气体生物传感器的识别机制研究进展

粟元,李舒婷,许文涛，2*

1.中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,北京 100083;2.中国农业大学,农业农村部转基因生物食用安全重点实验室(北京),北京 100083

随着我国经济水平的提升，物理、化学、生物等各学科飞速发展，对不同领域的检测技术提出了更高的要求，如灵敏度更高、特异性更好、检测时间更短、成本更低和能够现场检测等。

核酸作为重要的生物大分子，在生物生命活动中具有重要的作用。近年来，基于核酸的生物传感器在食品、医药、环境检测等方面广泛应用，其主要通过荧光、颜色、电化学信号、试纸条等模式实现信号转化。

气体生物传感器主要利用气体实现检测，具有简单、方便、快速等特点。目前，气体生物传感器多是将识别信号转化为颜色而实现对各种靶物质的检测，检测范围主要集中在生物标志物、癌细胞、甲胎蛋白和端粒酶等。本文从气体信号输出的角度出发，介绍了气体生物传感器的性质，总结了气体生物传感器的分类，综述了气体生物传感器的信号识别原理和信号输出方式，最后对气体生物传感器的传感材料、搭建方式提出了展望，以期为气体传感器的相关研究提供参考。

1 气体生物传感器的概念

气体广泛存在于各行各业中，和人类呼吸息息相关。嗅觉在人类发展和生物社会交往中起着基础性的作用，人工嗅觉是模拟生物嗅觉系统，利用气体电极阵列结合信号处理单元和算法而组成的系统。人类对人工嗅觉系统的研究最早可追溯至1961年，当时Moncrieff制成了一种机械式的气味检测装置。1964年，Wilkens和Hatmen建立了基于气味分子在电极上发生氧化还原反应的第一个人工嗅觉系统[1]。作为人工嗅觉的“嗅觉细胞”的气体传感器是很重要的，其主要用于接收关于气体的化学信息，将它们作为输入信息转化成可测量的信号，并将数据发送到服务器[2]，从而实现对可挥发性气体样品的快速、准确、系统地鉴别和分析。

气体生物传感器是基于生物识别、生物转化及气体信号输出的传感器。其主要有3大要素：“酶”介导的反应、气体信号和传感材料。信号识别的原理是构建基于“酶”的气体发生体系，当目标气体与传感材料接触，气体分子在传感材料表面或体系中反应，引起传感材料的电学特性、光学特性或其他特性发生变化；“酶”泛指各种具有产气催化活性的物质，其作为气体生物传感器的信号转化器，将气体信号转化为靶物质量；最后利用气体浓度检测仪、气压仪、pH计将它们转化成可视气体的浓度值、气压值、pH或观察颜色变化，通过不同浓度的靶物质引起体系“酶”量的变化，进而引起气体物质的量发生变化，最后通过建立浓度、气压、pH、颜色与靶物质间的关系(其中，气体浓度值、气压值、pH、颜色作为纵坐标，不同浓度的靶物质作为横坐标)，从而实现对靶物质的快速、准确、灵敏地定量定性检测。

2 气体生物传感器的分类

气体生物传感器种类多样，根据信号转化方式的不同，可将气体生物传感器划分为蛋白酶介导的气体生物传感器、核酸酶介导的气体生物传感器、模拟酶介导的气体生物传感器、生物细胞介导的气体生物传感器、生化反应介导的气体生物传感器5大类。

本文总结了气体生物传感器的搭建原理及分类，如图1所示。以我国传统的太极图为基础，图1中心圆分为黑白两部分，以阳动、阴静为标志，即阴阳交错。白色部分(阳极)呈现了反应体系产生的各种气体，如O2、NH3、H2S、NO2、H2等。当气体与不同的传感材料接触时，不同的传感材料会发生相应的变化，这些变化主要呈现在黑色部分(阴极)。这些主要包括电学特性变化和光学特性变化，电学特性如电阻、电压、电流，光学特性如吸收光谱、波长等，所以将相应变化呈现在阴的部分。阴阳运动所需的基本传感介质“酶”如五行(金、木、水、火、土)，对应本文提出的“酶”的5大分类，即蛋白酶、核酸酶、模拟酶、生物细胞、生化反应。蛋白酶通过酶量变化使靶物质的量发生变化；核酸酶通过构象变化使相连的靶物质量发生变化；模拟酶通过形貌和价态发生变化使靶物质的量发生变化；生物细胞通过酶的基因表达使靶物质的量发生变化；生化反应通过微生物的分解产生气体使靶物质含量发生变化。环绕五行的卫星表示每一类气体生物传感器中具体的“酶”，蛋白酶介导的气体生物传感器中的“酶”包括辣根过氧化物酶(horse radish peroxidase，HRP)、脲酶(urease)、过氧化氢酶(catalase，CAT)；核酸酶介导的气体生物传感器中的“酶”是G-四链体；模拟酶介导的气体生物传感器中的“酶”分为纳米酶[如碳纳米管(carbon nanotube，CNT)、石墨烯、纳米纤维等]、金属有机骨架(metal-organic frameworks，MOFs)、小分子物质(例如荧光素FAM)等；生物细胞介导的气体生物传感器中的“酶”包括芽孢杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、李斯特菌、铜绿假单胞菌等；生化反应介导的气体生物传感器主要是指通过发酵反应产生气体，利用气体物质的量实现对靶物质的质量控制。

图1 气体生物传感器的分类Fig.1 Classification of gas biosensors

3 气体生物传感器气体信号识别机理

根据传感方法，气体生物传感器的气体信号识别机理可分为3类：一是利用基于电测量的转导原理，使电学信号发生变化，如电阻、电压、电流；二是利用光学测量使光学信号发生变化，如荧光、颜色、波长、偏振；三是利用其他特性发生变化，如质量变化、温度变化[3]、压力变化、酸碱性变化、颜色变化等。

3.1 电学信号识别模式

3.1.1电阻变化 电阻变化是电学信号识别模式的主要方式，大部分传感材料与气体接触时会使电阻发生变化，利用不同的传感材料检测不同的气体，根据传感材料的类别不同可分为金属氧化物材料、纳米材料和有机高分子材料。

①金属氧化物材料。金属氧化物材料具有比表面积大、机械柔韧性好、对不同气体的响应灵敏度高和化学稳定性好等优势。其机理是气体分子在传感材料表面进行还原反应，引起金属氧化物表面的电子变化，从而使传感材料电导率发生变化[4]。常用的金属氧化物传感材料可分为3类：单一金属氧化物材料、复合金属氧化物材料、混合金属氧化物材料。单一金属氧化物材料包括SnO2、WO3、In2O3、TiO2、ZnO、Cu2O。Lu等[5]使用微机电系统技术生产双面SnO2薄膜乙醇气体传感器，测量结果表明其对乙醇具有较好的感应SnO2的能力。复合金属氧化物材料包括Zn2SnO4、NiCuO。Xu等[6]通过乙二胺辅助水热法合成Zn2SnO4层状微球。由微球制成的传感器在170°C时对H2S表现出良好的响应和选择性，最低检测限(limit of detection，LOD)为50 pg/mL。混合金属氧化物材料包括SnO2-TiO2-In2O3、CeO2-SnO2、MoO3-TiO2、CeO2-TiO2[6]。Ali等[7]采用单步法沉积CeO2-TiO2复合薄膜，以研究其光电化学(photoelectrochemistry，PEC)特性。复合薄膜的PEC研究表明，在N型CeO2和N型TiO2之间形成的异质结促进了电子和空穴的分离和传输，在550℃下制造的膜具有更高的孔隙率，能够形成更大的接触界面，从而产生更高的光活性。

②纳米材料。纳米材料具有较高的单位质量表面积，具有独特的力学、光学、电学、催化和磁性能。除此之外，当粒子在纳米尺度上时，新的物理和化学性质出现。纳米碳材料容易与其他纳米材料杂交，尤其是纳米颗粒贵金属和氧化物，可以增强气体传感器的性能。近年来，基于碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维和炭黑等纳米材料的新一代气体传感器已经深入人心。下文分别对这几种纳米材料进行介绍。

一般来说，碳纳米管可分为3类，即单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotube，SWCNT)、双壁碳纳米管(double-walled carbon nanotubes，DWCNT)和多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes，MWCNT)[8]。基于单壁碳纳米管的气体传感器对NO2高度敏感。Latif等[9]发现半导体单壁碳纳米管在NO2和NH3等气体中的电导率变化可以高达三个数量级，且电导率迅速增加和降低。SO2、NH3、NO2等有毒分子在小于100 pg/mL的浓度范围内特别敏感。随着单壁碳纳米管的成功，多壁碳纳米管也被广泛地用于气体传感。Chung等[10]报道了基于多壁碳纳米管的气体传感器的早期工作。他们发现，由于碳纳米管的外壳和内壳之间存在氧化连接，多壁碳纳米管气体传感器对氧气敏感。Cava等[11]开发了一种自组装方法，以获得应用于电阻式气体传感器器件的多壁碳纳米管薄膜，氧气传感器装置的灵敏度是通过常规铸造沉积制成的薄膜的3.4倍。

石墨烯是具有蜂窝状晶格结构的碳原子单层结构，具有优异的热、电子和光学性能。气体分子与石墨烯表面接触，被吸附在石墨烯表面，诱导石墨烯电导率的改变。由于石墨烯具有较高的电子迁移率，理论分析预言石墨烯有望作为气敏材料的候选材料[12]。

纳米纤维复合气体传感器对各种有机蒸气具有较高的灵敏度。Kang等[13]报道了用CNT代替炭黑以聚丙烯腈为原料制备纳米碳纤维，制备的NO气敏元件对NO气体的敏感性提高了约8倍，响应时间减少约60%。

炭黑材料应用于气体分子传感的应用较少。其传感原理是当暴露于蒸汽时，炭黑材料的膨胀行为是可逆的。将炭黑-聚合物复合薄膜涂覆在预先形成图案的电极上，其电阻由于待测试的蒸汽引起的体积变化而变化。

应用纳米复合材料的纳米杂化体系结构在气体传感中得到了广泛的研究。许多金属纳米颗粒及其化合物，包括Mg、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Mo、Rh、Pd、Sn、W、Pt、Au和Pb，已经被用来修饰单壁碳纳米管薄膜，以增强基于碳纳米管、石墨烯的气体传感器的传感性能[14]。Lone等[15]研究发现，金纳米颗粒装饰的SWCNT传感器能够对NH3显示出极好的灵敏度。与原始SWCNT传感器相比，Au装饰的SWCNT传感器具有快速响应和恢复、高电阻变化、高质量可重复性、长期稳定性和出色的选择性等优势。Jyoti等[16]制备了还原型氧化石墨烯(reduced graphene oxide，rGO)薄膜和rGO-ZnO复合薄膜。研究表明rGO-ZnO复合材料是制备高选择性室温NO2气体传感器较好的候选材料，rGO-ZnO复合传感器的LOD为4 mg/kg。

③有机高分子材料。导电聚合物对挥发性有机化合物的敏感性是通过电阻的变化来测量的。导电聚合物通常由相应单体的化学或电化学氧化合成，最广泛使用的传感器涂层单体是聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩[8]。此外，酞菁薄膜由于其高的热稳定性和化学稳定性而应用广泛，薄膜对NO2显示出最高敏感性。近年来，卟啉、卟吩和它们的衍生物、络合物、蒽、二萘嵌苯、β-胡萝卜素等也作为气敏材料的研究对象，并五苯、钴酞菁、氯化钴酞菁和有机红色甲基染料在氨和乙醇蒸气作用下具有电阻敏感性能。

3.1.2电压变化 电压变化包括催化极化反应和离子反应。①催化极化反应。在金属-绝缘层-半导体结构装置中，可渗透的金属栅极允许氢气通过，进入栅极-绝缘体界面[17]，当气体与催化活性表面相互作用时，催化金属和氧化层的表面与界面发生极化，从而引起功函数的变化[18]，阈值电压随着栅极材料(通常是催化金属)与某些气体(如氢气)的相互作用而变化[19]。

②离子反应。有的气敏材料在气体中会产生离子，如固体电解质，它是依靠离子或质子来实现传导的一类固态物质，其原理是气敏材料在一定气体中会产生离子，离子的迁移和传导形成电势差，根据电势差来实现气体浓度大小的测定。这种材料在一定温度下灵敏度好、选择性好，目前已经用于检测空气中的PH3、H2S、NH3等有害气体。Wang等[20]利用一种固体聚合物铂电极实现了对H2S的定量检测，此方法响应速率快(10 s)，线性范围良好(0～100 mg/L)。而且此固体聚合物电解质传感器在每天以100 mg/L的浓度连续进样4 h的条件下，可连续用7个月，有极好的稳定性。

3.1.3电流变化 部分传感材料通常由一层贵金属组成，例如将与碳结合的金涂覆在疏水膜上。在室温下，待测气体分子催化传感材料表面的挥发性分子发生电化学氧化或还原[21]，目前可用于各种有毒气体的检测，并通过测量传感器中流动的电流来确定气体浓度。当应用于电化学活性气体的检测和测量时，该技术具有良好的相关性，但它们对多种化合物，尤其是芳烃不敏感[22]。

3.2 光学信号识别模式

光学传感通用性良好，能够充分利用气相分子之间的相互作用，吸附在敏感层上，如光纤化学材料，从而导致其光学性质的变化[22]。

3.2.1荧光变化 荧光指示剂尼罗红染料沉积在具有不同极性、疏水性、孔径、弹性和膨胀倾向的聚合物基质的光纤中，能够与蒸汽分子相互作用形成不同的独特传感区域[23]。Terra等[24]用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)的静电纺丝纳米纤维作为传感材料，研究表明其发光强度与氯仿浓度的曲线能够确定所开发的传感平台的灵敏度、线性范围和检测限。

3.2.2吸收光谱变化 不同的气体物质由于其分子结构不同、浓度不同和能量分布的差异而有各自不同的吸收光谱。许多化学物质在电磁光谱的紫外/可见光、近红外或中红外区域表现出强烈的吸收，吸收线或吸收带对每一物种都是特定的，这是它们被检测和测量的基础；不同光谱区域的吸收光谱具有不同的特性，在红外指纹区域，气相吸收光谱表现出窄线作为离散能级的分子振动[25]。Larsen等[26]提出了利用紫外灯辅助红外吸收光谱法测定H2S气体的方法，空气中的氧气先将H2S转化成SO2，而SO2在一定红外光谱区域内有很强的吸收峰，通过测定SO2可实现H2S的检测。

3.3 其他变化

3.3.1质量变化 当交流电压施加在压电石英晶体上时，材料以共振频率振荡，通常在10～30 MHz之间[27]，产生的三维波在整个晶体中传播，薄膜沉积在晶体表面，当暴露于蒸汽中时，该层吸收气体，导致其质量增加，常用于检测蒸汽[28]。

3.3.2温度变化 当可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下燃烧，燃烧产生的热量使电热丝(细铂丝线圈)升温，从而使气敏元件电阻值发生变化，通过测量电阻值变化可以得到气体浓度。这种传感器对不燃烧气体不敏感。

3.3.3浓度变化 当气体与气体浓度仪接触，气体浓度仪将待测气体信息转变为与气体成分、浓度或时间相关的可测物理信号组，通过信号采集电路获取数字信号，经过模式识别单元对含有待测气体综合气味信息和隐含特征的数字信号的分析，最终得到气体浓度。

3.3.4压力变化 当气体与压力传感器接触时，基片的距离发生改变，使电容容阻发生变化，从而使电流发生变化，进一步转化为气压值显示。由反应体系产生的气体导致密封装置气压变化，利用便携式气压计检测气压差，压力传感器构成的便携式气压计一般采用陶瓷或金属材料，其结构简单，检测速度快。

3.3.5酸碱性变化 不同气体所具有的溶解度和酸碱性不同，可以利用某些气体溶于水后体系pH的变化实现对靶物质的定量检测。

3.3.6颜色变化 某些气体在一定的反应体系中会发生化学反应引起反应体系颜色的变化，通过观察颜色的深浅实现对靶物质定性或半定量分析。

对于不同气体需要选择不同传感材料，各种传感材料的优缺点如表1所示。近年来，化工厂、汽车排放、食品腐败等会产生氨气，对氨气的检测需求随之大幅增加，以用于氨气检测的传感材料为例，图2显示了不同传感材料对氨的响应时间和检测下限的差异[4]。

表1 不同传感材料的比较Table 1 Comparison of different sensing materials.

4 气体生物传感器信号输出机理

通过蛋白酶、核酸酶、模拟酶、生物细胞及特殊的生化反应构建产气体系，产生的气体作为气体生物传感器的信号输入，利用气体浓度仪、气压仪、pH计将气体物理化学信息转化成气体浓度值、气压值和pH，利用浓度值、气压值、pH实现对靶物质的定量检测；除此之外，某些反应体系中产生的气体会使体系颜色发生变化，直接通过肉眼实现对靶物质的可视化定性检测，靶物质量作为气体生物传感器的信号输出。

图2 不同传感器材料对NH3传感响应时间和传感检测下限的差异[4] Fig.2 Comparison of response time and the detection lower limit of NH3 sensing with different sensor materials[4].

在反应体系中，蛋白酶通过一定的载体与靶物质孵育结合，反应中蛋白酶催化底物产生气体，通过加入不同浓度的靶物质，使蛋白酶结合量不同。催化过程中，随着酶量变化，产生的气体物质量发生变化，进而使浓度值、气压值、pH、颜色发生变化，建立曲线关系后，实现靶物质量的检测。

核酸酶在一定条件下与靶物质孵育相连，反应中核酸酶催化底物产生气体，通过加入不同浓度的靶物质，使核酸酶构象和物质量发生变化，从而使气体物质量发生变化，进而造成浓度值、气压值、pH、颜色发生变化，建立曲线关系后，实现靶物质量的检测。

模拟酶通过核酸与靶物质相连，反应中模拟酶催化底物产生气体，通过加入不同浓度的靶物质，使模拟酶的形貌和价态发生变化，产生的气体物质的量发生变化，进而使浓度值、气压值、pH、颜色发生变化，建立曲线关系后，实现靶物质量的检测。

生物细胞中的酶基因通过转录、翻译成蛋白后催化底物产气，靶物质、RNA聚合酶同时竞争与启动子的结合，在体系中加入不同浓度的靶物质，随着酶基因的表达，产生的气体物质量发生变化，进而使浓度值、气压值、pH、颜色发生变化，实现靶物质的量的检测。

生化反应通过微生物作用分解底物产生气体，随着微生物发挥作用，反应速率逐渐升高或降低，测得浓度值、气压值、pH、颜色发生变化。通过这些变量，分析建立气体浓度值、气压值、pH、颜色与不同浓度靶物质间的关系，从而实现对靶物质的定量定性检测。

5 展望

本文结合生物技术和物理电子技术，介绍了基于不同“酶”催化的气体生物传感器的原理，根据传感介质“酶”的不同，总结了气体生物传感器的分类，归纳了气体生物传感器的信号识别机理及信号输出机理，也分类阐述了识别气体信号的不同传感材料的特性和优缺点。气体生物传感器在多方面都有很广阔的发展和应用前景[29]。

5.1 传感材料

不同的传感材料对不同气体的响应不同,优缺点也不同。未来在开发多种灵敏性高、选择性优异、响应时间短、恢复时间短及成本低的传感材料具有广阔前景。可以根据不同气体设计更多具有优异性能的不同传感材料，根据传感材料的性质设计一对一(检测一种气体)或一对多(检测多种气体)的传感材料，使检测时间、恢复时间缩短，检测结果能够更加稳定、准确。

5.2 搭建方式

除了蛋白酶、核酸酶、模拟酶、生物细胞及生化反应外，可不断寻找更多具有高催化效率的“酶”，从而搭建更多产生气体的体系，使气体生物传感器具有更广阔的应用前景。未来可以设计更多方式方法开发制备种类多样、高效催化的人工酶，可以将纳米材料、金属有机骨架等性能优良的不同材料复合使用，对比筛选出高效模拟酶，使其应用更加广泛。