化学传感器.ppt

化学传感器.ppt

《化学传感器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化学传感器.ppt（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第二章化学传感器,一、化学传感器概述,化学电极离子选择性电极与气敏电极化学修饰电极微电极（离子敏）场效应晶体管传感器光导纤维化学传感器,刚性基质电极,流动载体电极,敏化电极,气敏电极,酶电极,晶体膜电极,二、化学电极,原电极,非晶体膜电极,均相膜电极,非均相膜电极,离子选择电极（ISE）,离子选择性电极与气敏电极,IUPAC（1975）,

（1）pH电极,温故知新,装置,膜电位与能斯特方程不同的玻璃材料对不同离子具有选择性，可用于制备其它种类的离子选择性电极。

如Na离子选择性电极,

（2）液膜电极,（3）氨气敏电极,氨气通过透气膜进入溶液，使平衡向左移动，电解质溶液pH升高，导致玻璃膜膜电位的产生，并与铵离子浓度相关联,（4）CO2传感器,应用：

例如做成探针测定动脉中CO2的含量或表皮中CO2的含量，用于重症病人监护,（5）氧电极,电流型指示电极（Clark电极）外加极化电压时，在阴极上产生与氧浓度成正比的稳态扩散电流。

2.化学修饰电极（CME）,利用物理和化学的方法，将具有优良化学性质的分子、离子、聚合物固定在电极表面，从而改变或改善电极原有的性质，实现电极的功能设计。

即在电极上可以进行某些预定的、选择性的反应，或提供了更快的电子转移速度。

（1）电极基底材料及其处理方法,基底材料：

碳（石墨和玻碳）、贵金属（Pt，Ag等）、半导体、高分子材料等处理方法：

研磨、抛光、清洗等,

（2）电极修饰方法,共价键合型修饰将被修饰的分子通过共价键的连接方式结合到电极表面。

（表面有机合成）优点：

共价结合的单分子层导电性能好，结合牢固，稳定，寿命长缺点：

修饰步骤复杂，官能团覆盖率低，现在研究较少,吸附型修饰利用基体电极的吸附作用将特定官能团的分子修饰到电极表面。

例如：

LB膜的吸附优点：

制作方便，覆盖度、均匀性易于控制测定灵敏度高，可用于电极表面分子微结构的研究等,聚合物型修饰电极通过电化学聚合、有机硅烷缩合和等离子体聚合以及浸涂等方式在电极表面形成聚合物层例如：

优点：

寿命长、制作方便，灵敏度高，选择性好，应用广泛,（3）化学修饰电极的应用,电化学传感器伏安分析催化分析化学修饰生物传感器LB膜吸附传感器等,化学修饰电极pH传感器,Heineman等报导了将电化学聚合物（1，2-而氨基苯）修饰pt电极用作pH的传感器，在pH410范围内的电位响应，近似Nernst型，斜率-53mV/pH。

他们推测电极表面聚合物中胺键的存在质子化是电极响应的根本原因。

LB膜-离子通道传感器,传感器原理：

固体电极上的LB膜为离子通道。

刺激物（被测物）不存在时，离子通道关闭，此时标记离子（控制离子）不能穿透膜；当刺激物存在时，通道开启，离子被检测。

膜对刺激物的识别是关键。

3.微电极,

（1）概述直径在100um以下的电极按材料分可分为铂电极、金电极、汞电极、碳纤维电极、电聚合物电极按形状分，可分为微盘电极、微环电极、微球电极、微柱电极和组合式电极,

（2）微电极的基本特性,具有极小的电极半径：

活体检测传质速率快，易于达到稳定的电流：

研究快速的电荷转移或化学反应，对短寿命物质进行监测具有很小的双电层充电电流：

提高响应速度与信噪比具有很小的iR压降：

使用双电极体系,（3）微电极的应用,扫描探针显微镜生物细胞体内检测分析化学电化学反应研究,扫瞄隧道显微镜（STM）,STM是在1982年由苏黎世实验室的Bining和Rohrer研制发明。

1986年获Nobel物理学奖。

STM的出现使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，在表面化学、材料化学、生命科学、电化学、凝聚态物理、纳米加工与纳米构筑等领域的研究中具有极其重大的意义和广阔的应用前景，被国际科学界公认为是20世纪80年代的十大科技成就之一。

STM的工作原理是基于量子力学的隧道效应，它将原子尺度尖锐的探针和被研究物质表面作为两个电极，当探针与样品之间的距离非常接近（小于1纳米），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的绝缘层从一极流向另一极产生隧道电流。

三、（离子敏）场效应晶体管传感器,原理三极管工作原理调制ISFET漏电流变化,FET工作原理,当栅极电压为正时，电场方向是由栅极经绝缘层指向基片，导电沟道内正电荷（空穴）被排斥走，负电荷（自由电子）被集中，形成N型导电沟道。

电压变化，电场强度便改变，导电沟的电阻也发生变化，流经源极后漏极之间经导电沟道的电流大小也随之而改变。

换一种说法：

场效应品体管是利用外加在栅极上的电压所产生的感应效应来控制电流大小的。

ISFET应用参数响应曲线：

Id=ak+EREFRT/ziFlnai能斯特方程选择系数：

与离子选择性电极中的概念相当线性范围及检测下限斜率、响应时间,FET特性,机械性能好，抗震性能好，寿命长，成本低小型化，便于集成，是芯片技术的基础响应快输出阻抗低，便于与随续电路匹配用于航天、深海探测、医学在线分析,例：

有机高分子PVC膜ISFET,制作：

将离子活性物质、增塑剂分散到聚氯乙烯（PVC）基质中，与一定量的四氢呋喃溶剂均匀混合制成透明溶液，在滴加到栅极上，室温尘放置24小时，但溶剂挥发后，在绝缘栅极上形成有弹性的PVC膜。

K+-ISFET,二苯并-18-冠-6，5558mV/pc,14mol/L,pH212NO-3-ISFET,四（十二烷基）碘化铵，54mV/pc，14mol/L,半导体可燃气体传感器开发历史,1959，催化剂化学，氧化物的半导体性质理论。

检测煤气转化反应中催化剂的导电率，作为一种表面检测技术，需制备氧化铁薄膜。

进而联想到反应气体对薄膜电导率的变化来监测气体。

1962，AnalyticalChemistry上发表相关分析论文。

1967，GE和NASA集团发表了宇宙飞船用氢气传感器的研究结果。

1969，商品化可燃气体传感器的气体泄漏报警器。

四、光导纤维与光导纤维化学传感器,1概述光导纤维是利用石英、玻璃、塑料等光折射率高的介质材料制成的极细纤维。

全反射现象传输信号；范围：

红外至紫外光区光纤通讯：

媒介光纤传感：

利用被测量量对光纤内传输的光进行某种形式的调制，使传输光的强度、相位、频率或偏振状态等特性发生相应变化，再对被调制过的光信号进行检测，从而测定被测量量的一种新型传感器。

被测量量：

位移、压力、温度、流量、化学量,2光纤的结构与传像,根据shell定律当发生全反射临界角为：

阶跃光纤：

入射光波形与出射光波形大不相同，即色散大。

梯度光纤：

折射率从纤心开始随半径增大而有规律的减小，具有自聚焦性质。

光线传输速度相等，色散小。

3光导纤维传感器工作原理功能型（传感型）FF利用光纤自身的性质或功能实现信号转化。

非功能型（传输型）NFF光纤只是一种媒介，只传输光；光波的变化通过其它敏感元件来实现。

光导纤维化学及生物传感器即为此类,例FF,f=2vcos/=2m,例NFF,4光导纤维化学传感器（FiberOpticalChemicalSensor,Optrode）,可逆传感器试剂不因与待测物反应而消耗可用于连续监测不可逆传感器试剂与待测物反应而消耗一次性的,常见模式探头构造示意图,Probe,由于试剂和分析组分之间的相互作用，引起试剂相光学性质的变化，由光导纤维把这种变化的光信息传输给检测器件，变换为模拟电量。

假设：

1.CL远小于A2.反应的化学配比为1:

1,Ke:

平衡常数，CL:

固定化试剂浓度，aA:

待测物浓度,若光参数与AL的分子数或L的分子数成正比，则有：

光参数：

吸光度、反射光、荧光、化学发光等光强度,例：

基于光吸收的pH传感器,钨灯监测器,渗透膜,固定化试剂：

pH指示剂苯酚红与聚丙烯酰胺共价结合的微球纤维素渗透膜：

H+工作原理：

入射光中的蓝绿光（560nm）被吸收入射光中的红光（630nm）不被吸收,传感器响应：

pH7.0-7.4,0.01pH,0.7min,5光纤化学传感器的发展、应用和特点,发展设计引起光信号变化的反应体系和方法（可逆与不可逆，光信号竞争模式）各项技术的完善（试剂相及支持体，固定技术，检测）应用领域临床检验环境监测实验室分光光度分析,特点,优点细、轻，光纤探针适合体内测定抗电磁干扰强，适合遥测信息密度大，多维信息，适合复杂样品的测定应用广泛、速度快、结构简单缺点环境光线有干扰固定化试剂的稳定性有待提高S与被测物关系复杂。

动态范围有限。