酶工程-场效应晶体管传感器课件

$场效应晶体管传感器$高凇泽荣辉李浩凯李永振刘玉萍尹曼力王仁重姜敏杨倩场效应晶体管传感器场效应（fieldeffect）电场对半导体的影响。在电场作用下半导体中自由电子和自由空穴的平衡遭到破坏。如MOS结构在不同的电场作用下，由于电场对半导体内载流子的吸引或排斥作用而在半导体表面附近产生载流子的积累或耗尽，通常把这种半导体表面电导受垂直电场调制的效应称为场效应。场效应晶体管传感器场效应晶体管（FieldEffectTransistor，缩写FET)

场效应晶体管(Field-effectTransistor,FET)简称场效应管,是利用电场效应来控制输出电流大小的半导体器件。其理论由Lilienfeld[1]于1930年提出,20多年后才由Shockley研制出场效应管。

Bergveld发明了离子敏场效应晶体管(ISFET)。ISFET是一种微电子离子选择性敏感元件,与离子选择电极相比,ISFET具有如下优点:场效应晶体管传感器场效应晶体管（FieldEffectTransistor，缩写FET)(1)输入阻抗高,输出阻抗低,兼有信号放大的功能,可避免外界感应与次级电路干扰作用;灵敏度高,响应快;(2)采用集成电路工艺,适于批量生产,成本低,并具有微型化、集成化的发展潜力;(3)全固态结构,机械强度大,在化工、食品、医药、环境监测及科学研究中有广阔的应用景;(4)易于与外电路匹配,使用方便,并可与计算机连接,实现在线控制。场效应晶体管传感器场效应晶体管（FieldEffectTransistor，缩写FET)

N沟道结型场效应三极管的结构如图1所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。两个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。场效应晶体管传感器酶场效应管

用于场效应管生物传感器研究的酶很多,如葡萄糖氧化酶、脲酶、青霉素酶、辣根过氧化物酶、丁酰胆碱酯酶、乙酰胆碱酯酶、有机磷酸酯水解酶、青霉素G酰基转椅酶以及酪氨酸酶等。检测的物质主要是酶的相应底物或相关作用物,其中对葡萄糖、尿素、青霉素等的测定研究较多,测定硝酸根、甲醛、抗坏血酸、乙酰胆碱、乳酸盐、蔗糖以及对氯苯酚等的研究也有报道。此外,利用某些毒物、重金属离子(如Hg2+、Cu2+、Ag+、Mn2+及Ni2+等)和其它物质如氰化物、次氯酸盐等对酶活性的抑制作用,可间接测定这些物质。而利用一些物质对酶的激活或复活作用,也可以测定酶的激活剂及其它物质的含量。场效应晶体管传感器酶场效应管场效应晶体管传感器组织场效应管

将一些具有特殊生物功能或含有生物功能物质的动植物组织(器官)固定在ISFET的敏感栅极上,便构成了所谓的组织场效应管。许多动植物的组织中含有某些特定的酶类,利用这些组织制备的场效应管生物传感器,其作用原理类似于酶场效应管。某些动植物的某些组织(器官)具有特殊的生物功能,如辨别味道、识别气味等,利用它们与ISFET结合,可制备出电子舌、电子鼻等高灵敏的检测器。德国的科学家在这方面进行了一系列的研究,将昆虫的触角固定于ISFET的敏感栅极上制成场效应管生物传感器,用于检测绿叶释放出来的气味物质(顺-3-己烯-1-醇),检出限低于1LL/m3。为使触角的生物活性保持更长,可以将整只活虫固定而利用其触角。由于植物在遭受虫害、火灾时,通常会释放出某些特定的气味物质,这类生物传感器有望在虫害监控、森林火灾预警等方面得到应用。场效应晶体管传感器微生物场效应管和基因(DNA)场效应管

将具有特定功能的微生物固定到ISFET的敏感栅极上,便构成了所谓微生物场效应管。其原理是利用微生物对某些特定物质的转化作用,产生可被ISFET检测到的信号。基因(DNA)场效应管由IS-FET加固定有核酸的膜组成。一般是在ISFET的敏感栅表面固定单链DNA,当其互补的DNA链与之选择性结合后,引起敏感栅表面电荷的变化,从而产生检测信号,这与非标记免疫场效应管的检测原理相似。这方面的研究还刚起步,随着基因技术的发展,这类FET生物传感器的研究必将逐步深入。场效应晶体管传感器场效应管生物传感器中生物功能物质的固定化

生物功能物质的固定化是生物传感器制备过程中的关键步骤。目前常用的吸附法、交联法、共价键合法、包埋法以及固定生物组织法等固定化技术,对于制备场效应管生物传感器基本上也是适用的。场效应晶体管传感器吸附法

吸附法简单易行,吸附的生物功能物质能很好地保持生物活性,而且生物功能物质易于更新。但外界因素如pH值、温度、离子强度等的影响较大,吸附的物质容易脱落。在吸附后,一般可以再通过交联或覆盖聚合物膜来增加稳定性。场效应晶体管传感器交联法

采用双功能试剂,将生物功能物质固定在基质上的方法称为交联法。最常用的双功能试剂是戊二醛,它能在温和条件下与蛋白质的自由氨基反应。由于戊二醛的生物毒性,必须严格控制其用量。许多工作均在交联时加入大量惰性蛋白质(常为牛血清白蛋白,BSA),以利于形成非水溶性的交联膜。除了使用一般的戊二醛水溶液之外,还可采用饱和的戊二醛蒸气进行交联。在交联前往其中加入甘油或其它物质,可以改善形成交联膜的性质,并保护生物功能物质的活性。场效应晶体管传感器共价键合法

该方法是将生物功能物质通过共价键固定在ISFET的敏感栅极上。在共价键合固定生物功能物质时,通常需要对ISFET的敏感栅极表面层(Si3N4或Al2O3等)进行活化,如硅烷化,以引入或产生能与生物功能物质进行共价反应的基团。该法固定的生物功能物质较为稳定、牢固,但也容易引起失活。场效应晶体管传感器固定生物组织法

将动植物组织用于制作生物传感器始于1979年,由Rechnitz等首先报道。由于某些动植物组织含有生物功能物质或其本身具有特定的生物功能,将它们与ISFET相结合,可制得具有特殊用途的场效应管生物传感器。Schjning等成功地固定了昆虫触角,制