第八章：化学与生物传感器2

绪论8.1化学传感器8．1．1电位型电化学传感器原理8．1．2离子敏感器件8．1．2．1ISFET的结构与工作原理8．1．2．2ISFET的特点和应用8．1．3气敏传感器8．1．3．1气敏半导体材料的导电机理8．1．3．2电阻型气敏器件8．1．3．3非电阻型气敏器件8.2生物传感器8．2．1酶传感器8．2．1．1酶反应8．2．1．2酶传感器8．2．2微生物传感器8．2．2．1微生物反应8．2．2．2微生物传感器8．2．3免疫传感器8．2．3．1免疫学反应8．2．3．2免疫传感器8．2．4生物组织传感器8．2．5光生物传感器8.1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。根据转换的电信号种类不同，可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。8.1.1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感器：1．电位法：测量零电流下的电池电位；2.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；3.电导法：用一交流电桥方法来测量电池的电导。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：①电极材料；②各个半电池内的溶液性质及浓度；③通过膜(或盐桥)的液体接界电位。如图图8-1,8-2,8-3.图8-1将一金属电极浸在电解液中为一半电池图8-2两个半电池电极组合成一完整的电池图8-3氢电极与其它半电池相连接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），mol/L，金属电极[R]=1。ROExElg06.008．1．2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。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。IS－FET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。8.1.2.1ISFET的结构与工作原理MOFET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（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。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VGS＞VT（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。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MOS－FET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。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。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）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。aViTSClg根据电化学观点，敏感膜与溶液界面可分如下两种情况：（1）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H＋－ISFET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。非极性界面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:8.1.2.2ISFET的特点和应用ISFET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。ISFET的应用:（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）在其他方面的应用串行通信8．1．3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）。8.1.3.1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，它的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Rn＞Rb，Rs＞Rb。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。8．1．3．2电阻型气敏器件目前使用较广泛的是电阻型气敏器件，按其结构又可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三种，下面分别予以介绍:1.烧结型气敏器件（如图8-11（a））2.薄膜型气敏器件（如图8-11（b））3.厚膜型气敏器件（如图8-11（c））如图8-12所示为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。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。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。8.1.3.3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（C－V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、MOS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C－V特性向负偏压向平移，如图8-15，据此可测定H2的浓度。2、Pd－MOSFET气敏器件Pd－MOSFET与普通MOS－FET的主要区别在于用钯Pd薄膜取代铝Al膜作为栅电极。8．2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。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。生物传感器的分类与命名：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(分子识别元件)的不同，可以将生物传感器分为五大类，即酶传感器(enzymesensor)、微生物传感器(microbialsensor)、免疫传感器(immunolsensor)、组织传感器(tissuesensor)和细胞器传感器(organellesensor)；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(bioelectrode)、半导体生物传感器(Semiconductbiosensor)、光生物传感器(opticalbiosensor)、热生物传感器(calorimetricbiosensor)、压电晶体生物传感器(piezo-electricbiosensor)。关于个别生物传感器的命名，一般采用功能+构成特征的方法，如葡萄糖氧化酶电极、谷氨酸脱氢酶电极、BOD微生物电极、葡萄糖酶光纤传感器等，如图8-17所示图8-17生物传感器的分类8．2．1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。8．2．1．1酶反应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。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)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。8．2．1．2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。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，其造价很高，性能也不太稳定。酶的催化反应可用下式表示：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。niiPTES1按输出信号的不同，酶传感器有两种形式: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8－1给出了酶传感器的种类。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