現(xiàn)代傳感與技術(shù)第

現(xiàn)代傳感與技術(shù)第1第一頁，共七十七頁，2022年，8月28日生物傳感器的特點(diǎn)：（1）采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，價值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過去酶法分析試劑費(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。（2）專一性強(qiáng)，只對特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響。（3）分析速度快，可以在一分鐘得到結(jié)果。（4）準(zhǔn)確度高，一般相對誤差可以達(dá)到1％。（5）操作系統(tǒng)比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動分析。（6）成本低，在連續(xù)使用時，每例測定僅需要幾分錢人民幣。（7）有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生。第二頁，共七十七頁，2022年，8月28日9.1.1生物傳感器的工作原理

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。它以生物分子去識別被測目標(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，予以放大輸出，從而得到檢測結(jié)果。生物傳感器的選擇性與分子識別元件有關(guān)，取決于與載體相結(jié)合的生物活性物質(zhì)。第三頁，共七十七頁，2022年，8月28日為了提高生物傳感器的靈敏度，可利用化學(xué)放大功能。所謂化學(xué)放大功能，就是使一種物質(zhì)通過催化、循環(huán)或倍增的機(jī)理同一種試劑作用產(chǎn)生出相對大量的產(chǎn)物。傳感器的信號轉(zhuǎn)換能力取決于所采用的轉(zhuǎn)換器。根據(jù)器件信號轉(zhuǎn)換的方式可分為：⑴直接產(chǎn)生電信號；⑵化學(xué)變化轉(zhuǎn)換為電信號；⑶熱變化轉(zhuǎn)換為電信號；⑷光變化轉(zhuǎn)換為電信號；⑸界面光學(xué)參數(shù)變化轉(zhuǎn)換為電信號。4第四頁，共七十七頁，2022年，8月28日9.1.2生物傳感技術(shù)的發(fā)展歷史

1967年美國的S.J.烏普迪克等制出了第一個生物傳感器葡萄糖傳感器?，F(xiàn)已發(fā)展了第二代生物傳感器（微生物、免疫、酶免疫和細(xì)胞器傳感器），研制和開發(fā)第三代生物傳感器，將生物技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合起來的場效應(yīng)生物傳感器。近年來，隨著生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展的推動，生物傳感器技術(shù)飛速發(fā)展。可以預(yù)見，未來的生物傳感器將具有以下特點(diǎn)：（1）功能多樣化（2）微型化（3）智能化與集成化（4）低成本、高靈敏度、高穩(wěn)定性和高壽命

第五頁，共七十七頁，2022年，8月28日9.1.3生物傳感器的分類生物傳感器主要有下面三種分類命名方式：（1）根據(jù)生物傳感器中分子識別元件即敏感元件的不同，生物傳感器可分為酶傳感器（固定化酶）、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。（2）按照傳感器器件檢測的原理分類，可分為：熱敏生物傳感器、場效應(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。（3）按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分類，可分為親和型和代謝型兩種。第六頁，共七十七頁，2022年，8月28日9.2生物傳感技術(shù)的分子識別原理與技術(shù)酶促反應(yīng)動力學(xué)（kineticsofenzyme-catalyzedreactions）是研究酶促反應(yīng)速度及其影響因素的科學(xué)。這些因素主要包括酶的濃度、底物的濃度、pH值、溫度、抑制劑和激活劑等。但必須注意，酶促反應(yīng)動力學(xué)中所指明的速度是反應(yīng)的初速度，因?yàn)榇藭r反應(yīng)速度與酶的濃度呈正比關(guān)系，這樣避免了反應(yīng)產(chǎn)物以及其他因素的影響。9.2.1酶反應(yīng)第七頁，共七十七頁，2022年，8月28日酶促反應(yīng)具有一下幾個特點(diǎn)：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；酶促反應(yīng)具有高度的專一性。一種酶只作用于一類化合物或一定的化學(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)象稱為酶的特異性或?qū)Ｒ恍浴Ｊ苊复呋幕衔锓Q為該酶的底物或作用物。酶對底物的專一性通常分為絕對特異性、相對特異性和立體異構(gòu)特異性。8第八頁，共七十七頁，2022年，8月28日1.酶濃度對反應(yīng)速度的影響在一定的溫度和pH值條件下，當(dāng)?shù)孜餄舛却蟠蟪^酶的濃度時，酶的濃度與反應(yīng)速度呈正比關(guān)系。酶濃度對反應(yīng)初速度的影響第九頁，共七十七頁，2022年，8月28日2.底物濃度對反應(yīng)速度的影響在酶的濃度不變的情況下，底物濃度對反應(yīng)速度影響的作用呈現(xiàn)矩形雙曲線。在底物濃度很低時，反應(yīng)速度隨底物濃度的增加而急聚加快，兩者呈正比關(guān)系，即一級反應(yīng)。隨底物濃度升高，反應(yīng)速不呈正比例加快，反應(yīng)速度增加的幅度不斷下降。如果繼續(xù)加大底物濃度，反應(yīng)速度不再增加，表現(xiàn)為0級反應(yīng)。此時，無論底物濃度增加多大，反應(yīng)速度也不再增加，說明酶被底物所飽和。第十頁，共七十七頁，2022年，8月28日3.pH值對反應(yīng)速度的影響酶反應(yīng)介質(zhì)的pH值可影響酶分子的解離程度和催化基團(tuán)中質(zhì)子供體或質(zhì)子受體所需的離子化狀態(tài)，也可影響底物和輔酶的解離程度，從而影響酶與底物的結(jié)合。11第十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日下表

一些酶的最適pH值溶液的pH值高于和低于最適pH值時都會使酶的活性降低，遠(yuǎn)離最適pH值時甚至導(dǎo)致酶的變性失活。

溫度對唾液淀粉酶活性影響酶胃蛋白酶胰蛋白酶過氧化氫酶精氨酸酶延胡索酸酶核糖核酸酶最適pH值1.87.77.6 9.87.87.8第十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日4.溫度對反應(yīng)速度的影響化學(xué)反應(yīng)的速度隨溫度增高而加快。但酶是蛋白質(zhì)，可隨溫度的升高而變性。左圖所示為溫度對唾液淀粉酶活性影響13第十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日5.抑制劑對反應(yīng)速度的影響凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)稱作酶的抑制劑。使酶變性失活（稱為酶的鈍化）的因素如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等，不屬于抑制劑。通常抑制作用分為可逆性抑制和不可逆性抑制兩類。6.激活劑對酶促反應(yīng)速度的影響能使酶活性提高的物質(zhì)，都稱為激活劑，其中大部分是離子或簡單的有機(jī)化合物。第十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日9.2.2微生物反應(yīng)利用微生物進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)的過程稱為微生物反應(yīng)過程，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)。1.微生物反應(yīng)和酶反應(yīng)的共同特點(diǎn)（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)胞中包含各種酶，催化所有酶可以催化的反應(yīng)；（3）兩者催化的速度近似。15第十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日

2.微生物反應(yīng)的特殊性（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)胞可以在較長的時間保持一定的催化活性；（2）同一個微生物細(xì)胞自身包含數(shù)以千計種的酶，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微生物細(xì)胞提供；（4）酶的提純等成本高，有些酶至今未能完全的提純，相比之下，微生物細(xì)胞來源方便，價格低廉。第十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日3.傳感器以微生物為敏感元件的不足之處微生物傳感器作為生物傳感器的重要組成部分，作為分子識別元件即敏感元件的生物傳感器亦存在著自身的不足之處：（1）由于反應(yīng)過程中往往存在著微生物的生長和死亡，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)。17第十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日4.微生物反應(yīng)的分類方式微生物反應(yīng)主要有下面三種分類方式（1）按照生物代謝流向，微生物反應(yīng)可以分為同化作用和異化作用。（2）按照微生物對營養(yǎng)的要求，微生物反應(yīng)可以分為自養(yǎng)性和異養(yǎng)性。（3）按照微生物反應(yīng)對氧的需求與否，微生物反應(yīng)可以分為好氧反應(yīng)和厭氧反應(yīng)。第十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日免疫指機(jī)體對病原生物感染的抵抗能力?？蓞^(qū)別為自然免疫和獲得性免疫。自然免疫是非特異型的，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，并能與該抗原產(chǎn)生特異性反應(yīng)。上述各種免疫過程中，抗原與抗體的反應(yīng)是最基本的反應(yīng)。9.2.3 免疫反應(yīng)19第十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日1.抗原（1）抗原的定義抗原是能夠刺激動物體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)。抗原有兩種性能：刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫應(yīng)答反應(yīng)和與相應(yīng)免疫反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生異性結(jié)合反應(yīng)。前一種性能稱為免疫原性，后一種性能稱為反應(yīng)原性。具有免疫原性的抗原完全抗原，那些只有反應(yīng)原性，不刺激免疫應(yīng)答反應(yīng)的稱為半抗原。（2）抗原的分類

通常，根據(jù)來源的不同，抗原又可以分為如下幾種：①天然抗原②人工抗原③合成抗原。合成抗原是化學(xué)合成的多肽分子。第二十頁，共七十七頁，2022年，8月28日（3）抗原的理化性狀抗原有兩種性狀：①物理性狀。完全抗原的分子量較大，通常相對分子質(zhì)量在1萬以上。分子量越大，其表面積相應(yīng)擴(kuò)大，接觸免疫系統(tǒng)細(xì)胞的機(jī)會增多，因而免疫原性也就增強(qiáng)。②化學(xué)組成。自然界中絕大多數(shù)抗原都是蛋白質(zhì)，即可是純蛋白，也可是結(jié)合蛋白。21第二十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日免疫傳感器的種類（4）抗原決定簇抗原決定簇是抗原分子表面的特殊化學(xué)基團(tuán)，抗原的特異性取決于抗原決定簇的性質(zhì)、數(shù)目和空間排列。不同種系的動物血清白蛋白因其末端氨基酸排列的不同，而表現(xiàn)出各自的種屬性特異。一種抗原常具有一個以上的抗原決定簇，如牛血清蛋白有14個，甲狀腺球蛋白有40個。種屬—末端（N端—COOH末端（C端）人天冬酰胺、丙氨酸甘氨酸、纈氨酸、丙氨酸、亮氨酸馬天冬酰胺、蘇氨酸纈氨酸、絲氨酸、亮氨酸、丙氨酸兔天冬酰胺亮氨酸、丙氨酸第二十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日2.抗體（1）抗體的定義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，又稱免疫球蛋白。（2）抗體的結(jié)構(gòu)免疫球蛋白都是由一至幾個單體組成，每個單體有兩條相同的分子量較大的重鏈和兩條相同分子量較小的輕鏈組成，鏈與鏈之間通過二硫鏈及非共價鍵鏈連接。免疫球蛋白（Ig）結(jié)構(gòu)模式圖第二十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日（3）抗體的特性抗體早已用在免疫檢測中，其與相應(yīng)抗原之間的鍵連接甚至比酶與其基質(zhì)之間的連接更加有力，特別是對對應(yīng)的抗原的連接更是如此。3.抗原-抗體反應(yīng)抗原-抗體結(jié)合時將發(fā)生凝聚、沉淀、溶解反應(yīng)和促進(jìn)吞噬抗原顆粒的作用。在溶液中，抗原和抗體兩個分子的表面電荷與介質(zhì)中離子形成雙層離子云，內(nèi)層和外層之間的電荷密度差形成靜電位和分子間引力。由于這種引力僅在近距離上發(fā)生作用，抗原與抗體分子結(jié)合時對位應(yīng)十分準(zhǔn)確。一是結(jié)合部位的形狀要互補(bǔ)于抗原的形狀；二是抗體活性小心帶有與抗原決定簇相反的電荷。第二十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日然而，抗體的特異性是相對的，表現(xiàn)在兩個方面：其一，部分抗體不完全與抗原決定簇相對應(yīng)。其二，即便是針對某一種半抗原的抗體，其化學(xué)結(jié)構(gòu)也可能不一致?？乖c抗體結(jié)合盡管是穩(wěn)固的，但也是可逆的。調(diào)節(jié)溶液的PH值或離子強(qiáng)度，可以促進(jìn)可逆反應(yīng)。某些酶能促使逆反應(yīng)，抗原-抗體復(fù)合物解離時，都保持自己本來的特性。25第二十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日9.2.4 膜技術(shù)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。膜在生產(chǎn)和研究中的使用技術(shù)被稱之為膜技術(shù)，它包括膜分離技術(shù)和非分離膜技術(shù)。膜分離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，從而達(dá)到分離、濃縮的目的。非分離膜技術(shù)是指一些具有特殊性能的功能膜的應(yīng)用及其它一些膜過程。能量轉(zhuǎn)換膜、反應(yīng)膜、膜蒸餾等，都是屬于非分離膜技術(shù)。第二十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日1. 膜分離的工作原理一是根據(jù)混合物的質(zhì)量、體積和幾何形態(tài)的不同，用過篩的方法將其分離；二是根據(jù)混合物不同化學(xué)性質(zhì)。物質(zhì)通過分離膜的速度取決于進(jìn)入膜內(nèi)的速度和由膜的一個表面擴(kuò)散到另一表面的速度。通過分離膜的速度愈大，透過膜所需的時間愈短，同時，混合物中各組分透過膜的速度相差愈大，則分離效率愈高。27第二十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日2.膜處理方法(1)微濾（MF）膜技術(shù)微濾膜是以靜壓差為推動力，利用篩網(wǎng)狀過濾介質(zhì)膜的篩分作用進(jìn)行分離。(2)超濾（UF）膜技術(shù)超過濾是以壓差為驅(qū)動力，利用超濾膜的高精度截留性能進(jìn)行固液分離或使不同相對分子質(zhì)量物質(zhì)分級的膜分離技術(shù)。3.納濾（NF）膜技術(shù)

納濾膜是在反滲透膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因具有納米級的孔徑故名納濾。4.反滲透（RO）膜技術(shù)反滲透（又稱高濾）過程是滲透過程的逆過程，推動力為壓力差，即通過在待分離液一側(cè)加上比滲透壓高的壓力，使原液中的溶劑被壓到半透膜的另一側(cè)。反滲透系統(tǒng)由反滲透裝置及其預(yù)處理和后處理三部分組成。第二十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日5.電滲析（ED）膜技術(shù)電滲析是一個電化學(xué)分離過程，是在直流電場作用下以電位差為驅(qū)動力，通過荷電膜將溶液中帶電離子與不帶電組分分離的過程。該分離過程是在離子交換膜中完成的。電滲析系統(tǒng)通常由預(yù)處理設(shè)備、整流器、自動控制設(shè)備和電滲析器等組成。6.滲透蒸發(fā)（PV）膜技術(shù)滲透蒸發(fā)是一個壓力驅(qū)動膜分離過程，它是利用液體中兩種組分在膜中溶解度與擴(kuò)散系數(shù)的差別，通過滲透與蒸發(fā)，達(dá)到分離目的的一個過程。7.雙極膜（BPM）技術(shù)雙極膜是由陰離子交換膜和陽離子交換膜疊壓在一起形成的新型分離膜。陰陽膜的復(fù)合可以將不同電荷密度、厚度和性能的膜材料在不同的復(fù)合條件下制成不同性能和用途的雙極膜，如水解離膜，一、二價離子分離膜，防結(jié)垢膜，抗污染膜，低壓反滲透脫硬膜。第二十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日表幾種重要的膜分離過程膜過程推動力傳遞機(jī)理透過物截留物膜類型微濾MF壓力差顆粒大小形狀水、溶劑溶解物懸浮物顆粒纖維多孔膜超濾UF壓力差分子特性大小形狀水、溶劑小分子膠體和超過截留分子量的分子非對稱性膜納濾NF壓力差離子大小及電荷水、一價離子多價離子有機(jī)物復(fù)合膜反滲透RO壓力差溶劑的擴(kuò)散傳遞水、溶劑溶質(zhì)、鹽非對稱性膜、復(fù)合膜電滲析ED電位差電解質(zhì)離子的選擇傳遞電解質(zhì)離子非電解質(zhì)大分子物質(zhì)離子交換膜滲透蒸發(fā)PV壓力差選擇傳遞易滲的溶質(zhì)或溶劑難滲的溶質(zhì)或溶劑均相膜、復(fù)合膜、非對稱性膜第三十頁，共七十七頁，2022年，8月28日8. 膜技術(shù)的集成應(yīng)用每一種膜技術(shù)都有其特定的能和適用范圍能夠解決一定的分離問題，但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中僅僅依靠一種膜技術(shù)完成例如廢水深度處理或精細(xì)物料分離之類的任務(wù)，其結(jié)果往往難以令人滿意。集成各種膜技術(shù)，優(yōu)化各種膜的分離性能，可以達(dá)到一種膜技術(shù)根本無法實(shí)現(xiàn)的效果。幾種常用的膜集成技術(shù)見右表。幾種常見的膜集成技術(shù)及應(yīng)用膜集成技術(shù)適合的工業(yè)生產(chǎn)微濾／反滲透紡織印染廢水、電廠鍋爐給水、電鍍廢水處理等納濾（超濾）／反滲透皮革工業(yè)廢水、化肥工業(yè)廢水處理等反滲透氯化銨廢水、酸性礦山廢水處理等電滲析／超濾／反滲透海帶廢水處理等第三十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日

9.3.1酶傳感器酶傳感器是將酶作為生物敏感基元，通過各種物理、化學(xué)信號轉(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)系的可測信號，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物定量測定的分析儀器。酶傳感器是由固定化的生物敏感膜和與之密切結(jié)合的換能系統(tǒng)組成，它把固化酶和電化學(xué)傳感器結(jié)合在一起，因而具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（l）它有不溶性酶體系的優(yōu)點(diǎn)，也有電化學(xué)電極的高靈敏度；（2）由于酶的專屬反應(yīng)性，使其具有高的選擇性，能夠直接在復(fù)雜試樣中進(jìn)行測定。9.3生物傳感器儀器技術(shù)及其應(yīng)用第三十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日1.酶傳感器的基本結(jié)構(gòu)酶傳感器的基本結(jié)構(gòu)單元是由物質(zhì)識別元件和信號轉(zhuǎn)換器組成.當(dāng)酶膜上發(fā)生酶促反應(yīng)時，產(chǎn)生的電活性物質(zhì)由基體電極對其響應(yīng)?；w電極的作用是使化學(xué)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，從而加以檢測，基體電極可采用碳質(zhì)電極、Pt電極及相應(yīng)的修飾電極。33第三十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日2.酶傳感器的工作原理當(dāng)酶電極浸入被測溶液，待測底物進(jìn)入酶層的內(nèi)部并參與反應(yīng)，大部分酶反應(yīng)都會產(chǎn)生或消耗一種可被電極測定的物質(zhì)，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，電活性物質(zhì)的濃度可以通過電位或電流模式進(jìn)行測定。因此，酶傳感器可分為電位型和電流型兩類傳感器?；鶊F(tuán)之間形成化學(xué)共價鍵連接，從而使酶固定的方法；交聯(lián)法：將傳感器表面預(yù)先組裝上一層具有特定基團(tuán)的載體膜，再通過偶聯(lián)活化劑分別以羧基氨基鍵形式或席夫堿形式等將酶鍵合到電極表面。第三十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日3.酶的固定方法酶的固定是相當(dāng)重要的一個環(huán)節(jié)。合適的固定化方法應(yīng)當(dāng)滿足：（1）酶固定化后活性應(yīng)盡可能少受影響，（2）固定化方法對被測對象的傳質(zhì)阻力?。?）酶固定化牢固，不易洗脫。酶固定化方法有多種，大致可分為以下四類：吸附法：將酶通過靜電引力、范德華力、氫鍵等作用力固定在電極表面，過程簡單，但穩(wěn)定性差；包埋法：在溫和的條件下形成聚合物的同時，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)35第三十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日酶的固定方法4.酶傳感器的分類生物傳感器按換能方式可分為電化學(xué)生物傳感器和光化學(xué)生物傳感器2種。下面來集中介紹一下電化學(xué)酶傳感器和光化學(xué)酶傳感器。第三十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日5.電化學(xué)酶傳感器基于電子媒介體的葡萄糖傳感器，具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、壽命長、抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)，尤為受到重視。二茂鐵由于有不溶于水、氧化還原可逆性好、電子傳遞速率高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的研究和應(yīng)用。目前研究的重點(diǎn)是防止二茂鐵等電子媒介體的流失，從而提高生物傳感器的穩(wěn)定性和壽命。37第三十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日6.光化學(xué)酶傳感器7.酶傳感器中應(yīng)用的新技術(shù)納米技術(shù)固定化酶時引入納米顆粒能夠增加酶的催化活性,提高電極的響應(yīng)電流值。孟憲偉等首次研究了二氧化硅和金或鉑組成的復(fù)合納米顆粒對葡萄糖生物傳感器電流響應(yīng)的影響,其效果明顯優(yōu)于這3種納米顆粒單獨(dú)使用時對葡萄糖生物傳感器的增強(qiáng)作用,復(fù)合納米顆粒可以顯著增強(qiáng)傳感器的電流響應(yīng)。(2)基因重組技術(shù)周亞鳳等將黑曲霉GOD基因重組進(jìn)大腸桿菌、酵母穿梭質(zhì)粒,轉(zhuǎn)化甲基營養(yǎng)酵母,構(gòu)建出GOD的高產(chǎn)酵母工程菌株。重組酵母GOD比活力達(dá)426.63u/mg蛋白,是商品黑曲霉GOD的1.6倍,催化效率更高。重組酵母GOD的高活力特性可有效提高葡萄糖傳感器的線性檢測范圍。(3)提高傳感器綜合性能的其他技術(shù)提高固定化酶活力的根本方法是保持酶的空間構(gòu)象不發(fā)生改變。第三十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日9.3.2微生物傳感器

1.微生物的特征微生物有三大特征：體積小，繁殖快，分布廣。2.微生物傳感器的類型微生物傳感器是以活的微生物作為敏感材料，利用其體內(nèi)的各種酶系及代謝系統(tǒng)來測定和識別相應(yīng)底物。它是由固定化微生物膜和電化學(xué)裝置組成的。微生物傳感器的種類很多，可以從不同的角度分類。根據(jù)微生物與底物作用原理的不同，微生物傳感器可分為測定呼吸活性型微生物傳感器和測定代謝物質(zhì)型微生物傳感器根據(jù)測量信號的不同，微生物傳感器可分為電流型微生物傳感器和電位型微生物傳感器：換能器輸出的是電位信號，電位值的大小與被測物的活度有關(guān)，二者呈能斯特響應(yīng)。基于上述分類方法，常見的微生物傳感器有電化學(xué)微生物傳感器、燃料電池型微生物傳感器、壓電高頻阻抗型微生物傳感器、熱敏電阻型微生物傳感器、光微生物傳感器等。第三十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日微生物傳感器及其特性傳感器檢測對象微生物固定法電化學(xué)器件穩(wěn)定性（d）響應(yīng)時間（min）測量范圍（mg/L）葡萄糖P.fluorescens包埋法O2電極14以上105～20脂化糖B.lactofermentem吸附法O2電極201020～200甲醇未鑒定菌吸附法O2電極30105～20乙醇T.brassicae吸附法O2電極30105～30醋酸T.brassicae吸附法O2電極201010～100蟻酸C.butyricum包埋法燃料電池30301～300谷酰胺酸E.Coli吸附法CO2電極20510～800已胺酸E.Coli吸附法CO2電極14以上510～100谷胺酸S.flara吸附法O2電極14以上520～1000第四十頁，共七十七頁，2022年，8月28日3.電化學(xué)微生物傳感器4.壓電高頻阻抗型微生物傳感器壓電高頻阻抗型微生物傳感器是基于高頻壓電晶體頻率對溶液介質(zhì)性質(zhì)變化具有靈敏的響應(yīng)特性制成的。微生物在生長過程中與外界溶液進(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。5.燃料電池型微生物傳感器微生物傳感器在發(fā)展初期，其應(yīng)用一直被限定于間接的方式，即微生物作為生物催化劑起到一個敏感“元件”的作用，再與信號轉(zhuǎn)換器相結(jié)合．成為完整的微生物傳感器。而燃料電池型微生物傳感器能直接給出電信號。微生物在呼吸代謝過程中可產(chǎn)生電子，直接在陽極上放電，產(chǎn)生電信號。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。第四十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日微生物可作為燃料電池中的生物催化劑．它在對有機(jī)物發(fā)生同化作用的同時，呼吸代謝作用增強(qiáng)并產(chǎn)生電子，通過介體放大電流作為介體的氧化-還原電對試劑可以把微生物的呼吸過程直接有效地同電極聯(lián)系起來。微生物燃料電池信號產(chǎn)生機(jī)理圖第四十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日電化學(xué)氧化過程產(chǎn)生的流動電子，用電流或其他方法進(jìn)行測量，在適當(dāng)條件下此信號即成為檢測底物的依據(jù)。基于這一原理，已研制出多種燃料電池型微生物傳感器。燃料電池型微生物傳感器是生物傳感器新技術(shù)，這種新技術(shù)響應(yīng)時間較短，其敏感機(jī)理是信號的傳遞，即電與微生物分解代謝的早期步驟相聯(lián)系，這就避免在間接法中對分析物響應(yīng)過程微生物要達(dá)到傳代穩(wěn)定狀態(tài)的需要。43第四十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日6.其他類型的微生物傳感器光微生物傳感器：其原理是利用具有光合作用的微生物早光照作用下將待測物轉(zhuǎn)變成電極敏感物質(zhì)或者微生物本身釋放氧的性質(zhì)，將微生物固化后結(jié)合氧電極，氫電極實(shí)現(xiàn)對某種物質(zhì)的測定。酶-微生物混合性傳感器：為了使敏感膜的性能更加完善，可以使用由酶和微生物混合構(gòu)成的敏感材料。利用細(xì)胞表層物質(zhì)的傳感器：此類傳感器是根據(jù)細(xì)胞表層上的糖原、膜結(jié)合蛋白等物質(zhì)對抗體、離子、糖等的選擇性識別作用，將其與細(xì)胞的電極反應(yīng)相結(jié)合，研制出新型的傳感器，諸如變異反應(yīng)傳感器、識別革蘭陰性菌和革蘭陽性菌的傳感器等。7.微生物傳感器在環(huán)境中的應(yīng)用實(shí)例在環(huán)境監(jiān)測生物傳感器中，一般將整個微生物細(xì)胞如細(xì)菌、酵母、真菌用做識別元件。這些微生物通常從活性泥狀沉積物、河水、瓦礫和土壤中分離出術(shù)。利用微生物的新陳代謝機(jī)能發(fā)展的微生物傳感器可進(jìn)行污染物的檢定和分析。第四十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日（1）BOD微生物傳感器：該傳感器有氧電極和微生物固定膜組成。當(dāng)加入有機(jī)物時，固定化的微生物分解有機(jī)物，致使微生物呼吸作用增加，從而導(dǎo)致溶解氧減少，因而使氧電極電流響應(yīng)下降，直到被測溶液向固化微生物膜擴(kuò)散的氧量與微生物呼吸消耗的氧量之間達(dá)到平衡，使得到相應(yīng)的穩(wěn)定電流值（2）藻類污染的監(jiān)測：一種名叫查頓埃勒的浮游生物是引起赤潮的重要物種，國外已研究出監(jiān)測這種浮游生物的生物傳感器。原理為檢測這種生物或共代謝產(chǎn)物產(chǎn)生的化學(xué)發(fā)光。（3）硫化物微生物傳感器：常用于硫化物的測定方法為分光光度法和碘量法，前者顯色條件不易控制、操作煩瑣；后者試劑消耗量大、成本高。微牛物傳感用法是一種設(shè)備簡單、操作簡便、成本低的新方法。第四十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日9.3.3免疫傳感器免疫傳感器是將免疫測定技術(shù)與傳感技術(shù)相結(jié)合的一類新型生物傳感器。免疫傳感器依賴于抗原和抗體之間特異性和親和性，利用抗體檢測抗原或利用抗原檢出抗體?？贵w之間的特異性結(jié)合46第四十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日2.免疫傳感器的結(jié)構(gòu)免疫傳感器在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)生物傳感器一樣，可分為生物敏感元件、換能器和信號數(shù)據(jù)處理器三部分。生物敏感元件是固定抗原或抗體的分子層；換能器是將識別分子膜上進(jìn)行的生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成光、電信號；信號數(shù)據(jù)處理器則將電信號放大、處理、顯示或記錄下來。當(dāng)待測物與分子識別元件特異性結(jié)合后，所產(chǎn)生的復(fù)合物通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暂敵龅碾娦盘?、光信號、從而達(dá)到分析檢測的目的。

免疫傳感器結(jié)構(gòu)圖第四十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日3. 免疫傳感器的特點(diǎn)與傳統(tǒng)儀器相比，免疫傳感器具有如下的優(yōu)點(diǎn)：①抗原-抗體特異性結(jié)合決定了免疫傳感器的高靈敏度，不受其他干擾，降低了檢出下限；②檢測時間短，通常只需要幾分鐘或幾十分鐘；③免疫傳感器成本低，易于被檢測部門和企業(yè)接受④免疫傳感器輕巧方便，可隨身攜帶；⑤操作簡便，不需專業(yè)培訓(xùn)。48第四十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日圖中2、3兩室間有固定化抗原膜，而1、3兩室之間沒有固定化抗原在1、2兩室內(nèi)注入0.9%的生理鹽水，當(dāng)在3室內(nèi)倒入食鹽水時，1、2室內(nèi)電極間無電位差。若3室內(nèi)注入含有抗體的鹽水時，由于抗體和固定化抗原膜上的抗原相結(jié)合，使膜表面媳婦了特異的抗體，而抗體是具有電荷的蛋白質(zhì)，從而使抗原固定化膜帶電狀態(tài)發(fā)生變化，因此1、2室內(nèi)的電極間有電位差產(chǎn)生。

免疫傳感器原理圖免疫傳感器的基本原理是免疫反應(yīng)，利用抗體能識別抗原并與抗原結(jié)合的功能而制成的生物傳感器稱為免疫傳感器。它是利用固體化抗體（或抗原）膜與相應(yīng)的抗原（或抗體）的特異反應(yīng)，此反應(yīng)的結(jié)果使生物敏感膜的電位發(fā)生變化。下圖為這種免疫傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。第四十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日

免疫傳感器的種類把免疫傳感器的敏感膜與酶免疫分析法結(jié)合起來進(jìn)行超微量測量。它是利用酶為標(biāo)識劑的化學(xué)放大?；瘜W(xué)放大就是指微量酶（E）使少量基質(zhì)（S）生成多量生成物（P）。當(dāng)酶是被測物時，一個E應(yīng)相對許多P，測量P對E來說就是化學(xué)放大，根據(jù)這種原理制成的傳感器稱為酶免疫傳感器。右表中列出了目前的一些免疫傳感器。第五十頁，共七十七頁，2022年，8月28日4. 免疫傳感器的分類免疫傳感器主要有：酶免疫傳感器、電化學(xué)免疫傳感器（電位型、電流型、電導(dǎo)型、電容型）、光學(xué)免疫傳感器（標(biāo)記型、非標(biāo)記型）、壓電晶體免疫傳感器、表面等離子共振型免疫傳感器和免疫芯片等。第五十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日①光學(xué)免疫傳感器對一個生物系統(tǒng)的反應(yīng)物或產(chǎn)物吸收或發(fā)出的電磁射線進(jìn)行測定已在免疫傳感器中流行起來，其中所用的是一批最大而且或許是最有前途的換能器，稱為光學(xué)換能器。光學(xué)免疫傳感器可分為間接式（有標(biāo)記）和直接式（無標(biāo)記）兩種。前者一般是用酶或熒光作標(biāo)記物來提供檢測信號，但因?yàn)槭軝z測的光水平較低，所以需要復(fù)雜的檢測儀器。后者占了目前使用的光學(xué)免疫傳感器中絕大部分，包括衰減式全內(nèi)反射、橢圓率測量法、表面等離子體共振（SPR）、單模雙電波導(dǎo)、光纖波導(dǎo)、干擾儀和光柵藕合器等多種形式。②壓電晶體免疫傳感器壓電石英晶體免疫傳感器是利用石英晶體對質(zhì)量變化的敏感性，結(jié)合生物識別系統(tǒng)（抗原抗體特異性結(jié)合）而形成的一種自動化分析檢測系統(tǒng)，具有靈敏度高、特異性好、響應(yīng)快、小型簡便等特點(diǎn)。52第五十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日③表面等離子體共振型免疫傳感器如右圖所示，該傳感器包括一個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。一束橫向的磁化單向偏振光入射到棱鏡的一個面上，被金屬層反射，到達(dá)棱鏡的另一面。反射光束的強(qiáng)度可以測量出來，用來計算入射光束的入射角θ的大小。反射光的強(qiáng)度在某一個特殊的入射角度Φsp突然下降，就在這個角度，入射光的能量與由金屬-絕緣體交接面激勵產(chǎn)生的表面等離子共振（或“SPR”）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)會發(fā)生改變。折射系數(shù)依賴于絕緣物質(zhì)和沉淀膜的厚度和密度的大小。測試陷波角的值，沉淀膜的厚度和密度就可以推導(dǎo)出來。表面等離子體共振型免疫傳感器第五十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日工作原理：免疫反應(yīng)可分為特異性反應(yīng)和非特異性反應(yīng)兩個階段。特異性反應(yīng)階段，反應(yīng)在數(shù)秒種內(nèi)完成，但不出現(xiàn)可見反應(yīng)現(xiàn)象。壓電石英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，壓電石英晶體免疫傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，主要由石英晶體、頻率檢測電路和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。

壓電石英晶體免疫傳感器結(jié)構(gòu)示意圖第五十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日④電化學(xué)免疫傳感器a．電位測量式

這種免疫測試法的原理是先通過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。膜電位的變化值與待測物濃度之間存在對數(shù)關(guān)系，因此根據(jù)電位變化值進(jìn)行換算，即可求出待測物濃度。55第五十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日b．電流測量式

電流測量式免疫傳感器代表了生物傳感中高度發(fā)達(dá)的領(lǐng)域，已有部分產(chǎn)品已商品化。它們測量的是恒定電壓下通過電化學(xué)室的電流，待測物通過氧化還原反應(yīng)在傳感電極上產(chǎn)生的電流與電極表面的待測物濃度成正比。此類系統(tǒng)有高度的敏感性，以及與濃度線性相關(guān)性等優(yōu)點(diǎn)（比電位測量式系統(tǒng)中的對數(shù)相關(guān)性更易換算），很適于免疫化學(xué)傳感。第五十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日c．導(dǎo)電率測量式

導(dǎo)電率測量法可大量用于化學(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)芤旱目倢?dǎo)電率。通常是將一種酶固定在某種貴重金屬電極上（如金、銀、銅、鎳、鉻），在電場作用下測量待測物溶液中導(dǎo)電率的變化。例如，當(dāng)尿被尿激酶催化生成離子產(chǎn)物NH4+時，后者引起溶液導(dǎo)電率增加，其增加值與尿濃度成正比。5.免疫傳感器的實(shí)際應(yīng)用（1）在微生物檢測中的應(yīng)用（2）在環(huán)境污染物、重金屬檢測中的應(yīng)用57第五十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日6. 免疫傳感器的發(fā)展趨勢免疫傳感器的發(fā)展主要呈現(xiàn)以下幾個趨勢：①標(biāo)記物的種類層出不窮，從酶、熒光發(fā)展成膠乳顆粒、膠體金、磁性顆粒和金屬離子等；②向微型化、商品化方向發(fā)展，廉價的一次性傳感表面大有潛力可挖；③酶免疫傳感器、壓電免疫傳感器和光學(xué)免疫傳感器發(fā)展最為迅速，尤其是光學(xué)免疫傳感器品種繁多，目前已有幾種達(dá)到了商品化。它們代表了免疫傳感器向固態(tài)電子器件發(fā)展的趨勢；④與計算機(jī)等聯(lián)用，向智能型、操作自動化方向發(fā)展；⑤應(yīng)用范圍日漸擴(kuò)大，已深入到環(huán)境監(jiān)測、食品衛(wèi)生等工業(yè)和臨床診斷等領(lǐng)域，以后者尤為突出；⑥繼續(xù)提高其靈敏度、穩(wěn)定性和再生性，使其更簡便、快速和準(zhǔn)確。隨著分子生物學(xué)、材料學(xué)、微電子技術(shù)和光纖化學(xué)等高科技的迅速發(fā)展，免疫傳感器會逐步由小規(guī)模制作轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模批量生產(chǎn)，并在大氣監(jiān)測、地質(zhì)勘探、通訊、軍事、交通管理和汽車工業(yè)等方面起著日益廣泛的作用。第五十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日9.3.4基因傳感器1. 基因傳感器的原理及分類所謂基因傳感器，其原理就是通過固定在傳感器或稱換能器探頭表面上的己知核昔酸序列的單鏈DNA分子（也稱為ssDNA探針），和另一條互補(bǔ)的ssDNA分子，也稱為目標(biāo)DNA雜交，形成的雙鏈DNA（dsDNA）會表現(xiàn)出一定的物理信號，最后由換能器反應(yīng)出來。目前研究和開發(fā)的基因傳感器從信息轉(zhuǎn)換手段可區(qū)分為電極電化學(xué)式、壓電式、石英晶體振蕩器（QCM）質(zhì)量式、場效應(yīng)管式、光尋址式、表面等離子諧振（SPR）光學(xué)式DNA傳感器等。第五十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日2. 電化學(xué)基因傳感器電化學(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，此時電極上的ssDNA控針與溶液中的互補(bǔ)序列的目標(biāo)DNA單鏈分子雜交，原理如下圖。

電化學(xué)基因傳感器檢測原理示意圖60第六十頁，共七十七頁，2022年，8月28日3. 壓電基因傳感器壓電基因傳感器是把聲學(xué)、電子學(xué)和分子生物學(xué)結(jié)合在一起的新型基因傳感器。它的基本原理如下圖所示。換能器在壓電介質(zhì)中激發(fā)聲波，以聲波作為檢測的手段。對壓電傳感器，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Δ?=-ｋ?02Δｍ/Ａ其中ｋ是和器件材料有關(guān)的常數(shù)，對不同的聲波振動模式，k的具體表達(dá)式會有所不同。?0是反應(yīng)前傳感器的頻率，Ａ是反應(yīng)區(qū)域的面積。負(fù)號表示質(zhì)量的增加會引起頻率的降低。壓電基因傳感器的檢測方式可以分為主動式和被動式兩種。壓電基因傳感器示意圖第六十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日4.質(zhì)量式基因傳感器質(zhì)量式基因傳感器是以石英晶體振蕩器（QCM）為換能器，與電化學(xué)基因傳感器一樣，也是將單鏈的DNA探針固定在電極表面上，且固定的方法也與前者相同，然后浸入含有被測目標(biāo)ssDNA分子的溶液中，當(dāng)電極上的ssDNA探針與溶液中的互補(bǔ)序列的目標(biāo)ssDNA分子雜交，QCM的振蕩頻率就會發(fā)生變化。5.場效應(yīng)管基因傳感器它是在場效應(yīng)管的柵區(qū)固定一條含有十幾到上千個核苷酸單鏈DNA片段當(dāng)待測物分子與敏感柵作用時，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，使閾電壓偏移，其改變量ΔVT，可用ID保持恒定時的漏電壓表示。該傳感器的靈敏度可達(dá)ppb級，響應(yīng)時間小于10s，便于多道測量，可微型化，實(shí)現(xiàn)在體測量。第六十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日6. 光尋址基因傳感器該傳感器是電解質(zhì)、絕緣層、半導(dǎo)體硅襯底三層結(jié)構(gòu)，當(dāng)在電解質(zhì)溶液與半導(dǎo)體襯底之間放加直流偏置電壓，用調(diào)制光束照射時，外部光電流與偏壓及照射部位對應(yīng)的光電流有關(guān)。7. SPR（SurfacePlasmaResonance）基因傳感器光學(xué)方法是最成熟和最好生物敏感技術(shù)，因?yàn)樗袃蓚€最重要的優(yōu)點(diǎn)：非破壞性和高靈敏感度。8. 基因傳感器的應(yīng)用實(shí)例（1）病毒感染類疾病的診斷（2）基因遺傳病的診斷63第六十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日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)被測物吸附到生物敏感層后，微懸臂梁表面應(yīng)力或共振頻率發(fā)生變化。通過檢測微懸臂梁的彎曲變形或共振頻移就可以測吸附到敏感層上的生物分子。9.3.5微懸臂梁生物傳感器第六十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日微懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式微懸臂梁具有多種結(jié)構(gòu)形式，不同結(jié)構(gòu)一般具有不同的用途。圖9-14所示為幾種微懸臂梁的常規(guī)形狀，圖（a）所示為矩形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)加工方便，使用也最廣泛；圖（b）所示為T形結(jié)構(gòu)，它是為了增加反射面積；圖（c）所示U形結(jié)構(gòu)增加微懸臂梁形變，一般用于加速度計；圖（d）所示三角形結(jié)構(gòu)微懸臂梁一般用于AFM，它的頂端有一個三角錐；音叉形微懸臂梁結(jié)構(gòu)（圖（e））主要用在角速度的檢測上；圖（f）所示橋式結(jié)構(gòu)一般用于壓力測量。微懸臂梁的幾種常規(guī)形狀65第六十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日2. 微懸臂梁的工作模式微懸臂梁具有兩種基本工作模式，分別是彎曲模式和共振模式，它們也分別被稱為靜態(tài)模式和動態(tài)模式，如圖所示。微懸臂梁的兩種工作模式第六十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日(1)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，通過檢測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。(2)共振模式－動態(tài)模式微懸臂梁的共振模式是通過檢測微懸臂梁共振頻率的變化得到引起其共振頻率變化的物理量或化學(xué)量。3.微懸臂梁的激勵與檢測方法(1)微懸臂梁的激勵方法激勵微懸臂梁振動或彎曲的方法主要有光熱激勵、聲波激勵、磁致激勵和壓電機(jī)械激勵等四種。67第六十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日①光熱激勵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時間/溫度的函數(shù)關(guān)系，如果調(diào)制激光束的密度，就會驅(qū)動微懸臂梁周期性地彎曲。②聲波激勵是用一個小型揚(yáng)聲器產(chǎn)生聲波，聲波通過空氣傳播到微懸臂梁后就會在微懸臂梁上造成壓力差，迫使微懸臂梁振動。但是在液體環(huán)境中，液體的流動會造成聲波共振，這就對微懸臂梁的檢測產(chǎn)生一定影響。③磁致激勵是利用螺線管產(chǎn)生外部磁場，外部磁場直接激勵微懸臂梁振動。④壓電激勵是目前最常使用的激勵微懸臂梁振動的方法，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，壓電疊堆由于逆壓電效應(yīng)，會產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械變形，從而帶動微懸臂梁振動。第六十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日3.微懸臂梁形變的檢測方法外界環(huán)境的改變或者施加作用力會引起微懸臂梁的形變，要得到環(huán)境改變的情況或者作用力的大小，需要對該形變進(jìn)行定量檢測，一般來說，檢測微懸臂梁的微小彎曲有以下幾種方法：光反射法、激光干涉法、電容法、壓阻法和壓電法。69第六十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日4.微懸臂梁傳感器的應(yīng)用實(shí)例微懸臂梁最初是用于微小力的檢測，主要是用在AFM上，近年來隨著微懸臂梁傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，它的測量對象越來