《生物傳感器》課件

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1、 1生 物 傳 感 器（ biosensor） 2 目 錄v11.1 簡(jiǎn) 要 介 紹v11.2 酶 傳 感 器v11.3 微 生 物 傳 感 器v11.4 免 疫 傳 感 器v11.5 半 導(dǎo) 體 生 物 傳 感 器v11.6 生 物 傳 感 器 應(yīng) 用 與 未 來(lái) v 本 章 小 結(jié) 3 11.1 簡(jiǎn) 要 介 紹v生 物 傳 感 器 的 發(fā) 展 史v定 義 及 說 明v生 物 傳 感 器 的 基 本 組 成 和 工 作 原 理v生 物 傳 感 器 的 分 類v生 物 傳 感 器 的 固 定 方 法 v生 物 傳 感 器 的 特 點(diǎn) 4 生 物 傳 感 器 的 發(fā) 展 史 (1)v 最 先 問

2、 世 的 生 物 傳 感 器 是 酶 電 極 ，Clark和 Lyons最 先 提 出 組 成 酶 電 極的 設(shè) 想 。v 70年 代 中 期 ， 人 們 注 意 到 酶 電 極 的壽 命 一 般 都 比 較 短 ， 提 純 的 酶 價(jià) 格也 較 貴 ， 而 各 種 酶 多 數(shù) 都 來(lái) 自 微 生物 或 動(dòng) 植 物 組 織 ， 因 此 自 然 地 就 啟發(fā) 人 們 研 究 酶 電 極 的 衍 生 型 ： 微 生物 電 極 、 細(xì) 胞 器 電 極 、 動(dòng) 植 物 組 織電 極 以 及 免 疫 電 極 等 新 型 生 物 傳 感器 ， 使 生 物 傳 感 器 的 類 別 大 大 增 多 ； v 進(jìn)

3、 入 本 世 紀(jì) 80年 代 之 后 ， 隨 著 離 子敏 場(chǎng) 效 應(yīng) 晶 體 管 的 不 斷 完 善 ， 于1980年 Caras和 Janafa率 先 研 制 成 功可 測(cè) 定 青 霉 素 的 酶 FET。 年 代 特 點(diǎn) 研 究 內(nèi) 容 60 生 物 傳感 器 初 期 酶 電 極70 發(fā) 展 時(shí)期 微 生 物 傳 感 器 ，免 疫 傳 感 器 ，細(xì) 胞 類 脂 質(zhì) 傳感 器 ， 組 織 傳感 器 ， 生 物 親和 傳 感 器80 進(jìn) 入 生 物電 子 學(xué) 傳感 器 時(shí) 期 酶 FET酶 光 二 極 管 5 生 物 傳 感 器 發(fā) 展 的 整 體 劃 分 :v 第 一 代 生 物 傳 感

4、器 以 將 生 物 成 分 截 留 在 膜 上 或 結(jié) 合 在 膜上 為 基 礎(chǔ) ， 這 類 器 件 由 透 析 器 (膜 )、 反 應(yīng) 器 (膜 )和 電 化學(xué) 轉(zhuǎn) 換 器 所 組 成 ， 其 實(shí) 驗(yàn) 設(shè) 備 相 當(dāng) 簡(jiǎn) 單 。v 第 二 代 生 物 傳 感 器 是 指 將 生 物 成 分 直 接 吸 附 或 共 價(jià) 結(jié) 合在 轉(zhuǎn) 換 器 的 表 面 上 ， 從 而 可 略 去 非 活 性 的 基 質(zhì) 膜 。v 第 三 代 生 物 傳 感 器 是 把 生 物 成 分 直 接 固 定 在 電 子 元 件 上 ，例 如 FET的 柵 極 上 ， 它 可 直 接 感 知 和 放 大 界 面 物 質(zhì)

5、 的 變 化 ，從 而 將 生 物 識(shí) 別 和 電 信 號(hào) 處 理 集 合 在 一 起 。 這 種 放 大 器可 采 用 差 分 方 式 以 消 除 干 擾 。生 物 傳 感 器 的 發(fā) 展 史 (2) 6快 速 葡 萄 糖 分 析 儀 7血 糖 乳 酸 自 動(dòng) 分 析 儀 8 生 物 傳 感 器 定 義 及 說 明v 生 物 傳 感 器 利 用 生 物 活 性 物 質(zhì) 選 擇 性 的 識(shí) 別 和測(cè) 定 實(shí) 現(xiàn) 測(cè) 量 ， 主 要 由 兩 大 部 分 組 成 ： 一 為 功能 識(shí) 別 物 質(zhì) （ 分 子 識(shí) 別 元 件 ） ， 由 其 對(duì) 被 測(cè) 物質(zhì) 進(jìn) 行 特 定 識(shí) 別 ； 其 二 是

6、電 、 光 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 裝 置（ 換 能 器 ） ， 由 其 把 被 測(cè) 物 所 產(chǎn) 生 的 化 學(xué) 反 應(yīng)轉(zhuǎn) 換 成 便 于 傳 輸 的 電 信 號(hào) 或 光 信 號(hào) 。 9 生 物 傳 感 器 的 基 本 組 成 和 工 作 原 理v生 物 傳 感 器 的 基 本 組 成v生 物 傳 感 器 的 工 作 原 理 分 類 10 生 物 傳 感 器 基 本 構(gòu) 成 示 意 圖 11 生 物 傳 感 器 的 分 子 識(shí) 別 元 件 分 子 識(shí) 別 元 件 生 物 活 性 材 料酶 膜全 細(xì) 胞 膜組 織 膜細(xì) 胞 器 膜免 疫 功 能 膜 各 類 酶 類細(xì) 菌 ， 真 菌 ， 動(dòng) 植 物 細(xì)

7、胞動(dòng) 植 物 組 織 切 片線 粒 體 ， 葉 綠 體抗 體 ， 抗 原 ， 酶 標(biāo) 抗 原 等 12 生 物 傳 感 器 的 工 作 原 理 13 生 物 傳 感 器 的 工 作 原 理1. 將 化 學(xué) 變 化 轉(zhuǎn) 變 成 電 信 號(hào) （ 間 接 型 ）2. 將 熱 變 化 轉(zhuǎn) 換 為 電 信 號(hào) （ 間 接 型 ）3. 將 光 效 應(yīng) 轉(zhuǎn) 變 為 電 信 號(hào) （ 間 接 型 ）4. 直 按 產(chǎn) 生 電 信 號(hào) 方 式 （ 直 接 型 ） 化 學(xué) 物 質(zhì) 物 理 熱被 測(cè) 化 學(xué) （ 產(chǎn) 生 光 ） 電 信 號(hào)物 質(zhì) 變 化 聲生物敏感膜 電 化 學(xué) 器 件熱 敏 元 件 光 敏 元 件聲

8、敏 元 件 14 將 化 學(xué) 變 化 轉(zhuǎn) 變 成 電 信 號(hào) 的 生 物 傳 感 器 15 將 熱 變 化 轉(zhuǎn) 換 為 電 信 號(hào) 的 生 物 傳 感 器 熱 輻 射熱 傳 導(dǎo) 16 將 光 效 應(yīng) 轉(zhuǎn) 變 為 電 信 號(hào) 的 生 物 傳 感 器 被 測(cè) 物 h 電 信 號(hào)固定化酶 光檢測(cè)器 17 直 按 產(chǎn) 生 電 信 號(hào) 方 式 的 生 物 傳 感 器 例 ： Cass 等 提 出 一 種 測(cè) 定 葡 萄 糖 的 傳 感 器 ， 是 用 二 茂絡(luò) 鐵 為 電 子 傳 遞 體 。G、 GL代 表 葡 萄 糖 和 葡 萄 糖 內(nèi) 脂 ， GOD ox和 GODred為 氧 化 型 和 還 原型

9、 的 葡 萄 糖 氧 化 酶 ， 而 Fecp2R和 Fecp2R+則 為 還 原 型 和 氧 化 型 二 茂絡(luò) 鐵 。葡 萄 糖 被 GOD氧 化 的 同 時(shí) ， GOD被 還 原 成 GODred， 氧 化 型 的 電 子傳 遞 體 2Fecp2R+可 將 GODred再 氧 化 成 GODox反 應(yīng) 直 接 在 電 極 表 面 上 發(fā) 生 18 Love is ever the beginning of knowledge as fire is of light. Thomas Carlyle 知 識(shí) 總 是 從 愛 好 開 始 ， 猶 如 光 總 是 從 火 開 始 一 樣 。 19

10、生 物 傳 感 器 的 特 點(diǎn)1. 根 據(jù) 生 物 反 應(yīng) 的 奇 異 和 多 樣 性 ， 從 理 論 上 講 可 以 制造 出 測(cè) 定 所 有 生 物 物 質(zhì) 的 多 種 多 樣 的 生 物 傳 感 器 ；2. 這 類 生 物 傳 感 器 是 在 無(wú) 試 劑 條 件 下 工 作 的 (緩 沖 液除 外 )， 比 各 種 傳 統(tǒng) 的 生 物 學(xué) 和 化 學(xué) 分 析 法 操 作 簡(jiǎn)便 、 快 速 、 準(zhǔn) 確 ；3. 可 連 續(xù) 測(cè) 量 、 聯(lián) 機(jī) 操 作 、 直 接 顯 示 與 讀 出 測(cè) 試 結(jié) 果 。 20 生 物 傳 感 器 的 分 類v按 分 子 識(shí) 別 元 件 分 類v按 換 能 器

11、分 類 21 固 定 化 酶 固 定 化 微 生 物 固 定 化 免 疫 物 質(zhì) 固 定 化 細(xì) 胞 器 生 物 組 織 切 片微 生 物傳 感 器 分 子 識(shí) 別元 件酶 傳 感 器 免 疫 傳 感 器 細(xì) 胞 器 傳 感 器 組 織 傳 感 器 按 分 子 識(shí) 別 元 件 分 類 22 按 器 件 分 類 電 化 學(xué) 電 極 光 學(xué) 換 能 器 介 體 半 導(dǎo) 體 傳 遞 系 統(tǒng) 換 能 器 熱 敏 電 阻 壓 電 晶 體介 體 生 物 傳 感 器 換 能 器 半 導(dǎo) 體 生 物傳 感 器生 物 電 極 光 生 物 傳 感 器 熱 生 物 傳 感 器 壓 電 晶 體 生 物 傳 感 器 2

12、3 生 物 傳 感 器 的 固 定 方 法固 定 化 技 術(shù) ： 把 生 物 活 性 材 料 與 載 體 固 定 化 成為 生 物 敏 感 膜 。1.物 理 方 法 ： 夾 心 法 、 吸 附 法 、 包 埋 法 ；2.化 學(xué) 方 法 : 共 價(jià) 連 接 法 、 交 聯(lián) 法 ；3. 近 年 來(lái) , 由 于 半 導(dǎo) 體 生 物 傳 感 器 迅 速 發(fā) 展 , 因 而 又 出 現(xiàn) 了 采 用 集 成 電 路 工 藝 制 膜 技 術(shù) 。 24 夾 心 法v將 生 物 活 性 材 料 封 閉在 雙 層 濾 膜 之 間 ， 形象 地 稱 為 夾 心 法 。v這 種 方 法 的 特 點(diǎn) 是 操作 簡(jiǎn) 單

13、， 不 需 要 任 何化 學(xué) 處 理 ， 固 定 生 物量 大 ， 響 應(yīng) 速 度 快 ，重 復(fù) 性 好 。 25 吸 附 法v用 非 水 溶 性 固 相 載 體物 理 吸 附 或 離 子 結(jié) 合 ，使 蛋 白 質(zhì) 分 子 固 定 化的 方 法 。v載 體 種 類 較 多 ， 如 活性 炭 、 高 嶺 土 、 硅 膠 、玻 璃 、 纖 維 素 、 離 子交 換 體 等 。 26 包 埋 法v 把 生 物 活 性 材 料 包 埋 并 固定 在 高 分 子 聚 合 物 三 維 空間 網(wǎng) 狀 結(jié) 構(gòu) 基 質(zhì) 中 。v 此 方 法 的 特 點(diǎn) 是 一 般 不 產(chǎn)生 化 學(xué) 修 飾 ， 對(duì) 生 物 分

14、子活 性 影 響 較 小 ； 缺 點(diǎn) 是 分子 量 大 的 底 物 在 凝 膠 網(wǎng) 格內(nèi) 擴(kuò) 散 較 固 難 。 27 A. 單 體 氧 化 劑 配 比 為 1： 2 B. 單 體 氧 化 劑 配 比 為 1： 4C. 單 體 氧 化 劑 配 比 為 1： 5 D. 單 體 氧 化 劑 配 比 為 1： 6 E 聚 合 反 應(yīng) 時(shí) 間 為 15分 鐘 F. 聚 合 反 應(yīng) 時(shí) 間 為 25分 鐘G. 聚 合 反 應(yīng) 時(shí) 間 為 35分 鐘 28 共 價(jià) 連 接 法v 使 生 物 活 性 分 子 通 過 共價(jià) 鍵 與 固 相 載 體 結(jié) 合 固定 的 方 法 。v 此 方 法 的 特 點(diǎn) 是 結(jié)

15、 合 牢固 ， 生 物 活 性 分 子 不 易脫 落 ， 載 體 不 易 被 生 物降 解 ， 使 用 壽 命 長(zhǎng) ；v 缺 點(diǎn) 是 實(shí) 現(xiàn) 固 定 化 麻 煩 ，酶 活 性 可 能 因 發(fā) 生 化 學(xué)修 飾 而 降 低 。 29 交 聯(lián) 法v 依 靠 雙 功 能 團(tuán) 試 劑 使 蛋白 質(zhì) 結(jié) 合 到 惰 性 載 體 或蛋 白 質(zhì) 分 子 彼 此 交 聯(lián) 成網(wǎng) 狀 結(jié) 構(gòu) 。v 這 種 方 法 廣 泛 用 于 酶 膜和 免 疫 分 子 膜 制 備 ， 操作 簡(jiǎn) 單 。 30 11.2 酶 傳 感 器v酶 傳 感 器 信 號(hào) 變 換 方 式v葡 萄 糖 傳 感 器 31 酶 傳 感 器 ： 酶

16、敏 感 膜 +電 化 學(xué) 器 件酶 的 催 化 作 用 是 在 一 定 條 件 下 使 底 物 分解 ， 故 酶 的 催 化 作 用 實(shí) 質(zhì) 上 是 加 速 底 物分 解 速 度 。 32 信 號(hào) 變 換 方 式(1)電 位 法 電 位 法 是 通 過 不 同 離 子 生 成 在 不 同 感 受 體 ， 從 測(cè) 得 膜 電位 去 計(jì) 算 與 酶 反 應(yīng) 有 關(guān) 的 各 種 離 子 的 濃 度 。 一 般 采 用 銨 離子 電 極 （ 氨 氣 電 極 ） 、 氫 離 子 電 極 、 氧 化 碳 電 極 等 ；(2)電 流 法 電 流 法 是 從 與 酶 反 應(yīng) 有 關(guān) 的 物 質(zhì) 的 電 極 反

17、 應(yīng) 得 到 的 電 流值 來(lái) 計(jì) 算 被 測(cè) 物 質(zhì) 的 方 法 。 電 化 學(xué) 裝 置 采 用 的 是 氧 電 極 。燃 料 電 池 型 電 極 和 過 氧 化 氫 電 極 等 ； 酶 電 極 ： 酶 傳 感 器 由 固 定 酶 和 基 礎(chǔ) 電 極 組 成 ， 酶 電 極 的 設(shè)計(jì) 主 要 考 慮 酶 催 化 過 程 產(chǎn) 生 或 消 耗 的 電 極 活 性 物 質(zhì) ， 如 一個(gè) 酶 催 化 反 應(yīng) 是 耗 過 程 ， 就 可 以 使 用 電 極 或 電 極 ； 若 酶 催 化 反 應(yīng) 過 程 產(chǎn) 生 酸 ， 即 可 使 用 電 極 。 33 葡 萄 糖 傳 感 器v工 作 原 理v測(cè) 量

18、氧 消 耗 量 的 葡 萄 糖 傳 感 器v測(cè) 2 2生 成 量 的 葡 萄 糖 傳 感 器 34 工 作 原 理 故 葡 萄 糖 濃 度 測(cè) 試 方 法 有 三 種 ： 測(cè) 耗 量 測(cè) 生 成 量 測(cè) 由 葡 萄 糖 酸 而 產(chǎn) 生 的 變 化 。 葡 萄 糖 氧 化 酶 （ ）葡 萄 糖 +H 2O 葡 萄 糖 酸 35 測(cè) 量 氧 消 耗 量 的 葡 萄 糖 傳 感 器 36 測(cè) 量 氧 消 耗 量 的 葡 萄 糖 傳 感 器1. 氧 電 極 構(gòu) 成 ： 由 b陽(yáng) 極 和 t陰 極 浸 入 堿 溶 液 ， 陰 極 表 面 用 氧 穿 透 葡 萄 糖 （ 基 質(zhì) ） 膜 覆 蓋 特 氟 隆

19、 ，厚 約 m2. 氧 電 極 測(cè) O2原 理 ： 利 用 氧 在 陰 極 上 首 先 被 還 原 的 特性 。 溶 液 中 的 O2穿 過 特 氟 隆 膜 到 達(dá) Pt陰 極 上 ， 當(dāng) 外 加一 個(gè) 直 流 電 壓 為 氧 的 極 化 電 壓 (如 0.7V)時(shí) ， 則 氧 分 子在 Pt陰 極 上 得 電 子 ， 被 還 原 :其 電 流 值 與 含 O 2濃 度 成比 例 。 2+ 2 + e= 37 聚 四 氟 乙 烯 膜 （ 作 用 ）v它 避 免 了 電 極 與 被 測(cè) 液 直 接 相 接 觸 ， 防 止 了電 極 毒 化 ； 如 電 極 Pt為 開 放 式 ， 它 浸 入 含

20、蛋白 質(zhì) 的 介 質(zhì) 中 ， 蛋 白 質(zhì) 會(huì) 沉 淀 在 電 極 表 面 上從 而 減 小 電 極 有 效 面 積 ， 使 電 流 下 降 ， 使 傳感 器 受 到 毒 化 。 38 測(cè) 2 2生 成 量 的 葡 萄 糖 傳 感 器1. Pt陽(yáng) 極2. 聚 四 氟 乙 烯 膜（ 作 用 ）3. 固 相 酶 膜4. 半 透 膜 多 孔 層5. 半 透 膜 致 密 層 39v 葡 萄 糖 氧 化 產(chǎn) 生 ， 而 通 過 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 ， 由 此 可 測(cè) 出 葡 萄 糖 溶 液 濃度 。

21、v 在 t電 極 上 加 0.6V電 壓 時(shí) ， 則 產(chǎn) 生 的 陽(yáng) 極 電 流為 ： 葡 萄 糖 氧 化 酶 （ ）葡 萄 糖 +H 2O 葡 萄 糖 酸 H2O2 O2+2H+2e 40 11.3 微 生 物 傳 感 器 分 類 好 氣 性 微 生 物 傳 感 器 厭 氣 性 微 生 物 傳 感 器 注 ： 氣 微 生 物 固 定 方 式 及 工 作 原 理傳 感 器 放 入 含 有 有 機(jī) 化 合 物 的 被 測(cè) 溶 液 中 ， 有 機(jī) 物向 微 生 物 膜 擴(kuò) 散 而 被 微 生 物 攝 取 （ 稱 為 資 化 ） 。 41 好 氣 性 微 生 物 傳 感 器v微 生 物 的 呼 吸

22、可 用 氧 電 極 或 二 氧 化 碳電 極 來(lái) 測(cè) 定 結(jié) 構(gòu)被 測(cè) 氧 消 耗 變 化 電 信 號(hào)物 質(zhì) （ 呼 吸 技 能 ）微 生 物 固定 化 膜 封 閉 式 氧電 極 或 CO2電 極 42 O2電 極 好 氣 性 微 生 物 傳 感 器1. 電 解 液2. O型 環(huán)3. Pb陰 極4. 聚 四 氟 乙 烯5. 固 化 微 生 物 膜6. 尼 龍 網(wǎng)7. Pt陽(yáng) 極 43 O2電 極 好 氣 性微 生 物 傳 感 器 響 應(yīng) 曲 線 44 厭 氣 性 微 生 物 傳 感 器v 可 測(cè) 定 微 生 物 代 謝 產(chǎn) 物 ， 可 用 離 子 選 擇 電 極 來(lái) 測(cè) 定微 生 物固 定 化

23、模 電 化學(xué) 敏感 電極被 測(cè) 物 質(zhì) 新 陳 代 謝 變 化（ 代 謝 機(jī) 能 ） 電 信 號(hào) 45 甲 酸 傳 感 器(H2電 極 厭 氣 性 微 生 物 傳 感 器 )1. 圓 環(huán)2. 液 體 連 接 面3. 電 解 液 (100mol/m3磷 酸緩 沖 液 )4. Ag2O2電 極 (陰 極 )5. Pt電 極 (陽(yáng) 極 )6. 聚 四 氟 乙 烯 膜 46 甲 酸 傳 感 器 原 理v 將 產(chǎn) 生 氫 的 酪 酸 梭 狀 芽 菌 固 定 在 低 溫 膠 凍 膜 上 ，并 把 它 固 定 在 燃 料 電 池 Pt電 極 上 ；v 當(dāng) 傳 感 器 浸 入 含 有 甲 酸 的 溶 液 時(shí)

24、， 甲 酸 通 過 聚 四氟 乙 烯 膜 向 酪 酸 梭 狀 芽 菌 擴(kuò) 散 ， 被 資 化 后 產(chǎn) 生 H2,而 H2又 穿 過 Pt電 極 表 面 上 的 聚 四 氟 乙 烯 膜 與 Pt電極 產(chǎn) 生 氧 化 還 原 反 應(yīng) 而 產(chǎn) 生 電 流 ， 此 電 流 與 微 生物 所 產(chǎn) 生 的 H 2含 量 成 正 比 ， 而 H2量 又 與 待 測(cè) 甲 酸濃 度 有 關(guān) ， 因 此 傳 感 器 能 測(cè) 定 發(fā) 酵 溶 液 中 的 甲 酸濃 度 。 47 11.4 免 疫 傳 感 器v免 疫 傳 感 器 的 工 作 原 理v免 疫 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 48 免 疫 傳 感 器 的 工 作

25、原 理v 基 本 原 理 是 免 疫 反 應(yīng) 。 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) ， 使 得 生 物 敏 感 膜 的 電 位 發(fā) 生變 化 。v 抗 原 或 抗 體 一 經(jīng) 固 定 于 膜 上 ， 就 形 成 具 有 識(shí) 別 免 疫 反 應(yīng) 強(qiáng) 烈的 分 子 功 能 性 膜 。 如 ， 抗 原 在 乙 酰 纖 維 素 膜 上 進(jìn) 行 固 定 化 ，由 于 蛋 白 質(zhì) 為 雙 極 性 電 解 質(zhì) ， （ 正 負(fù) 電 極 極 性 隨 值 而 變 ）所 以 抗 原 固 定 化 膜 具 有 表 面 電 荷 。 其 膜 電

26、 位 隨 膜 電 荷 要 變 化 。故 根 據(jù) 抗 體 膜 電 位 的 變 化 ， 可 測(cè) 知 抗 體 的 附 量 。 49 免 疫 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu)3室 注 入 含有 抗 體 的鹽 水 抗 體 與 固定 化 抗 原膜 上 的 抗原 相 結(jié) 合 膜 表 面 吸附 抗 體 膜 帶 電 狀態(tài) 變 化1、 2室 內(nèi)的 電 極 產(chǎn)生 電 位 差 50 11.5 半 導(dǎo) 體 生 物 傳 感 器v酶 光 敏 二 極 管v酶 FET 51 酶 光 敏 二 極 管v酶 光 敏 二 極 管 由 催 化 發(fā) 光 反 應(yīng) 的 酶 和 光 敏 二極 管 (或 晶 體 管 )半 導(dǎo) 體 器 件 構(gòu) 成 ；v在 硅

27、 光 敏 二 極 管 的 表 面 透 鏡 上 涂 上 一 層 過 氧化 氫 酶 膜 ， 即 構(gòu) 成 了 檢 測(cè) 過 氧 化 氫 的 酶 光 敏二 極 管 ；v當(dāng) 二 極 管 表 面 接 觸 到 過 氧 化 氫 時(shí) ， 由 于 過 氧化 氫 酶 的 催 化 作 用 ， 加 速 發(fā) 光 反 應(yīng) ， 產(chǎn) 生 的光 子 照 射 到 硅 光 敏 二 極 管 pn結(jié) 點(diǎn) ， 從 而 改 變了 二 極 管 的 導(dǎo) 通 狀 態(tài) 。 即 將 發(fā) 光 效 應(yīng) 轉(zhuǎn) 換 成光 敏 二 極 管 的 光 電 流 ， 從 而 檢 測(cè) 出 過 氧 化 氫及 其 濃 度 大 小 。 52 酶 光 敏 二 極 管 的 結(jié) 構(gòu) 5

28、3 酶 FET 54 結(jié) 構(gòu) 與 工 作 原 理v 結(jié) 構(gòu) ： 大 多 數(shù) 由 以 有 機(jī) 物 所 制 作 的 敏 感 膜 與HFET(氫 離 子 場(chǎng) 效 應(yīng) 管 )組 成 。v 制 法 ： 去 掉 FET的 柵 極 金 屬 ， 在 此 處 固 定 生 物 敏感 膜 ， 如 氮 化 硅 膜 ， 它 易 于 被 離 子 和 水 分 滲 透 ，而 且 表 面 一 旦 與 若 干 水 分 溶 化 在 一 起 時(shí) （ 稱 為 水合 作 用 ） ， 下 式 中 的 電 位 與 氫 離 子 濃 度 倒 數(shù) 的 對(duì)數(shù) (即 PH值 )成 比 例 。 pHF RTEE 303.20 55 舉 例 ： 用 電

29、子 聚 合 物 將 丁 酰 膽 堿 脂 酶 固 定 在 ISFET 電 極的 敏 感 柵 極 上 來(lái) 測(cè) 定 敵 敵 畏（ 1） 檢 測(cè) 原 理 ： 溶 液 pH 值 變 化 的 減 少 量 (即 抑 制 率 ) 與 農(nóng) 藥 的 濃 度 呈 相 關(guān) 關(guān) 系（ 2） 器 件 設(shè) 計(jì) 電 子 聚 合 物 生 物 傳 感 器 陣 列 單 元 的 MOS場(chǎng) 效 應(yīng) 管 剖 面 示 意 圖其 中 ， 4是 Si 3N4 鈍 化 層 ， 5是 電 子 聚 合 物 層 , 6是 生 物 材 料 層 56場(chǎng) 效 應(yīng) 管 芯 片 的 梳 妝 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 57 （ 3） 制 備 工 藝 采 用 標(biāo) 準(zhǔn) 的

30、 MOS工 藝 制 作 出 MOS場(chǎng) 效 應(yīng) 管 ； 刻 蝕 去 除 柵 區(qū) 的 金 屬 鋁 ； 運(yùn) 用 PVD法 在 梳 狀 柵 區(qū) 沉 積 Si3N4鈍 化 層 （ 80-150 nm） ； 采 用 自 組 裝 法 在 Si3N4鈍 化 層 上 制 備 厚 度 為 1-2m的 電 子聚 合 物 層 (PEDOT)； 在 PEDOT層 上 沉 積 2 3 m的 生 物 活 性 材 料 酶 ； 引 線 、 封 裝 。 58電 子 聚 合 物 ENFET的 性 能 測(cè) 試 系 統(tǒng) 590 100 200 300 400 500 600 7003.353.403.453.503.553.60 3.

31、653.703.753.80 3.85 H+ 離 子濃 度 減 小I DS (mA) Time (s)電 子 聚 合 物 ENFET在 不 同 pH 值 的 緩 沖 溶 液 中的 電 流 值 與 時(shí) 間 的 關(guān) 系由 上 而 下 ， 其 pH 值 分 別 為 6.2， 6.8， 7.5， 8.6， 9.2 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.53.33.43.53.63.7 3.83.9I DS (mA) pH 600 50 100 150 200 250 3004.654.704.754.804.85 4.904.95 I DS (mA) Time(s) 底 物 7.

32、26x10-6 mol/l 3.62x10-5 mol/l 1.45x10-4 mol/l 2.9x10 -4 mol/l 5.8x10-4 mol/l 1.16x10-3 mol/l電 子 聚 合 物 基 酶 電 極 生 物 傳 感 器 在 不 同 濃 度 的 敵 敵 畏 溶 液中 所 測(cè) 得 的 漏 電 流 與 時(shí) 間 的 關(guān) 系 61 11.6 生 物 傳 感 器 應(yīng) 用 與 未 來(lái)v 應(yīng) 用 ： 發(fā) 酵 工 業(yè) 、 醫(yī) 療 機(jī) 構(gòu) 、 軍 事v 發(fā) 展 方 向 ：1. 集 成 化 微 型 生 物 傳 感 器 的 研 究2. 生 物 芯 片 (仿 人 腦 )3. 仿 生 傳 感 器 (蝙

33、 蝠 的 超 聲 波 定 位 、 海 豚 的 聲納 導(dǎo) 航 測(cè) 距 、 信 鴿 的 方 向 識(shí) 別 、 狗 的 嗅 覺 ) 62 63 生 物 芯 片 就 是 在 一 塊 玻 璃 片 、 硅 片 、 尼 龍 膜 等材 料 上 放 上 生 物 樣 品 ， 然 后 由 一 種 儀 器 收 集 信 號(hào) ，用 計(jì) 算 機(jī) 分 析 數(shù) 據(jù) 結(jié) 果 。生 物 芯 片 的 集 成 ， 是 生 物 材 料 的 集 成 。 64 本 章 小 結(jié)v概 念 :生 物 傳 感 器v問 題 1:請(qǐng) 問 生 物 傳 感 器 有 哪 些 組 成 部 分 ?v問 題 2:簡(jiǎn) 要 說 明 一 下 生 物 傳 感 器 的 固 定 方 法 ，并 分 別 進(jìn) 行 比 較 。