化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)傳感器

化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器是對各種化學(xué)物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器。化學(xué)傳感器必須具有對待測化學(xué)物質(zhì)的形狀或分子結(jié)構(gòu)選擇性俘獲的接受器功能和將俘獲的化學(xué)量有效的轉(zhuǎn)換為電信號的轉(zhuǎn)換器功能。化學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)與分類氣體傳感器濕度傳感器化學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)與分類化學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)形式有兩種：分離型傳感器如離子傳感器，液膜或固體膜具有接受器功能，膜完成電信號的轉(zhuǎn)換功能，接受和轉(zhuǎn)換部位是分離的，有利于對每種功能分別進(jìn)行優(yōu)化；一體化傳感器如半導(dǎo)體氣體傳感器，分子俘獲功能與電流轉(zhuǎn)換功能在同一部位進(jìn)行，有利于化學(xué)傳感器的微型化。氣體傳感器氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測出來，并將它轉(zhuǎn)換成電信號的器件，以便提供有關(guān)待測氣體的存在及其濃度大小的信息。按照所用的氣敏材料和氣敏特性的不同，氣體傳感器可分為半導(dǎo)體式固體電解質(zhì)式電化學(xué)式接觸燃燒式高分子式等幾種類型。氣體傳感器1.半導(dǎo)體氣體傳感器圖7-1二極管型氣體傳感器結(jié)構(gòu)圖7-2場效應(yīng)晶體管型氣體傳感器結(jié)構(gòu)氣體傳感器2.固體電解質(zhì)氣體傳感器固體電解質(zhì)氣體傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件。這類傳感器可分為兩種：不受被測氣體所限制本身具有氣敏功能3.電化學(xué)氣體傳感器電化學(xué)氣體傳感器可分為原電池式、定電位電解式、電量式、離子電極式4種類型。4.接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式兩種，其工作原理是：氣敏材料如Pt電熱絲等在通電狀態(tài)下，可燃性氣體氧化燃燒或者在催化劑作用下氧化燃燒，電熱絲由于燃燒而生溫，從而使其電阻值發(fā)生變化，測量電阻的變化從而測量氣體的濃度。氣體傳感器5.高分子氣體傳感器通過測量高分子氣敏材料的電阻來測量氣體濃度的高分子電阻式氣體傳感器;根據(jù)氣敏材料吸收氣體時形成的濃差電池電動勢就可測量氣體濃度的濃差電池式氣體傳感器;根據(jù)聲波在吸收氣體了的高分子氣敏材料表面上的傳播速度或頻率的變化來測量氣體濃度的聲表面波（SAW）式氣體傳感器;根據(jù)涂敷在石英振子上高分子氣敏材料吸收氣體產(chǎn)生重量變化而引起的石英振子共振頻率變化來測量氣體濃度的石英振子式氣體傳感器等。濕度傳感器大氣中含水的多少，表明了大氣的干濕程度，用濕度表示。在物理學(xué)和氣象學(xué)中常用絕對濕度，相對濕度、露點溫度等來表示濕度。絕對濕度指單位體積的空氣中所含水氣的質(zhì)量，其定義式為相對濕度是待測空氣的水氣分壓與相同溫度下水的飽和水汽壓的比值的百分?jǐn)?shù)。這是一個無量綱的量，常表示為％RH（RelativeHumidity）:濕度傳感器2.硅MOS型氧化鋁濕度傳感器圖7-3硅MOS型氧化鋁濕度傳感器基本結(jié)構(gòu)濕度傳感器3.電阻型多孔SiO2濕度傳感器圖7?4電阻型多孔SiO2濕度傳感器基本結(jié)構(gòu)濕度傳感器4.電容型多孔硅濕敏傳感器圖7?5電容型多孔硅濕敏傳感器基本結(jié)構(gòu)濕度傳感器5.聚酰亞胺濕敏傳感器圖7?6聚酰亞胺濕敏傳感器基本結(jié)構(gòu)濕度傳感器6.多晶硅濕度傳感器圖7?7多晶硅濕敏傳感器的基本結(jié)構(gòu)濕度傳感器7.帶槽的鋁電極濕度傳感器圖7?8帶槽的Al電極濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)生物傳感器的工作原理生物傳感器是利用固定化的生物體本身作為敏感元件的傳感器。生物傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖7?9所示，它由生物敏感元件和信號換能器件構(gòu)成。圖7?9生物傳感器的基本結(jié)構(gòu)生物傳感器的分類根據(jù)生物活性物質(zhì)的類別生物傳感器可以分為酶傳感器、免疫傳感器、細(xì)胞及細(xì)胞器傳感器、組織傳感器和微生物傳感器等；根據(jù)生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器分類生物傳感器可分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、熱學(xué)型生物傳感器、光學(xué)型生物傳感器、聲學(xué)型生物傳感器等；根據(jù)傳感器輸出信號的產(chǎn)生方式生物傳感器可分為生物親和型生物傳感器、代謝型生物傳感器和催化型生物傳感器；根據(jù)檢測對象的多少生物傳感器可分為以單一化學(xué)物質(zhì)為測量對象的單功能型和同時檢測微量多種化學(xué)物質(zhì)的多功能型生物傳感器。生物傳感器的特點生物傳感器的特點為：（1）根據(jù)生物反應(yīng)的特異性和多樣性，生物傳感器的測定范圍廣泛。（2）生物傳感器是一種無試劑快速檢測儀器，不僅不需要其他試劑，也不需樣品的預(yù)處理。（3）生物傳感器體積小、檢測方法簡便、準(zhǔn)確、敏感和快速，可以實現(xiàn)連續(xù)在位檢測及反復(fù)使用。（4）生物傳感器成本低，易推廣。酶傳感器酶是生物化學(xué)反應(yīng)的高效催化劑，對底物具有高度的專一性。由于單酶傳感器只能測定數(shù)目有限的化學(xué)物質(zhì)，所以人們可以在一個酶傳感器上偶聯(lián)幾種酶促反應(yīng)，以增加可測分析物的數(shù)量。酶傳感器有酶電極、酶場效應(yīng)晶體管、酶熱敏電阻和發(fā)光酶傳感器等多種。酶傳感器結(jié)構(gòu)圖7-10酶電極結(jié)構(gòu)微生物傳感器微生物傳感器利用活微生物的代謝功能檢測化學(xué)物質(zhì)。微生物細(xì)胞不同于一般的動、植物細(xì)胞，它能單獨進(jìn)行生長、呼吸、繁殖等生命活動，不停地從周圍環(huán)境中攝取物質(zhì)進(jìn)行同化作用，同時又不停地向環(huán)境排出代謝產(chǎn)物及廢物，因而，微生物可以看成是含有多種天然復(fù)合酶系。此類傳感器的優(yōu)點是能適應(yīng)寬范圍的酸堿度和溫度，壽命長，價格較低，穩(wěn)定時間長，可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境科學(xué)及臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。微生物傳感器是由一個含有固定細(xì)菌、酵母或其他微生物的膜，以及氧電極構(gòu)成的電化學(xué)換能器組成。微生物大約可以分為好氣微生物和厭氣微生物。微生物傳感器

圖7?11呼吸活性型微生物傳感器的原理免疫傳感器免疫傳感器是將特異性免疫反應(yīng)與高靈敏度的傳感技術(shù)相結(jié)合而構(gòu)建的一類新型生物傳感器，應(yīng)用于痕量免疫原性物質(zhì)的分析研究。免疫傳感器利用動物體內(nèi)抗原、抗體能發(fā)生特異性的吸附反應(yīng)的性質(zhì)，將抗原（或抗體）固定在傳感器基體上，通過傳感技術(shù)使吸附發(fā)生時產(chǎn)生物理、化學(xué)、電學(xué)或光學(xué)上的變化，并轉(zhuǎn)變成可檢測的信號來測定環(huán)境中待測分子的濃度。由于免疫傳感器技術(shù)具有分析靈敏度高、特異性強(qiáng)、使用簡便及成本低等優(yōu)點，目前它的應(yīng)用已涉及到臨床醫(yī)學(xué)與生物檢測技術(shù)、食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測與處理等廣泛領(lǐng)域。免疫傳感器分類根據(jù)標(biāo)記與否可分為直接免疫傳感器間接免疫傳感器根據(jù)換能器種類的不同可分為電化學(xué)免疫傳感器光學(xué)免疫傳感器質(zhì)量測量免疫傳感器熱量測量免疫傳感器等。幾種常見的免疫傳感器1.電化學(xué)免疫傳感器（1）電位測量式（2）電流測量式（3）電導(dǎo)率測量式2.光學(xué)免疫傳感器（1）光柵生物傳感器（2）夾層光纖傳感器（3）位移光纖傳感器3.質(zhì)量檢測免疫傳感器（1）壓電免疫傳感器（2）聲波免疫傳感器4.熱量檢測免疫傳感器生物傳感器的發(fā)展趨勢開發(fā)新材料，采用新工藝功能材料是發(fā)展傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)。基因重組技術(shù)、溶膠凝膠技術(shù)、酶的定向取向技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、微電子技術(shù)與微制作技術(shù)、計算機(jī)信息處理技術(shù)、納米技術(shù)等有助于制造出綜合性能穩(wěn)定、可靠性高、體積小、重量輕的敏感元件。研究仿生傳感器仿生傳感器就是模仿人感覺器官的傳感器。從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，觸覺、聽覺辨別等方面不斷有新研究成果問世，嗅覺和味覺方面也不斷有新的“電子鼻”、“電子舌”產(chǎn)品問世。但真正能代替人的感覺器官功能的傳感器還有待研制。生物傳感器的發(fā)展趨勢研究多功能集成的智能傳感器對于復(fù)雜體系多種組分的同時測定，生物傳感器陣列提供了一種直接、簡便的解決方法。未來的生物傳感器必定與計算機(jī)緊密結(jié)合，自動采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，更科學(xué)、更準(zhǔn)確地提供結(jié)果，形成檢測的自動化系統(tǒng)。成本低、高靈敏度、高穩(wěn)定性、高壽命和微型化生物傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，必然要求不斷降低產(chǎn)品成本，提高靈敏度、穩(wěn)定性和延長壽命。同時隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)和納米技術(shù)不斷深入到傳感技術(shù)領(lǐng)域，生物傳感器將不斷微型化，各種便攜式生物傳感器的出現(xiàn)將成為可能。生物傳感器的市場化由于生物傳感器具有方便、快捷、選擇性高、可用于復(fù)雜體系等突出的優(yōu)越性，它在分析儀器市場中所占的份額越來越大，并已開始大量取代相同領(lǐng)域內(nèi)的其他分析產(chǎn)品。生物芯片概述生物芯片是采用光導(dǎo)原位合成或微量點樣等方法，將大量生物大分子（如核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細(xì)胞等等）生物樣品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝膠、尼龍膜等載體）的表面，組成密集二維分子排列；然后與已標(biāo)記的待測生物樣品中靶分子雜交，通過特定的儀器，如激光共聚焦掃描或電荷偶聯(lián)攝影像機(jī)（CCD）對雜交信號的強(qiáng)度進(jìn)行快速、并行、高效地檢測分析，從而判斷樣品中靶分子的數(shù)量，獲取樣品中靶分子的相關(guān)信息。由于常用玻片/硅片作為固相支持物，且制備過程模擬計算機(jī)芯片的制備技術(shù)，故稱為生物芯片。生物芯片概述生物芯片反應(yīng)主要包括4個基本步驟：（1）芯片制備（2）樣品制備（3）生物分子反應(yīng)（4）芯片信號檢測和分析生物芯片的分類依據(jù)生物芯片的功能信息芯片功能芯片依據(jù)生物芯片的應(yīng)用方式用于樣品制備用于生物化學(xué)反應(yīng)用于檢測分析的生物芯片依據(jù)芯片的用途表達(dá)譜芯片診斷芯片指紋圖譜芯片測序芯片毒理芯片生物芯片的分類依據(jù)芯片所用的載體材料玻璃芯片硅芯片陶瓷芯片根據(jù)芯片點樣方式不同，可分為原位合成芯片微矩陣芯片（分噴點和針點）電定位芯片生物芯片的分類根據(jù)探針分子的不同、研究對象的差異和制作工藝的發(fā)展基因芯片蛋白質(zhì)芯片芯片實驗室細(xì)胞芯片組織芯片1.基因芯片基因芯片，又稱DNA芯片或DNA微陣列，它是生物芯片技術(shù)中發(fā)展最成熟和最先實現(xiàn)商品化的產(chǎn)品。它是在基因探針的基礎(chǔ)上研制而成。目前，基因芯片比較成熟的產(chǎn)品主要有寡核苷酸芯片和cDNA芯片。基因芯片技術(shù)與傳統(tǒng)測序技術(shù)相比，它的突出優(yōu)點是整個檢測過程快速高效。2.蛋白質(zhì)芯片與基因芯片的基本原理相同，但其利用的不是堿基配對而是抗體與抗原結(jié)合的特異性，即免疫反應(yīng)來檢測。蛋白質(zhì)是基因表達(dá)的最終產(chǎn)物，因而它比基因芯片更進(jìn)一步的接近生命活動的物質(zhì)層面，有著比基因芯片更加直接的應(yīng)用前景。蛋白質(zhì)芯片能同時檢測生物樣品中與某種疾病或環(huán)境因子損傷可能相關(guān)的全部蛋白質(zhì)含量的變化情況即表型指紋，對監(jiān)測疾病的進(jìn)程和預(yù)后及判斷治療效果有重要意義。利用蛋白質(zhì)芯片可直接篩選出與靶蛋白作用的化合物，從而大大推進(jìn)藥物的開發(fā)。蛋白質(zhì)芯片有助于了解藥物或毒物與其效應(yīng)相關(guān)蛋白質(zhì)的相互作用，從而可將化學(xué)作用與疾病聯(lián)系起來，促進(jìn)藥物學(xué)和毒理學(xué)研究的發(fā)展。3.芯片實驗室芯片實驗室是生物芯片技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)，即將樣品的制備、生化反應(yīng)、結(jié)果檢測到數(shù)據(jù)處理的整個過程高度集中在一個芯片上進(jìn)行，形成微型全分析系統(tǒng)，從而使現(xiàn)有的許多繁瑣、費(fèi)時、不連續(xù)、不精確和難以重復(fù)的生物分析過程自動化、連續(xù)化和微縮化，是未來生物芯片的發(fā)展方向。利用這種方法可以準(zhǔn)確快速地大量檢測遺傳性、家族性、地方性和流行性疾病，甚至癌癥等其他疾病。4.細(xì)胞芯片細(xì)胞微陣列芯片由細(xì)胞芯片裸片、封裝蓋板和底板構(gòu)成，細(xì)胞芯片裸片上密集設(shè)置6000～10000乃至更高密度不同細(xì)胞陣列，封裝于蓋板和底板之間。5.組織芯片組織芯片技術(shù)是基因芯片技術(shù)的發(fā)展和延伸。組織芯片技術(shù)可以將數(shù)十個甚至上千個不同個體的臨床組織標(biāo)本按預(yù)先設(shè)計的順序排列在一張玻片進(jìn)行分析研究，是一種高通量、多樣本的分析工具。對基因和蛋白質(zhì)與疾病關(guān)系的研究，疾病相關(guān)基因的驗證、新藥物的開發(fā)與篩選、疾病的分子診斷，治療過程的追蹤和預(yù)后等方面具有實際意義和廣闊的市場前景。生物芯片的應(yīng)用1.生物芯片在基因結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用基因序列分析基因診斷2.生物芯片在食品科學(xué)上的應(yīng)用轉(zhuǎn)基因食品的檢測食品中微生物的檢測3.生物芯片在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用疾病診斷藥物研究嗅覺傳感器嗅覺傳感器的敏感部分主要是由氣敏傳感器陣列組成的。電子鼻是由多個性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當(dāng)?shù)哪Ｊ椒诸惙椒ńM成的具有識別單一和復(fù)雜氣味能力的裝置。嗅覺器官基本結(jié)構(gòu)與嗅覺識別氣體機(jī)理嗅覺器官基本結(jié)構(gòu)與嗅覺識別氣體機(jī)理1.層析模型2.回歸模型3.氣體流動模型4.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型圖7?13嗅覺原理示意圖嗅覺傳感器的基本組成嗅覺傳感器模擬人的嗅覺器官，主要包括3大部分：氣敏傳感器陣列、信號處理及模式識別。1.氣敏傳感器陣列氣敏傳感器陣列中常用的氣敏傳感器主要有金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器石英晶體氣敏傳感器硅梁諧振器氣敏傳感器聲表面波氣敏傳感器等。圖7?14電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器結(jié)構(gòu)嗅覺傳感器的基本組成2.信號處理信號處理主要完成傳感器信號的放大和濾波，進(jìn)行特征提取，得到多維有用響應(yīng)信號，并由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入計算機(jī)。3.模式識別模式識別是對傳感器陣列的輸出信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚垣@得混合氣體組分信息和濃度信息。在嗅覺傳感器中，常用的模式識別方法有統(tǒng)計模式識別方法和智能識別方法。統(tǒng)計模式識別方法主要有主成分分析法、偏最小二乘法和聚類分析法等，智能識別方法主要是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和模糊推理法。嗅覺傳感器的發(fā)展趨勢（1）開展嗅覺識別氣體的機(jī)理研究，從源頭開始研究類似動物嗅覺器官又優(yōu)于動物嗅覺器官識別氣味功能的嗅覺傳感器。隨著生物芯片的發(fā)展，仿生材料研究的進(jìn)步，微細(xì)加工技術(shù)及納米技術(shù)在傳感器制作中的應(yīng)用，進(jìn)一步提高