【正文】 酶分子表面的特定部位具有一定的形狀，只有特定的化合物才能與之相契合。通常一種酶只能催化一個單一的化學(xué)反應(yīng)或一組密切相關(guān)的反應(yīng)。裂縫或裂隙間的非極性結(jié)構(gòu)有利于酶與底物分子相結(jié)合，并排除水分子的進(jìn)入。結(jié)合部位負(fù)責(zé)與哪種底物相結(jié)合，因而它決定了酶的專一性 [8485]。電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文10幾乎所有的酶分子中都含有－NH 3+, COOH, SH, OH 等功能基團(tuán) [8183]。但是由于抗體、微生物、組織等生物活性材料在制作的成本、工藝過程的難易、活性成分的流失性等方面存在的種種問題，相對來說，酶在生物傳感器中的應(yīng)用無論是從廣度還是從深度上都是生物活性材料中關(guān)注最多者之一。第二章 離子敏場效應(yīng)管和壓電晶體生化傳感器的工作原理及制作9第二章 離子敏場效應(yīng)管和壓電晶體生化傳感器的工作原理及制作 生化傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，它是利用酶(酵素)或其它敏感材料作為生化傳感器的敏感構(gòu)件，把產(chǎn)生的各種生化反應(yīng)通過適當(dāng)?shù)膿Q能器轉(zhuǎn)化為可以檢測的電信號、光信號、聲信號的一種裝置或系統(tǒng)。并從敵敵畏與 PEDOT 膜相互作用的關(guān)系方面進(jìn)行了解釋。發(fā)現(xiàn)當(dāng)敵百蟲的濃度在 ppm 的濃度范圍內(nèi)，BuChEPVP 膜壓電晶體生物傳感器的頻率變化與敵百蟲濃度有良好的線性關(guān)系。通過在柵極開槽部分電沉積導(dǎo)電聚合物 PEDOT 膜。由于厚度的增加使得紫外光譜的吸光度大大增加而用在膽堿的檢測等方面，成功的檢測了三種膽堿飼料，其相對誤差都在 5%以內(nèi)。第三章 電子聚合物膜及電子聚合物固定化酶膜的制備與表征 通過對電子聚合物膜和電子聚合物固定化酶成膜條件的研究，找到了它們最佳的成膜條件如下：1. 制備導(dǎo)電聚合物膜的最佳聚合反應(yīng)條件為：單體與氧化劑的摩爾比 為 1：4， 反應(yīng)溫度 5 ℃。本課題根據(jù)當(dāng)今愈來愈烈的生化恐怖事件的形勢，采用當(dāng)前處在前沿應(yīng)用研究領(lǐng)域的電子聚合物材料來制作具有生化敏感的膜和生化傳感器既符合當(dāng)前形勢的需要，又能對電子聚合物在傳感器應(yīng)用方面的研究作出一點貢獻(xiàn)。目前，聲表面波生物傳感器的研電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文6究還處在初級階段，由于它所表現(xiàn)出來的其它傳感器所不能具有的高靈敏度，在今后一段時期一定會有較快的發(fā)展。1979 年，Wohltjen 和 Dessy[69]發(fā)表了 1 篇將 SAW 器件用作氣體傳感器的論文，他們提出采用 ST 切石英或 LiNbO3 的聲表面波（SAW）器件來檢測氣相色譜。由于壓電效應(yīng)的存在，可以利用金屬換能器把電信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)(幅度和頻率)的聲波信號，然后利用逆壓電效應(yīng)通過接收換能器把聲波重新轉(zhuǎn)換為電信號。這種光纖免疫生物傳感器不僅體積小，而且可遠(yuǎn)距離操作。1997 年 Marazuela 等人 [62]報道基于熒光指示劑的光纖 pH 生物傳感器，第一章 緒論5展示了光纖生物傳感器在人體內(nèi)應(yīng)用的前景。光學(xué)生物傳感器中發(fā)展最迅速的是光纖型生物傳感器，它除靈敏度高、尺寸小、制作使用方便外，還在于檢測中不受外界電磁場的干擾。 壓電晶體生物傳感器具有較高的靈敏度( ng 級)、較好的選擇性及響應(yīng)快速等特點，既能用于液相環(huán)境又能用于氣相環(huán)境，并有可能發(fā)展成無線遙測式生物傳感器 [60]。Yasushi 等人 [55]報道了檢測乙醇和 James[56]報道了檢測二氧化碳的壓電晶體生化傳感器，這兩種物質(zhì)含量的檢測在臨床醫(yī)學(xué)中具有重要意義。壓電生物傳感器具有以下特點：質(zhì)量響應(yīng)靈敏、特異性高、簡便快速、樣品無需標(biāo)記、方法易于自動化、集成化。這些 BLM 膜具有類似液態(tài)的動態(tài)結(jié)構(gòu)，處于亞穩(wěn)態(tài)，由它代替用 LB 技術(shù)制成的處于固態(tài)的、剛性的層狀結(jié)構(gòu)，必將引起 FET 生物傳感器的新發(fā)展。以青霉素 FET 生物傳感器為例，其所需酶量僅為 2. 5 ?10－4 單位，這對于一些價值昂貴的生物活性材料而言意義重大。 或在硅片上用制作集成電路的方法，把幾種敏感器件集成在一起，獲得多功能的生物敏感場效應(yīng)晶體管( BIOSFET)[5052]。上層膜與 REFET 外被覆蛋白膜具有相同的組份，與 ENFET 的下層膜相比不含有 GOD，這樣可以消除由于蛋白膜表面蛋白質(zhì)吸附所引起的 FET 輸出電位變化的影響，從而大大提高測量的準(zhǔn)確性。這一傳感器的主要優(yōu)點在于它提供了在共同 pH 環(huán)境中的參考電位，省去了其他傳感器所必需的外部巨大的參比電極，大大減小了傳感器的體積，并提高了靈敏度。 場效應(yīng)管型生化傳感器場效應(yīng)管生物傳感器(FET)是用生化機(jī)能性膜代替絕緣柵型場效應(yīng)管的金屬柵電極，把生物機(jī)能性膜與溶液或氣體界面的電位(或電荷)變化，反映到漏極的電流變化上，從而實現(xiàn)檢測的目的。根據(jù)未來生物戰(zhàn)與化學(xué)戰(zhàn)的發(fā)展趨勢，本課題選擇當(dāng)前研究最熱的材料之一－電子聚合物材料來固定生物活性分子酶，探索出新的酶固定化技術(shù)；并制備出這種電子聚合物固定化的酶電極生物傳感器，通過優(yōu)化生化傳感器的制作技術(shù)來提高酶電極生物傳感器的靈敏度、選擇性和抗干擾能力等性能。生物傳感器還可通過測定炸藥、火箭推進(jìn)劑的降解情況來發(fā)現(xiàn)敵人庫存的地雷、炮彈、炸彈、導(dǎo)彈等的數(shù)量和位置。海灣戰(zhàn)爭表明，在和平時期和軍事沖突期間，軍隊必需具有先進(jìn)的評估毒劑和危險劑存在的能力。半導(dǎo)體器件固然有驚人的能力，能夠制成光傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等等，但是它不能識別有機(jī)分子和構(gòu)象復(fù)雜的分子。(5) 首次自行設(shè)計和制作了具有不同電極面積的壓電晶體傳感器，通過沉積具有不同導(dǎo)電性的聚合物膜來篩選敏感材料，發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率高的電子聚合物膜對敵敵畏的毒劑環(huán)境具有更高的靈敏度，其線性響應(yīng)范圍從 ppm 到 25 ppm，并對其敏感機(jī)理和電學(xué)參量電容的模擬計算進(jìn)行了研究。制備出了 PEDOT 固定化的膽堿酯酶場效應(yīng)管傳感器，搭建了一種能用 ENFET 傳感器進(jìn)行敵敵畏（DDVP）檢測的測試系統(tǒng)，并對這種 ENFET 傳感器的工作原理和敏感特性進(jìn)行了一系列研究。不僅在材料新穎性方面和器件的設(shè)計和制作方面都有自己的獨特之處，而且在敏感膜的制備和材料的敏感機(jī)理等方面都有新的獨到的發(fā)現(xiàn)。中文摘要I中 文 摘 要 隨著人們環(huán)保意識的加強(qiáng)和人類可持續(xù)性發(fā)展的需要，對各種能監(jiān)測環(huán)境中有毒有害物的傳感器的需求越來越大。本論文主要涉及的研究內(nèi)容包括如下幾個方面：(1) 采用化學(xué)方法和電化學(xué)方法制備了電子聚合物（PEDOT）和電子聚合物酶膜。(3) 基于傳統(tǒng)的離子敏器件（ISFET）的基礎(chǔ)上，首次自行設(shè)計和制作了陣列型的 H＋ 離子敏的電荷流動型場效應(yīng)管，通過在開槽敏感柵上電化學(xué)沉積電子聚合物 PEDOT 薄膜，來檢測對 H＋ 的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)這種 H＋ 離子敏的電荷流動型場效應(yīng)管對 H＋ 離子的靈敏度高達(dá) ?；谏鲜鲅芯浚瑢?PEDOT 和膽堿酯酶所構(gòu)成的生物電子材料在壓電晶體傳感器、離子敏場效應(yīng)管傳感器、電荷流動型場效應(yīng)管傳感器等器件上的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，并最后對所制備的傳感器的進(jìn)一步研究和應(yīng)用作出了展望。而人體中的各種酶卻能認(rèn)識某種特定的物質(zhì)，并能促使產(chǎn)生某一生化反應(yīng)，其抗體也有類似的性能。為此，美國陸軍實驗室(ARL)正在進(jìn)行眾多的生物化學(xué)傳感計劃，美國科學(xué)院和陸軍研究委員會經(jīng)過長達(dá) 4 年的深入研究、于去年提出了一項題為《21 世紀(jì)陸軍的戰(zhàn)略性技術(shù)》的報告，該報告預(yù)計未來二三十年需要大力發(fā)展的 8 大領(lǐng)域的高技術(shù)，其中軍事生物傳感系統(tǒng)、生物電子學(xué)系統(tǒng)、戰(zhàn)場疾病診斷及防治技術(shù)等領(lǐng)域，排列第四位。這樣我們不難看出，它可以用在化學(xué)或生物戰(zhàn)防御、在海上(如反潛艇)和陸上(如爆炸物嗅探器) 的威脅探測，污染物的評估和生物變質(zhì)有機(jī)體的鑒別等關(guān)乎國計民生的重要領(lǐng)域。電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文2 生化傳感器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢20 世紀(jì) 80 年代中期至 90 年代，由于生物技術(shù)、生物電子學(xué)和微電子學(xué)之間不斷滲透融合，生物傳感器技術(shù)已形成為獨立的新興的高科技領(lǐng)域，受到各個國家的高度重視。隨著近年來微制作技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)ET 生物傳感器特別是酶（enzyme）場效應(yīng)管生物傳感器被認(rèn)為是發(fā)展微型生物傳感器的有效手段的手段之一。 日本 NEC 公司的 N. Ito 等人 [46]利用 NEC 公司生產(chǎn)的硅一藍(lán)寶石場效應(yīng)管(SOS/FET)設(shè)計了一種 SOS/離子選擇性 FET 葡萄糖生物傳感器。生物傳感器上蛋白膜的包覆可在 FET 半導(dǎo)體加工過程中實現(xiàn)。這些FET 生物傳感器具有如下優(yōu)點: (1) 因采用集成電路技術(shù)，可以實現(xiàn)生物傳感器的超小型化，可直接植入人體進(jìn)行連續(xù)的實時測量。但作為微型化的生物傳感器，F(xiàn)ET 生物傳感器仍需解決諸如封裝技術(shù)、消毒、安全、有效排除有機(jī)沉積物和校正等主要問題。 壓電生化傳感器壓電生化傳感器是利用壓電晶體作為信號轉(zhuǎn)換器，將生物活性物質(zhì)（如：DNA、抗體/抗原、酶、微生物細(xì)胞等）作為識別分子，把生物、化學(xué)反應(yīng)的高選擇性和壓電石英晶體對質(zhì)量變化的靈敏性結(jié)合在一起而形成的一種新型傳感器。 1983 年 Giuilbault 等人 [54]報道了一個檢測甲醛氣體的酶壓電晶體生物傳感器，它是在一個基頻為 9MHz 的切割石英晶體表面涂上一薄層甲醛脫氫酶及輔酶因子而制成。由于免疫反應(yīng)的特異性、抗體一抗原結(jié)合物的異常穩(wěn)定性及抗體(或抗原)的分子量較大，這些優(yōu)點正好滿足了壓電晶體生物傳感器的要求，并使得免疫壓電晶體生物傳感器已成為壓電晶體生物傳感器發(fā)展的主流。今后，隨著免疫酶技術(shù)在壓電生物傳感器上的應(yīng)用，以及無線遙測壓電生物傳感器研究的深入，壓電生物傳感器將成為生物傳感器中最活躍的領(lǐng)域之一。光纖化學(xué)傳感器是指安裝在光纖端部（FOCS）的試劑相裝置, 如果將 FOCS 的試劑相換成生物活性物質(zhì), 如酶、DNA 或 RNA 片段、抗原抗體、微生物、組織和細(xì)胞器等就構(gòu)成了光纖生物傳感器。Xie 等 [63]描述了一種基于用 8羥基芘1,3,6三磺酸鈉 (HPTS)作為指示劑的熒光光纖尿素傳感器。這種新型光纖免疫生物傳感器有著無限的應(yīng)用前景。當(dāng) SAW 器件暴露在某種環(huán)境下，由于聲波的傳播受到環(huán)境因素 (如濕度、溫度、壓力、質(zhì)量、粘度等)的影響，導(dǎo)致聲波的波速(頻率或相位)發(fā)生了變化。此后，有關(guān) SAW 氣體傳感器的研制工作逐漸興起，可檢測氣體的種類也越來越多 [7075]。 本論文選題的目的與意義根據(jù)上面的所綜述的四種生化傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，結(jié)合本實驗室的實驗條件和前面課題所積淀的經(jīng)驗以及研究項目 “電子聚合物酶電極生物傳感器的研究” 的要求。開展這一課題的研究不僅對新材料在理論方面的發(fā)現(xiàn)具有重要的科研價值，而且對保護(hù)人們特別是戰(zhàn)士的生命財產(chǎn)安全具有重要的社會價值。 反應(yīng)時間 35 min。第五章 電子聚合物基酶場效應(yīng)管生物傳感器的性能研究 通過在自己設(shè)計的耗盡型 NMOS 管的柵區(qū)位置沉積電子聚合物 PEDOT 固定化的膽堿酯酶膜來檢測這種場效應(yīng)管對有機(jī)磷毒劑敵敵畏的響應(yīng)。發(fā)現(xiàn)不同濃度的 H+誘導(dǎo)生成的PEDOT 膜具有不同的結(jié)構(gòu)，使得膜中具有不同的 H+通道數(shù)。通過對 BuChEPVP 傳感器進(jìn)行的樣品檢測和干擾實驗證明，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過 5%，比敵百蟲濃度高十幾倍的 CO、NO H 2S、SO 2等大氣中主要污染氣體對其幾乎沒有影響。同時通過對等效電路的分析計算了導(dǎo)電性的聚合物與敵敵畏相互作用過程中其電容的變化情況。要了解這類傳感器除了要了解其特殊器件的特殊的工作原理之外，對其基礎(chǔ)的原理部分更應(yīng)該首先掌握。因而本研究中所用的生物活性材料除特殊說明外，都是指酶。但并不是所有這些功能基團(tuán)都與酶的活性有關(guān)，只有某些特定的功能基團(tuán)才與催化作用直接相關(guān)，這種與酶的催化作用直接相關(guān)的化學(xué)基團(tuán)叫做酶的必需基團(tuán)。催化部位負(fù)責(zé)酶的催化反應(yīng)，因而決定了酶的高效催化性 [8687]。但是當(dāng)水分子本身也參與反應(yīng)時，裂縫中與會含有必要的極性基團(tuán)。對酶和底物的這種特異性的結(jié)合機(jī)制曾經(jīng)提出過幾種不同的假說，如鎖鑰學(xué)說 [90]、誘導(dǎo)契合學(xué)說 [91]、過渡態(tài)中間物 [92]等。也就是說，酶與底物在表。它認(rèn)為整個酶分子的天然構(gòu)象是完整無缺的，且具有剛性。 酶與底物結(jié)合的機(jī)理酶對它所催化的反應(yīng)以及在底物選擇上都具有高度的專一性。在所有已知結(jié)構(gòu)的酶中，活性部位通常處于酶分子所含的裂縫或裂隙結(jié)構(gòu)中。酶的活性部位可以認(rèn)為是由結(jié)合部位和催化部位所組成。有些酶只有一條肽鏈，有些酶則有兩條肽鏈，還有些酶是由三條肽鏈組成。圖 21 生物傳感器的基本構(gòu)成 生物傳感器的生物反應(yīng)基礎(chǔ)構(gòu)成生物傳感器的生物活性材料有酶、抗體、微生物、組織等等。最后，對本課題所從事的電子聚合物固定化的酶電極生物傳感器的研究進(jìn)行了總結(jié)；并對本課題以后階段更進(jìn)一步的研究和應(yīng)用的前景進(jìn)行了展望。結(jié)果電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文8表明電導(dǎo)率越高的聚合物 PEDOT 膜對敵敵畏越敏感。第七章 敵百蟲壓電晶體生物傳感器的制備與性能測試研究 采用自組裝法制備了一種新型的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）膜固定的丁酰膽堿酯酶（BuChE）的壓電晶體敵百蟲生物傳感器。第六章 H＋ 離子敏的電荷流動型場效應(yīng)管傳感器的特性研究 設(shè)計和制作了一種新型的對 H+具有較大的敏感度的電荷流動型場效應(yīng)管。第四章 電子聚合物固定化的膽堿氧化酶膜的制備及性能測試研究 通過比較化學(xué)聚合和電化學(xué)聚合法制備的導(dǎo)電聚合物固定化的PEDOT/Chox（膽堿氧化酶）酶膜，發(fā)現(xiàn)用電化學(xué)方法制備的 PEDOT/Chox 酶膜中的酶在其表面因擁有許多的亞胺基而具有更好的活性，表面上存在的這些功能基團(tuán)大大的提高了膜的敏感特性；同時，由于酶的摻入使得導(dǎo)電聚合物 PEDOT 的鏈長增加而具有不同的特征紫外光譜，利用本方法制備的 PEDOT 膜的紫外光譜的特征峰