現(xiàn)代傳感第9章

1、第9章 生物傳感技術(shù),9.1 概述 9.1.1 生物傳感技術(shù)的原理 9.1.3 生物傳感器的分類(lèi) 9.2 生物傳感技術(shù)的分子識(shí)別原理與技術(shù) 9.3 生物傳感器儀器技術(shù)及其應(yīng)用,以生物活性物質(zhì)為敏感材料做成的傳感器叫生物傳感器。它以生物分子去識(shí)別被測(cè)目標(biāo)，然后將生物分子所發(fā)生的物理或化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，予以放大輸出，從而得到檢測(cè)結(jié)果。生物體內(nèi)存在彼此間有特殊親和力的物質(zhì)對(duì)，如酶與底物、抗原與抗體、

2、激素與受體等，若將這些物質(zhì)對(duì)的一方用固定化技術(shù)固定在載體膜上作為分子識(shí)別元件（敏感元件），則能有選擇性地檢測(cè)另一方。結(jié)構(gòu)：包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的物理或化學(xué)換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動(dòng)化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號(hào)的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。,9.1.3 生物傳感器的分類(lèi)根據(jù)生物傳感器中分子識(shí)別元件（敏感元件）的不同，生物傳感器可

3、分為酶?jìng)鞲衅鳎ü潭ɑ福?、微生物傳感器（固定化微生物）、免疫傳感器（固定化抗體）、基因傳感器（固定化單鏈核酸）、細(xì)胞傳感器（固定化細(xì)胞器）和組織傳感器（固定化生物體組織）等。按照傳感器器件檢測(cè)的原理分類(lèi)，可分為：熱敏生物傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學(xué)生物傳感器、聲波道生物傳感器、酶電極生物傳感器、介體生物傳感器等。,第9章 生物傳感技術(shù),9.1 概述 9.2 生物傳感技術(shù)的分子識(shí)別原理與技術(shù) 9.

4、2.1 酶反應(yīng) 9.2.2 微生物反應(yīng) 9.2.3 免疫反應(yīng) 9.2.4 膜技術(shù) 9.3 生物傳感器儀器技術(shù)及其應(yīng)用,9.2.1 酶反應(yīng)酶促反應(yīng)具有一般催化劑的性質(zhì)，加速化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，而其本身在反應(yīng)前后沒(méi)有質(zhì)和量的改變，不影響反應(yīng)的方向，不改變反應(yīng)的平衡常數(shù)。酶促反應(yīng)具有極高的催化效率。一般而論，酶促反應(yīng)速度比非催化反應(yīng)高10-20倍。酶促反應(yīng)具有高度的專(zhuān)一性。一種酶只作用于一類(lèi)化合

5、物或一定的化學(xué)鍵，以促進(jìn)一定的化學(xué)變化，并生成一定的產(chǎn)物，這種現(xiàn)象稱(chēng)為酶的特異性或?qū)Ｒ恍裕ń^對(duì)特異性、相對(duì)特異性和立體異構(gòu)特異性）。受酶催化的化合物稱(chēng)為該酶的底物或作用物。,9.2.1 酶反應(yīng)酶濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響底物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響pH對(duì)反應(yīng)速度的影響溫度對(duì)反應(yīng)速度的影響抑制劑對(duì)反應(yīng)速度的影響激活劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響,第9章 生物傳感技術(shù),9.1 概述 9.2 生物傳感技術(shù)的分子識(shí)別原理與技術(shù)

6、 9.2.1 酶反應(yīng) 9.2.2 微生物反應(yīng) 9.2.3 免疫反應(yīng) 9.2.4 膜技術(shù) 9.3 生物傳感器儀器技術(shù)及其應(yīng)用,利用微生物進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程稱(chēng)為微生物反應(yīng)過(guò)程，即將微生物作為生物催化劑進(jìn)行的反應(yīng)為微生物反應(yīng)。酶在微生物反應(yīng)中起最基本的催化作用，然而微生物反應(yīng)是由微生物細(xì)胞完成的，每一個(gè)微生物細(xì)胞都是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜而完整的系統(tǒng)，不計(jì)其數(shù)的酶在系統(tǒng)中高度協(xié)調(diào)地實(shí)現(xiàn)自身的功能，最終完

7、成微生物反應(yīng)。,（1）兩者都是生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)所需要的環(huán)境相似；（2）微生物細(xì)胞中包含各種各樣的酶，可以催化所有酶可以催化的反應(yīng)；（3）兩者催化的速度近似。,1.微生物反應(yīng)和酶反應(yīng)的共同特點(diǎn),（1）酶反應(yīng)需要溫和的環(huán)境，微生物細(xì)胞的膜系統(tǒng)為酶的反應(yīng)提供了天然的“理想環(huán)境”，細(xì)胞可以在較長(zhǎng)的時(shí)間保持一定的催化活性；（2）同一個(gè)微生物細(xì)胞自身包含數(shù)以千計(jì)種的酶，顯然比單一的酶更適合多底物反應(yīng)；（3）酶反應(yīng)需要的輔助因子和能量可以由

8、微生物細(xì)胞提供；（4）酶的提純成本高，有些酶至今未能完全的提純，相比之下，微生物細(xì)胞來(lái)源方便，價(jià)格低廉。,2.微生物反應(yīng)的特殊性,（1）由于反應(yīng)過(guò)程中往往存在著微生物的生長(zhǎng)和死亡，故分析反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不易建立。（2）微生物細(xì)胞本身是一個(gè)龐大的酶系統(tǒng)，包括自身代謝在內(nèi)的許多反應(yīng)并存，難以去除不必要的反應(yīng)。（3）微生物細(xì)胞受環(huán)境變化的影響易引起自身生理狀態(tài)的復(fù)雜化，從而導(dǎo)致不期望的反應(yīng)。,3.微生物傳感器的不足之處,（1）按照生物代謝流向

9、：同化作用（細(xì)胞將底物攝入并通過(guò)一系列生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成自身的組成物質(zhì)，并儲(chǔ)存能量的過(guò)程）和異化作用（將體內(nèi)的大分子轉(zhuǎn)化為小分子并釋放出能量的過(guò)程 ）。 （2）按照微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的要求：自養(yǎng)性（以CO2作為主要碳源，無(wú)機(jī)氮化物作為氮源，通過(guò)細(xì)菌的光合作用或化能合成作用，將無(wú)機(jī)物制造成有機(jī)物，并且儲(chǔ)存能量）和異養(yǎng)性（異養(yǎng)微生物只能用有機(jī)碳化物作碳源，在有機(jī)物氧化或發(fā)酵過(guò)程中借呼吸或發(fā)酵作用而獲得能量）。（3）按照微生物反應(yīng)對(duì)氧的需求與否：好

10、氧反應(yīng)（在有空氣的環(huán)境中才易生長(zhǎng)繁殖 ）和厭氧反應(yīng)（在無(wú)分子氧的環(huán)境中生長(zhǎng)繁殖 ）。,4.微生物反應(yīng)的分類(lèi)方式,第9章 生物傳感技術(shù),9.1 概述 9.2 生物傳感技術(shù)的分子識(shí)別原理與技術(shù) 9.2.1 酶反應(yīng) 9.2.2 微生物反應(yīng) 9.2.3 免疫反應(yīng) 9.2.4 膜技術(shù) 9.3 生物傳感器儀器技術(shù)及其應(yīng)用,免疫指機(jī)體對(duì)病原生物感染的抵抗能力。自然免疫是非特異型的，即能

11、抵抗多種病原微生物的損害。獲得性免疫一般是特異性的，在微生物等抗原物質(zhì)刺激后才形成（免疫球蛋白等），并能與該抗原產(chǎn)生特異性反應(yīng)。上述各種免疫過(guò)程中，抗原與抗體的反應(yīng)是最基本的反應(yīng)。抗原是能夠刺激動(dòng)物體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)。抗體是由抗原刺激機(jī)體產(chǎn)生的特性免疫功能的球蛋白?？贵w與其相應(yīng)抗原之間的鍵連甚至比酶與其基質(zhì)之間的連接更加有力，特別是對(duì)對(duì)應(yīng)的抗原的連接更是如此。,第9章 生物傳感技術(shù),9.1 概述 9.2 生物傳感技術(shù)的

12、分子識(shí)別原理與技術(shù) 9.2.1 酶反應(yīng) 9.2.2 微生物反應(yīng) 9.2.3 免疫反應(yīng) 9.2.4 膜技術(shù) 9.3 生物傳感器儀器技術(shù)及其應(yīng)用,膜是指能以特定形式限制和傳遞各種物質(zhì)的分隔兩相的界面。 膜分離技術(shù)是利用膜的特殊性能和各種分離裝置單元使溶液和懸浮液中的某些組分較其它組分更快地透過(guò)，從而達(dá)到分離、濃縮的目的。 非分離膜技術(shù)主要是指一些具有特殊性能的功能膜的應(yīng)用及其它一

13、些膜過(guò)程（能量轉(zhuǎn)換膜、反應(yīng)膜、膜蒸餾等）。,第9章 生物傳感技術(shù),9.1 概述 9.2 生物傳感技術(shù)的分子識(shí)別原理與技術(shù)9.3 生物傳感器儀器技術(shù)及其應(yīng)用 9.3.1 酶?jìng)鞲衅?9.3.2 微生物傳感器 9.3.3 免疫傳感器 9.3.4 基因傳感器 9.3.5 微懸臂梁生物傳感器,酶?jìng)鞲衅魇巧飩鞲衅黝I(lǐng)域中研究最多的一

14、種類(lèi)型。酶?jìng)鞲衅魇菍⒚缸鳛樯锩舾谢?，通過(guò)各種物理、化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換器捕捉目標(biāo)物與敏感基元之間的反應(yīng)所產(chǎn)生的與目標(biāo)物濃度成比例關(guān)系的可測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物定量測(cè)定的分析儀器。,9.3.1 酶?jìng)鞲衅?酶?jìng)鞲衅鞯幕窘Y(jié)構(gòu)單元是由物質(zhì)識(shí)別元件(固定化酶膜)和信號(hào)轉(zhuǎn)換器(基體電極)組成。當(dāng)酶膜上發(fā)生酶促反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生的電活性物質(zhì)由基體電極對(duì)其響應(yīng)。基體電極的作用是使化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，從而加以檢測(cè)。,1. 酶?jìng)鞲衅鞯幕窘Y(jié)構(gòu),當(dāng)酶電極浸入被

15、測(cè)溶液，待測(cè)底物進(jìn)入酶層的內(nèi)部并參與反應(yīng)，大部分酶反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生或消耗一種可被電極測(cè)定的物質(zhì)，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電活性物質(zhì)的濃度可以通過(guò)電位或電流模式進(jìn)行測(cè)定。酶?jìng)鞲衅鳎弘娢恍停ㄊ侵该鸽姌O與參比電極間輸出的電位信號(hào)）和電流型（以酶促反應(yīng)所引起的物質(zhì)量的變化轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)輸出，輸出電流大小直接與底物濃度有關(guān)）。,2. 酶?jìng)鞲衅鞯墓ぷ髟?3. 酶的固定方法,（1）酶固定化后活性應(yīng)盡可能少受影響，保證傳感器的高靈敏度和高選擇性；（2）固定

16、化方法對(duì)被測(cè)對(duì)象的傳質(zhì)阻力小，保證傳感器的快速響應(yīng)；（3）酶固定化牢固，不易洗脫，保證傳感器有較長(zhǎng)的使用壽命。,3. 酶的固定方法,吸附法：將酶通過(guò)靜電引力、范德華力、氫鍵等作用力固定在電極表面，過(guò)程簡(jiǎn)單，但穩(wěn)定性差；包埋法：在溫和的條件下形成聚合物的同時(shí)，將酶包埋在高聚物的微小格子中，或用物理方法將其包埋在凝膠中的方法；共價(jià)鍵合法：是酶蛋白分子上的官能團(tuán)和固相支持物表面上的反應(yīng)基團(tuán)之間形成化學(xué)共價(jià)鍵連接，從而使酶固定的方法；,第

17、9章 生物傳感技術(shù),9.1 概述 9.2 生物傳感技術(shù)的分子識(shí)別原理與技術(shù)9.3 生物傳感器儀器技術(shù)及其應(yīng)用 9.3.1 酶?jìng)鞲衅?9.3.2 微生物傳感器 9.3.3 免疫傳感器 9.3.4 基因傳感器 9.3.5 微懸臂梁生物傳感器,（1）體積?。何⑸矬w積小，往往需要借助顯微鏡才能看清。微生物的“小”不僅表現(xiàn)在其個(gè)

18、體大小上，而且也表現(xiàn)在它們多為單細(xì)胞生物，多細(xì)胞的微生物也不存在著高等生物中所見(jiàn)的那種功能分化的組織。（2）繁殖快：微生物的代謝活性很高，細(xì)菌這樣的細(xì)胞生物細(xì)胞面積與體積之比遠(yuǎn)大于高等生物，其繁殖速度也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般生物。（3）分布廣：微生物隨處可見(jiàn)，在地球上無(wú)特定的分布，亦是其特征之一。,1．微生物的特征,根據(jù)微生物與底物作用原理的不同：（1）測(cè)定呼吸活性型微生物傳感器：微生物與底物作用，在同化樣品中有機(jī)物的同時(shí)，微生物細(xì)胞的呼

19、吸活性有所提高，依據(jù)反應(yīng)中氧的消耗或二氧化碳的生成來(lái)檢測(cè)被微生物同化的有機(jī)物的濃度；（2）測(cè)定代謝物質(zhì)型微生物傳感器：微生物與底物作用后生成各種電極敏感代謝產(chǎn)物，利用對(duì)某種代謝產(chǎn)物敏感的電極即可檢測(cè)原底物的濃度。,2．微生物傳感器的類(lèi)型,電流型是指工作中，微生物敏感膜與待測(cè)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，通過(guò)檢測(cè)某種物質(zhì)的含量變化，最終輸出為電流信號(hào)的傳感器。最常用的是氧電極。大多數(shù)的微生物傳感器是利用微生物體內(nèi)的酶進(jìn)行反應(yīng)，而這些酶中有不少特別是各

20、種氧化酶在催化底物反應(yīng)時(shí)要用溶解氧作為輔助試劑，從而可以用氧電極測(cè)定反應(yīng)中消耗的氧量。 電位型是指工作時(shí)，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換后輸出信號(hào)為電位的微生物傳感器。,3．電化學(xué)微生物傳感器,基于高頻壓電晶體頻率對(duì)溶液介質(zhì)性質(zhì)變化具有靈敏的響應(yīng)特性制成的。微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中與外界溶液進(jìn)行物質(zhì)能量的交換，改變培養(yǎng)液的化學(xué)成分，使得培養(yǎng)液的阻抗發(fā)生變化，導(dǎo)致培養(yǎng)液的電導(dǎo)率和介電常數(shù)改變。當(dāng)培養(yǎng)的微生物的數(shù)量超過(guò)某一閾值時(shí)晶體振蕩頻率產(chǎn)生突躍。

21、從接種微生物開(kāi)始到壓電傳感器檢測(cè)出突變，即到培養(yǎng)液性質(zhì)參數(shù)出現(xiàn)突變被檢測(cè)出所需要的時(shí)間稱(chēng)為頻率測(cè)出時(shí)間（FDT）。在微生物增代時(shí)間固定時(shí)，F(xiàn)DT與待測(cè)微生物數(shù)量之間有線性關(guān)系，所以可以通過(guò)測(cè)定FDT來(lái)測(cè)定微生物含量。,4．壓電高頻阻抗型微生物傳感器,微生物在呼吸代謝過(guò)程中可產(chǎn)生電子，直接在陽(yáng)極上放電，產(chǎn)生電信號(hào)。但是微生物在電極上放電的能力很弱，往往需要加入電子傳遞的媒介物——介體，起到增大電流的作用。,5．燃料電池型微生物傳感器,第

22、9章 生物傳感技術(shù),9.1 概述 9.2 生物傳感技術(shù)的分子識(shí)別原理與技術(shù)9.3 生物傳感器儀器技術(shù)及其應(yīng)用 9.3.1 酶?jìng)鞲衅?9.3.2 微生物傳感器 9.3.3 免疫傳感器 9.3.4 基因傳感器 9.3.5 微懸臂梁生物傳感器,免疫傳感器是將免疫測(cè)定技術(shù)與傳感技術(shù)相結(jié)合的一類(lèi)新型生物傳感器。免疫傳感器依賴(lài)于抗

23、原和抗體之間特異性和親和性，利用抗體檢測(cè)抗原或利用抗原檢出抗體。,1. 免疫傳感器的定義,生物敏感元件：固定抗原或抗體的分子層 。換能器：將識(shí)別分子膜上進(jìn)行的生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成光、電信號(hào) 。信號(hào)數(shù)據(jù)處理器：將電信號(hào)放大、處理、顯示或記錄下來(lái)。,2. 免疫傳感器的結(jié)構(gòu),（1）光學(xué)免疫傳感器對(duì)一個(gè)生物系統(tǒng)的反應(yīng)物或產(chǎn)物吸收或發(fā)出的電磁射線進(jìn)行測(cè)定。光學(xué)換能器可用來(lái)響應(yīng)紫外線或可視射線， 也可響應(yīng)生物或化學(xué)發(fā)光產(chǎn)物，還能適用于含光纖的裝置

24、。,4. 免疫傳感器的分類(lèi),（2）壓電晶體免疫傳感器將抗原或抗體固定于傳感器電極表面形成敏感膜，利用抗原與抗體特異性結(jié)合后產(chǎn)生的微小質(zhì)量變化，通過(guò)免疫傳感器進(jìn)行快速、靈敏的檢測(cè)。主要由石英晶體、頻率檢測(cè)電路和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。,4. 免疫傳感器的分類(lèi),該傳感器包括一個(gè)鍍有薄金屬鍍層的棱鏡，其中金屬層成為棱鏡和絕緣體之間的界面。,4.免疫傳感器的分類(lèi)：③表面等離子體共振型,反射光的強(qiáng)度在某一個(gè)特殊的入射角度Φsp 突然下降，就在這個(gè)角

25、度，入射光的能量與由金屬-絕緣體交接面激勵(lì)產(chǎn)生的表面等離子共振相匹配。將一層薄膜(如生物膜) 沉淀在金屬層上，絕緣物質(zhì)的折射系數(shù)會(huì)發(fā)生改變。,折射系數(shù)依賴(lài)于絕緣物質(zhì)和沉淀膜的厚度和密度的大小。測(cè)試陷波角的值，沉淀膜的厚度和密度就可以推導(dǎo)出來(lái)。,（4）電化學(xué)免疫傳感器：電位測(cè)量式 先通過(guò)聚氯乙烯膜把抗體固定在金屬電極上，然后用相應(yīng)的抗原與之特異性結(jié)合，抗體膜中的離子遷移率隨之發(fā)生變化，從而使電極上的膜電位也相應(yīng)發(fā)生改變。膜電位的變化值

26、與待測(cè)物濃度之間存在對(duì)數(shù)關(guān)系，因此根據(jù)電位變化值進(jìn)行換算，即可求出待測(cè)物濃度。,4. 免疫傳感器的分類(lèi),（4）電化學(xué)免疫傳感器電流測(cè)量式：它們測(cè)量的是恒定電壓下通過(guò)電化學(xué)室的電流，待測(cè)物通過(guò)氧化還原反應(yīng)在傳感電極上產(chǎn)生的電流與電極表面的待測(cè)物濃度成正比。 電導(dǎo)率測(cè)量式：可大量用于化學(xué)系統(tǒng)中，因?yàn)樵S多化學(xué)反應(yīng)都產(chǎn)生或消耗多種離子體，從而改變?nèi)芤旱目傠妼?dǎo)率；通常是將一種抗原（抗體）固定在某種貴重金屬電極上(如金、銀、銅、鎳、鉻)，在電場(chǎng)

27、作用下測(cè)量待測(cè)物溶液中導(dǎo)電率的變化。,4. 免疫傳感器的分類(lèi),第9章 生物傳感技術(shù),9.1 概述 9.2 生物傳感技術(shù)的分子識(shí)別原理與技術(shù)9.3 生物傳感器儀器技術(shù)及其應(yīng)用 9.3.1 酶?jìng)鞲衅?9.3.2 微生物傳感器 9.3.3 免疫傳感器 9.3.4 基因傳感器 9.3.5 微懸臂梁生物傳感器,所謂基因傳感器，其原

28、理就是通過(guò)固定在傳感器或稱(chēng)換能器探頭表面上的己知核甘酸序列的單鏈DNA分子(也稱(chēng)為ssDNA探針)，和另一條互補(bǔ)的ssDNA分子，也稱(chēng)為目標(biāo)DNA雜交，形成的雙鏈DNA(dsDNA)會(huì)表現(xiàn)出一定的物理信號(hào)，最后由換能器反應(yīng)出來(lái)。,1. 基因傳感器的原理,電化學(xué)式基因傳感器是以電極為換能器，也就是將ssDNA控針固定在金電極、碳糊電極或玻璃電極等表面上，然后浸入含有目標(biāo)ssDNA分子的溶液中，此時(shí)電極上的ssDNA控針與溶液中的互補(bǔ)序列的

29、目標(biāo)DNA單鏈分子雜交。,2.電化學(xué)基因傳感器,換能器在壓電介質(zhì)中激發(fā)聲波，以聲波作為檢測(cè)的手段。傳感器的表面首先固定單鏈的DNA(DNA探針)，然后加入含有互補(bǔ)DNA鏈的待測(cè)溶液，進(jìn)行DNA雜交反應(yīng)。雜交后形成雙鏈DNA結(jié)構(gòu)，使傳感器表面的質(zhì)量增加，從而影響聲波的頻率。對(duì)壓電傳感器，其表面的質(zhì)量增加Δｍ和聲波的頻率降低Δ? 存在定量關(guān)系。,3. 壓電基因傳感器,SPR作為換能器，其對(duì)基因敏感的原理仍然如電化學(xué)式或QCM式基因傳感器一樣

30、，只是檢測(cè)的信號(hào)為光學(xué)信號(hào)。SPR基因傳感器通常將已知的單鏈DNA分子固定在幾十納米厚的金屬(金、銀等)膜表面，加入與其互補(bǔ)的目標(biāo)DNA，兩者結(jié)合(雜交)將使金屬膜與溶液界面的折射率上升，從而導(dǎo)致諧振角改變，如果固定入射角度，就能根據(jù)諧振角的改變程度對(duì)互補(bǔ)的目標(biāo)生物分子進(jìn)行定量檢測(cè)。,7. SPR( Surface Plasma Resonance)基因傳感器,第9章 生物傳感技術(shù),9.1 概述 9.2 生物傳感技術(shù)的分子識(shí)別原

31、理與技術(shù)9.3 生物傳感器儀器技術(shù)及其應(yīng)用 9.3.1 酶?jìng)鞲衅?9.3.2 微生物傳感器 9.3.3 免疫傳感器 9.3.4 基因傳感器 9.3.5 微懸臂梁生物傳感器,微臂梁生物傳感器是以微懸臂梁作為換能元件，在微懸臂梁的一面涂有生物敏感層，當(dāng)被測(cè)物質(zhì)吸附到生物敏感層后，微懸臂梁的表面應(yīng)力或共振頻率發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)微懸

32、臂梁的彎曲變形或共振頻移就可以測(cè)吸附到敏感層上的生物分子。 微懸臂梁是一種采用體硅加工技術(shù)和表面加工技術(shù)制備而成的微結(jié)構(gòu)，常用于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中，其尺寸非常微小，長(zhǎng)度和寬度一般在微米范圍，而厚度在亞微米范圍。微懸臂梁具有多種結(jié)構(gòu)形式，可工作在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模式下，有多種激勵(lì)和檢測(cè)方法，在微小力檢測(cè)、生物、化學(xué)、環(huán)境檢測(cè)等諸多方面具有非常廣泛的應(yīng)用。,9.3.5 微懸臂梁生物傳感器,1.微懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式,矩形：加工方便，使用廣泛

33、；T形：增加反射面積；U形：增加形變，一般用于加速度計(jì)；三角形：一般用于AFM，頂端有一個(gè)三角錐；音叉形：角速度檢測(cè)；橋式：壓力測(cè)量。,2.微懸臂梁的工作模式,彎曲模式—靜態(tài)模式：彎曲模式是指微懸臂梁在外界環(huán)境改變或力的作用下，其表面質(zhì)量或表面應(yīng)力發(fā)生變化，引起微懸臂梁的彎曲，通過(guò)檢測(cè)微懸臂梁彎曲量的大小，就可以得出引起其彎曲的物理量或化學(xué)量。共振模式－動(dòng)態(tài)模式：微懸臂梁的共振模式是通過(guò)檢測(cè)微懸臂梁共振頻率的變化得到引起其共振頻率變化

34、的物理量或化學(xué)量。例如，當(dāng)在微懸臂梁上涂上敏感層，吸附到微懸臂梁上的分子質(zhì)量變化后，微懸臂梁的共振頻率就會(huì)發(fā)生變化，這在生化傳感器中經(jīng)常使用。在共振模式下，微懸臂梁具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)它還具有很高的分辨率。,光熱激勵(lì)是用光纖耦合激光束，垂直指向微懸臂梁的表面。在微懸臂梁的表面，激光束的能量被部分吸收。這樣就可以建立一個(gè)時(shí)間/溫度的函數(shù)關(guān)系，如果調(diào)制激光束的密度，就會(huì)驅(qū)動(dòng)微懸臂梁周期性地彎曲。聲波激勵(lì)是用一個(gè)小型揚(yáng)聲器產(chǎn)生聲波，聲波

35、通過(guò)空氣傳播到微懸臂梁后就會(huì)在微懸臂梁上造成壓力差，迫使微懸臂梁振動(dòng)。但是在液體環(huán)境中，液體的流動(dòng)會(huì)造成聲波共振，這就對(duì)微懸臂梁的檢測(cè)產(chǎn)生一定影響。,3.微懸臂梁的激勵(lì)與檢測(cè)方法,磁致激勵(lì)是利用螺線管產(chǎn)生外部磁場(chǎng)，外部磁場(chǎng)直接激勵(lì)微懸臂梁振動(dòng)。壓電激勵(lì)是目前最常使用的激勵(lì)微懸臂梁振動(dòng)的方法，將壓電疊堆固定在微懸臂梁固定端，當(dāng)在壓電疊堆上下電極之間施加交流電壓時(shí)，壓電疊堆由于逆壓電效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械變形，從而帶動(dòng)微懸臂梁振動(dòng)。,3.

36、微懸臂梁的激勵(lì)與檢測(cè)方法,光反射法：用一個(gè)低功率激光二極管發(fā)出一束激光，經(jīng)聚焦后照射到到梁的自由端，光反射后由光電探測(cè)器收集。當(dāng)微懸臂梁產(chǎn)生彎曲時(shí)，接收到的激光會(huì)在探測(cè)器的表面移動(dòng)，光點(diǎn)的位移正比于梁的彎曲，這個(gè)位移可由光電二極管檢測(cè)。激光干涉法：使原光纖光束和從微懸臂梁背面發(fā)射的光發(fā)生干涉，通過(guò)精確控制從微懸臂梁背面發(fā)射的光，就可以改變干涉條紋，干涉條紋的改變情況反映了微懸臂梁的彎曲情況。,3.微懸臂梁的激勵(lì)與檢測(cè)方法,3.微懸臂梁

37、的激勵(lì)與檢測(cè)方法,電容法是將微懸臂梁作為電容的一極，微懸臂梁的彎曲會(huì)產(chǎn)生電容兩極間距離的變化，從而引起電容值的變化。電容法比較適用于檢測(cè)微懸臂梁的靜態(tài)彎曲，用這種方法可以檢測(cè)到1×10-18F的電容值，對(duì)應(yīng)于納米級(jí)的位移偏移。壓阻法是利用材料的壓阻效應(yīng)，測(cè)量應(yīng)力和電阻值的變化關(guān)系，它適用于微弱信號(hào)的檢測(cè)和放大。壓敏電阻一般集成在微懸臂梁結(jié)構(gòu)中，它們的電阻能很容易地使用惠斯頓電橋，通過(guò)測(cè)量電壓信號(hào)來(lái)表征電阻的值。壓電法就是將

38、壓電薄膜鍍?cè)谖冶哿荷匣蛭冶哿褐苯佑蓧弘姴牧现瞥?。?dāng)微懸臂梁彎曲時(shí)，表面應(yīng)力變化，產(chǎn)生壓電電流。,微懸臂梁生物傳感器是以微懸臂梁作為換能元件，在微懸臂梁的一面涂有生物敏感層，當(dāng)被測(cè)物質(zhì)吸附到生物敏感層后，微懸臂梁的表面應(yīng)力或共振頻率發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)微懸臂梁的彎曲變形或共振頻移就可以測(cè)吸附到敏感層上的生物分子。,5.微懸臂梁生物傳感器,單個(gè)微懸臂梁只能對(duì)某一特定分析物的響應(yīng)較明顯，而在實(shí)際測(cè)量中，需要測(cè)量一個(gè)環(huán)境中多種分析物的質(zhì)量，