传感器技术及其工程应用金发庆第9章节生物波机器人指纹传感器

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1、第9章生物、波、机器人、指纹传感器9.1生物传感器9.2微波传感器9.3超声波传感器9.4机器人传感器9.5指纹传感器9.6实训9.1生物传感器9.1生物传感器9.1.1概述1.生物传感器及其分类生物传感器是利用各种生物或生物物质做成的，用以检测与识别生物体内的化学成份的传感器。生物或生物物质是指酶、微生物、抗体等，它们的高分子具有特殊的性能，能精确地识别特定的原子和分子。生物传感器一般是在基础传感器上再耦合一个生物敏感膜，也就是说生物传感器是半导体技术与生物工程技术的结合，是一种新型的器件。溶液中被测定的物质，经扩散作用进入生物

2、敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应。其所产生的信息可通过相应的化学或物理换能器转变成可定量和可显示的电信号，就可知道被测物质的浓度。2.分子识别功能及信号转换表9-1列出了具有分子识别能力的主要生物物质。生物传感器的信号转换方式主要有以下几种：（１）化学变化转换为电信号方式；（２）热变化转换为电信号方式；（３）光变化转换为电信号方式；（４）直接诱导电信号方式。表9-1具有分子识别功能的生物物质生物物质被识别的分子酶底物，底物类似物抑制剂辅酶抗体抗原，抗原类似物结合蛋白质维生素H,维生素A等植物凝血素糖链，具有糖链的分子或细胞激素受

3、体激素3.生物物质的固定化技术使生物敏感物质附着于膜上或包含于膜之中,在技术上称为固定化。（1）化学固定法化学固定法是在感受体与载体之间、或感受体相互之间至少形成一个共价键，能将感受体的活性高度稳定地固定。（2）物理固定法物理固定法是感受体与载体之间、或感受体相互之间，根据物理作用即吸附或包裹进行固定。9.1.2生物传感器的工作原理及结构1.酶传感器酶传感器的基本原理是用电化学装置检测酶在催化反应中生成或消耗的物质（电极活性物质），将其变换成电信号输出。固定化酶传感器是由Pt阳极和Ag阴极组成的极谱记录式H2O2电极与固定化酶膜构成

4、的。通过电化学装置测定由酶反应生成或消耗的离子，通过电化学方法测定电极活性物质的数量，以测定被测成分的浓度。2.葡萄糖传感器测定血液和尿中葡萄糖浓度对糖尿病患者做临床检查是很必要的。现已研究出对葡萄糖氧化反应起一种特异催化作用的酶—葡萄糖氧化酶（GOD），并研究出用它来测定葡萄糖浓度的葡萄糖传感器，如图9-1所示。图9-1葡萄糖酶传感器3.微生物传感器酶传感器是利用单一的酶，而微生物传感器是利用多种酶有关的高度机能的综合即复合酶。微生物的种类是非常多的，菌体中的复合酶、能量再生系统、辅助酶再生系统、微生物的呼吸及新陈代谢为代表的全部

5、生理机能都可以加以利用。用微生物代替酶，有可能获得具有复杂及高功能的生物传感器。微生物传感器是由固定化微生物膜及电化学装置组成，如图9-2所示。微生物膜的固定化法与酶的固定方式相同。微生物固定化膜封闭式氧电极或CO2电极被测物质氧消耗变化(呼吸机能)电信号图9-2微生物传感器基本结构(a)微生物固定化膜电化学敏感电极被测物质新陈代谢变化(代谢机能)电信号图9-2微生物传感器基本结构(b)由于微生物有好气（O2）性与厌气（O2）性之分（也称好氧反应与厌氧反应），所以传感器也根据这一物性而有所区别。好气性微生物传感器将微生物呼吸量转化为

6、电流值来测定。厌气性微生物传感器，利用CO2电极或离子选择电极测定代谢产物。4.免疫传感器抗原是能够刺激动物机体产生免疫反应的物质。抗体是由抗原刺激机体产生的具有特异免疫功能的球蛋白，又称免疫球蛋白。免疫传感器是利用抗体对抗原结合功能研制成功的，如图9-3所示。图9-3免疫传感器结构原理抗原与抗体一经固定于膜上，就形成具有识别免疫反应强烈的分子功能性膜。根据抗体膜的膜电位的变化，就可测定抗原的吸附量。5.半导体生物传感器半导体生物传感器是由半导体传感器与生物分子功能膜、识别器件所组成。通常用的半导体器件是酶光电二极管和酶场效应管（F

7、ET），如图9-4和图9-5所示。因此，半导体生物传感器又称生物场效应晶体管（BiFET）。图9-4酶光电二极管图9-5酶场效应管最初是将酶和抗体物质（抗原或抗体）加以固定制成功能膜，并把它紧贴于FET的栅极绝缘膜上，构成BiFET，现已研制出酶FET、尿素FET、抗体FET及青霉素FET等。6.多功能生物传感器要求传感器能象细胞检测味道一样能分辨任何形式的多种成分的物质，同时测量多种化学物质，具有这样功能的传感器称为多功能传感器。实现这种技术的前提是各亲和物质的固定化方法。目前按电子学方法论进行生物电子学的种种尝试，这种新进展称为

8、第三代产品。9.2微波传感器9.2微波传感器9.2.1概述1.微波的性质与特点微波是波长为1mm~1m的电磁波，具有以下特点：(1)可定向辐射，空间直线传输；(2)遇到各种障碍物易于反射；(3)绕射能力差；(4)传输特性好；(5)介质