势数值大小取决于几个因素：电极材料；电极材料；各个半电池内的溶液性质及浓度各个半电池内的溶液性质及浓度 通过膜通过膜(或盐桥或盐桥)的液体接界电位。的液体接界电位。
5、2022-7-26112022-7-2612122022-7-26图 8-3 氢电极与其它半电池相连接 在标准状态，氢气分压为101325Pa，温度为298K(25)，定义氢的标准电极电位为零（电位E0=0V），可决定另一电极电位。由于氢电极不方便，常用饱和甘汞电极作参考电极（电位E0=0.24V）。2022-7-2613 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（8-1）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）mol/L，金属电极R=1。1320
6、22-7-26 ROExElg06.002022-7-26148.1.2 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。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。142022-7-262022-7-2615ISFET的结构与工作原理的结构与工作原理 1MOFET的结构和特性的结构和特性 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
7、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。这种类型称为N沟道增强型MOFET。152022-7-26图84 MOSFET 2022-7-2616162022-7-26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MOSFET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。图85 N沟增强型MOSFET特性(a)输出特性；(b)转移特性2022-7-2617172022-7-26 由图可见，当VGSVT时，M
8、OSFET的表面沟道尚未形成，故无漏源电流；当VDSVT时，MOSFE才开启，此时ISD随VGS的增加而加大。阈电压VT的定义是当VDS0时，要使源和漏之间的半导体表面刚开始形成导电沟道时，所需加的栅源电压。电压的大小除了与衬底材料的性质有关外，还与SiO2层中的电荷数及金属与半导体之间的功函数差有关，离子敏传感器正是利用VT的这一特性来进行工作的。2022-7-2618二、离子敏传感器的结构与工作原理二、离子敏传感器的结构与工作原理182022-7-26图86 敏感膜涂覆在MOSFET栅极上的ISFET示意图1MOSFET；2铂膜；3敏感膜 如果将普通的MOSFET的金属栅去掉，让绝缘体氧化
9、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。2022-7-2619192022-7-26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）aViTSClg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。2022-7-2620202022-7-26
10、 根据场效应晶体管的工作原理，漏源电流的大小又与VT的值有关。因此，ISFET的漏源电流将随溶液中离子活度的变化而变化。在一定条件下，IDS与ai的对数呈线性关系，于是就可以从中确定离子的活度。根据电化学观点，敏感膜与溶液界面可分为两种情况：l 非极性界面 l 极性界面 2022-7-26211.非极性界面 212022-7-26 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的表面存在着SiOH、AlOH等羟基（中性基因），当HISFET浸渍于电解质溶液时，在其界面处将会产生水化胶层，并存在如下平衡：2022-7-2622222022-7
11、-26 表面离解的MO基团和电解质溶液中一侧的水合阳离子之间形成双电层。MO一基团的电荷密度随溶液中H离子浓度而变化，H浓度越大，则界面电势变化也越大。图87 ISFET 非极性界面电荷分布示意图 右图说明了溶液中H离子浓度将对界面电势产生影响，从而改变阈电压VT的值。2022-7-26232.极性界面 232022-7-26 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。当ISFET插入溶液时，表面由于吸附离子而使电荷增加，从而加大了电势差。其电荷分布大致情况如图8-8所示，图中虚线代表由于吸附而增加的电荷密度。图88 ISFET极
12、性界面电荷分布示意图 2022-7-2624 ISFET的特点和应用的特点和应用 一一.ISFET的特点的特点 l具有MOSFET输入阻抗高，输出阻抗低的特点 l全固态化结构，体积小，重量轻，机械强度大，特别适合于生物体内和高压条件下的测量使用。l敏感膜可以做得很薄使ISFET的水化时间很短，离子活度的响应速度很快，响应时间可小于1s。l有利于集成化和多种离子多功能化，易于将信息转换部分、信号放大检出部分与敏感器件集成，实现系统智能化、小型化和全固态化。l无离子敏感材料导电性问题，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。242022-7-262022-7-2625252
13、022-7-26二、二、ISFET的应用的应用 ISFET可以用来测量离子敏感电极（ISE）所不能测量的生物体中的微小区域和微量离子，故它在生物医学领域中具有很强的生命力。此外，在环境保护、化工自控、矿山、土壤水文以及家庭生活等各个方面都有其应用。（1）对生物体液中无机离子的检测（2）在环境保护中的应用（3）在其他方面的应用 2022-7-2626813 气敏传感器气敏传感器262022-7-26一、气敏半导体材料的导电机理一、气敏半导体材料的导电机理 气敏半导体材料SnO2是N型半导体，其导电机理可以用吸附效应来解释。图8-9（a）为烧结体N型半导瓷的模型，它是多晶体，晶粒内部电阻较低，晶粒
14、间界有较高的电阻，图中分别以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）所示，图中Rn为颈部等效电阻，Rb为晶粒的等效体电阻，Rs晶粒的等效表面电阻。其中Rb的阻值较低，它不受吸附气体影响，Rs和Rn则受吸附气体所控制，且RnRb，RsRb。由于Rs被Rb所短路，因而图（b）可简化为图（c）只由颈部等效电阻Rn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体的数量和种类而改变。2022-7-2627272022-7-26图89 气敏半导瓷吸附效应模型（a）烧结体模型；（b）（c）等效电路图810 N型半导体吸附气体时的器件阻值变化2022-7-2628282022-
15、7-26 这类半导瓷气敏电阻工作时通常都需要加热到稳定状态的时 氧化型气体图8-10 N型半导体吸附气体时的器件阻值变化吸附到N型半导体上，将使载流子减少，从而使材料的电阻率增大。还原型气体吸附到N型半导体上，将使载流子增多，材料电阻率下降。图8-10为气体吸附到N型半导体上时所产生的器件阻值变化情况，根据这一特性，就可以从阻值变化的情况得知吸附气体的种类和浓度。SnO2气敏半导瓷对许多可燃性气体，如氢、一氧化碳、甲烷、乙醇、丙酮等都有较高的灵敏度；掺加Pd（钯石棉，PdCl2）、Mo（钼粉、钼酸）、Ga等杂质的SnO2元件可在常温下工作，对烟雾的灵敏度有明显的增加，可供制造常温工作的烟雾报警
16、器。2022-7-2629292022-7-26二、电阻型气敏器件电阻型气敏器件1.烧结型气敏器件烧结型气敏器件 以半导瓷SnO2为基体材料（其粒度在1m以下），添加不同杂质，采用传统制陶方法烧结。烧结时埋入加热线和测量电极，制成管芯，最后将加热丝和测量电极焊在管座上，加特制外壳构成器件。烧结型器件的结构如下图示。烧结型器件的一致性较差，机械强度也不高，但它价格便宜，工作寿命长，因此目前仍得到广泛应用。2022-7-26302.薄膜型气敏器件薄膜型气敏器件 薄膜型气敏器件采用蒸发或溅射方法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体薄膜。实测表明SnO2和 ZnO薄膜的气敏特性最好，但这种薄膜为物理性附
17、着系统，器件之 间的性能差异仍较大。结构如右图所示：302022-7-262022-7-26313.厚膜型气敏器件厚膜型气敏器件 用 SnO2或 ZnO等材料与315（重量）的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到事先安装有铂电极的Al2O3基片上，以400800烧结1小时制成。其结构如图8-11（c）所示。厚膜工艺制成的元件一致性较好，机械强度高，适于批量生产，是一种有前途的器件。312022-7-262022-7-2632322022-7-26各种可燃性气体的浓度与SnO2半导瓷气敏器件的电阻变化率的关系如图8-12所示；SnO2气敏器件易受环境温湿度的影响，图8-13给出了温
18、湿度综合特性曲线；图8-12 各种可燃气体的浓度与气敏器件电阻变化率的关系图813 SnO2气敏器件温湿度特性2022-7-2633三、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。1.MOS二极管气敏器件二极管气敏器件 MOS二极管的结构和等效电路示于图8-14。在P型半导体硅芯片上，采用热氧化工艺生长一层厚度为50100nm左右的SiO2层，然后再在其上蒸发一层金属薄膜，作为栅电极。图814 MOS结构和等效电路2022-7-2634 SiO2层电容
19、Cax是固定不变的，SiSiO2界面的电容Cs是外加电压的函数。所以总电容C是栅偏压的函数，其函数关系称为该MOS管的CV特性。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特性向负偏压方向平移，如图8-15所示，据此可测定H2的浓度。图815 MOS结构的C-V特性 a吸附H2前；b吸附H2后 2022-7-26352.PdMOSFET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。因为Pd对H2的吸附能力极强，而H2在Pd上的吸附将导致Pd的功函数降低。如前所述，阈电压VT的大小与金属和半导体之间的功函数差有关。Pd
20、MOSFET气敏器件正是利用H2在Pd栅上吸附后引起阈电压VT下降这一特性来检测H2浓度的。2022-7-26368.1生物传感器生物传感器 20世纪70年代以来，生物医学工程迅猛发展，作为检测生物体内化学成分的各种生物传感器不断出现。20世纪60年代中期起首先利用酶的催化作用和它的催化专一性开发了酶传感器，并达到实用阶段。20世纪70年代研制出微生物传感器、免疫传感器等。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。2022-7-2637 生物传感器是利用各种生物或生物物质做成
21、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、微生物、抗体等，生物传感器的传感原理如图8-16表示。图8-16生物传感器传感原理2022-7-2638 生物传感器的基本原理就是利用生物反应，而生物反应实际上包括了生理生化、新陈代谢、遗传变异等一切形式的生命活动。生物传感器的任务是如何将生物反应与传感器技术恰当地结合起来。各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及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（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。生
22、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。如图8-17所示：2022-7-2639图8-17 生物传感器的分类2022-7-26408.1.1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，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。2022-7-2641酶反应酶反应 酶是生物体内产生并具有催化活
23、性的一类蛋白质，表现出特异的催化功能，参加新陈代谢过程中的所有生化反应，并以极高的速度和明显的方向性维持生命的代谢活动，包括生长、发育、繁殖与运动。酶催化的化学形式主要包括共价催化和酸碱催化。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)，该特性由酶蛋白分子(特别是分子中的活性部位)结构所决定的。2022-7-2642根据酶对底物专一性程度的不同，大致可分为三种类型：l 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。l 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。l 第三种类
24、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。2022-7-2643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，利用酶的特性可以制造出高灵敏度、选择性好的传感器。酶的催化反应可用下式表示：niiPTES1式中 S待测物质；E酶；T反应温度，单位；Pi第i个产物。酶的催化作用是在一定的条件下使底物分解，故酶的催化作用实际上是加速底物的分解速度。2022-7-2644 按输出信号的不同，酶传感器有两种形式:l电流型酶传感器，根据与酶催化反应有关物质的电极 反应所得到的电流，来确定反应物的浓度，通常都用氧电 极、H202电极等；l电位型酶传感器，通
25、过电化学传感器件测量敏感膜电 位来确定与催化反应有关的各种物质浓度，电位型一般用 NH2+电极、CO2电极、H2电极等，即以离子作为检测方 式，表81给出了酶传感器的种类。2022-7-2645表81酶传感器的种类 2022-7-2646葡萄糖酶传感器工作原理与检测工程 葡萄糖酶传感器的敏感膜是葡萄糖氧化酶，它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)图818葡萄糖酶传感器1-Pt阳极；2-聚四氟乙烯膜；3-固相酶摸；4-半透膜多孔层；5-半透膜致密层2022-7-2647 封闭式
26、氧电极避免了电极与被测液直接相接触，防止了电极毒化。如电极Pt为开放式，它浸人蛋白质的介质中，蛋白质会沉淀在电极的表面，从而减小电极的有效面积，使电流下降，从而使传感器受到毒化。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:葡萄糖HO2+O2葡萄糖酸H2O2 反应过程中，以葡萄糖氧化酶(GOD)作为催化剂。2022-7-2648 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。例如，在Pt阳极上加0.6V的电压，则H202在Pt电极上产生的氧化电
27、流是:H2O2O2+2H+2e式中e所形成电流的电子。2022-7-26498.2.2 微生物传感器微生物传感器 微生物传感器是由固定化的微生物细胞与电化学装置结合而形成的生物传感器。微生物反应微生物反应 一、微生物反应的特点 微生物反应过程是利用生长微生物进行生物化学反应的过程，即微生物反应是将微生物作为生物催化剂进行的反应，酶在微生物反应中起最基本的催化作用。微生物反应与酶反应有几个共同点:l 同属生化反应，都在温和条件下进行；l 凡是酶能催化的反应，微生物也可以催化；l 催化速度接近，反应动力学模式近似。2022-7-2650微生物反应的特殊性:l 微生物细胞的膜系统为酶反应提供了天然的
28、适宜环境，细胞可以在相当长的时间内保持一定的催化活性；l 在多底物反应时，微生物显然比单纯酶更适宜作催化剂，细胞本身能提供酶反应所需的各种辅酶和辅基。利用微生物作生物敏感膜的缺点有：l微生物反应通常伴随自身生长，不容易建立分析标准；l细胞是多酶系统，许多代谢途径并存，难以排除不必要 的反应；l环境条件变化会引起微生物生理状态的复杂化，不适当 的操作会导致代谢转换现象，出现不期望有的反应。2022-7-2651二、微生物反应类型 1.同化与异化 根据微生物代谢流向划分；2.自养与异养 根据微生物对营养的要求划分；3.好气性与厌气性 根据微生物反应对氧的需求与否划分；4.细胞能量的产生与转移 微生
29、物反应所产生的能大部分转移为高能化合物。所谓高能化合物是指转移势能高的基团的化合物，其中以ATP(三磷酸腺苷)最为重要，它不仅潜能高，而且是生物体能量转移的关键物质，直接参与各种代谢反应的能量转移。2022-7-2652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生物传感器。与酶传感器相比：优点：有价格便宜、性能稳定 缺点：响应时间较长(数分钟)，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，主要是呼吸机能 和新陈代谢机能。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：2022-7-2653图819微生
30、物传感器结构2022-7-26541.呼吸机能型微生物传感器 呼吸机能型微生物传感器是由微生物固定化膜和02电极(或CO2电极)组成。在应用氧电极时，把微生物放在纤维性蛋白质中固化处理，然后把固化膜附着在封闭式氧极的透氧膜上。图820是生物化学耗氧量传感器BOD (Biological Oxygen Demand)，图中把这种呼吸机能型微生物传感器放入含有有机化合物的被测溶液中，于是有机物向微生物膜扩散，而被微生物摄取(称为资化)。图 820 生物化学耗氧量传感器1）微生物固定化膜 2）电解液 3）阴极（Au）4）阳极（Pb）5）02电极 6）透氧膜 7）护套2022-7-2655 图821为
31、这种传感器的响应曲线，曲线稳定电流值表示传感器放入待测溶解氧饱和状态缓冲溶液中(磷酸盐缓冲液)微生物的吸收水平。当溶液加入葡萄糖或谷氨酸等营养膜后，电流迅速下降，并达到新的稳定电流值，说明氧的消耗量增加。导致向02电极扩散氧气量减少，电流值下降，直到被测溶液向固化微生物膜扩散的氧量与微生物呼吸消耗的氧量之间达到平衡时，得到相应的稳定电流值，可见该稳定值与未添加营养时的电流稳定值之差与样品中有机物浓度成正比。图821生物化学耗氧传感器响应曲线2022-7-26562.代谢机能型微生物传感器 基本原理：微生物使有机物资化而产生各种代谢生成物。微生物传感器的微生物敏感膜与离子选择性电极(或燃料电池型
32、电极)相结合就构成了代谢机能型微生物传感器，图822为甲酸传感器结构示意图。图822甲酸传感器结构1-圆环；-液体连接面；3-电解液；4-Ag2O2电极(阴极)；5-Pt电极(阳极)；6-聚四氟乙烯膜表82列出了一些常用微生物传感器的主要性能。2022-7-2657 将产生氢的酪酸梭状芽菌固定在低温胶冻膜上，并把它装在燃料电池Pt电极上。Pt电极、Ag202电极、电解液(1OOmol/m3磷酸缓冲液)以及液体连接面组成传感器。当传感器浸入含有甲酸的溶液时，甲酸通过聚四氟乙烯膜向酪酸梭状芽菌扩散，被资化后产生H2，而H2又穿过Pt电极表面上的聚四氟乙烯膜与Pt电极产生氧化反应而产生电流，此电流与
33、微生物所产生的H2含量成正比，而H2量又与待测甲酸浓度有关，因此传感器能测定发酵溶液中的甲酸浓度。2022-7-26588.2.3 免疫传感器免疫传感器免疫学反应免疫学反应 免疫是生物体具有的一种“生理防御、自身稳定与免疫监视”的生理功能,识别“自己”和“非己”成分，从而破坏和排斥进入生物体的抗原物质，或生物体本身所产生的损伤细胞和肿瘤细胞等，以维持生物体的健康。与测定抗原抗体反应有关的传感器称为免疫传感器.抗原抗体结合前后可导致多种信号的改变,如在重量、光学、热学、电化学等方面。2022-7-2659一、抗原与抗体 抗原，就是能够刺激动物体产生免疫反应的物质。抗原有两种功能:刺激机体产生免疫
34、应答反应和与相应免疫反应产物发生异性结合反应。前一种性能称为免疫原性，后一种性能称为反应原性。根据来源的不同，抗原又可以：l天然抗原 l人工抗原 l合成抗原 抗体，就是由抗原刺激机体产生的特异性免疫功能的球蛋白，又称免疫球蛋白。免疫球蛋白都是由一至几个单体组成，每个单体有两条相同的分子量较大的重链和两条相同分子量较小的轻链组成，链与链之间通过非共价链连接。2022-7-2660二、抗原的理性性状 1.物理性状 完全抗原的分子量较大，通常在一万以上，分子量越大，其表面积相应扩大，接触免疫系统细胞的机会增多，因而免疫原性也就增强。抗原均具有一定的分子构型，或为直线型或为立体构型。一般认为环状构型比
35、直线排列的分子免疫性强，聚合态分子比单体分子的分子免疫性强。2.化学组成 自然界中绝大多数抗原都是蛋白质，即可以是纯蛋白也可以是结合蛋白。后者包括脂蛋白、核蛋白、糖蛋中等，此外还有血清蛋白、微生物蛋白、植物蛋白和酶类。近年来证明核酸也有抗原性。2022-7-2661三、抗原-抗体反应 抗原-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。抗原与抗体的特异性结合点位于Eabl链及H链的高变区，又称抗体活性中心，其构型取决于抗原决定簇的空间位置，两者可形成互补性构型。在溶液中，抗原和抗体两个分子的表面电荷与介质中离子形成双层离子云，内层和外层之间的电荷密度差形成静电位和分子间引力。由
36、于这种引力仅在近距离上发生作用，抗原与抗体分子结合时对位应十分准确：一是结合部位的形状要互补于抗原的形状；二是抗体活性小心带有与抗原决定簇相反的电荷。2022-7-2662免疫传感器免疫传感器 利用抗体能识别抗原并与抗原结合的功能而制成的生物传感器称为免疫传感器，具有生物传感器的普遍特点，还因其高特异性、高选择性、测定准确度高、重复性好、反应速度快等优点，用于大量样品分析和筛选。免疫传感器的基本原理是免疫反应。把免疫传感器的敏感膜与酶免疫分析法结合起来进行超微量测量，它是利用酶为标识剂的化学放大。化学放大就是指微量酶(E)使少量基质(S)生成多量生成物(P)。当酶是被测物时，一个E应相对许多P
37、，测量P对E来说就是化学放大，根据这种原理制成的传感器称为酶免疫传感器。2022-7-2663一、电位式免疫传感器 利用固定化抗体(或抗原)膜与相应的抗原(或抗体)的特异反应，反应的结果使生物敏感膜的电位发生变化。图823为结构原理图，图中2、3两室间有固定化抗原膜，而1、3室之间没有固定化抗原膜。在1、2室内注入0.9%的生理盐水，当3内倒入食盐水时，1、2室内电极间无电位差。若3室内注入含有抗体的盐水时，由于抗体和固定化抗原膜上的抗原相结合，使膜表面吸附了特异的抗体，而抗体是有电荷的蛋白质，从而使抗原固定化膜带电状态发生变化，因此1、2室内的电极间有电位差产生。图8-23 电位式免疫传感器
38、结构原理2022-7-2664二、压电免疫传感器 压电免疫传感器（Piezoelectric Immunosensor）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。通常是将抗体或抗原分子固定于压电晶体（如石英晶体）表面，当其与底物分子发生识别反应时将引起晶体表面质量的改变，根据晶体振荡相应频率的改变，可以灵敏地监测底物分子的浓度。图824 一种质量改变型压电免疫传感器 2022-7-2665 质量改变型压电免疫传感，采用石英晶体微量天平(quartz crystalmicrobalance,QCM)技术。石英微量称重是应用质量敏感压电谐振器进行测量的一种方法。石英微量天平是自激
39、振荡器型测量装置，这类装置可以把石英压电谐振器表面连接质量的变化转换成自激振荡器输出频率的变化。石英微量天平的主要优点是灵敏度高，石英微量天平的灵敏度达到2.5MHz/mg，质量敏感谐振器的分辨力可以达到l0-11克,这比其它类型的性能好的微量天平高三个数量级。2022-7-2666 采用石英微量称重法可以测量许多参数：薄膜厚度、湿度、混合气体的成分、压力、温度、微量杂质的浓度、耐腐蚀性、耐氧化性、溶解度、蒸汽压、物质的各种物理化学参数等等，可以在很宽的温度范围内工作，从绝对零度到500。微量天平的关键部件是AT切型热稳定谐振器，也有采用表面声波器件(surface acoustic wave
40、,SAW)技术。可以用于检验微量多硝基爆炸物、化学战剂和毒品。2022-7-26678.2.4 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：l 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，许多组织传感器工作 寿命比相应的酶传感器寿命长得多。l 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。l 组织识别元件制作简便，一般不需要采用固定化技术。2022-7-2668 组织传感器制作的关键是选择所需要酶活性较高的动、植物的器官组织，分为植
41、物组织传感器和动物组织传感器，但其实用化中还有一些问题，如选择性差、动植物材料不易保存等。表83几种组织传感器的构成2022-7-26698.2.4 光生物传感器光生物传感器 光生物传感器是一种选择性地识别分子信息、引发光学变化且把光学变化转换为电信号输出。光生物传感器具有灵敏度高、不需要参比传感器、光传播信号不受外界电磁干扰等特点。光生物传感器主要包括生物光极和表面等离子体共振生物传感器。一、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，根据不同反应原理和器件可制成各种生物光极，化学发光属于自然荧光。其优点是毋须激发光源。2022-7-2670 酶光敏二极管是一种新型的
42、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，如图8-25所示。在硅光敏二极管的表面透镜上涂上一层过氧化酶膜，即构成了检测过氧化氢(H2O2)的酶光敏二极管。当二极管表面接触到过氧化氢时，由于过氧化氢酶的催化作用，加速发光反应，产生的光子照射至硅光敏二极管的PN结点，改变了二极管的导通状态。即将发光效应转换成光敏二极管的光电流，从而检测出过氧化氢及其浓度大小 图825酶光敏二极管2022-7-2671二、表面等离子体共振 表面等离子体共振即SPR(surface plasma resonance)生物传感器，它主要由光波导耦合器件、金属膜、生物分子膜等组成,其结构如
43、图826所示。图826 SPR生物传感器的结构2022-7-2672 用光纤作为光波导耦合元件的SPR生物传感器是将一段光纤中的一部分外包层剥去，在光纤芯上沉积一层高反射率金属膜，入射光线在光纤芯与光纤包层的界面上发生全反射，渗透过界面的渐逝波（见光纤传感器相关章节）将在金属膜与生物分子膜的界面产生SPR，SPR对吸附在金属膜表面的基质(生物分子膜)的折射率变化非常敏感，从而引起等离子共振角(入射角)的改变。固定入射光角度，改变入射光波长，在光纤的出口端检测输出光强度与波长分布的关系，可进行被测物的定量分析。SPR生物传感器具有非破坏性、高灵敏度和实时在线检测等优点，近年来得到广泛的研究与应用
44、。2022-7-2673三、光纤渐逝波荧光 基本原理：利用激光在光纤探针中全反射传播时产生的渐逝波去激发光纤探针表面标记于生物物质上的荧光染料，在渐逝波作用范围内通过特异性反应检测被测物质的种类和浓度。图8-27 全光纤结构的渐逝波生物传感器示意图 2022-7-2674 图8-27为全光纤结构的渐逝波生物传感器示意图。脉冲激暗光激发出荧光，荧光返回到光敏器件。光功率耦合器把脉冲激光的一半功率耦合到光纤探针，并把返回荧光耦合到光敏器件。Bragg滤波器过滤出敏感光谱。2022-7-2675思考题1.找出化学传感器、物理传感器和生物传感器的区别。2.电化学传感器有哪几种形式，描述其原理。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，还可以做哪些补充？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量的量？人们是如何实现选择性转换的？2022-7-26765 .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，按照生物敏感物 质相互作用的类型分类，进行归纳举例。6.回顾场效应晶体管FETs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。7.查阅相关资料，描绘出一种血糖测量传感器原理与结构。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TNT的传感器原理与结构。
