第八章化学与生物传感器详解演示文稿
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《化学与生物传感器》课件
什么是化学传感器和生物传感器？
化学传感器
化学传感器是一种能够检测和测量特定化学物质 的装置，用于监测和控制各种化学过程。
生物传感器
生物传感器是一种利用生物分子与目标物质相互 作用的装置，用于检测和测量生物体内的特定分 子。
化学传感器的工作原理
1
信号转换
化学传感器接收化学信号并将其转换为可测量的物理信号，如电信号或光信号。
传感器在工业过程监控和控制中发挥关键 作用，提高生产效率和产品质量。
化学与生物传感器的优势和挑战
优势
• 高灵敏度 • 选择性 • 便携性 • 快速响应
挑战
• 稳定性 • 实时监测 • 复杂样品处理 • 成本和可持续性
结语和总结
化学与生物传感器是现代科学领域的重要组成部分，它们在医疗、环境、食 品和工业等领域发挥着关键作用。通过深入研究和创新，我们可以进一步拓 展传感器技术的应用前景。
《化学与生物传感器》 PPT课件
在这个课件中，我们将一起探索化学传感器和生物传感器的世界。从工作原 理到应用领域，让我们一起揭开这个神奇领域的面纱。
我们的团队
专业背景
我们的团队由化学和生物学专家组成，拥有丰富的研究和实践经验。
创新思维
我们致力于挖掘新的传感器技术，不断推动领域的发展。
合作精神
我们与学术界和工业界密切合作，共同解决实际问题。
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信号检测
检测设备接收并解读信号，确定目标 分子的存在和浓度。
化学与生物传感器的应用领域
1 医学诊断
2 环境监测
化学与生物传感器可用于早期疾病诊断和 治疗监测，提高医疗效率和准确性。
传感器可检测环境中的污染物和有害物质， 4 工业应用
传感器可检测食品中的有害物质和微生物， 确保食品的安全和质量。
化学与生物传感器优秀课件
[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。
8．1．2 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。
（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）。
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
[R]- 溶液中还原性物质浓度（活度）， mol/L，金属电极[R]=1。
8．1．2 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。
（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）。
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
生物传感器 ppt课件
生物组织传感器是以活的动植物组织细胞切片作为识 别元件，并与相应的变换元件构成生物组织传感器。
①生物组织含有丰富的酶类，这些酶在适宜的自然环境 中，可以得到相当稳定的酶活性，许多组织传感器工 作寿命比相应的酶传感器寿命长很多；
②在所需要的酶难以提纯时，直接利用生物组织可以得 到足够高的酶活性；
③组织识别元件制作简便，一般不需要采用固定化技术。
它是对物质在分子水平上进行快速和微量分析的 方法。
ppt课件
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1.原理
生物传感器的结构一般是在基础传感器(如电 化学装置）上再耦合一个生物敏感膜（称为感 受器或敏感元件）。生物敏感膜紧贴在探头表 面上，再用一种半渗透膜与被测溶液隔开。当 待测溶液中的成分透过半透膜有选择地附着于 敏感物质上时，形成复合体，随之进行生化和 电化学反应，产生普通电化学装置能感知的O2、 H2、NH4+、CO2等或光声等信号，并通过信号转 换元件转换为电信号。
ppt课件
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1)酶生物传感器
酶传感器是由酶传感器和电化学器件构成的。 由于酶是蛋白质组成的生物催化剂，能催化许 多生物化学反应。酶的催化效率极高，而且具 有高度专一性，即能对待测生物量（底物）进 行选择性催化，并且有化学放大作用。因此利 用酶的特性可以制造出高灵敏度、选择性好的 传感器。
ppt课件
ppt课件
12
将光信号转变为电信号
例如，过氧化氢酶能催化过氧化氢/鲁米诺体系 发光，因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤 或光敏二极管的前端，再和光电流测定装置相 连,即可测定过氧化氢含量。
还有很多细菌能与特定底物发生反应，产生荧光， 也可以用这种方法测定底物浓度。
ppt课件
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2.生物传感器的特点
①生物组织含有丰富的酶类，这些酶在适宜的自然环境 中，可以得到相当稳定的酶活性，许多组织传感器工 作寿命比相应的酶传感器寿命长很多；
②在所需要的酶难以提纯时，直接利用生物组织可以得 到足够高的酶活性；
③组织识别元件制作简便，一般不需要采用固定化技术。
它是对物质在分子水平上进行快速和微量分析的 方法。
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1.原理
生物传感器的结构一般是在基础传感器(如电 化学装置）上再耦合一个生物敏感膜（称为感 受器或敏感元件）。生物敏感膜紧贴在探头表 面上，再用一种半渗透膜与被测溶液隔开。当 待测溶液中的成分透过半透膜有选择地附着于 敏感物质上时，形成复合体，随之进行生化和 电化学反应，产生普通电化学装置能感知的O2、 H2、NH4+、CO2等或光声等信号，并通过信号转 换元件转换为电信号。
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1)酶生物传感器
酶传感器是由酶传感器和电化学器件构成的。 由于酶是蛋白质组成的生物催化剂，能催化许 多生物化学反应。酶的催化效率极高，而且具 有高度专一性，即能对待测生物量（底物）进 行选择性催化，并且有化学放大作用。因此利 用酶的特性可以制造出高灵敏度、选择性好的 传感器。
ppt课件
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将光信号转变为电信号
例如，过氧化氢酶能催化过氧化氢/鲁米诺体系 发光，因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤 或光敏二极管的前端，再和光电流测定装置相 连,即可测定过氧化氢含量。
还有很多细菌能与特定底物发生反应，产生荧光， 也可以用这种方法测定底物浓度。
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2.生物传感器的特点
第8章-生物传感器PPT课件
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8.1 生物传感器的工作原理
生物传感器是在基础传感器上再耦合一个生物敏感膜而形成的，生物 功能膜上(或膜中)附着有生物传感器的敏感物质，被测量溶液中待测 定的物质经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别或发生生物学反 应，其所产生的信息可通过相应的化学或物理原理转变成可定量和可 显示的电信号，通过电信号的分析就可知道被测物质的成分或浓度。
➢ 多功能酶传感器、测定酶活性传感器、半导体酶传感器以及检测难 溶于水的物质的酶传感器正在研究之中。随着基因工程技术的开发，
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使酶传感器的特性会得到进一步的发展。
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葡萄糖传感器
➢葡萄糖是典型的单糖类，是一切生物的良好能源，测定血液中葡萄
糖浓度对糖尿病患者作临床检查是很重要的。葡萄糖传感器是以葡
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➢图8-6为这种免疫传感器的结构原理图。图中2、3两室间有固定化 抗原膜，而1、3两室之间没有固定化抗原膜。正常情况下，1、2室 内电极间无电位差。若3室内注入含有抗体的盐水时，由于抗体和固 定化抗原膜上的抗原相结合，使膜表面吸附了特异的抗体，而抗体是 有电荷的蛋白质，从而使抗原固定化膜带电状态发生变化，因此1、2 室内的电极间有电位差产生。
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图8-1 生物传感器工作原理示意图
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血糖－乳酸测定流程
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体育上耐力训练
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手掌型葡萄糖(glucose)分析仪
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《生物传感器》PPT课件
生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜 可用的测量量：O2的减少量，葡萄糖酸或H2O2的
产生量
信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极
一种葡萄糖传感器-Glucowatch
•Glucose pulled through the skin by charged molecules •The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) •Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxide •The reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor
灵敏。
完整版课件ppt
3
敏感元件：
酶、抗体、核酸、细胞等。
转换器：
电化学电极、光学检测元件、 场效应晶体管、压电石英晶体、 表面等离子共振。
酶 (Enzyme)
抗体(Antibody)
完整版课件ppt
DNA
4
2. 分类
根据输出信号产生的方式 生物亲和型、代谢型、催化型
根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基 因传感器等
根据信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器等
其他分类 被测对象、大小、功能
完整版课件ppt
6
3. 生物传感器的特点
➢ 高选择性。生物传感器是由选择性好的主 体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不 需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其 它试剂。
➢ 体积小、可以实现连续在位监测。
➢ 响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复 多次使用。
产生量
信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极
一种葡萄糖传感器-Glucowatch
•Glucose pulled through the skin by charged molecules •The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) •Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxide •The reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor
灵敏。
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3
敏感元件：
酶、抗体、核酸、细胞等。
转换器：
电化学电极、光学检测元件、 场效应晶体管、压电石英晶体、 表面等离子共振。
酶 (Enzyme)
抗体(Antibody)
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DNA
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2. 分类
根据输出信号产生的方式 生物亲和型、代谢型、催化型
根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基 因传感器等
根据信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器等
其他分类 被测对象、大小、功能
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3. 生物传感器的特点
➢ 高选择性。生物传感器是由选择性好的主 体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不 需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其 它试剂。
➢ 体积小、可以实现连续在位监测。
➢ 响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复 多次使用。
化学与生物传感器了解生物传感器的化学检测原理和应用
化学与生物传感器了解生物传感器的化学检测原理和应用化学与生物传感器：了解生物传感器的化学检测原理和应用一、引言生物传感器是一种可以将生物信号转换为可观测和可测量的信号的装置，它在医疗、环境监测、食品安全等领域具有广泛的应用。
生物传感器的核心是化学检测原理，本文将介绍生物传感器的化学检测原理和应用。
二、生物传感器的分类生物传感器按照检测原理和传感器结构可以分为多种类型，例如生物电传感器、光学传感器、电化学传感器等。
在这些类型中，化学检测原理在电化学传感器中被广泛应用。
三、化学检测原理化学检测原理是生物传感器中实现信号转换的关键。
电化学传感器利用电化学反应过程将生物信号转换为电信号，常用的电化学检测原理有溶液电池、电解质传感器和生物燃料电池。
1. 溶液电池溶液电池是利用溶液中的离子交换过程产生电势差的原理进行检测的。
它通过在传感器中加入特定的离子溶液，当待检测的生物信号与溶液中的离子发生反应时，就会产生离子交换，进而形成电势差。
通过测量电势差的变化，可以定量分析生物信号的含量。
2. 电解质传感器电解质传感器是利用溶液中电解质浓度与电导率成正比的原理进行检测的。
生物传感器中的电解质传感器常常使用离子选择性电极来测量溶液中特定离子的浓度变化，从而间接地反映生物信号的变化。
3. 生物燃料电池生物燃料电池是利用生物体内产生的化学能转换为电能的原理进行检测的。
它利用生物催化剂来催化生物燃料的氧化还原反应，从而产生电流。
生物燃料电池在检测生物信号时，可利用生物体内的代谢产物作为燃料，例如葡萄糖、乳酸等。
四、生物传感器的应用生物传感器具有高灵敏度、高选择性、可重复使用等优点，因此在许多领域得到了广泛的应用。
1. 医疗领域生物传感器在医疗领域中可以用于血液分析、疾病诊断和治疗监测等。
例如，血糖传感器可用于连续监测糖尿病患者的血糖水平，生物蛋白传感器可用于检测肿瘤标志物。
2. 环境监测生物传感器在环境监测中可以用于检测水质、空气质量和土壤污染等。
化学与生物传感器
生物传感器在医疗诊断 中的应用，快速、准确 地检测疾病标志物，提 高医疗效率和准确性。
化学与生物传感 器的发展趋势与 挑战
技术创新与突破
新型材料的应 用：如纳米材 料、生物相容 材料等，提高 传感器性能。
交叉学科的融合： 如化学与物理、 生物与工程等， 拓宽传感器应用
领域。
智能化与微型 化：提高传感 器的响应速度、 灵敏度和便携
质量传感器的应用：广泛应用于环 境监测、工业控制、医疗诊断等领 域。
热化学传感器的种类与原理
种类：热电阻、热电偶、 热敏电阻等
原理：基于热效应原理，通 过测量温度变化来检测化学 反应或生物反应过程中产生 的热量变化，从而实现对气 体、液体或生物样品的检测
和分析。
生物传感器的种 类与原理
酶生物传感器的种类与原理
挑战：实 现实时监 测和便携 化
挑战：降 低成本和 提高稳定 性
解决方案： 研发新型 材料和纳 米技术
解决方案： 集成化和 微型化设 计
解决方案： 加强交叉 学科合作 和人才培 养
感谢您的观看
汇报人：XX
种类：酶传感器、免疫传感器、DNA传感器等
原理：利用微生物的代谢过程或免疫反应等特性，将待测物转化为可测信号
应用领域：环境监测、生物工程、医学诊断等 优势：高灵敏度、高选择性、稳定性好等
免疫生物传感器的种类与原理
种类：酶免疫生物传感 器、荧光免疫生物传感 器、化学发光免疫生物 传感器等
原理：基于抗原抗体反 应的特异性，通过将抗 原抗体反应转化为电信 号或光信号进行检测
质量传感器的种类与原理
质量传感器的工作原理：基于质量块 受力平衡的原理，通过测量质量块位 移变化来测量质量变化，进而检测气 体浓度、压力等参数。
《电化学生物传感器》课件
在医疗诊断中的应用
血糖监测
糖尿病患者可使用电化学 生物传感器方便地监测血 糖水平，调整治疗方案。
疾病诊断
通过检测生物标志物，电 化学生物传感器有助于早 期诊断癌症、传染病等疾 病。
药物浓度监测
在药物治疗过程中，实时 监测药物浓度有助于确保 治疗效果并防止药物过量 。
在食品检测中的应用
农药残留检测
生物科学研究
在药物筛选、基因表达分析等领域发挥重要作用，促进生物科学研 究的发展。
电化学生物传感器的实验操
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作与演示
实验操作流程
实验准备
确保实验室环境干净整洁 ，避免干扰实验结果。
准备实验器材和试剂，包 括电化学工作站、电极、 电解质溶液等。
实验操作流程
实验操作步骤
1
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按照实验指导书搭建实验装置，连接电化学工作 站与电极。
生物传感器具有高灵敏度、高选择性、快速响应等特点，广泛应用于环境监测、食品安全、医疗诊断等 领域。
生物传感器的重要性
01 生物传感器在环境监测中能够快速、准确地检测 出污染物，为环境保护提供有力支持。
02 在食品安全领域，生物传感器能够检测出食品中 的有害物质，保障消费者的健康。
02 在医疗诊断中，生物传感器能够实现无创、快速 、准确的检测，提高医疗质量和效率。
3
加入电解质溶液，记录电化学信号的变化。
实验操作流程
根据实验需要，调整实验参数，如扫描速度、扫 描范围等。 在实验过程中，保持恒温，避免外界干扰。
数据采集与分析
实验操作流程
01 使用电化学工作站采集数据，记录电化学信号随
时间的变化。
02
对采集的数据进行整理、分析和处理，提取有用 的信息。
化学与生物传感器
化学与生物传感器
• 化学传感器 • 生物传感器 • 化学与生物传感器的比较 • 化学与生物传感器的未来展望
01
化学传感器
化学传感器的定义与分类
总结词
化学传感器是一种能够检测和响应化学物质的装置， 通常由敏感元件和转换元件组成。根据不同的分类标 准，化学传感器可以分为多种类型。
详细描述
化学传感器是一种能够检测和响应化学物质的装置，它 通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件负责直接与 化学物质相互作用并产生响应，而转换元件则将敏感元 件产生的响应转换为可测量的电信号或光信号。根据不 同的分类标准，化学传感器可以分为多种类型，如根据 被检测物质种类可分为气体传感器、液体传感器等；根 据工作原理可分为电化学传感器、光学传感器等；根据 使用方式可分为一次性使用传感器和长期使用传感器等 。
化学与生物传感器的差异
检测原理
化学传感器主要基于物质与传感 器表面的化学反应，而生物传感 器则依赖于生物分子间的相互作 用，如抗原-抗体反应或酶-底物
反应。
选择性
生物传感器通常具有更高的选择 性，能够更准确地识别和区分不 同的生物分子，而化学传感器在
选择性方面可能较弱。
响应时间
化学传感器通常具有较快的响应 时间，而生物传感器可能需要较 长的时间来完成生物分子间的相
质，确保生产安全。
生物传感器的原理与特点
原理
生物传感器由生物分子识别元件和信号转换器组成。生物分子识别元件与目标 物质结合后，产生物理或化学变化，信号转换器将此变化转化为电信号。
特点
高灵敏度、高选择性、低成本、易操作等。生物传感器能够快速准确地检测出 目标物质，且不易受到其他物质的干扰。同时，生物传感器制作简单，便于携 带，适合于现场快速检测。
• 化学传感器 • 生物传感器 • 化学与生物传感器的比较 • 化学与生物传感器的未来展望
01
化学传感器
化学传感器的定义与分类
总结词
化学传感器是一种能够检测和响应化学物质的装置， 通常由敏感元件和转换元件组成。根据不同的分类标 准，化学传感器可以分为多种类型。
详细描述
化学传感器是一种能够检测和响应化学物质的装置，它 通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件负责直接与 化学物质相互作用并产生响应，而转换元件则将敏感元 件产生的响应转换为可测量的电信号或光信号。根据不 同的分类标准，化学传感器可以分为多种类型，如根据 被检测物质种类可分为气体传感器、液体传感器等；根 据工作原理可分为电化学传感器、光学传感器等；根据 使用方式可分为一次性使用传感器和长期使用传感器等 。
化学与生物传感器的差异
检测原理
化学传感器主要基于物质与传感 器表面的化学反应，而生物传感 器则依赖于生物分子间的相互作 用，如抗原-抗体反应或酶-底物
反应。
选择性
生物传感器通常具有更高的选择 性，能够更准确地识别和区分不 同的生物分子，而化学传感器在
选择性方面可能较弱。
响应时间
化学传感器通常具有较快的响应 时间，而生物传感器可能需要较 长的时间来完成生物分子间的相
质，确保生产安全。
生物传感器的原理与特点
原理
生物传感器由生物分子识别元件和信号转换器组成。生物分子识别元件与目标 物质结合后，产生物理或化学变化，信号转换器将此变化转化为电信号。
特点
高灵敏度、高选择性、低成本、易操作等。生物传感器能够快速准确地检测出 目标物质，且不易受到其他物质的干扰。同时，生物传感器制作简单，便于携 带，适合于现场快速检测。
传感器技术第八章化学与生物传感器4课件
2024/7/14
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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：
VT C S lg ai
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。
二、电阻型气敏器件 1.烧结型气敏器件
以半导瓷SnO2为基体材料（其粒度在1μm以下），添 加不同杂质，采用传统制陶方法烧结。烧结时埋入加热线 和测量电极，制成管芯，最后将加热丝和测量电极焊在管 座上，加特制外壳构成器件。烧结型器件的结构如下图示。
烧结型器件的一致性较 差，机械强度也不高，但 它价格便宜，工作寿命长， 因此目前仍得到广泛应用。
2024/7/14
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由图可见，当VGS＜VT时，MOSFET的表面沟道尚未 形成，故无漏源电流；当VDS＞VT时，MOSFE才开启，此 时ISD随VGS的增加而加大。阈电压VT的定义是当VDS＝0 时，要使源和漏之间的半导体表面刚开始形成导电沟道时，
所需加的栅源电压。
电压的大小除了与衬底材料的性质有关外，还与SiO2层 中的电荷数及金属与半导体之间的功函数差有关，离子敏传 感器正是利用VT的这一特性来进行工作的。
当ISFET插入溶液时，表面由于 吸附离子而使电荷增加，从而加大 了电势差。其电荷分布大致情况如 图8-8所示，图中虚线代表由 于吸附而增加的电荷密度。
图8－8 ISFET极性界面电荷分布示意图
2024/7/14
化学和生物传感器(2)PPT讲稿
图示鼻子类似为传感器
嗅觉膜－生物识别元件
神经细胞－转换器 神经纤维－传导器
大脑－测量元件
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识别元件
对某种或某类分析物产生选择性响应。
化学量换能器 将某种可以观察到的变化转化为可测量的信号。
传导器
施加一种可计量的作用后整个装置以该部分元件 来运转系统。 电信号或光信号检测器
氟离子选择电极
结构：右图
敏感膜：(氟化镧单晶)
掺有EuF2 的LaF3单晶切片； 内参比电极：Ag-AgCl电极(管内)。
内参比溶液：0.1mol/L的NaCl和0.10.01mol/L的NaF混合溶液 （F-用来控制膜内表面的电位，Cl-用以固定内参比电极的电位）。
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电位型生物传感器－pH键联
尿酶
CO(NH2 )2 + H2O ──→ 2NH3 + CO2
葡萄糖氧化酶
葡萄糖 ; H2 O2
在发生上述反应时pH值有变化，所以pH值测定 可以用于监测此反应.
当前你正在浏览到的事第三十二页PPTT，共五十六页。
电流型传感器
LaF3的晶格中有空穴，在晶格上的F-可以 移入晶格邻近的空穴而导电。对于一定的晶体 膜，离子的大小、形状和电荷决定其是否能够 进入晶体膜内，故膜电极一般都具有较高的离 子选择性。
当氟电极插入到F-溶液中时，F-在晶体膜 表面进行交换。
当前你正在浏览到的事第十二页PPTT，共五十六页。
分子的识别－化学识别试剂
E' M
M n
E'0
S lg[M N ]
E池
E' M
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第八章化学与生物传感器详解 演示文稿
优选第八章化学与生物传感器
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
（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）。
（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。
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
E
E0
0.06
lg
Ox R
式中 E-测量电极电位，V；
E0-参考电极电位，V；
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பைடு நூலகம்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；
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。
8.1.2.1 ISFET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。
8.1.3.1气敏半导体材料的导电机理
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 :
8.1.2.2 ISFET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。
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：
V a C S lg
T
i
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。
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.
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。
[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。
8．1．2 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。
优选第八章化学与生物传感器
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
（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）。
（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。
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
E
E0
0.06
lg
Ox R
式中 E-测量电极电位，V；
E0-参考电极电位，V；
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பைடு நூலகம்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；
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。
8.1.2.1 ISFET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。
8.1.3.1气敏半导体材料的导电机理
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 :
8.1.2.2 ISFET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。
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：
V a C S lg
T
i
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。
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.
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。
[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。
8．1．2 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。