感測器的屬性

問題1、請詳述生物感測器之原理?

<答>

    利用固定化的生物分子結合能量轉換器，來偵測生物體內外之環境化學物質經過特異性交互作用後所產生的回應之一種生物電子裝置。

    人類之所以能分辨各種味道和氣味，是因為人有各種感覺器官。例如舌頭表面有味覺細胞，所以接觸到食物（有機物質），其細胞膜的構造就會變化，這種變化會轉變成細胞膜上的電位變化而傳達到腦部，腦部在接到這些訊號之後能夠加以辨別。在感覺器官的細胞中，由於有各種脂質或蛋白質，可分辨出各種不同構造的有機物質，並產生各種反應，這些不同的反應可產生許多感覺。由於生物體具備這些高靈敏的感覺機能，可以利用它作為有機物質的分析工具，再配合近代電子學的技術組成各種計測系統，稱之為生物感測器（biosensor）。

 

問題2、請詳述酵素式生物感測器？

<答>

   

利用葡萄糖的氧化作用

整個裝置包含一個酵素電極及一個氧氣電極，指針的讀數表示葡萄糖濃度酵素電極由葡萄糖氧化酵素固定於薄膜上製成。

 

 

問題3、請詳述生物感測器的種類？

<答>

(一)生物親和性感測器(Bioaffinity sensors)

當固定生物元件與待測定之分析物發生親和性結合(bioaffinity binding)時，造成生物分子形狀改變與/或引起諸如荷電、厚度、質量、熱量或光學等物理量的變化。此種經由分子辨認─結合類型的生物感測器有免疫感測器、化學受體感測器等，其分析可為荷爾蒙、蛋白質、醣類、抗原或抗體，而相對應的受體可為荷爾蒙受體、染劑、外源凝集素(lectins)、抗體或抗原等。

(二)生物催化型感應器(Biocatalytic biosensors)

此類感測器之信號偵測並不在於分子辨認─結合的階段，兒戲當固定劃分子與待測物反應後，產生生化代謝物質，再經特定電極偵測特定代謝物後以電子訊號表現出來。最為人所熟悉的為屬第一世代生物感測器的酵素電極。目前有關此類生物感測器的兩個主要研究發展方向為(1)使用酵素共軛物(enzyme conjugates)、環系酵素群(cycling enzymes)和系列酵素來組合生物感測器，(2)使用微生物細胞或動、植物組織切片或可滲透性細胞(permealized cells)等來當作分子辨認元件。

 

 

問題4、請詳述生物感測器設計結構？

<答>

    構成生物感測器關鍵技術得兩個主要元件為生物辨認分子與物理換能器。在欲發展一特定功能的生物感測器前，首先必須根據選用生物分子的特性、作用機制、信號產生/輸出模式、待測物濃度範圍、操作環境等參數做通盤性的考慮，再慎選適當的信號轉換器，亦即換能器。圖依違目前較可以有效掌握的葛種感測元件及其應答濃度範圍。圖中央粗線為濃度標尺，由右至左濃度漸低。標尺上方為各種換能器元件與傳統分析方法之應答濃度範圍之相對位置。下方則為常需量測之生物有機分子、待測物及期存在於生體內外的濃度範圍。

 

問題5、請描述生物感測器 的主要技術?

<答>

(一)電化學生物感測器(Eletrochemical Biosensor)技術

    感測器發展的最早，Clark和Lyons首先開發出酵素電極生物感測器，以電流計測方式測定測定溶液中葡萄糖的濃度。大部分的生化代謝型生物感測器均使用特定的電極當作訊號轉換器，如溶氧電極、白金電極、氨電極、二氧化碳電極與pH電極等。而信號輸出的方式又可分為電流、電壓與導電度測定等方法。酵素電極的測定原理為利用特定電極量取反應產物之生成量或反應物之消失量。例如使用葡萄糖氧化酵素(glucose oxidase,GOD)固定化在氧電極尚來定量反應溶液中氧氣的濃度，當葡萄糖被GOD氧化時：

GOD

Gloucose+O2──── Gluconolactone+H2O2

   氣遞減現象可由溶氧電極量測出，而氧氣消耗量正與葡萄糖濃度成正比例關係。而言，酵素電極之測定濃度範圍約在mM到ppm之間，其回應時間在0.1到10分鐘。電極之安定性(Stability)在1到100天之間。另外，此類型生物感測器液可使用含有活性酵素之整體細胞，如微生物、動、植物細胞切片來製成特定用途之生物感測器。

(二)半導體離子感測器─離子選擇性場效電晶體(ISFET, Ion Sensitive Field Effect Transistor)類型的半導體係由金屬絕緣場效性晶體(MISFET, Metal Insulating Field Effect Transistor)改良而成，使用不易被水分子及離子物質侵入的氮化矽(SiN4)膜取代MOSFET使用的金屬氧化物薄膜。再於氮化矽膜上共價接合一層已固定化有生體活性物質的薄膜當作離子感應膜，另以Ag/AgCl電極當作參考電極，如圖二所示。此類感測器可直接安置於溶液中，當待測物與離子感應膜上的接受器產生反應後，離子感應膜即產生界面電位變化，信號則由漏極(drain)輸出。ISFET的離子感應膜上如選用適當的離子選擇性材料，即可感應出不同離子。到目前為止已有可以感應Na+、K+、NH4+、Ca+2、Ag+、Li+、Cl-、Br-等離子的ISFET。又，假如以固定化酵素薄膜代替離子感應膜，則此種設計稱為ENFET(酵素場效性半導體)。已見諸文獻的則有盤尼西林(penicilin)感測器，尿素感測器，葡萄糖感測器，乙醯膽鹼(acetylcholine)感測器等。

ISFET的優點微：(1)超小型，可利用半導體技術做微加工，(2)可多重化，做成同時測定多種成份的陣列感測器，(3)應答快速，經由離子感應膜的超薄化，可以縮短回應時間。

(三)光纖生物感測器(Fiber-optic biosensor)

 光纖傳輸在近代先端科技，尤其在資訊傳輸路徑，確保信號品質上扮演極重要角色。光纖利用內部全反射來導光，不易受電氣雜訊及其他外在因素影響，而且外型纖細、傳輸失真小(每公里1.5mm波長以下)。光纖應用在計測、控制系統時，必須配合可靠性很高的高性能光感測器。圖三a及b為光纖感測器的光學路徑與典型的儀器系統。光纖生物感測器的構造為在光纖的縱切端面，固定化一層適當的指示劑材料(例如生物螢光物質，化學發光物質或染料)，當測定容易內發生生化反應時，由指示劑材料的變化產生光學訊號。該光學訊號可藉由儀器系統量取吸光量、螢光強度、反射強度、顏色、混濁度或冷光(luminesence)變化等參數值來達到測定目的。為達上述目的，光纖感測所須具備的技術包括橢圓鏡術(ellipsometry)，內部反射(internal reflectometry)，漸逝波(evnescent wave)，光散射(light scattering)與折射指數量測(refractive index mesurement)，表面薄膜共振(surface plasma resonance)，螢光偏極化(fluorescence polarization)等。

· (四)壓電晶體生物感測器(Piezoelectric quartz crystal biosensor)

    壓電晶體在近年來才被引用到生物感測器的轉換器使用。最早的應用微作微質量天平使用(QCM, quartz crystal microbalance)。早期的壓電晶體感測器，用在測定空氣汙染物質測定，然使用在電極表面具有感測功能的包覆材料大多為非生物性物質(abiotics)。Guilbault(1983)首先發表使用甲醛去氫酵素(formaldehyde dehydrogenase)與輔因子固定化在晶體電極上用來測定空氣中的甲醛成份，才開始引發生化界的重視。然而截至目前為止，有關壓電晶體生物感測器的研究尚在起步階段而已。

    典型的壓電石英晶體，其石英版通常為兩片金屬電極(例如金、銀、鋁和鎳等)如同三明治般地夾在中間。電極的作用為沿晶片表面垂直方向導入一振盪電場(oscillating electric field)。此一振盪電場迫使晶體內部結晶格子產生類似立波(standing wave)的機械振盪行為。假使石英板的厚度一定，此種機械性振盪可以以一定額的頻率表現出來。而諧振頻率(resonant frequency)很容易藉著導入一適當的振盪電路來量測出。此種由於機械與電子兩種振盪交聯所產生的諧振頻率決定於下列數頓因素，其間某些因素在正常情況下均為固定值包括石英晶片的物理性質如厚度、密度如剪力係數，某些情況下，下列因素亦保持在一固定值，包括與氣體或液體接觸時晶體表面之密度、黏度及橫跟晶片兩面間之壓力差與溫度等。而改變晶體頻率最大的因素為電極的質量與外加附著在電極上的薄膜之質量變化。

     Sauerbrey氏首先導出積層在石英晶體之金屬膜質量與頻率變化的關系式，用來描述大部分場合下，尤其在氣相狀態下壓電晶體之質量變化與頻率應答的關係。

 F=-2.3×106F2 M/A

其中 F表示因質量負載所致的頻率變化(Hz);f為石英晶體的振盪頻率; M為電極上外覆的質量負載(g);A則表示金屬電極的面積。由上式關係可以得知，隨著質量負載( M)的增加，頻率衷減值( F)愈大。計算其頻率應答範圍可以得知偵測極限值可以達到ppt(10-12g)位準。

    壓電石英晶體不僅可以在氣相環境下產生振盪頻率，同時當與液體接觸時，亦會隨溶液之密度、黏度性質改變而產生頻率變化。Kanazawa等人首先導出下列關係式：

 F=-2f03/2(μsφs/μqφq)1/2

其中μs為溶液的黏度(viscosity); φs為溶液的密度(density); μq與φq則分別代表石英晶體之黏度與密度。

由於上式中，f0、μq、φq等項均為常數，因此可知於液相狀態下壓電晶體之頻率衰減值主要係受溶液的黏度與密度變化所影響。

由此，只要在壓電晶體電極面上固定化上一層生物分子辨認薄膜，即可用來偵測相對應的化合物;如抗體-抗原，酵素-基質，激素-受體等。由於壓電晶體偵測靈敏度可達10-12g位準，因此可適用於一般生物分子階層的感測。

    壓電晶體生物感測器截至目前為止，已發展出數種在氣相環境下測定揮發成分的感測探針，如甲醛、有机磷化合物、巴拉松如古柯鹼等。吳、王等人利用棤仿動物嗅覺辨認的原理，已成功開發出多陣列壓電晶體嗅覺生物感測器-人工鼻，此一具「人工嗅覺」功能的生物感測系統可應用於惡臭污染偵測、酒類、食口及化粧品工業上使用。未來將更朝醫療「呼氣」診斷的目標邁進，期能藉由呼氣中呈現的特定「氣味」來瞭解疾病的線索，以作為診斷的參考依據之一。另外，應用壓電晶體結合特定生物辨認分子的感測器有：病原菌微生物量的測定，凝血素濃度測定，免疫球蛋白測定，生長激素測定，基因探針生物感測器愛滋病與安非他命感測器等。財團法人生物技術開發中心更在此方面積極投入，目前已完成自動化多陣列壓電晶體親如性生物感測系統的開發。該系統主要由(1)感測器硬體，(2)資料擷取控制與分析部分，(3)卡匣式壓電晶體生物感測探針等三部分所構成，系統原理為將生物識別分子與壓電晶體之金電極結合，利用壓電晶體之共振頻率改變與微質量/黏度改變相關之平衕特性，來偵測生物識別分與待測對應物間之即時式交互反應，以達到定性或定量分析的目的。

 

問題6、請詳述酵素電極?

<答>

    酵素是最早被利用來當感測元件的物質，酵素電極也是到目前為止最被廣泛使用的生物感測器，圖2-31就是這種感測器的基本構造。

其作用的原理是酵素被固定於薄膜內，當受測的物質進入半透膜後，即和酵素發生氧化還原反應，此過程中釋出電方和接受電子方表面的物質濃度發生變化，並利用感測層中的氧電極或PH電極，將濃度度的變化量轉為電壓或電流訊號，經過放大器放大後，才轉交給數據系統進行統計分析。一般常用電壓式電極和電流式電極。

圖2-31酵素電極之構造

圖2-32為一般生物型感測器表面所發生的氧化還反應，葡萄糖氧化酵素（GOD）將葡萄糖（glucose）氧化成葡萄糖酸，而GOD獲得一個電子，從氧化態（GODox）變成還原態（GODred），之後在與蛋白質發生反應將電子釋出。藉由這種電子轉移的過程，便可將葡萄糖的濃度轉成電子訊號顯示出來。

圖2-32電子轉移圖

 

問題7、請詳述生物感測器的組成?

<答>

    一般的生物感測器由四部分組成：生物觸媒部位、轉化器、放大器及資料處理部位。

所謂生物觸媒（biocatalyst），是指生命體中特定的催化劑，能對某些特殊分子作用而不受他種物質干擾。如酵素與基質、抑制劑之間即是明顯的例子。而所謂轉化器（transducer）是指將生物觸媒與特定的分子反應後產生的變化訊息，轉變為可以處理的電子訊號，如表一即是一些應用在生物感測器的轉化器。

如果選擇適當的生物觸媒，例如單一酵素、多酵素系統、抗體、有機器官、細胞或胞器、動植物的組織等，以適當的方法將其固定在轉化器上，以便將產生的生化訊號，轉變為可以計量和處理的電子訊號。換言之感測原理是指在生物觸媒部位，因觸媒與它所能選擇的特定物質作用，而產生物理量或化學量的改變，再由轉化器將訊號轉變至放大器放大後，進入資料處理部位，整理出我們可以理解的訊號。例如：在生物觸媒部位，可能產生氫離子濃度的改變，放出或消耗氣體（O2、CO2、NH3），產生特別的離子（NH4+、單價的陽離子、CN-、I-）、熱的改變、吸光的變化、質量的增減、導電度的變異及電子的傳遞等。基於這些改變，我們可以選擇適當的轉化器，感應這些觸媒反應的結果，再將此情報轉變後再傳遞到偵測器上，去記錄和展示這些數據。

 

問題8、請描述表面聲波元件?

<答>

1.1表面聲波（Surface Acoustic Wave）

在物體表面施加壓力變化可產生一個類似聲波形式的波形，此波形的傳遞方式被限制在表面上這就稱為表面波（Surface Acoustic Wave）。在1887年Lord Rayleigh發現這種傳播的方式，故亦稱之為Rayleigh Wave。若表面有細微擾動，如質量的變化， SAW會相當靈敏，表現在其傳遞的速度變化及功率衰減量。SAW的傳輸特性和方向及傳播的平面很有關係，本實驗選擇在LiNbO3基板上SAW的傳遞方式為(Y cut)-(Z Propagation)，即波傳遞速率的方向為Z軸，而傳遞的平面和Y軸垂直，而在GaAs基板上為(100) surface [110] propagation。當SAW傳遞通過壓電材料時，(如下圖所示:)

Fig 4 SAW通過壓電材料時電場的變化

會在表面產生一層束縛電荷（Bound Charge）分布，且伴隨有電場的變化與機械波的產生。

1.2 表面聲波元件

學術界約在1965即開始使用SAW在壓電材料(piezoelectric)上來實驗。其簡單的原理，就是在壓電材料上鍍上兩個金屬梳狀電極(即為延遲線interdigital transducer，簡稱IDT)，分別為發射端及接收端。再以高頻電訊號輸入發射端的IDT以產生電場改變來使底下的壓電材料產生形變，而此一形變最後即成表面聲波的方式傳播經過樣品區域，而在另一接收端的IDT即把此接收到的SAW透過壓電材料而產生電場變化，進而還原產生一高頻電訊號，此即為一簡單的表面聲波元件。IDT是在SAW元件中用來把高頻電訊號傳達到壓電材料上產生形變的電極。而此電極在學術界的應用上有很多種類，不同的種類所產生的傳播機制都有些許不同，我們在此使用的是最常見的Regular transducer type，故名思義它是各種transducer中最標準也最具對稱性，其基本的形狀如下圖所示：

Fig 5 IDT示意圖

上圖(a)為對應的SAW電位，(b)是IDT俯視圖，(c)是IDT側視圖

 

問題9、請描述壓電性轉換器?

<答>

壓電性轉換器乃是利用某些晶體，例如石英、鈦酸鋇陶瓷等，當在這些材料上加入機械作用力時將能產生電荷的壓電性(piezoelectricity)，利用此一作用可將這些轉換元件所架構成轉換器。壓電性轉換器為一種力量感應元件，它可用來測量任何能轉變為力量的物理量；例如壓力、應力或加速度等。此類轉換器的輸出量為電荷，因此需要較特殊的放大器─電荷放大器(charge amplifier)。在負載作用之下，其變形很小，並具有高的自然頻率，且製成的體積很小。壓電性轉換器的最大缺點為缺少穩態響應，同時因為它具有高輸出阻抗，所以必須和低電容、低雜訊電纜線耦合才能使用。當應力作用於壓電材料時，因壓電效應將能產生電效應，當壓電材料受電場作用時，將產生機械變形。此現象只存在於某些結晶系統裡。在轉換器的應用裡，只考慮機械應力所產生的電極化量(electric polarization)。通常電極化量是與所加入的應力成正比，同時會隨著所加入的應力作極性的變化。在生物技術之應用上，以高靈敏電子方法，來偵測病毒核酸，檢測器最重要的部分是電子信號轉換器，為一個微小電極或壓電晶體，並將一段短的核酸探針附於其渡黃金之表面。受測物在電極或壓電晶體上沈澱，因而改變其導電性，產生不同的電子訊號，顯示病毒的是否存在。

 

問題10、請描述磁性感測器為何?

<答>

    在嵌入式設備中採用的最簡單的磁性感測器是霍爾效應感測器。霍爾效應是由Edwin Hall博士於1879年發現的。在磁場存在的情況下，載流半導體元件置於磁場中會產生電壓，這個電壓和電流與磁感應強度成正比。

    霍爾效應感測器在矽片上製成，產生的電壓只有幾微伏╱高斯。因此，要採用高增益放大器把從霍爾零組件輸出的訊號放大到可用的範圍，霍爾效應感測器已經把放大器和與感測器單元整合在相同的封裝中。

當要求感測器的輸出與磁場成正比時，或者當磁場超過某一水準時開關要改變狀態，此時，就可以採用霍爾效應感測器。類比霍爾效應感測器適用於需要知道磁鐵距離感測器究竟有多少距離的場合，例如，感測振盪臂是否真的在運動。霍爾效應感測器最適用於探測磁鐵是否逼近感測器的應用，例如，感測安全罩是否打開或關閉。

類比霍爾效應感測器的輸出端可被介面到比較器或與任何其它電壓輸出感測器類似的ADC。有一點須要注意，類比輸出感測器提供與供應電壓成比例的輸出量。為了得到精確的無噪音輸出，必須採用無噪音的，調整良好的電源為感測器供電。在沒有磁場存在的情況下，典型的類比霍爾效應感測器的輸出為供應電壓和地線之間電壓的中間值。當北磁極在感測器的附近的時候，電壓朝地方向運動，而當南磁極靠近感測器的時候，電壓則朝著正電源方向運動。霍爾效應開關產生數位輸出來顯示磁場的存在。當磁力(運動點)被感測到時，霍爾效應感測器就驅動輸出；當磁場下降至一定電平之後(釋放值)，霍爾效應感測器就禁止輸出。在釋放點低於工作點的範圍內，存在著一定的磁滯範圍。

    霍爾效應開關可分為兩類---單極和多極型開關，有時也稱為無閉鎖和閉鎖型開關。雙載子開關有一個正極(南磁極)工作點和一個負極(北磁極)釋放點。單極開關有一個正極(南磁極)工作點和一個次正極釋放點。在兩類情況中，實際的工作及釋放點隨溫度不同而不同。單極和雙載子開關通常會有一個與外置電阻器並不相聯的開集電極輸出端。

    霍爾效應感測器通採用與TO-92電晶體外殼相似的3導線封裝，這3根導線分別是電源、地和輸出。儘管一些感測器的作業電壓達到30V或更高，但這種感測器的供應電壓通常是5-10V。當使用霍爾效應感測器的時候，要記住解決磁場偏離問題。如果採用磁體，例如旋轉軸，要保証磁鐵不過分磁化旋轉軸，否則會影響感測器的輸出。

切記磁場是以距離的平方數衰減的。受磁場強度的影響，類比霍爾效應感測器的輸出可能同磁場的強度成線性關係，但不會同距離成線性關係。

鋸齒霍爾效應感測器包括一個磁體和在封裝內的霍爾效應感測器，透過將感測器置於鋸齒附近，它們已被設計成用來測量帶齒裝置的旋轉。在每個連接齒行經感測器的時候，它會對磁體和霍爾效應感測器之間的磁場產生作用，因而產生輸出脈衝。