氣體生物傳感器的識(shí)別機(jī)制研究進(jìn)展

粟元,李舒婷,許文濤，2*

1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院,北京食品營(yíng)養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心,北京 100083;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),農(nóng)業(yè)農(nóng)村部轉(zhuǎn)基因生物食用安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京),北京 100083

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提升，物理、化學(xué)、生物等各學(xué)科飛速發(fā)展，對(duì)不同領(lǐng)域的檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求，如靈敏度更高、特異性更好、檢測(cè)時(shí)間更短、成本更低和能夠現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等。

核酸作為重要的生物大分子，在生物生命活動(dòng)中具有重要的作用。近年來(lái)，基于核酸的生物傳感器在食品、醫(yī)藥、環(huán)境檢測(cè)等方面廣泛應(yīng)用，其主要通過(guò)熒光、顏色、電化學(xué)信號(hào)、試紙條等模式實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)化。

氣體生物傳感器主要利用氣體實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，具有簡(jiǎn)單、方便、快速等特點(diǎn)。目前，氣體生物傳感器多是將識(shí)別信號(hào)轉(zhuǎn)化為顏色而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種靶物質(zhì)的檢測(cè)，檢測(cè)范圍主要集中在生物標(biāo)志物、癌細(xì)胞、甲胎蛋白和端粒酶等。本文從氣體信號(hào)輸出的角度出發(fā)，介紹了氣體生物傳感器的性質(zhì)，總結(jié)了氣體生物傳感器的分類，綜述了氣體生物傳感器的信號(hào)識(shí)別原理和信號(hào)輸出方式，最后對(duì)氣體生物傳感器的傳感材料、搭建方式提出了展望，以期為氣體傳感器的相關(guān)研究提供參考。

1 氣體生物傳感器的概念

氣體廣泛存在于各行各業(yè)中，和人類呼吸息息相關(guān)。嗅覺(jué)在人類發(fā)展和生物社會(huì)交往中起著基礎(chǔ)性的作用，人工嗅覺(jué)是模擬生物嗅覺(jué)系統(tǒng)，利用氣體電極陣列結(jié)合信號(hào)處理單元和算法而組成的系統(tǒng)。人類對(duì)人工嗅覺(jué)系統(tǒng)的研究最早可追溯至1961年，當(dāng)時(shí)Moncrieff制成了一種機(jī)械式的氣味檢測(cè)裝置。1964年，Wilkens和Hatmen建立了基于氣味分子在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)的第一個(gè)人工嗅覺(jué)系統(tǒng)[1]。作為人工嗅覺(jué)的“嗅覺(jué)細(xì)胞”的氣體傳感器是很重要的，其主要用于接收關(guān)于氣體的化學(xué)信息，將它們作為輸入信息轉(zhuǎn)化成可測(cè)量的信號(hào)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器[2]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)可揮發(fā)性氣體樣品的快速、準(zhǔn)確、系統(tǒng)地鑒別和分析。

氣體生物傳感器是基于生物識(shí)別、生物轉(zhuǎn)化及氣體信號(hào)輸出的傳感器。其主要有3大要素：“酶”介導(dǎo)的反應(yīng)、氣體信號(hào)和傳感材料。信號(hào)識(shí)別的原理是構(gòu)建基于“酶”的氣體發(fā)生體系，當(dāng)目標(biāo)氣體與傳感材料接觸，氣體分子在傳感材料表面或體系中反應(yīng)，引起傳感材料的電學(xué)特性、光學(xué)特性或其他特性發(fā)生變化；“酶”泛指各種具有產(chǎn)氣催化活性的物質(zhì)，其作為氣體生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)化器，將氣體信號(hào)轉(zhuǎn)化為靶物質(zhì)量；最后利用氣體濃度檢測(cè)儀、氣壓儀、pH計(jì)將它們轉(zhuǎn)化成可視氣體的濃度值、氣壓值、pH或觀察顏色變化，通過(guò)不同濃度的靶物質(zhì)引起體系“酶”量的變化，進(jìn)而引起氣體物質(zhì)的量發(fā)生變化，最后通過(guò)建立濃度、氣壓、pH、顏色與靶物質(zhì)間的關(guān)系(其中，氣體濃度值、氣壓值、pH、顏色作為縱坐標(biāo)，不同濃度的靶物質(zhì)作為橫坐標(biāo))，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)靶物質(zhì)的快速、準(zhǔn)確、靈敏地定量定性檢測(cè)。

2 氣體生物傳感器的分類

氣體生物傳感器種類多樣，根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化方式的不同，可將氣體生物傳感器劃分為蛋白酶介導(dǎo)的氣體生物傳感器、核酸酶介導(dǎo)的氣體生物傳感器、模擬酶介導(dǎo)的氣體生物傳感器、生物細(xì)胞介導(dǎo)的氣體生物傳感器、生化反應(yīng)介導(dǎo)的氣體生物傳感器5大類。

本文總結(jié)了氣體生物傳感器的搭建原理及分類，如圖1所示。以我國(guó)傳統(tǒng)的太極圖為基礎(chǔ)，圖1中心圓分為黑白兩部分，以陽(yáng)動(dòng)、陰?kù)o為標(biāo)志，即陰陽(yáng)交錯(cuò)。白色部分(陽(yáng)極)呈現(xiàn)了反應(yīng)體系產(chǎn)生的各種氣體，如O2、NH3、H2S、NO2、H2等。當(dāng)氣體與不同的傳感材料接觸時(shí)，不同的傳感材料會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這些變化主要呈現(xiàn)在黑色部分(陰極)。這些主要包括電學(xué)特性變化和光學(xué)特性變化，電學(xué)特性如電阻、電壓、電流，光學(xué)特性如吸收光譜、波長(zhǎng)等，所以將相應(yīng)變化呈現(xiàn)在陰的部分。陰陽(yáng)運(yùn)動(dòng)所需的基本傳感介質(zhì)“酶”如五行(金、木、水、火、土)，對(duì)應(yīng)本文提出的“酶”的5大分類，即蛋白酶、核酸酶、模擬酶、生物細(xì)胞、生化反應(yīng)。蛋白酶通過(guò)酶量變化使靶物質(zhì)的量發(fā)生變化；核酸酶通過(guò)構(gòu)象變化使相連的靶物質(zhì)量發(fā)生變化；模擬酶通過(guò)形貌和價(jià)態(tài)發(fā)生變化使靶物質(zhì)的量發(fā)生變化；生物細(xì)胞通過(guò)酶的基因表達(dá)使靶物質(zhì)的量發(fā)生變化；生化反應(yīng)通過(guò)微生物的分解產(chǎn)生氣體使靶物質(zhì)含量發(fā)生變化。環(huán)繞五行的衛(wèi)星表示每一類氣體生物傳感器中具體的“酶”，蛋白酶介導(dǎo)的氣體生物傳感器中的“酶”包括辣根過(guò)氧化物酶(horse radish peroxidase，HRP)、脲酶(urease)、過(guò)氧化氫酶(catalase，CAT)；核酸酶介導(dǎo)的氣體生物傳感器中的“酶”是G-四鏈體；模擬酶介導(dǎo)的氣體生物傳感器中的“酶”分為納米酶[如碳納米管(carbon nanotube，CNT)、石墨烯、納米纖維等]、金屬有機(jī)骨架(metal-organic frameworks，MOFs)、小分子物質(zhì)(例如熒光素FAM)等；生物細(xì)胞介導(dǎo)的氣體生物傳感器中的“酶”包括芽孢桿菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、李斯特菌、銅綠假單胞菌等；生化反應(yīng)介導(dǎo)的氣體生物傳感器主要是指通過(guò)發(fā)酵反應(yīng)產(chǎn)生氣體，利用氣體物質(zhì)的量實(shí)現(xiàn)對(duì)靶物質(zhì)的質(zhì)量控制。

圖1 氣體生物傳感器的分類Fig.1 Classification of gas biosensors

3 氣體生物傳感器氣體信號(hào)識(shí)別機(jī)理

根據(jù)傳感方法，氣體生物傳感器的氣體信號(hào)識(shí)別機(jī)理可分為3類：一是利用基于電測(cè)量的轉(zhuǎn)導(dǎo)原理，使電學(xué)信號(hào)發(fā)生變化，如電阻、電壓、電流；二是利用光學(xué)測(cè)量使光學(xué)信號(hào)發(fā)生變化，如熒光、顏色、波長(zhǎng)、偏振；三是利用其他特性發(fā)生變化，如質(zhì)量變化、溫度變化[3]、壓力變化、酸堿性變化、顏色變化等。

3.1 電學(xué)信號(hào)識(shí)別模式

3.1.1電阻變化 電阻變化是電學(xué)信號(hào)識(shí)別模式的主要方式，大部分傳感材料與氣體接觸時(shí)會(huì)使電阻發(fā)生變化，利用不同的傳感材料檢測(cè)不同的氣體，根據(jù)傳感材料的類別不同可分為金屬氧化物材料、納米材料和有機(jī)高分子材料。

①金屬氧化物材料。金屬氧化物材料具有比表面積大、機(jī)械柔韌性好、對(duì)不同氣體的響應(yīng)靈敏度高和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。其機(jī)理是氣體分子在傳感材料表面進(jìn)行還原反應(yīng)，引起金屬氧化物表面的電子變化，從而使傳感材料電導(dǎo)率發(fā)生變化[4]。常用的金屬氧化物傳感材料可分為3類：?jiǎn)我唤饘傺趸锊牧?、?fù)合金屬氧化物材料、混合金屬氧化物材料。單一金屬氧化物材料包括SnO2、WO3、In2O3、TiO2、ZnO、Cu2O。Lu等[5]使用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)雙面SnO2薄膜乙醇?xì)怏w傳感器，測(cè)量結(jié)果表明其對(duì)乙醇具有較好的感應(yīng)SnO2的能力。復(fù)合金屬氧化物材料包括Zn2SnO4、NiCuO。Xu等[6]通過(guò)乙二胺輔助水熱法合成Zn2SnO4層狀微球。由微球制成的傳感器在170°C時(shí)對(duì)H2S表現(xiàn)出良好的響應(yīng)和選擇性，最低檢測(cè)限(limit of detection，LOD)為50 pg/mL。混合金屬氧化物材料包括SnO2-TiO2-In2O3、CeO2-SnO2、MoO3-TiO2、CeO2-TiO2[6]。Ali等[7]采用單步法沉積CeO2-TiO2復(fù)合薄膜，以研究其光電化學(xué)(photoelectrochemistry，PEC)特性。復(fù)合薄膜的PEC研究表明，在N型CeO2和N型TiO2之間形成的異質(zhì)結(jié)促進(jìn)了電子和空穴的分離和傳輸，在550℃下制造的膜具有更高的孔隙率，能夠形成更大的接觸界面，從而產(chǎn)生更高的光活性。

②納米材料。納米材料具有較高的單位質(zhì)量表面積，具有獨(dú)特的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、催化和磁性能。除此之外，當(dāng)粒子在納米尺度上時(shí)，新的物理和化學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)。納米碳材料容易與其他納米材料雜交，尤其是納米顆粒貴金屬和氧化物，可以增強(qiáng)氣體傳感器的性能。近年來(lái)，基于碳納米管、石墨烯、碳納米纖維和炭黑等納米材料的新一代氣體傳感器已經(jīng)深入人心。下文分別對(duì)這幾種納米材料進(jìn)行介紹。

一般來(lái)說(shuō)，碳納米管可分為3類，即單壁碳納米管(single-walled carbon nanotube，SWCNT)、雙壁碳納米管(double-walled carbon nanotubes，DWCNT)和多壁碳納米管(multi-walled carbon nanotubes，MWCNT)[8]?；趩伪谔技{米管的氣體傳感器對(duì)NO2高度敏感。Latif等[9]發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體單壁碳納米管在NO2和NH3等氣體中的電導(dǎo)率變化可以高達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)，且電導(dǎo)率迅速增加和降低。SO2、NH3、NO2等有毒分子在小于100 pg/mL的濃度范圍內(nèi)特別敏感。隨著單壁碳納米管的成功，多壁碳納米管也被廣泛地用于氣體傳感。Chung等[10]報(bào)道了基于多壁碳納米管的氣體傳感器的早期工作。他們發(fā)現(xiàn)，由于碳納米管的外殼和內(nèi)殼之間存在氧化連接，多壁碳納米管氣體傳感器對(duì)氧氣敏感。Cava等[11]開(kāi)發(fā)了一種自組裝方法，以獲得應(yīng)用于電阻式氣體傳感器器件的多壁碳納米管薄膜，氧氣傳感器裝置的靈敏度是通過(guò)常規(guī)鑄造沉積制成的薄膜的3.4倍。

石墨烯是具有蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳原子單層結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的熱、電子和光學(xué)性能。氣體分子與石墨烯表面接觸，被吸附在石墨烯表面，誘導(dǎo)石墨烯電導(dǎo)率的改變。由于石墨烯具有較高的電子遷移率，理論分析預(yù)言石墨烯有望作為氣敏材料的候選材料[12]。

納米纖維復(fù)合氣體傳感器對(duì)各種有機(jī)蒸氣具有較高的靈敏度。Kang等[13]報(bào)道了用CNT代替炭黑以聚丙烯腈為原料制備納米碳纖維，制備的NO氣敏元件對(duì)NO氣體的敏感性提高了約8倍，響應(yīng)時(shí)間減少約60%。

炭黑材料應(yīng)用于氣體分子傳感的應(yīng)用較少。其傳感原理是當(dāng)暴露于蒸汽時(shí)，炭黑材料的膨脹行為是可逆的。將炭黑-聚合物復(fù)合薄膜涂覆在預(yù)先形成圖案的電極上，其電阻由于待測(cè)試的蒸汽引起的體積變化而變化。

應(yīng)用納米復(fù)合材料的納米雜化體系結(jié)構(gòu)在氣體傳感中得到了廣泛的研究。許多金屬納米顆粒及其化合物，包括Mg、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Mo、Rh、Pd、Sn、W、Pt、Au和Pb，已經(jīng)被用來(lái)修飾單壁碳納米管薄膜，以增強(qiáng)基于碳納米管、石墨烯的氣體傳感器的傳感性能[14]。Lone等[15]研究發(fā)現(xiàn)，金納米顆粒裝飾的SWCNT傳感器能夠?qū)H3顯示出極好的靈敏度。與原始SWCNT傳感器相比，Au裝飾的SWCNT傳感器具有快速響應(yīng)和恢復(fù)、高電阻變化、高質(zhì)量可重復(fù)性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和出色的選擇性等優(yōu)勢(shì)。Jyoti等[16]制備了還原型氧化石墨烯(reduced graphene oxide，rGO)薄膜和rGO-ZnO復(fù)合薄膜。研究表明rGO-ZnO復(fù)合材料是制備高選擇性室溫NO2氣體傳感器較好的候選材料，rGO-ZnO復(fù)合傳感器的LOD為4 mg/kg。

③有機(jī)高分子材料。導(dǎo)電聚合物對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物的敏感性是通過(guò)電阻的變化來(lái)測(cè)量的。導(dǎo)電聚合物通常由相應(yīng)單體的化學(xué)或電化學(xué)氧化合成，最廣泛使用的傳感器涂層單體是聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩[8]。此外，酞菁薄膜由于其高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性而應(yīng)用廣泛，薄膜對(duì)NO2顯示出最高敏感性。近年來(lái)，卟啉、卟吩和它們的衍生物、絡(luò)合物、蒽、二萘嵌苯、β-胡蘿卜素等也作為氣敏材料的研究對(duì)象，并五苯、鈷酞菁、氯化鈷酞菁和有機(jī)紅色甲基染料在氨和乙醇蒸氣作用下具有電阻敏感性能。

3.1.2電壓變化 電壓變化包括催化極化反應(yīng)和離子反應(yīng)。①催化極化反應(yīng)。在金屬-絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)裝置中，可滲透的金屬柵極允許氫氣通過(guò)，進(jìn)入柵極-絕緣體界面[17]，當(dāng)氣體與催化活性表面相互作用時(shí)，催化金屬和氧化層的表面與界面發(fā)生極化，從而引起功函數(shù)的變化[18]，閾值電壓隨著柵極材料(通常是催化金屬)與某些氣體(如氫氣)的相互作用而變化[19]。

②離子反應(yīng)。有的氣敏材料在氣體中會(huì)產(chǎn)生離子，如固體電解質(zhì)，它是依靠離子或質(zhì)子來(lái)實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)的一類固態(tài)物質(zhì)，其原理是氣敏材料在一定氣體中會(huì)產(chǎn)生離子，離子的遷移和傳導(dǎo)形成電勢(shì)差，根據(jù)電勢(shì)差來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體濃度大小的測(cè)定。這種材料在一定溫度下靈敏度好、選擇性好，目前已經(jīng)用于檢測(cè)空氣中的PH3、H2S、NH3等有害氣體。Wang等[20]利用一種固體聚合物鉑電極實(shí)現(xiàn)了對(duì)H2S的定量檢測(cè)，此方法響應(yīng)速率快(10 s)，線性范圍良好(0～100 mg/L)。而且此固體聚合物電解質(zhì)傳感器在每天以100 mg/L的濃度連續(xù)進(jìn)樣4 h的條件下，可連續(xù)用7個(gè)月，有極好的穩(wěn)定性。

3.1.3電流變化 部分傳感材料通常由一層貴金屬組成，例如將與碳結(jié)合的金涂覆在疏水膜上。在室溫下，待測(cè)氣體分子催化傳感材料表面的揮發(fā)性分子發(fā)生電化學(xué)氧化或還原[21]，目前可用于各種有毒氣體的檢測(cè)，并通過(guò)測(cè)量傳感器中流動(dòng)的電流來(lái)確定氣體濃度。當(dāng)應(yīng)用于電化學(xué)活性氣體的檢測(cè)和測(cè)量時(shí)，該技術(shù)具有良好的相關(guān)性，但它們對(duì)多種化合物，尤其是芳烴不敏感[22]。

3.2 光學(xué)信號(hào)識(shí)別模式

光學(xué)傳感通用性良好，能夠充分利用氣相分子之間的相互作用，吸附在敏感層上，如光纖化學(xué)材料，從而導(dǎo)致其光學(xué)性質(zhì)的變化[22]。

3.2.1熒光變化 熒光指示劑尼羅紅染料沉積在具有不同極性、疏水性、孔徑、彈性和膨脹傾向的聚合物基質(zhì)的光纖中，能夠與蒸汽分子相互作用形成不同的獨(dú)特傳感區(qū)域[23]。Terra等[24]用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)的靜電紡絲納米纖維作為傳感材料，研究表明其發(fā)光強(qiáng)度與氯仿濃度的曲線能夠確定所開(kāi)發(fā)的傳感平臺(tái)的靈敏度、線性范圍和檢測(cè)限。

3.2.2吸收光譜變化 不同的氣體物質(zhì)由于其分子結(jié)構(gòu)不同、濃度不同和能量分布的差異而有各自不同的吸收光譜。許多化學(xué)物質(zhì)在電磁光譜的紫外/可見(jiàn)光、近紅外或中紅外區(qū)域表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收，吸收線或吸收帶對(duì)每一物種都是特定的，這是它們被檢測(cè)和測(cè)量的基礎(chǔ)；不同光譜區(qū)域的吸收光譜具有不同的特性，在紅外指紋區(qū)域，氣相吸收光譜表現(xiàn)出窄線作為離散能級(jí)的分子振動(dòng)[25]。Larsen等[26]提出了利用紫外燈輔助紅外吸收光譜法測(cè)定H2S氣體的方法，空氣中的氧氣先將H2S轉(zhuǎn)化成SO2，而SO2在一定紅外光譜區(qū)域內(nèi)有很強(qiáng)的吸收峰，通過(guò)測(cè)定SO2可實(shí)現(xiàn)H2S的檢測(cè)。

3.3 其他變化

3.3.1質(zhì)量變化 當(dāng)交流電壓施加在壓電石英晶體上時(shí)，材料以共振頻率振蕩，通常在10～30 MHz之間[27]，產(chǎn)生的三維波在整個(gè)晶體中傳播，薄膜沉積在晶體表面，當(dāng)暴露于蒸汽中時(shí)，該層吸收氣體，導(dǎo)致其質(zhì)量增加，常用于檢測(cè)蒸汽[28]。

3.3.2溫度變化 當(dāng)可燃性氣體氧化燃燒或者在催化劑作用下燃燒，燃燒產(chǎn)生的熱量使電熱絲(細(xì)鉑絲線圈)升溫，從而使氣敏元件電阻值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電阻值變化可以得到氣體濃度。這種傳感器對(duì)不燃燒氣體不敏感。

3.3.3濃度變化 當(dāng)氣體與氣體濃度儀接觸，氣體濃度儀將待測(cè)氣體信息轉(zhuǎn)變?yōu)榕c氣體成分、濃度或時(shí)間相關(guān)的可測(cè)物理信號(hào)組，通過(guò)信號(hào)采集電路獲取數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)模式識(shí)別單元對(duì)含有待測(cè)氣體綜合氣味信息和隱含特征的數(shù)字信號(hào)的分析，最終得到氣體濃度。

3.3.4壓力變化 當(dāng)氣體與壓力傳感器接觸時(shí)，基片的距離發(fā)生改變，使電容容阻發(fā)生變化，從而使電流發(fā)生變化，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氣壓值顯示。由反應(yīng)體系產(chǎn)生的氣體導(dǎo)致密封裝置氣壓變化，利用便攜式氣壓計(jì)檢測(cè)氣壓差，壓力傳感器構(gòu)成的便攜式氣壓計(jì)一般采用陶瓷或金屬材料，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)速度快。

3.3.5酸堿性變化 不同氣體所具有的溶解度和酸堿性不同，可以利用某些氣體溶于水后體系pH的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)靶物質(zhì)的定量檢測(cè)。

3.3.6顏色變化 某些氣體在一定的反應(yīng)體系中會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起反應(yīng)體系顏色的變化，通過(guò)觀察顏色的深淺實(shí)現(xiàn)對(duì)靶物質(zhì)定性或半定量分析。

對(duì)于不同氣體需要選擇不同傳感材料，各種傳感材料的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。近年來(lái)，化工廠、汽車排放、食品腐敗等會(huì)產(chǎn)生氨氣，對(duì)氨氣的檢測(cè)需求隨之大幅增加，以用于氨氣檢測(cè)的傳感材料為例，圖2顯示了不同傳感材料對(duì)氨的響應(yīng)時(shí)間和檢測(cè)下限的差異[4]。

表1 不同傳感材料的比較Table 1 Comparison of different sensing materials.

4 氣體生物傳感器信號(hào)輸出機(jī)理

通過(guò)蛋白酶、核酸酶、模擬酶、生物細(xì)胞及特殊的生化反應(yīng)構(gòu)建產(chǎn)氣體系，產(chǎn)生的氣體作為氣體生物傳感器的信號(hào)輸入，利用氣體濃度儀、氣壓儀、pH計(jì)將氣體物理化學(xué)信息轉(zhuǎn)化成氣體濃度值、氣壓值和pH，利用濃度值、氣壓值、pH實(shí)現(xiàn)對(duì)靶物質(zhì)的定量檢測(cè)；除此之外，某些反應(yīng)體系中產(chǎn)生的氣體會(huì)使體系顏色發(fā)生變化，直接通過(guò)肉眼實(shí)現(xiàn)對(duì)靶物質(zhì)的可視化定性檢測(cè)，靶物質(zhì)量作為氣體生物傳感器的信號(hào)輸出。

圖2 不同傳感器材料對(duì)NH3傳感響應(yīng)時(shí)間和傳感檢測(cè)下限的差異[4] Fig.2 Comparison of response time and the detection lower limit of NH3 sensing with different sensor materials[4].

在反應(yīng)體系中，蛋白酶通過(guò)一定的載體與靶物質(zhì)孵育結(jié)合，反應(yīng)中蛋白酶催化底物產(chǎn)生氣體，通過(guò)加入不同濃度的靶物質(zhì)，使蛋白酶結(jié)合量不同。催化過(guò)程中，隨著酶量變化，產(chǎn)生的氣體物質(zhì)量發(fā)生變化，進(jìn)而使?jié)舛戎?、氣壓值、pH、顏色發(fā)生變化，建立曲線關(guān)系后，實(shí)現(xiàn)靶物質(zhì)量的檢測(cè)。

核酸酶在一定條件下與靶物質(zhì)孵育相連，反應(yīng)中核酸酶催化底物產(chǎn)生氣體，通過(guò)加入不同濃度的靶物質(zhì)，使核酸酶構(gòu)象和物質(zhì)量發(fā)生變化，從而使氣體物質(zhì)量發(fā)生變化，進(jìn)而造成濃度值、氣壓值、pH、顏色發(fā)生變化，建立曲線關(guān)系后，實(shí)現(xiàn)靶物質(zhì)量的檢測(cè)。

模擬酶通過(guò)核酸與靶物質(zhì)相連，反應(yīng)中模擬酶催化底物產(chǎn)生氣體，通過(guò)加入不同濃度的靶物質(zhì)，使模擬酶的形貌和價(jià)態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生的氣體物質(zhì)的量發(fā)生變化，進(jìn)而使?jié)舛戎?、氣壓值、pH、顏色發(fā)生變化，建立曲線關(guān)系后，實(shí)現(xiàn)靶物質(zhì)量的檢測(cè)。

生物細(xì)胞中的酶基因通過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯成蛋白后催化底物產(chǎn)氣，靶物質(zhì)、RNA聚合酶同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)與啟動(dòng)子的結(jié)合，在體系中加入不同濃度的靶物質(zhì)，隨著酶基因的表達(dá)，產(chǎn)生的氣體物質(zhì)量發(fā)生變化，進(jìn)而使?jié)舛戎?、氣壓值、pH、顏色發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)靶物質(zhì)的量的檢測(cè)。

生化反應(yīng)通過(guò)微生物作用分解底物產(chǎn)生氣體，隨著微生物發(fā)揮作用，反應(yīng)速率逐漸升高或降低，測(cè)得濃度值、氣壓值、pH、顏色發(fā)生變化。通過(guò)這些變量，分析建立氣體濃度值、氣壓值、pH、顏色與不同濃度靶物質(zhì)間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)靶物質(zhì)的定量定性檢測(cè)。

5 展望

本文結(jié)合生物技術(shù)和物理電子技術(shù)，介紹了基于不同“酶”催化的氣體生物傳感器的原理，根據(jù)傳感介質(zhì)“酶”的不同，總結(jié)了氣體生物傳感器的分類，歸納了氣體生物傳感器的信號(hào)識(shí)別機(jī)理及信號(hào)輸出機(jī)理，也分類闡述了識(shí)別氣體信號(hào)的不同傳感材料的特性和優(yōu)缺點(diǎn)。氣體生物傳感器在多方面都有很廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景[29]。

5.1 傳感材料

不同的傳感材料對(duì)不同氣體的響應(yīng)不同,優(yōu)缺點(diǎn)也不同。未來(lái)在開(kāi)發(fā)多種靈敏性高、選擇性優(yōu)異、響應(yīng)時(shí)間短、恢復(fù)時(shí)間短及成本低的傳感材料具有廣闊前景?？梢愿鶕?jù)不同氣體設(shè)計(jì)更多具有優(yōu)異性能的不同傳感材料，根據(jù)傳感材料的性質(zhì)設(shè)計(jì)一對(duì)一(檢測(cè)一種氣體)或一對(duì)多(檢測(cè)多種氣體)的傳感材料，使檢測(cè)時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間縮短，檢測(cè)結(jié)果能夠更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

5.2 搭建方式

除了蛋白酶、核酸酶、模擬酶、生物細(xì)胞及生化反應(yīng)外，可不斷尋找更多具有高催化效率的“酶”，從而搭建更多產(chǎn)生氣體的體系，使氣體生物傳感器具有更廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)可以設(shè)計(jì)更多方式方法開(kāi)發(fā)制備種類多樣、高效催化的人工酶，可以將納米材料、金屬有機(jī)骨架等性能優(yōu)良的不同材料復(fù)合使用，對(duì)比篩選出高效模擬酶，使其應(yīng)用更加廣泛。