《现代传感技术》黄元庆第7章.ppt

第七章 化学和生物医学传感器 主要内容 7.1 化学传感器 7.2 生物传感器传感器的组成 7.3 生物芯片 7.4 化学与生物医学传感器的应用——嗅觉传感器 化学传感器 化学传感器是对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。化学传感器必须具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的接受器功能和将俘获的化学量有效的转换为电信号的转换器功能。 化学传感器的结构与分类 气体传感器 湿度传感器 化学传感器的结构与分类 化学传感器的结构形式有两种： 分离型传感器 如离子传感器，液膜或固体膜具有接受器功能，膜完成电信号的转换功能，接受和转换部位是分离的，有利于对每种功能分别进行优化； 一体化传感器 如半导体气体传感器，分子俘获功能与电流转换功能在同一部位进行，有利于化学传感器的微型化。 气体传感器 气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来，并将它转换成电信号的器件，以便提供有关待测气体的存在及其浓度大小的信息。 按照所用的气敏材料和气敏特性的不同，气体传感器可分为 半导体式 固体电解质式 电化学式 接触燃烧式 高分子式 等几种类型。 气体传感器 1. 半导体气体传感器 气体传感器 2. 固体电解质气体传感器 固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件。这类传感器可分为两种： 不受被测气体所限制 本身具有气敏功能 3. 电化学气体传感器 电化学气体传感器可分为原电池式、定电位电解式、电量式、离子电极式4种类型。 4. 接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种，其工作原理是：气敏材料如Pt电热丝等在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化燃烧，电热丝由于燃烧而生温，从而使其电阻值发生变化，测量电阻的变化从而测量气体的浓度。 气体传感器 5. 高分子气体传感器 通过测量高分子气敏材料的电阻来测量气体浓度的高分子电阻式气体传感器; 根据气敏材料吸收气体时形成的浓差电池电动势就可测量气体浓度的浓差电池式气体传感器; 根据声波在吸收气体了的高分子气敏材料表面上的传播速度或频率的变化来测量气体浓度的声表面波（SAW）式气体传感器; 根据涂敷在石英振子上高分子气敏材料吸收气体产生重量变化而引起的石英振子共振频率变化来测量气体浓度的石英振子式气体传感器等。 湿度传感器 2. 硅MOS型氧化铝湿度传感器 湿度传感器 3. 电阻型多孔SiO2湿度传感器 湿度传感器 4. 电容型多孔硅湿敏传感器 湿度传感器 6. 多晶硅湿度传感器 湿度传感器 7. 带槽的铝电极湿度传感器 生物传感器的工作原理 生物传感器是利用固定化的生物体本身作为敏感元件的传感器。生物传感器的基本结构如图 7?9所示，它由生物敏感元件和信号换能器件构成。 生物传感器的分类 根据生物活性物质的类别 生物传感器可以分为酶传感器、免疫传感器、细胞及细胞器传感器、组织传感器和微生物传感器等； 根据生物传感器的信号转换器分类 生物传感器可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、热学型生物传感器、光学型生物传感器、声学型生物传感器等； 根据传感器输出信号的产生方式 生物传感器可分为生物亲和型生物传感器、代谢型生物传感器和催化型生物传感器； 根据检测对象的多少 生物传感器可分为以单一化学物质为测量对象的单功能型和同时检测微量多种化学物质的多功能型生物传感器。 生物传感器的特点 生物传感器的特点为： （1）根据生物反应的特异性和多样性，生物传感器的测定范围广泛。 （2）生物传感器是一种无试剂快速检测仪器，不仅不需要其他试剂，也不需样品的预处理。 （3）生物传感器体积小、检测方法简便、准确、敏感和快速，可以实现连续在位检测及反复使用。 （4）生物传感器成本低，易推广。 酶传感器 酶是生物化学反应的高效催化剂，对底物具有高度的专一性。 由于单酶传感器只能测定数目有限的化学物质，所以人们可以在一个酶传感器上偶联几种酶促反应，以增加可测分析物的数量。酶传感器有酶电极、酶场效应晶体管、酶热敏电阻和发光酶传感器等多种。 酶传感器结构 微生物传感器 微生物传感器利用活微生物的代谢功能检测化学物质。 微生物细胞不同于一般的动、植物细胞，它能单独进行生长、呼吸、繁殖等生命活动，不停地从周围环境中摄取物质进行同化作用，同时又不停地向环境排出代谢产物及废物，因而，微生物可以看成是含有多种天然复合酶系。 此类传感器的优点是能适应宽范围的酸碱度和温度，寿命长，价格较低，稳定时间长，可应用于工业生产、环境科学及临床医学等领域。 微生物传感器是由一个含有固定细菌、酵母或其他微生物的膜，以及氧电极构成的电化学换能器组成。 微生物大约可以分为好气微生物和厌气微生物。 微生物传感器 免疫传感器 免疫传感