酶工程——场效应晶体管传感器.
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场效应晶体管传感器
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高凇泽 尹曼力 王仁重 姜敏 杨倩 荣辉 李浩凯 李永振 刘玉萍
场效应晶体管传感器
场效应（field effect）
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电场对半导体的影响。在电场作用下半导体中自由电子和自由空穴 的平衡遭到破坏。如MOS结构在不同的电场作用下，由于电场对半 导体内载流子的吸引或排斥作用而在半导体表面附近产生载流子的 积累或耗尽，通常把这种半导体表面电导受垂直电场调制的效应称 为场效应。
场效应晶体管传感器
酶场效应管
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场效应晶体管传感器
免疫场效应管
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免疫场效应管由ISFET和具有免疫反应的分子识别功能的敏感膜组成。 通常可以分为两类:(1)将抗体固定在膜基质上,固定化的抗体可将抗原结 合到膜表面,形成抗体-抗原复合物,引起膜的电荷密度和离子迁移的变化, 从而导致膜电位的变化,这种称为非标记免疫场效应管;(2)在抗原中加入 一定量的酶标记抗原,酶标记抗原和未标记的抗原相互竞争,都可以与膜表 面的抗体结合,形成抗体-抗原复合物,通过对标记酶量的测定而获得待测 抗原的信息,这类称为标记免疫场效应管。除了固定抗体外,也可以固定抗 原,利用同样的原理进行检测。
场效应晶体管传感器
微生物场效应管和基因(DNA)场效应管
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将具有特定功能的微生物固定到ISFET的敏感栅极上,便构成了所谓 微生物场效应管。其原理是利用微生物对某些特定物质的转化作用, 产生可被ISFET检测到的信号。基因(DNA)场效应管由IS-FET加固定 有核酸的膜组成。一般是在ISFET的敏感栅表面固定单链DNA,当其互 补的DNA链与之选择性结合后,引起敏感栅表面电荷的变化,从而产生 检测信号,这与非标记免疫场效应管的检测原理相似。这方面的研究 还刚起步,随着基因技术的发展,这类FET生物传感器的研究必将逐步深 入。
场效应晶体管传感器
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场效应晶体管（Field Effect Transistor，缩写FET)
场效应晶体管(Field-effect Transistor, FET) 简称场效应管,是利用电场效应来控制输出电 流大小的半导体器件。其理论由Lilienfeld[1] 于1930年提出,20多年后才由Shockley研制出 场效应管。 Bergveld发明了离子敏场效应晶体管 (ISFET)。ISFET是一种微电子离子选择性敏感 元件,与离子选择电极相比,ISFET具有如下优点:
场效应晶体管传感器
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场效应晶体管（Field Effect Transistor，缩写FET)
(1)输入阻抗高,输出阻抗低,兼有信号放大的功 能,可避免外界感应与次级电路干扰作用;灵敏度 高,响应快; (2)采用集成电路工艺,适于批量生产,成本低,并 具有微型化、集成化的发展潜力; (3)全固态结构,机械强度大,在化工、食品、医 药、环境监测及科学研究中有广阔的应用景; (4)易于与外电路匹配,使用方便,并可与计算机 连接,实现在线控制。
场效应晶体管传感器
组织场效应管
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将一些具有特殊生物功能或含有生物功能物质的动植物组织(器官)固 定在ISFET的敏感栅极上,便构成了所谓的组织场效应管。许多动植物的 组织中含有某些特定的酶类,利用这些组织制备的场效应管生物传感器,其 作用原理类似于酶场效应管。某些动植物的某些组织(器官)具有特殊的生 物功能,如辨别味道、识别气味等,利用它们与ISFET结合,可制备出电子舌、 电子鼻等高灵敏的检测器。德国的科学家在这方面进行了一系列的研究, 将昆虫的触角固定于ISFET的敏感栅极上制成场效应管生物传感器,用于 检测绿叶释放出来的气味物质(顺-3-己烯-1-醇),检出限低于1LL/m3。为 使触角的生物活性保持更长,可以将整只活虫固定而利用其触角。由于植 物在遭受虫害、火灾时,通常会释放出某些特定的气味物质,这类生物传感 器有望在虫害监控、森林火灾预警等方面得到应用。
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来自百度文库
用于场效应管生物传感器研究的酶很多,如葡萄糖氧化酶、脲酶、青霉 素酶、辣根过氧化物酶、丁酰胆碱酯酶、乙酰胆碱酯酶、有机磷酸酯水 解酶、青霉素G酰基转椅酶以及酪氨酸酶等。检测的物质主要是酶的相 应底物或相关作用物,其中对葡萄糖、尿素、青霉素等的测定研究较多,测 定硝酸根、甲醛、抗坏血酸、乙酰胆碱、乳酸盐、蔗糖以及对氯苯酚等 的研究也有报道。此外,利用某些毒物、重金属离子(如Hg2+、Cu2+、 Ag+、Mn2+及Ni2+等)和其它物质如氰化物、次氯酸盐等对酶活性的 抑制作用,可间接测定这些物质。而利用一些物质对酶的激活或复活作用, 也可以测定酶的激活剂及其它物质的含量。
场效应晶体管传感器
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场效应晶体管（Field Effect Transistor，缩写FET)
N沟道结型场效应三极管的结构如图1所示，它是在N型半导体 硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的 结构。两个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。
场效应晶体管传感器
酶场效应管
场效应晶体管传感器
细胞场效应管
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细胞场效应管由ISFET的敏感栅极上固定单个细胞或某些细胞体系构 成,用于固定细胞的敏感栅面最好是具有生物相容性的基体。细胞场效 应管对单个细胞或细胞体系的监测大体上可分为两类:(1)对细胞本身的 能量代谢及呼吸等引起的变化(如酸化等)进行测定;(2)对一些细胞如神经 细胞、肌肉细胞以及某些细胞网络在受到某些物质或信号刺激时产生的 电位变化进行测定。细胞场效应管在监测细胞的新陈代谢、考察某些药 物对细胞的作用等方面均具有潜在的应用价值。
场效应晶体管传感器
酶场效应管
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此外,在场效应管上可同时固定几种酶,构成多酶体系,进行某些特定物 质的测定。在实际样品测定中,葡萄糖氧化酶场效应管可用于测定血清 和尿中的葡萄糖;脲酶场效应管可用于测定血清和血液透析液中的尿素; 辣根过氧化物酶场效应管可用于饮料中维生素C的测定;而青霉素G酰基 转移酶场效应管则可用于青霉素发酵液中青霉素G的测定。
场效应晶体管传感器
酶场效应管
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酶场效应管是在ISFET的敏感栅表面固定一层含酶的物质构 成。它利用酶与底物之间高效、专一的反应进行选择性测定,是 研究最多的一种场效应管生物传感器。当待测底物与酶接触时, 反应生成新的物质,引起敏感膜附近局部的离子浓度变化,导致栅 极表面电荷变化,从而产生依赖于待测底物浓度的电信号。在酶 场效应管的研究中,除了极少数是基于其它离子敏感场效应管(如 基于NH+4-离子敏场效应管的脲酶场效应管)外,绝大多数都是 由H+-离子敏场效应管构成。
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高凇泽 尹曼力 王仁重 姜敏 杨倩 荣辉 李浩凯 李永振 刘玉萍
场效应晶体管传感器
场效应（field effect）
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电场对半导体的影响。在电场作用下半导体中自由电子和自由空穴 的平衡遭到破坏。如MOS结构在不同的电场作用下，由于电场对半 导体内载流子的吸引或排斥作用而在半导体表面附近产生载流子的 积累或耗尽，通常把这种半导体表面电导受垂直电场调制的效应称 为场效应。
场效应晶体管传感器
酶场效应管
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场效应晶体管传感器
免疫场效应管
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免疫场效应管由ISFET和具有免疫反应的分子识别功能的敏感膜组成。 通常可以分为两类:(1)将抗体固定在膜基质上,固定化的抗体可将抗原结 合到膜表面,形成抗体-抗原复合物,引起膜的电荷密度和离子迁移的变化, 从而导致膜电位的变化,这种称为非标记免疫场效应管;(2)在抗原中加入 一定量的酶标记抗原,酶标记抗原和未标记的抗原相互竞争,都可以与膜表 面的抗体结合,形成抗体-抗原复合物,通过对标记酶量的测定而获得待测 抗原的信息,这类称为标记免疫场效应管。除了固定抗体外,也可以固定抗 原,利用同样的原理进行检测。
场效应晶体管传感器
微生物场效应管和基因(DNA)场效应管
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将具有特定功能的微生物固定到ISFET的敏感栅极上,便构成了所谓 微生物场效应管。其原理是利用微生物对某些特定物质的转化作用, 产生可被ISFET检测到的信号。基因(DNA)场效应管由IS-FET加固定 有核酸的膜组成。一般是在ISFET的敏感栅表面固定单链DNA,当其互 补的DNA链与之选择性结合后,引起敏感栅表面电荷的变化,从而产生 检测信号,这与非标记免疫场效应管的检测原理相似。这方面的研究 还刚起步,随着基因技术的发展,这类FET生物传感器的研究必将逐步深 入。
场效应晶体管传感器
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场效应晶体管（Field Effect Transistor，缩写FET)
场效应晶体管(Field-effect Transistor, FET) 简称场效应管,是利用电场效应来控制输出电 流大小的半导体器件。其理论由Lilienfeld[1] 于1930年提出,20多年后才由Shockley研制出 场效应管。 Bergveld发明了离子敏场效应晶体管 (ISFET)。ISFET是一种微电子离子选择性敏感 元件,与离子选择电极相比,ISFET具有如下优点:
场效应晶体管传感器
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场效应晶体管（Field Effect Transistor，缩写FET)
(1)输入阻抗高,输出阻抗低,兼有信号放大的功 能,可避免外界感应与次级电路干扰作用;灵敏度 高,响应快; (2)采用集成电路工艺,适于批量生产,成本低,并 具有微型化、集成化的发展潜力; (3)全固态结构,机械强度大,在化工、食品、医 药、环境监测及科学研究中有广阔的应用景; (4)易于与外电路匹配,使用方便,并可与计算机 连接,实现在线控制。
场效应晶体管传感器
组织场效应管
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将一些具有特殊生物功能或含有生物功能物质的动植物组织(器官)固 定在ISFET的敏感栅极上,便构成了所谓的组织场效应管。许多动植物的 组织中含有某些特定的酶类,利用这些组织制备的场效应管生物传感器,其 作用原理类似于酶场效应管。某些动植物的某些组织(器官)具有特殊的生 物功能,如辨别味道、识别气味等,利用它们与ISFET结合,可制备出电子舌、 电子鼻等高灵敏的检测器。德国的科学家在这方面进行了一系列的研究, 将昆虫的触角固定于ISFET的敏感栅极上制成场效应管生物传感器,用于 检测绿叶释放出来的气味物质(顺-3-己烯-1-醇),检出限低于1LL/m3。为 使触角的生物活性保持更长,可以将整只活虫固定而利用其触角。由于植 物在遭受虫害、火灾时,通常会释放出某些特定的气味物质,这类生物传感 器有望在虫害监控、森林火灾预警等方面得到应用。
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来自百度文库
用于场效应管生物传感器研究的酶很多,如葡萄糖氧化酶、脲酶、青霉 素酶、辣根过氧化物酶、丁酰胆碱酯酶、乙酰胆碱酯酶、有机磷酸酯水 解酶、青霉素G酰基转椅酶以及酪氨酸酶等。检测的物质主要是酶的相 应底物或相关作用物,其中对葡萄糖、尿素、青霉素等的测定研究较多,测 定硝酸根、甲醛、抗坏血酸、乙酰胆碱、乳酸盐、蔗糖以及对氯苯酚等 的研究也有报道。此外,利用某些毒物、重金属离子(如Hg2+、Cu2+、 Ag+、Mn2+及Ni2+等)和其它物质如氰化物、次氯酸盐等对酶活性的 抑制作用,可间接测定这些物质。而利用一些物质对酶的激活或复活作用, 也可以测定酶的激活剂及其它物质的含量。
场效应晶体管传感器
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场效应晶体管（Field Effect Transistor，缩写FET)
N沟道结型场效应三极管的结构如图1所示，它是在N型半导体 硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的 结构。两个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。
场效应晶体管传感器
酶场效应管
场效应晶体管传感器
细胞场效应管
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细胞场效应管由ISFET的敏感栅极上固定单个细胞或某些细胞体系构 成,用于固定细胞的敏感栅面最好是具有生物相容性的基体。细胞场效 应管对单个细胞或细胞体系的监测大体上可分为两类:(1)对细胞本身的 能量代谢及呼吸等引起的变化(如酸化等)进行测定;(2)对一些细胞如神经 细胞、肌肉细胞以及某些细胞网络在受到某些物质或信号刺激时产生的 电位变化进行测定。细胞场效应管在监测细胞的新陈代谢、考察某些药 物对细胞的作用等方面均具有潜在的应用价值。
场效应晶体管传感器
酶场效应管
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此外,在场效应管上可同时固定几种酶,构成多酶体系,进行某些特定物 质的测定。在实际样品测定中,葡萄糖氧化酶场效应管可用于测定血清 和尿中的葡萄糖;脲酶场效应管可用于测定血清和血液透析液中的尿素; 辣根过氧化物酶场效应管可用于饮料中维生素C的测定;而青霉素G酰基 转移酶场效应管则可用于青霉素发酵液中青霉素G的测定。
场效应晶体管传感器
酶场效应管
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酶场效应管是在ISFET的敏感栅表面固定一层含酶的物质构 成。它利用酶与底物之间高效、专一的反应进行选择性测定,是 研究最多的一种场效应管生物传感器。当待测底物与酶接触时, 反应生成新的物质,引起敏感膜附近局部的离子浓度变化,导致栅 极表面电荷变化,从而产生依赖于待测底物浓度的电信号。在酶 场效应管的研究中,除了极少数是基于其它离子敏感场效应管(如 基于NH+4-离子敏场效应管的脲酶场效应管)外,绝大多数都是 由H+-离子敏场效应管构成。