化学与生物传感器优秀课件
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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。
3
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。
电化学生物传感器PPT课件
• 酶电极电化学电极顶端紧贴一层酶膜
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酶的固定化技术
惰性载体物理吸附法
离子载体交换法
物理T包e埋xt法
酶分子通过极性 键、氢键、疏水力 或π电子相互作用 等吸附于不溶性载 体上。
选用具有离子交
换剂的载体，在适 宜的pH下，使酶分 子与离子交换剂通 过离子键结合起来， 形成固定化酶。
将酶分子包埋 在凝胶的细微格 子里制成固定化。
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二.电化学生物传感器的信号转换器
电 电化学参比电极 极
电位型电极
➢离子选择电 极
➢氧化还原电 极
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电. 流型电极
➢氧电极
1、电位型电极
离子选择电极 离子选择电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈选择性响应的电极，具有快速、 灵敏、可靠、价廉等优点。在生物医学领域常直接用它测定体液中的一些成分 （例如H+，K+，Na+，Ca2+等）。
目前生物传感器主要还处在实验室研究阶段，仍需要较长的一段时间才能实现产 业化。比如，大多数电化学酶传感器只是对单一组分中的污染物具有响应，而传感器 应用于监测实际样品中污染物仍有许多亟待解决的实际问题。
生物传感器是一项崭新的技术手段，它在发展中难免会遇到各种问题，但是它 的应用前景和自身优势毋庸置疑。可以预见，未来的电化学生物传感器将实现功能多 样化、微型化、智能化、集成化等特点。相信随着大量资金的涌入和多学科的融入， 这些问题都将迎刃而解。
1
2
Hale Waihona Puke 优点：酶活与性酶较电极酶相的比稳定
离析酶高 性增大
3
材料易于 获得
第17页/共21页
应用
细胞传感器可用于诊断早期癌症，用人类脐静脉内皮细胞通过三乙酸纤维素膜 固定在离子选择性电极上作为传感器，肿瘤细胞中VEGF刺激细胞使电极电位发生变 化从而测得VEGF浓度来诊断癌症。
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酶的固定化技术
惰性载体物理吸附法
离子载体交换法
物理T包e埋xt法
酶分子通过极性 键、氢键、疏水力 或π电子相互作用 等吸附于不溶性载 体上。
选用具有离子交
换剂的载体，在适 宜的pH下，使酶分 子与离子交换剂通 过离子键结合起来， 形成固定化酶。
将酶分子包埋 在凝胶的细微格 子里制成固定化。
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二.电化学生物传感器的信号转换器
电 电化学参比电极 极
电位型电极
➢离子选择电 极
➢氧化还原电 极
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电. 流型电极
➢氧电极
1、电位型电极
离子选择电极 离子选择电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈选择性响应的电极，具有快速、 灵敏、可靠、价廉等优点。在生物医学领域常直接用它测定体液中的一些成分 （例如H+，K+，Na+，Ca2+等）。
目前生物传感器主要还处在实验室研究阶段，仍需要较长的一段时间才能实现产 业化。比如，大多数电化学酶传感器只是对单一组分中的污染物具有响应，而传感器 应用于监测实际样品中污染物仍有许多亟待解决的实际问题。
生物传感器是一项崭新的技术手段，它在发展中难免会遇到各种问题，但是它 的应用前景和自身优势毋庸置疑。可以预见，未来的电化学生物传感器将实现功能多 样化、微型化、智能化、集成化等特点。相信随着大量资金的涌入和多学科的融入， 这些问题都将迎刃而解。
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Hale Waihona Puke 优点：酶活与性酶较电极酶相的比稳定
离析酶高 性增大
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材料易于 获得
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应用
细胞传感器可用于诊断早期癌症，用人类脐静脉内皮细胞通过三乙酸纤维素膜 固定在离子选择性电极上作为传感器，肿瘤细胞中VEGF刺激细胞使电极电位发生变 化从而测得VEGF浓度来诊断癌症。
《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
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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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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。
生物传感器物联网PPT课件
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生物传感器的市场化 1975年，Yellow Springs 仪器公司首次成功地将葡萄糖
酶电极市场化。自此以后，生物传感技术的新进展不断的走向 市场化应用。1976年，Miles公司将酶电极用于人造胰脏中的 血糖监控。最近，VIA医疗公司又研制成功了半连续导管型血 糖测定仪。1990年，BIAcore公司将表面等离子共振（surface plasmon resonance，SRP）技术市场化。
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生物传感器与传统的分析方法相比，具有 如下的优点：
1）.生物传感器是由选择性好的生物材料构成的分子识别元件， 因此一般不需要样品的预处理，样品中的检测组分的分离和 检测同时完成，且测定时一般不需加入其它试剂；
2）.由于它的体积小，可以实现连续在线监测；
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3）.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；
固定化寡链核苷酸
生物组织切片
基因传感器
组织传感器
生物传感器按生物分子识别元件敏感物质分类
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生物传感器的传感原理
分子识别 生物功能性膜
化学物质 热 光 质量
介电性质
电极、半导体等
热敏电阻
电
光纤、光度计 信
压电晶体等
号
表面等离子共振
信号转换器
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生物传感器的应用
1、在环境监测中的应用 环境监测对于环境保护很重要。
感谢您的观看！
第19页/共19页
第10页/共19页
传统方法测BOD需5天，且操作复杂。BOD的微生物传感器，只需15min即能测出结果。国内外已研制 出许多不同的微生物BOD传感器以及其他用于水污染监测的微生物传感器，如基于重金属离子对微生物新 陈代谢的抑制来检测重金属离子污染物。
生物传感器的市场化 1975年，Yellow Springs 仪器公司首次成功地将葡萄糖
酶电极市场化。自此以后，生物传感技术的新进展不断的走向 市场化应用。1976年，Miles公司将酶电极用于人造胰脏中的 血糖监控。最近，VIA医疗公司又研制成功了半连续导管型血 糖测定仪。1990年，BIAcore公司将表面等离子共振（surface plasmon resonance，SRP）技术市场化。
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生物传感器与传统的分析方法相比，具有 如下的优点：
1）.生物传感器是由选择性好的生物材料构成的分子识别元件， 因此一般不需要样品的预处理，样品中的检测组分的分离和 检测同时完成，且测定时一般不需加入其它试剂；
2）.由于它的体积小，可以实现连续在线监测；
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3）.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；
固定化寡链核苷酸
生物组织切片
基因传感器
组织传感器
生物传感器按生物分子识别元件敏感物质分类
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生物传感器的传感原理
分子识别 生物功能性膜
化学物质 热 光 质量
介电性质
电极、半导体等
热敏电阻
电
光纤、光度计 信
压电晶体等
号
表面等离子共振
信号转换器
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生物传感器的应用
1、在环境监测中的应用 环境监测对于环境保护很重要。
感谢您的观看！
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传统方法测BOD需5天，且操作复杂。BOD的微生物传感器，只需15min即能测出结果。国内外已研制 出许多不同的微生物BOD传感器以及其他用于水污染监测的微生物传感器，如基于重金属离子对微生物新 陈代谢的抑制来检测重金属离子污染物。
《生物传感器》课件
2
研究热点和挑战
纳米技术、生物信息学和人工智能等领域的发展，将会推动生物传感器的研究和 创新。
3
广阔前景
生物传感器在医疗保健、环境保护、食品安全等方面的应用前景广阔，将为人类 健康和生活质量带来积极影响。
总结和展望
优势与比较
生物传感器相较于其他类型传感器的优势，为其在各个领域的广泛应用提供了巨大潜力。
生物传感器的工作原理和分类决定了其在不同领域中的应用方式和效果。
构成和组成元素
了解生物传感器的构成和组成元素对于实现更高的灵敏度和选择性至关重要。
主要技术
生物传感器中的主要技术，如纳米材料和生物分子探测技术，环境监测
生物传感器在水质、空气污染等环境监测中的应用，有助于实时监测和保护我们 的生态环境。
《生物传感器》PPT课件
生物传感器是一种用于检测、测量和监测生物过程的先进技术。了解生物传 感器的概念、原理和应用将对我们的日常生活和科学研究产生重要影响。
引言
生物传感器的概念和应用以及生物传感器的种类和分类。了解生物传感器的基础知识是深入研究其原理和应用 的关键。
生物传感器的原理和构成
工作原理
2
医学检测
通过生物传感器，可以实现早期疾病诊断、药物监测等医学检测的快速和准确。
3
食品安全
生物传感器在食品安全领域的应用，能够检测有害物质和食品质量，保障消费者 的健康。
生物传感器的发展趋势
1
未来发展方向
生物传感器将越来越普遍应用于生命科学研究、医疗诊断、环境监测等领域，为 人类带来更多的机会和挑战。
发展现状和前途
了解生物传感器的发展现状，并为未来的研究和应用提供展望。
研究与发展
进一步深入研究和开发生物传感器，将推动其在科学研究和工程应用中的创新和突破。
《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
05
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
2
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。
第四章 化学与生物传感器 ppt课件
ppt课件
7
4.2 化学传感器的定义
IUPAC的定义：化学传感器是一种将化学信息(例 如化学组成与浓度)转换为有用分析信号的装置。
转换过程可以是电化学的、光学的、热的和质 量型的。
在此我们主要讨论电化学型和光学型化学传感 器。
ppt课件
8
化学信息可能源于涉及到被分析物的化学反应或 体系的一种物理性质。化学信息可能是定量的， 例如，样品特定组分(可能是原子、分子、离子或 生物分子)的浓度、活度或分压等；所涉及的样品 可以是固态、液态或气态。当然，化学信息也可能 是定性的，例如，某种化合物是否存在？或存在时 是否超过一定的量值。例如，烟道报警器。
原时所产生电流。
(3) 电导型传感器：测量由被分析物所引起的电导的 变化。
(4) 电容型传感器：测量由被分析物所引起的电容的 变化。
ppt课件
14
B. 光学转换器：将由被分析物所引起的光学现象 转换为电信号。光导纤维广泛地应用于这方面，基
于光导纤维所发展的传感器又称为光极(optode)。 (1) 吸收型传感器： (2) 反射型传感器： (3) 发光型传感器： (4) 光散射传感器：
2. 在毛细管区带电泳分离苯胺、甲苯和苯甲酸，缓冲液的pH 为7，请判断出峰顺序。
3. 对于人尿样中重金属Pb2+的分析，试根据你所学的知识，设 计从采样到数据报告的全分析过程。
4. 举出你在日常生活中见到的化学或生物传感器。
James W. Jorgenson and Krynn DeArman Lukacs, Anal.Chem., 1981, 53, 1298-1302
4
化学传感器是一门由材料科学、超分子化学(分子识别 )、光电子学、微电子学和信号处理技术等多种学科相 互渗透成长起来的高新技术。具有选择性好、灵敏度 高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在 线连续监测的特点；可以高度自动化、微型化与集成 化，减少了对使用者环境和技术的要求，适合野外现 场分析的需求，在生物、医学、环境监测、食品、医 药及国家安全等利用有着重要的应用价值！
化学与生物传感III
根据施加电压的方式不同可分为：
线性扫描伏安法（LSV） 循环伏安法（CV） 计时安培（电流）测量法
3.1.2 电流型传感器
线性扫描伏安法（LSV）
将线性电位扫描（电位与时间为线性关系）施加于电 解池的工作电极和辅助电极之间的一种伏安法技术。
Ox + ne- R
图3.9 线性扫描伏安图。
1969年，应用于甲状腺机能亢进、先天性神经纤维瘤血清样品中离子化钙的监测。
3.1.2 电流型传感器
伏安法
以待测物质溶液、工作电极、参比电极构成一个电解 池，通过测定电解过程中电压-电流参量的变化来进行 定量、定性分析的电化学分析方法称为伏安法。
图3.7 两电极方式
图3.8 三电极方式
3.1.2 电流型传感器 伏安法
光纤传感器 荧光传感器 光声传感器 化学发光传感器 表面等离子共振传感器
石英晶体微天平传感器 声表面波传感器 悬臂梁传感器
第三章 电化学传感器
3.1 电化学传感器
3.1.1 电位型传感器 3.1.2 电流型传感器 3.1.3 电导测定型传感器
3.2 电化学生物传感器
3.1 电化学传感器 基础知识 电化学电池：它是由一对电极、电解质和外电路三部分组成。
1.1 定义及其工作原理
传感器（Sensor）： 能感受规定的被测量并按照一定的规律 转换成可用输出信号的器件和装置。
待分析物
识
别 元
物理、化学或生物
件 参数变化
换 能 可测电信号 器
图1.2 传感器工作原理示意图。
1.2 分类
按换能器种类 电化学传感器
光学传感器
质量传感器 热传感器
电流型传感器 电位型传感器 电导型传感器 场效应传感器
线性扫描伏安法（LSV） 循环伏安法（CV） 计时安培（电流）测量法
3.1.2 电流型传感器
线性扫描伏安法（LSV）
将线性电位扫描（电位与时间为线性关系）施加于电 解池的工作电极和辅助电极之间的一种伏安法技术。
Ox + ne- R
图3.9 线性扫描伏安图。
1969年，应用于甲状腺机能亢进、先天性神经纤维瘤血清样品中离子化钙的监测。
3.1.2 电流型传感器
伏安法
以待测物质溶液、工作电极、参比电极构成一个电解 池，通过测定电解过程中电压-电流参量的变化来进行 定量、定性分析的电化学分析方法称为伏安法。
图3.7 两电极方式
图3.8 三电极方式
3.1.2 电流型传感器 伏安法
光纤传感器 荧光传感器 光声传感器 化学发光传感器 表面等离子共振传感器
石英晶体微天平传感器 声表面波传感器 悬臂梁传感器
第三章 电化学传感器
3.1 电化学传感器
3.1.1 电位型传感器 3.1.2 电流型传感器 3.1.3 电导测定型传感器
3.2 电化学生物传感器
3.1 电化学传感器 基础知识 电化学电池：它是由一对电极、电解质和外电路三部分组成。
1.1 定义及其工作原理
传感器（Sensor）： 能感受规定的被测量并按照一定的规律 转换成可用输出信号的器件和装置。
待分析物
识
别 元
物理、化学或生物
件 参数变化
换 能 可测电信号 器
图1.2 传感器工作原理示意图。
1.2 分类
按换能器种类 电化学传感器
光学传感器
质量传感器 热传感器
电流型传感器 电位型传感器 电导型传感器 场效应传感器
第11章 化学与生物传感器
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第11章 化学与生物传感器
α、C和a的数值与检测元件的材料、形状、 结构、表面处理方法等因素有关。Q是由可燃性
气体的种类所决定的。因而，在一定条件下， 均为确定的常数。根据(11-1-3)式和(11-1-4) 式可以得到 USC=kmb (b= αaQ/C) （11-1-5）
即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓 度m成比例。如果在A、B两点间连接一只电流计 或者电压计，就可以测得A、B间的电位差E，并 由此求得空气中可燃性气体的浓度。若与相应 的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到 一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性 曲线如图11-1-2所示。
19
第11章 化学与生物传感器
②气体分离度α (11-1-7) RC2 式中 ——气敏元件在浓度为C1的被测气体中的阻值； R C1 ——气敏元件在浓度为 C2的被测气体中的阻值。 C>C 2 通常，R C1 2。
RC1
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第11章 化学与生物传感器
(3)输出电压比灵敏度KV 式中
(11-1-8) Va—气敏元件在洁净空气中工作时，负载电 阻上的电压输出； Vg—气敏元件在规定浓度被测气体中工作时， 负载电阻上的电压输出。
7
第11章 化学与生物传感器
如果A、B两点之间的电位差是E， 桥式电路BD臂上的电阻为R1，BC臂上 的电阻为R2，检测元件F1的电阻为RF ， 1 补偿元件F2的电阻为RF 。由于接触燃烧 2 作用，检测元件的电阻变化为ΔRF 、 1 ΔRF 与RF 、RF 、R1、R2相比非常小， 2 1 2 所以，A、B点间的电位差USC可以由下 式求得 USC= E0 [(RF + ΔRF) / (RF +RF + ΔRF)- R1 1 1 2 /(R1+R2)] (11-1-1)
化学与生物传感器公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件
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8.1.3 气敏传感器
早在20世纪30年代就已发觉氧化亚铜导电率随水 蒸气吸附而发生改变，其后又发觉其它许多金属氧化 物也都含有气敏效应。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含有半导体特性材料，因此 称之谓半导体陶瓷（简称半导瓷）。由于半导瓷与半 导体单晶相比，含有工艺简朴、制作以便、价格低廉 等长处，因此已用它制作了各种含有实用价值敏感元 件，比如各种电阻型气敏器件，其敏感材料多是SnO2。 另外，由于把对氢敏感性，当前已发展了其它非电阻 型气敏器件，比如把栅MOSFET等。本节主要讨论用 SnO2制作三种电阻型气敏器件，适当简介其它气敏器 件。
第21页
8.1.2.2 ISFET特点和应用
• 二、ISFET应用 •
ISFET可以用来测量离子敏感电极（ISE）所不能测 量生物体中微小区域和微量离子，因此，它在生 物医学领域中具有很强生命力。此外，在环境保 护、化工自控、矿山、 土壤水文以及家庭生活等各个方面都有其应用， 有关这方面例子简朴介绍如下： • （1） 对生物体液中无机离子检测 临床医学和生理学主要检验对象是人或动物体液 ，其中包含血液、脑髓液、脊髓液、汗液和尿液 等。体液中某种无机离子微量变化都与身体某个 第22页
第16页
8.1.2.1 ISFET结构与工作原理
表面离解MO－基团和电解质溶液中一侧水合阳离子 之间形成双电层。MO一基团电荷密度随溶液中H ＋离子浓度而改变，H＋浓度越大，则界面电势改 变也越大。其电荷分布大体情况如图8-7所表示， 它阐明了溶液中H＋离子浓度将对界面电势产生影 响，从而改变阈电压VT值。
图8－6 敏感膜涂覆在MOSFET 栅极上ISFET示意图
8.1.3 气敏传感器
早在20世纪30年代就已发觉氧化亚铜导电率随水 蒸气吸附而发生改变，其后又发觉其它许多金属氧化 物也都含有气敏效应。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含有半导体特性材料，因此 称之谓半导体陶瓷（简称半导瓷）。由于半导瓷与半 导体单晶相比，含有工艺简朴、制作以便、价格低廉 等长处，因此已用它制作了各种含有实用价值敏感元 件，比如各种电阻型气敏器件，其敏感材料多是SnO2。 另外，由于把对氢敏感性，当前已发展了其它非电阻 型气敏器件，比如把栅MOSFET等。本节主要讨论用 SnO2制作三种电阻型气敏器件，适当简介其它气敏器 件。
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8.1.2.2 ISFET特点和应用
• 二、ISFET应用 •
ISFET可以用来测量离子敏感电极（ISE）所不能测 量生物体中微小区域和微量离子，因此，它在生 物医学领域中具有很强生命力。此外，在环境保 护、化工自控、矿山、 土壤水文以及家庭生活等各个方面都有其应用， 有关这方面例子简朴介绍如下： • （1） 对生物体液中无机离子检测 临床医学和生理学主要检验对象是人或动物体液 ，其中包含血液、脑髓液、脊髓液、汗液和尿液 等。体液中某种无机离子微量变化都与身体某个 第22页
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8.1.2.1 ISFET结构与工作原理
表面离解MO－基团和电解质溶液中一侧水合阳离子 之间形成双电层。MO一基团电荷密度随溶液中H ＋离子浓度而改变，H＋浓度越大，则界面电势改 变也越大。其电荷分布大体情况如图8-7所表示， 它阐明了溶液中H＋离子浓度将对界面电势产生影 响，从而改变阈电压VT值。
图8－6 敏感膜涂覆在MOSFET 栅极上ISFET示意图
生物探头生物化学课程ppt
三、生物传感器分类
○酶传感器（enzymesensor） ○微生物传感器（microbialsensor）
○细胞传感器（organallsensor）
○组织传感器（tis-suesensor） ○免疫传感器（immunolsensor）
三、环境相关传感器介绍
1、BOD传感器 BOD生物传感器
可在10~15分钟检测
出BOD的含量,可对
水质状况实行在想 检测，具有广阔的
应用前景。用于制作BOD生物传感器的微生物
主要有酵母、假单胞杆菌、芽孢杆菌、发光菌和
嗜热菌等。
三、环境相关传感器介绍
2、氨、氮氧化物传感器 原理与BOD传感器类似，利用硝化细菌作 基质和氧电极组成的生物传感器对废水中的氨
氮进行检测，硝化菌以氨作为唯一能源消耗氧， 通过检测附着在氧电极上的固化微生物的呼吸 量可测定氨氮浓度。
一什么是生物探头生物活性材料经分子识别发生生物学反产生生物化学信息转换成可识别信号生物探头二生物传感器历史1962年clark等人提出把酶与电极结合来测定酶底物的设想1967年updike和hicks研制出第一支氧化酶电极第一代酶生物传感器是以氧为中继体的电催化功能多样化微型化智能化和集成化三生物传感器分类酶传感器enzymesensor微生物传感器microbialsensor细胞传感器organallsensor组织传感器tissuesensor免疫传感器immunolsensor三环境相关传感器介绍1bod传感器bod生物传感器可在1015分钟检测出bod的含量可对水质状况实行在想检测具有广阔的应用前景
三、环境相关传感器介绍
• 3、细菌数传感器 用菌悬液抽 滤制成细菌阻留 膜，立即把此膜 附着在无菌罩中 的修饰电极上， 用滤膜定位装置 将电极及起滤膜固定于弹性电解池底部， 记录伏安扫描曲线，计算细菌总数。
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[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
化学与生物传感器优秀课件
8.1 化学传感器
8．1．1 电位型电化学传感器原理 8．1．2 离子敏感器件 8．1．2．1 ISFET的结构与工作原理 8．1．2．2 ISFET的特点和应用 8．1．3 气敏传感器 8．1．3．1气敏半导体材料的导电机理 8．1．3．2 电阻型气敏器件 8．1．3．3 非电阻型气敏器件
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。
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.
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
ISபைடு நூலகம்ET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。
（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。
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
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。
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 CSlg
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。
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
EE00.06lgO Rx
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化学传感器。
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；
[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
化学与生物传感器优秀课件
8.1 化学传感器
8．1．1 电位型电化学传感器原理 8．1．2 离子敏感器件 8．1．2．1 ISFET的结构与工作原理 8．1．2．2 ISFET的特点和应用 8．1．3 气敏传感器 8．1．3．1气敏半导体材料的导电机理 8．1．3．2 电阻型气敏器件 8．1．3．3 非电阻型气敏器件
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。
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.
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
ISபைடு நூலகம்ET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。
（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。
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
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。
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 CSlg
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。
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
EE00.06lgO Rx
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化学传感器。
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；