【正文】 也就是說，酶與底物在表。它認為整個酶分子的天然構(gòu)象是完整無缺的，且具有剛性。對酶和底物的這種特異性的結(jié)合機制曾經(jīng)提出過幾種不同的假說，如鎖鑰學說 [90]、誘導(dǎo)契合學說 [91]、過渡態(tài)中間物 [92]等。 酶與底物結(jié)合的機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。但是當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。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。催化部位負責酶的催化反應(yīng)，因而決定了酶的高效催化性 [8687]。酶的活性部位可以認為是由結(jié)合部位和催化部位所組成。但并不是所有這些功能基團都與酶的活性有關(guān)，只有某些特定的功能基團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)的化學基團叫做酶的必需基團。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。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。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。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。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行了總結(jié)；并對本課題以后階段更進一步的研究和應(yīng)用的前景進行了展望。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。結(jié)果電子科技大學博士學位論文8表明電導(dǎo)率越高的聚合物 PEDOT 膜對敵敵畏越敏感。通過對 BuChEPVP 傳感器進行的樣品檢測和干擾實驗證明，相對標準偏差不超過 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。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。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)。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)管對有機磷毒劑敵敵畏的響應(yīng)。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 通過比較化學聚合和電化學聚合法制備的導(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位置在 286nm, 而摻酶的 PEDOT/Chox 膜的紫外光譜的特征峰位置在 293nm 紅移了 7nm。 反應(yīng)時間 35 min。第二章 離子敏場效應(yīng)管和壓電晶體生化傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理 描述了常用的離子敏場效應(yīng)管和壓電晶體微天平的結(jié)構(gòu)特點，并對它們用作傳感器的工作原理進行了總結(jié)。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。在這些器件的設(shè)計與制備、傳感器敏感特性的測試等方面作了一系列的研究，旨在通過選擇與制備先進的材料、設(shè)計與制作出新的器件以期得到高靈敏、高選擇、高穩(wěn)定的生化毒劑傳感器來滿足臨床診斷、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護、軍事探測等方面的要求。 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。另外， W. Welsch 等 [80]在 1997 年就己經(jīng)成功把聲表面波傳感器應(yīng)用到免疫檢測中去，傳感器工作頻率為 345MHz,檢測血清中免疫球蛋白（IgG ）的濃度，靈敏度為 (ng mm2)，檢測限為 35pg。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]。聲表面波器件主要是通過在壓電晶體基片上制作插指電極(IDT )來實現(xiàn)聲電信號之間的轉(zhuǎn)換。當 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。壓電晶體中的粒子在受到外界應(yīng)力(剪切力和壓縮力)的作用下發(fā)生彈性振動，振動以聲波的形式在固體表面或體內(nèi)傳播。這種新型光纖免疫生物傳感器有著無限的應(yīng)用前景。美軍在 1986 年生物戰(zhàn)防護研究計劃中證實用光纖生物傳感器可檢測病毒和細菌戰(zhàn)劑 [6768]，他們使用抗體或受體光纖波導(dǎo)生物傳感器來檢測生物毒素和病原微生物，15 min 即可得出結(jié)果。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。 自從 1980 年 Peterson 等人 [61]報道光纖 pH 生物傳感器以來，由于具有非電特征、機械柔韌性和不必采用麻煩的參比電極等的諸多優(yōu)點，光纖生物傳感器發(fā)展較為迅速。光纖化學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、組織和細胞器等就構(gòu)成了光纖生物傳感器。使用光電設(shè)備可制備微小型、綜合型的廉價光學生物傳感器。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。此外，檢測細菌的免疫壓電晶體生物傳感器也有報道 [5859]。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。該生物傳感器具有較好的選擇性，常見的醇、醚不干擾甲醛的測定。 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。它可分為質(zhì)量響應(yīng)型和非質(zhì)量響應(yīng)型兩大類。 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、微生物細胞等）作為識別分子，把生物、化學反應(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。可以用電敏 BLM 代替 FET 的柵極，由膜中載體引起的電荷累積造成電位變化，制成 BLM/FET 生物傳感器 [53]。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、有效排除有機沉積物和校正等主要問題。(3) 生物活性材料的用量少。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，可直接植入人體進行連續(xù)的實時測量。目前所報道的 FET 生物傳感器大多利用了 LB 膜技術(shù)，在 FET 絕緣柵極上涂覆一層或多層生物功能材料 [4749]。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)。整個生物傳感器由一個酶場效應(yīng)管(ENFET)和一個參比場效應(yīng)管(REFET)組成，ENFET 外被覆雙層膜,下層是 1?m 厚的包埋有葡萄糖氧化酶(GOD、牛血清白蛋白(BSA)和戊二醛膠體混合物的固化酶膜。 日本 NEC 公司的 N. Ito 等人 [46]利用 NEC 公司生產(chǎn)的硅一藍寶石場效應(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。利用 Lehman 等人研制的 pH離子選擇性FET[44],Scheller 等人研制了響應(yīng) F－ 和 H＋ 的雙重 FET 葡萄糖傳感器 [45]。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)管生物傳感器被認為是發(fā)展微型生物傳感器的有效手段的手段之一。近年來場效應(yīng)管(FET)生物傳感器、壓電生物傳感器及光學生物傳感器發(fā)展最為迅速，本章將分析這幾種生物傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢。電子科技大學博士學位論文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 80 年代中期至 90 年代，由于生物技術(shù)、生物電子學和微電子學之間不斷滲透融合，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。日本也把生物元件列入下一代電子技術(shù)的規(guī)劃中，把它作為前沿科學來對待。這樣我們不難看出，它可以用在化學或生物戰(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)有機體的鑒別等關(guān)乎國計民生的重要領(lǐng)域。因此，美國國防部于上個世紀九十年代將生物傳感器列入國防關(guān)鍵技術(shù)，預(yù)計在十年內(nèi)制造出機器人生物傳感器。為此，美國陸軍實驗室(ARL)正在進行眾多的生物化學傳感計劃，美國科學院和陸軍研究委員會經(jīng)過長達 4 年的深入研究、于去年提出了一項題為《21 世紀陸軍的戰(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。這種生化傳感器具有很好的選擇性和很高的靈敏度。而人體中的各種酶卻能認識某種特定的物質(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。chemical sensors, HCFT sensors.目錄VII目 錄 生化傳感器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ......................................................2 場效應(yīng)管型生化傳感器 .................................................................................2 壓電生化傳感器 .............................................................................................3 光纖生化傳感器 .............................................................................................4 聲表面波生化傳感器 .....................................................................................5 本論文選題的目的與意義 ..................................................................................6 論文的主要工作內(nèi)容 ..........................................................................................6 生物傳感器的生物反應(yīng)基礎(chǔ) ..............................................................................9 酶分子的構(gòu)成 .................................................................................................9 酶與底物結(jié)合的機理 ...................................................................................10 酶的催化機理 ...............................................................................................11 常見的壓電晶體生化物傳感器中換能器的結(jié)構(gòu)及制作 .................................11 壓電元件的特性和基本結(jié)構(gòu) .......................................................................12 壓電生化傳感器的基本工作原理 ...............................................................14 離子敏場效應(yīng)管（ISFET ）器件 ....................................................................15 標準 MOS 器件的結(jié)構(gòu)和制作工藝 ............................................................15 場效應(yīng)晶體管的工作原理 ............................................................................15 離子敏場效應(yīng)管器件的設(shè)計與制作 ...........................................................18 半導(dǎo)體材料的選擇 .......