第二章信号转换器

1第二章生物传感器的信号转换器信号转换器作为生物传感器的重要组成部分，它的作用是将生物敏感元件拾取的生物化学信息转换为容易进行处理测量的、与被测量有对应关系的电信息。2●电化学信号转换器●离子敏场效应晶体管●热敏电阻●压电晶体信号转换器●光电换能器3一、电化学型信号转换器电化学电极作为生物传感器信号转换器，一般可分为两种类型：电位型和电流型。电化学电极(固体电极、离子选择性电极、气敏电极、修饰电极等)作为信号转换器已广泛用于酶传感器、微生物传感器及其它类型的生物传感器中。41.1电化学测量基础1.测量系统根据转变方式和输出电信号的不同，可将电化学传感器分为：ìïïïïíïïïïî电位型（原电池）三种类型电流型（电解电池）电导型（电导池）5图2-1原电池构成6电位型测量系统——在电极/溶液界面上自发地发生化学反应，将被测化学量转变为电位信号的测定装置。被测的化学量与电位之间的关系，符合能斯特方程：lnEC7图2-2电解电池构成8电流型测量系统——外加电压下，在电极/溶液界面上发生化学反应，将被测化学量转变为电流信号的测定装置。在一定条件下，其电流大小与离子浓度成比例。IC9电导型测量系统——在外加电压下，将化学量转变成电导信号的测定装置。在离子浓度不大时，溶液的电导与离子浓度成正比。GC101.2基本概念1.电离常数Ionizationconstant电离常数表示电解质电离能力的强弱。[AB]表示平衡时未电离的分子浓度，[A-]和[B+]表示平衡时A-和B+离子的浓度。[][]ABKAB112.活度和活度系数Activityandactivitycoefficient活度指电解质溶液的有效浓度。溶液浓度与活度之间的关系表示为：为活度系数，表示电解质溶液的浓度与活度的偏差程度，即表示浓度有百分之几是有效的。通常0＜≤1，当溶液无限稀释。.ac112如0.1mol/L的盐酸溶液中，H+的活度就等于0.0799mol/L，意思是说，H+在化学反应起作用的浓度是0.0799mol/L。131.3电极种类电极是传感器非常重要的信号转换器，可分为：参比电极指示电极四类工作电极辅助电极141.参比电极Referenceelectrode参比电极——测量电极电位时用作基准电位的电极。常用参比电极：标准氢电极、甘汞电极、电极。AgAgCl15（1）标准氢电极氢电极作基准测量电极电位，精度一般可高达10μv，但实验室中不用，因其容易爆炸。图2-2标准氢电极16（2）甘汞电极电极由Hg和Hg2Cl2的糊状物浸入含有Cl-的溶液中，插入Pt导线构成。放置在KCl溶液中。图2-3甘汞电极1725℃时甘汞电极的电极电位18（3）电极一种性能较好的参比电极。它结构简单，只需在Ag丝上，镀上一薄层AgCl，并浸入一定浓度的KCl溶液中便制成电极。图2-4银/氯化银电极AgAgCl192.指示电极Indicatingelectrode指示电极——根据电极电位的大小指示出物质浓度的电极。包括离子选择性电极、气敏电极、金属或非金属电极(Au、Cu、Pt，石墨电极等)。20图2-5pH玻璃电极213.工作电极和辅助电极Workingelectrodeauxiliaryelectrode工作电极——在外加电压下电解时，根据其电解电流的大小测定物质含量的电极。辅助电极——电解时为测定电流构成回路所用的电极（对电极）。22图2-6测量系统23三电极系统：包括工作电极、辅助电极和参比电极（用于确定或控制工作电极的电极电位的大小）。二电极系统：参比电极兼作辅助电极时的构成方式。241.4电位型换能器电位型换能器是由指示电极和参比电极构成的测量系统，在零电流条件下通过测量两个电极之间的电位差，实现待测物质含量测量。25（一）离子选择性电极Ionselectiveelectrode(ISE)离子选择性电极——用特殊敏感薄膜制作的对特定阳离子或阴离子呈选择性响应的电极。离子选择性电极具有快速、灵敏、可靠、价廉等优点，因此应用范围很广。261.pH电极氢离子活度对化学反应和生物化学反应有重要的决定作用。有一些酶反应，涉及到氢离子的生成和消耗，因此可用pH玻璃电极作为某些生物传感器的信号转换器。27图2-7pH电极测量系统28（1）ISE的特点●ISE的电极电位与特定离子活度的对数呈线性关系；●ISE结构简单、测定快速、灵敏度高、重复性好。29（2）ISE的组成30（3）ISE的特性31①检测极限指电极所能检测离子的最低浓度。图2-8电极校准曲线及检测极限的确定32在一定活度范围内（CD段）电极电位与被测离子活度的对数成正比，当被测离子活度逐渐减小时，曲线由CD直线段逐渐弯曲成EF段，电极电位不为零，说明离子选择电极存在检测极限。极限值的确定是根据CD与EF延长线相交点对应的离子活度作为其检测极限。钠电极：～10-6mol/L；氯电极:～5×10-6mol/L。33②电位选择系数指同一支电极对不同离子的选择性响应，表征ISE选择性的优劣。电极对各种离子的选择性可用电位选择系数表示。在中，A表示被测离子，X表示干扰离子。,potAXK,potAXK34钙电极用于测Ca2+，但其对Ba2+也有响应，因此是测量时的干扰离子，若其对Ca2+的响应为Ba2+的100倍，则Ba2+对Ca2+的干扰为1/100倍，所以:22,0.01PotCaBaK越小，表明干扰越小，电极的选择性越好。,potAXK35③响应时间响应时间指电极达到平衡电位时所需要的时间。它与电极的种类及被测离子的活度、溶液的搅拌速度、敏感膜的组成及性质、膜的厚度、参比电极的稳定性等有关。36④电极寿命电极寿命是指电极保持Nernst响应的时间。主要取决于膜的结构与性质。当实测电势与理论电势之比小于0.9时，电极不宜再使用。372.碘电极碘离子选择电极常用于有生成的酶反应中，碘离子与相遇，在过氧化物酶催化下，可快速发生如下反应：2232232HHOIIHO过氧化物酶22HO22HO2232232HHOIIHO过氧化物酶22HO22HO38（二）气敏电极电位型气敏电极作为各种生物传感器的信号转换器，使用较多的是氨气敏电极和气敏电极。2CO391.氨气敏电极氨是酶反应中最常见的产物和反应物，因此氨电极是常用的信号转换器之一。40氨电极浸入碱性待测液时，待测液中的铵盐转化成挥发性氨，经透气膜渗入内充液薄层发生如下反应：电位与待测溶液中氨的浓度符合能斯特方程。412.二氧化碳电极CO2气敏电极的结构由pH玻璃电极和Ag/AgCl参比电极组成电池，用透气膜将中间溶液与被测溶液隔离开来。图2-9CO2气敏电极42223COHOHCOH测定时溶液中的CO2通过透气膜进入溶液，而发生下列反应：43二氧化碳气敏电极在医学上的应用44451.5电流型换能器◆输出直接与被测物浓度呈线性关系；◆电极输出值的读数误差较电位型电极小；◆灵敏度比电位型电极高。常用的电流型电极有O2电极电极、H2O2电极及燃料电池型电极等。46（一）氧电极各种氧化酶和加氧酶在催化底物反应时，要用溶解氧为辅助试剂，反应中所消耗的氧量可用氧电极来测定。此外，在微生物电极、免疫电极等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器，因此氧电极在生物传感器中使用很广。47氧电极是一个通过测定电解电流来测定溶液中氧含量的电解池。有两种：开放式和封闭式。481.开放式氧电极开放式氧电极测定氧的装置如图所示。49外加电解电压，当铂电极电位相对参比电极低0.2V时，氧在铂丝上开始电解，此时电流计中有电流指示。50当铂电极相对参比电极低0.6～0.8V时，电流趋于恒定，此时的电流与溶液中氧含量成正比。51Clark氧电极是一种较为稳定的封闭式氧电极。铂电极与电极组合在一起置于参比溶液中，与被测溶液之间用透氧膜隔开。此膜将被测溶液中溶解的氧气通过膜扩散到膜内电解质溶液薄层，再扩散到铂电极表面进行还原产生电流。2.封闭式氧电极(Clark氧电极)/AgAgCl52Clark氧电极结构见图。533.氧电极在医学中的应用5455二、H2O2电极H2O2电极是根据电解氧化时所产生的电流输出来测定浓度的复合式电极。电极包括阳极、阴极、电解液和渗透膜，阳极一般用金、白金，阴极一般用Ag/AgCl，渗透膜可用醋酸纤维素膜，电解液是氯化钾与磷酸缓冲液及氯化钾与醋酸缓冲液等。56两极间外加一定电压，实际测量时，外加电压控制在电压-电流曲线的平滑部分，即0.7-0.9V，此时输出电流就与浓度成比例。阳极反应阴极放应22222HOOHe221222eHOHO57H2O2电极基本测量电路和电压-电流曲线58●电化学信号转换器●离子敏场效应晶体管●热敏电阻●压电晶体信号转换器●光电换能器5959二、离子敏场效应晶体管（ISFET）ISFET是把离子选择性敏感膜和FET相结合，将离子活度的化学信息转化为电流或电压的变化。P-Sip-SinnSDGFET结构2.1结构与原理ISFET结构P-Sip-SinnSD参比电极敏感膜被测溶液60FET工作原理P-Sip-SinnSDGVGSVDSIDFET工作原理:6161反型层的形成在栅极与源极之间施加电压，会导致栅源极之间的电荷流动，并在栅极绝缘层下的P型半导体材料的表面大量积累负电荷而形成反型层。N型沟道的形成栅源电压若大于阈值电压，栅极绝缘层下面将形成强反型层，源漏极之间形成N型沟道。漏电流的形成在源漏极之间施加电压，则带电粒子沿着该沟道流通，电子便从源极流向漏极，形成漏源极之间的沟道电流，称作漏电流，用ID表示。6262ISFET工作原理P-Sip-SinnSDVGSVDSID参比电极敏感膜被测溶液2.2ISFET工作原理ISFET正是利用场效应管的上述特性而实现对离子浓度测量的。6363敏感膜与溶液界面产生膜电位，该电位叠加在栅压上，引起场效应管漏电流的变化。根据能斯特方程，膜电位的大小与溶液中的离子活度有关，即：6464实际施加于场效应管绝缘膜和半导体表面上的电压为'GSGSirefVV因此，只要设法利用生化反应过程所产生的物质变化来影响栅极电压，便可设计出以离子敏场效应管为转换器件的半导体生物传感器。65652.3特点构造简单，体积小，便于批量制作，成本低；易微型化和多功能化；FET制作的敏感器件响应快，适用于自控监测和流程分析等。66662.4应用尿素的测定：22223()2CONHHOCONH脲酶2HO2HO3HCOH422NHOH↓↓++6767双栅极酶-FET传感器6868葡萄糖的测定：氟离子的测定61262261272222CHOHOOCHOHO葡萄糖氧化酶69●电化学信号转换器●离子敏场效应晶体管●热敏电阻●压电晶体信号转换器●光电换能器7070三、热敏电阻型信号转换器热敏电阻——是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的特性实现温度测量的阻抗元件。热敏电阻不仅在生物医学的温度测量、电路元件的温度补偿等方面有着广泛的应用，而且可作为生物传感器的信号转换器，构成量热型生物传感器。71713.1结构与种类7272半导体热敏电阻按其材料、性质的不同可分为三种类型：PTC型——由钛酸钡和钛酸锶的混合物高温烧结而成，具有正的温度系数。单晶硅型——温度系数为正。NTC型——由某些金属氧化物的混合物高温烧结而成，具有负的温度系数。通常用氧化钴、氧化镍、氧化锰及其它氧化物构成的陶瓷半导体。73733.2热敏电阻的性能和参数㈠电阻—温度特性Resistance-temperaturecharacteristic对NTC型热敏电阻，在一定的温度范围内，其电阻——温度特性为其中RT——温度为T时的电阻值R0——温度为T0时的电阻值B——热敏电阻常数0110BTTTRRe000lnTTTRBTTR7474㈡温度系数（相对灵敏度）Temperaturecoef