酶工程——场效应晶体管传感器.
酶传感器_百替生物
传感器种类繁多，应用广阔。按检测对象（被测量）划分，基本上可分为物理传感器和化学传感 器两大类。物理传感器是检测热、光、磁、力等物理量的传感器，它们开发较早，也比较成熟，早已 有商品供应。化学传感器则是能检测化学量的传感器。第一个化学传感器就是由 Gremer 在 20 世纪初 首先研制的 pH 玻璃电极。事实上高等动物的感觉器官就是一套完美的传感系统，通过眼、耳、皮肤 来感知外界的光、声、温度等物理信息，由鼻、舌感知气味和味道等化学信息。生物传感器（biosenors） 是一类特殊的化学传感器，这类传感器的诞生以第一个酶电极——葡萄糖电极的出现为标志，它是由 Updike 和 Hicks 根据 Clark 等 1962 年最先提出的酶电极的设想，于 1967 年制造出的；经过几十年的 发展，已形成独立的门类，而且仍在不断飞速发展，以至于有些学者把生物传感器与物理和化学传感 器并列起来，看作是传感器的第三个类别。
第一节 概 述
传感器（sensor/transducer）是一种信息获取与处理的装置。在新韦氏大词典中的定义为：“从一个 系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。由此可知，传感器的作用是将一 种能量转换成另一种能量形式，所以又有“换能器”的别称。我国国家标准（GB7665-87）对传感器 的定义为：是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或装置，它通常由敏 感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指能直接感测或响应被测量的部件，转换ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ件是指传感器 中能将敏感元件感测或响应的被测量转换成可用的输出信号（通常是电信号）的部件。
场效应晶体管传感器的研究与应用
场效应晶体管传感器的研究与应用杨佳;张煜杨;刘陈;李佳欣;肖忠良;李丹;张玲;曹忠【摘要】基于场效应晶体管的化学/生物传感器是近年来蓬勃发展的一种新型传感技术,具有输入阻抗高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、无二次击穿问题、安全工作区域宽等优点.该文介绍了场效应晶体管的基本结构、工作原理、性能参数以及分类,探讨了近几年场效应晶体管化学/生物传感器的研究与应用.【期刊名称】《化学传感器》【年(卷),期】2018(038)002【总页数】11页(P1-11)【关键词】场效应晶体管;分析方法;化学/生物传感器;评述【作者】杨佳;张煜杨;刘陈;李佳欣;肖忠良;李丹;张玲;曹忠【作者单位】长沙理工大学化学与生物工程学院,电力与交通材料保护湖南省重点实验室,微纳生物传感与食品安全检测协同创新中心,湖南长沙 410114;长沙理工大学化学与生物工程学院,电力与交通材料保护湖南省重点实验室,微纳生物传感与食品安全检测协同创新中心,湖南长沙 410114;长沙理工大学化学与生物工程学院,电力与交通材料保护湖南省重点实验室,微纳生物传感与食品安全检测协同创新中心,湖南长沙 410114;长沙理工大学化学与生物工程学院,电力与交通材料保护湖南省重点实验室,微纳生物传感与食品安全检测协同创新中心,湖南长沙 410114;长沙理工大学化学与生物工程学院,电力与交通材料保护湖南省重点实验室,微纳生物传感与食品安全检测协同创新中心,湖南长沙 410114;长沙理工大学化学与生物工程学院,电力与交通材料保护湖南省重点实验室,微纳生物传感与食品安全检测协同创新中心,湖南长沙 410114;长沙理工大学化学与生物工程学院,电力与交通材料保护湖南省重点实验室,微纳生物传感与食品安全检测协同创新中心,湖南长沙 410114;长沙理工大学化学与生物工程学院,电力与交通材料保护湖南省重点实验室,微纳生物传感与食品安全检测协同创新中心,湖南长沙 410114【正文语种】中文0 引言场效应晶体管（FET）简称场效应管，它是一种利用电场效应来控制输出电流大小的半导体器件［1］。
酶工程名词解释
名词解释：酶（enzyme)是生物体活细胞产生的、具有催化反应功能的蛋白质。
酶工程：是一项利用酶、含酶细胞器或细胞（微生物、植物、动物）作为生物催化剂来完成重要化学反应，并将相应底物转化成有用物质的应用型生物高新技术。
酶活力：是指酶催化一定化学反应的能力，其大小可用在一定条件下酶催化某一化学反应的反应速度来表示。
（单位时间底物减少或产物增加）一个酶单位（active unit, U，I.U）为在确定的最适反应条件下，每分钟催化1 mol(微摩尔）底物变化所需要的酶量。
（国际酶委员会规定）同工酶：同工酶（isozyme，isoenzyme）广义是指生物体内催化相同反应而分子结构不同的酶。
按照国际生化联合会（IUB）所属生化命名委员会的建议，则只把其中因编码基因不同而产生的多种分子结构的酶称为同工酶。
异构酶：异构酶亦称异构化酶,是催化生成异构体反应的酶之总称，催化一种同分异构体转变为另一种同分异构体的酶米氏方程米氏常数Km反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度酶的定位突变（site-directed mutagenesis）是根据酶的结构、功能和作用机制的信息，在基因水平上精确改变酶分子中的氨基酸残基，对酶的性质和其催化特性进行改造，产生符合特定需要的酶。
人为地创造特殊的进化条件，模拟自然进化机制，在体外对基因进行随机突变，从一个或多个已经存在的亲本酶（天然的或者人为获得的）出发，经过基因的突变和重组，构建一个人工突变酶库，通过一定的筛选或选择方法最终获得预先期望的具有某些特性的进化酶的分子进化技术称为体外定向进化。
定向进化＝随机突变＋选择融合酶：主要指将两个或多个酶分子组合在一起的融合蛋白氧化还原酶 Oxidoreductase转移酶 Transferase水解酶 hydrolase 裂合酶 Lyase异构酶Isomerase合成酶 Ligase or Synthetase在特定条件下（温度可采用25℃或其它选用的温度，pH等条件均采用最适条件），每1 min 催化1 μmol 的底物转化为产物的酶量定义为1 个酶活力单位。
酶工程
一、名词解释1.标志酶：通常可以将只分布于细胞内某个特定组分的酶称为标志酶，可以将它作为细胞组分鉴别的依据，甚至可以判别组织或器官是否发生病变。
2.寡聚酶：由两个或两个以上的亚基组成的酶，分子量一般高于30kDa，具有四级结构。
构成寡聚酶的亚基可以相同，也可以不同，亚基之间一般以非共价键排列。
3.多酶复合体：多酶复合体由两个或两个以上的酶靠非共价键连接而成4.液体深层发酵：也称浸没式培养，它利用液体培养基，在发酵罐内进行的一种搅拌通气培养方式，发酵过程需要一定的设备和技术条件，动力消耗也较大，但是原料的利用率和酶的产量都较高，培养条件容易控制。
5.共价催化：又称亲核或亲电子催化，在催化时，亲核催化剂或亲电子催化剂分别放出电子或吸取电子并作用于底物的缺电子中心或负电子中心，迅速形成不稳定的共价配合物，降低反应的活化能，以达到加速反应的目的。
6.固定化酶：指在一定空间内呈闭锁状态存在的酶，能连续地进行反应，反应后的酶可以回收重复使用。
7.酶反应器：通常将用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。
合适的酶反应器可以使酶得到合理的应用，并能提高产品的质量和降低成本。
8.酶分子修饰：通过各种方法可使酶分子结构发生某些改变，从而改变酶的某些特性和功能的技术过程称为酶分子修饰。
9.活性酯法：它主要由白蛋白琥珀酰化、活性脂形成和修饰等三个反应组成。
10.亲和标记：对酶的活性部位、受体的结合位点进行特异标记的方法。
11. 酶分子定向进化：是从一个或多个已经存在的亲本酶出发经过基因的突变和重组，构建一个人工突变酶库，通过筛选最终获得预先期望的具体某些特征的进化酶。
12易错PCR：是在采用Taq酶进行PCR扩增目的基因时，通过调整反应条件，改变Taq酶的突变频率，从而向目的基因中以一定的频率随机引入突变，构建突变库，然后选择或筛选需要的突变体。
13脱氧核酶：脱氧核酶都是单链DNA分子通过自身卷曲、折叠形成的三维结构，在某些特殊的辅助因子的作用下与底物结合并发挥催化功能。
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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
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。
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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
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
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。
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
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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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
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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。
T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。
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