传感膜结构与性能：生物传感器中的酶传感器原理及应用

（一）气敏膜

1.气体传感器　气体传感器通常是指用来检测如CO、O2等气态物质的化学传感器。气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的。但由于气体的种类繁多，性质差异较大，所以只用一种类型的气敏传感器不可能检测所有的气体，而只能检测某一类特定性质的气体。

如利用丙烯—丁烯共聚物敏感膜元件制作的气体传感器，就是利用其与有害气体如甲苯、二甲苯、乙二醚、氯仿等有相似的溶解参数的性质，将其溶液浇注在石英晶振片表面制得气体传感器。图12-14显示了传感器系统的装置图，测量时将有害气体注射到敏感腔内，随着敏感膜上吸附气体的增加，气体传感器的频率减少，通过连接到电脑上的频率计数器测量传感器的频率随时间的变化。图12-15为传感器对浓度为2500mg/kg的各种气体的瞬时响应行为，表明此传感器特别对甲苯、二甲苯有极高的敏感性和选择性。这是由于敏感膜丙烯—丁烯共聚物的溶解参数[17（Mpa）1/2]与甲苯、二甲苯等有害气体的溶解参数[16～19（Mpa）1/2]极其接近，因而极易吸附这些有害气体。因此可以利用溶解参数相近相吸的性质选择适当的聚合物作为传感器的敏感膜材。

图12-14　传感器系统装置图

图12-15　聚丙烯—丁烯膜浇注传感器对浓度2500mg/kg的瞬时响应性

苯乙烯—氯甲基苯乙烯共聚物用多种小分子胺进行改性后成膜，可以作为甲苯气体的敏感元件。将适当链长的脂肪族二胺引入到共聚物之中，使得共聚物具有更低的氯甲基苯乙烯复合率，使得膜内形成松散的交联结构，从而增加膜的微孔体积，促进了甲苯蒸汽扩散。

2.湿度传感器　湿度传感器多数是测量气氛中的水蒸气含量，如高分子电解质薄膜湿度传感器。它是利用环境中水蒸气量的多少引起膜内的吸水量增减使离子电导率随之变化的现象。如聚苯乙烯磺酸铵是吸湿特性很强的物质，用其作感湿膜，当其吸附水分后，电离而产生阳离子和阴离子，使膜内可移动的H+离子数量增加，通电后H+离子即可参与导电。环境湿度越高，则其电阻越小，由此可测环境湿度。通过静电纺丝，将聚丙烯酸和聚乙烯醇涂覆在石英晶体微天平的电极上做成湿度传感器。当对它加以600Hz电压时，当环境湿度为6%～95%时，传感器显示出接近的频率偏移下降了659Hz。在相对湿度为20%～95%时，频率漂移的对数和相对湿度有着良好的线性关系。传感器在各个湿度的频率漂移值在一个月内的变化小于6%，可以表明此传感器具有长期稳定的特点。

3.味觉传感器　味觉由酸味、咸味、甜味、苦味、鲜味等五种基本物质组成。酸味由氢离子引起，如盐酸、氨基酸、柠檬酸等；咸味主要是由NaCl引起的；甜味主要是由蔗糖、葡萄糖等引起的；苦味是由奎宁—咖啡因等引起的；鲜味是由海藻中的谷氨酸单钠、鱼和肉中的肌苷酸二钠、蘑菇中的钨苷酸二钠等引起的。在味觉系统中，舌头表面味蕾上的味觉细胞的生物膜可以感受味觉。味觉物质被转换为电信号，经神经纤维传至大脑，这样我们就感受到了味觉。味觉传感器的一种有效的方法是使用类似于生物系统的材料作传感器的敏感膜。当类脂薄膜的一侧与味觉物质接触时，膜两侧的电势将发生变化，从而对味觉物质产生响应，且可检测出各种味觉物质之间的相互关系，并具有类似于生物味觉感受的相同方式，即具有仿生性。用类脂膜作为味觉物质换能器的味觉传感器能够以类似个人的味觉感受相同的方式检测出味觉物质。目前，从不同的机理看，味觉传感器大致有以下几种：多通道类脂膜传感器、基于表面等离子体共振、表面光伏电压技术等。图12-16为味觉传感器系统示意图。味觉传感器由类脂制成。当味觉物质在薄膜上被吸收，数据便通过类脂膜上电位的变化获得。此时，为代替不同特性的味觉细胞，选择不同类脂作为薄膜材料制备不同特性的味觉传感器。味觉传感器可以对许多化学物质有敏感性，可以检测出水的软硬度及其中是否含有有害物质。目前，味觉传感器主要用于对食物味道的量化和对水质量的评定，而将其和电子鼻的集成化可应用于更广泛的领域。不久的将来，味觉传感器可能会应用于水质环境检测，及对工厂排水污染物的检测。

图12-16　味觉传感器系统示意图

（二）生物传感膜

生物传感器是基于生物反应进行检测的一类化学传感器，主要由分子识别元件和信号转换元件组成。分子识别元件对样品中的待测物进行选择性识别，产生的信号由信号转换元件转变为可测定的电信号从而实现对待测物质的定量测定，其组成如图12-17所示。生物传感器的选择性好坏完全取决于它的敏感元件，可用作敏感元件的物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等。根据所用敏感物质可将生物传感器分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。按对输出电信号的不同测量方式，又可分为电位型生物传感器、电流型生物传感器和伏安型生物传感器。(www.xing528.com)

图12-17　生物传感器原理

图12-18　酶电极的结构

电化学生物传感器中，酶传感器最具代表性。酶电极是以固定化酶为分子识别元件、电化学电极为信号转换器件的电极。它既有酶的分子识别功能和选择催化功能，又具有电化学电极响应快、操作简便的优点。酶电极的结构如图12-18所示，它是在化学电极的敏感面上组装固定化酶膜。当酶膜上发生酶促反应时产生的电极活性物质，将由基础电极对之响应。

在生物传感器发展的早期，酶传感器首先应用于葡萄糖的检测分析。随后这一技术引起化学、生物学、临床、环境、食品等领域科学工作者的高度重视，从而得到迅速发展。最初的酶电极大都是以氧和二茂铁等物质作为媒介的电催化，现在发展最快的是酶传感器，是酶在电极上的直接电催化。该种酶传感器无需加入其他试剂，而利用酶与电极间的直接电子转移，减少了操作步骤，是目前酶传感的重要发展方向之一。但酶通常具有较大分子量，其电活性中心深埋在分子的内部，且在电极表面吸附后易发生变形，所以酶与电极间难以直接进行电子转移。到目前为止，仅有少数相对分子质量较小的酶如过氧化物酶、氧化酶、氢化酶和脱氢酶、超氧化物歧化酶等能够在电极上直接进行有效的电子转移。以浸蜡石墨电极为基体电极，将β-环糊精与环氧氯丙烷的交联聚合物（β-CDP）与亚甲蓝的超分子包合物（CMlC）和酶固定在电极上，可制成该生物传感器。由于超分子包合物的形成将原本极易溶于水的电子转移介体—亚甲蓝固定在电极上，有效地减少了其流失，提高了该生物传感器的稳定性和寿命。该生物传感器对过氧化氢有电催化还原作用，还原电流增加的幅度与过氧化氢的浓度成正比，据此可实现对过氧化氢的定量测定。研究发现用戊二醛将适合检测金属离子的氧化酶固定在膜的表面，然后将膜放置在溶解氧传感器上做探头，可以用来测定重金属离子的浓度如Hg2+和Ag+。以丙酮酸氧化酶传感器为例，当溶液中HgCl2浓度为1.0μmol/L或者AgNO3的浓度为0.1μmol/L时，响应基线会降低50%（酶活性降低50%）。当传感器的酶失活时，可以用10mol/L的EDTA进行清洗再生，实现重复使用。

图12-19　SPR生物传感器结构示意图

光生物传感器是一种选择性地识别分子信息，引发光学变化，且把光学变化转换为电信号输出的传感器。光生物传感器具有灵敏度高、不需要参比传感器、光传播信号不受外界电磁干扰等特点。光生物传感器主要包括生物光极和表面等离子体共振生物传感器。生物光极是将生物敏感膜固定在光导纤维或光电二极管上制成的，根据不同反应原理和器件可制成各种生物光极（表12-2）。表面等离子体共振即SPR（surface plasma resonance）生物传感器，它主要由光波导耦合器件、金属膜、生物分子膜等组成，其结构如图12-19所示。用光纤作为光波导耦合元件的SPR生物传感器是将一段光纤中的一部分外包层剥去，在光纤芯上沉积一层高反射率金属膜，入射光线在光纤芯与光纤包层的界面上发生全反射，渗透过界面的消失波将在金属膜与生物分子膜的界面产生SPR，SPR对吸附在金属膜表面的基质（生物分子膜）的折射率变化非常敏感，从而引起等离子共振角（入射角）的改变。固定入射光角度，改变入射光波长，在光纤的出口端检测输出光强度与波长分布的关系，可进行被测物的定量分析。SPR生物传感器具有非破坏性，高灵敏度和实时在线检测等优点。

表12-2　各种生物光极

微生物传感器则是以活的微生物作为分子识别元件的敏感材料。利用微生物对有机物的同化作用，当固定化微生物与某一特定的有机化合物接触时，有机化合物就会扩散到固定有微生物的膜中，并被微生物所同化，微生物细胞的呼吸活性（摄氧量）在同化有机物后有所提高，可通过测定氧的含量来估计被测物的浓度。

生物传感器由于门类多、涉及学科领域广、技术先进，已被广泛应用于临床医学、环境监测、食品等领域。在临床医学上有测定葡萄糖、乳酸、尿素、胆固醇、古氨酸等的传感器，有测定药物浓度的药物传感器，还有人工脏器用生物传感器；环境监测用生物传感器也有多种，如水质检测用的测定硝酸盐、亚硝酸盐等的传感器、测定有毒气体的传感器等；应用于食品领域的传感器有测定赖氨酸等氨基酸的传感器、测定海产品鲜度的传感器等。