电化学传感器省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

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1、 电化学传感器第1页一、概述n概念：是基于待测物电化学性质并将待测物化学量转变成电学量进行传感检测一个传感器。n我们五官（眼，耳，皮肤，鼻，舌）就是传感器。五官经过五种感觉（视觉，听觉，触觉，嗅觉，味觉）接收来自外界信号，并将这些信号传递给大脑，大脑对这些信号进行分析处理，然后将指令传给肌体，这是我们常见一个传感器。第2页二、分类电化学传感器分类方法很多,按照其输出信号不一样能够分为电位型传感器、电流型传感器和电导型传感器。而按照电化学传感器所检测物质不一样,电化学传感器主要能够分为离子传感器、气体传感器和生物传感器。第3页三、原理电位型传感器是将溶解于电解质溶液中被测物质作用于电极而产生电动

2、势作为传感器输出,从而实现对被测物质检测；电流型传感器是在保持电极和电解质溶液界面为一恒定电位时，将被测物直接氧化或还原，并将流过外电路电流作为传感器输出，从而实现对被测物质检测；电导型传感器是将被测物氧化或还原后电解质溶液电导改变作为传感器输出从而实现被侧物质检测。第4页四、电化学气体型传感器传感器经过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比电信号来工作。经典电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。气体首先经过微小毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障，最终抵达电极表面。采取这种方法能够允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分电信号，同时预防电解质漏出传

3、感器。穿过屏障扩散气体与传感电极发生反应，传感电极能够采取氧化或还原机理。这些反应由针对被测气体而设计电极材料进行催化。经过电极间连接电阻器，与被测气浓度成正比电流会在正、负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。在实际中，因为电极表面连续发生电化发应，传感电极电势并不能保持恒定，在经过一段较长时间后，它会造成传感器性能退化。为改进传感器性能，人们引入了参考电极。参考电极安装在电解质中，与传感电极邻近。固定稳定恒电势作用于传感电极。参考电极能够保持传感电极上这种固定电压值。参考电极间没有电流流动。气体分子与传感电极发生反应，同时测量反电极，测量结果通常与气体浓度直接相关。施加于传感电极电压值能够

4、使传感器针对目标气体。第5页4.1组成n电化学传感器包含以下主要元件：A.透气膜（也称为憎水膜）：透气膜用于覆盖传感（催化）电极，在有些情况下用于控制抵达电极表面气体分子量。这类屏障通常采取低孔隙率特氟隆薄膜制成。这类传感器称为镀膜传感器。或者，也能够用高孔隙率特氟隆膜覆盖，而用毛管控制抵达电极表面气体分子量。这类传感器称为毛管型传感器。除为传感器提供机械性保护之外，薄膜还含有滤除不需要粒子功效。为传送正确气体分子量，需要选择正确薄膜及毛管孔径尺寸。孔径尺寸应能够允许足量气体分子抵达传感电极。孔径尺寸还应该预防液态电解质泄漏或快速燥结。第6页B.电极：选择电极材料很主要。电极材料应该是一个催化

5、材料，能够执行在长时间内执行半电解反应。通常，电极采取贵金属制造，如铂或金，在催化后与气体分子发生有效反应。视传感器设计而定，为完成电解反应，三种电极能够采取不一样材料制作。C.电解质：电解质必须有够促进电解反应，并有效地将离子电荷传送到电极。它还必须与参考电极形成稳定参考电势并与传感器内使用材料兼容。假如电解质蒸发过于快速，传感器信号会减弱。D.过滤器：有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤除不需要气体。过滤器选择范围有限，每种过滤器都有不一样效率度数。多数惯用滤材是活性炭。活性炭能够滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。经过选择正确滤材，电化学传感器对其目标气体能够含有更高选择性。第7页4

6、.2应用实例第8页nCO气体传感器与报警器配套使用，是报警器中关键检测元件，它是以定电位电解为基本原理。当CO扩散到气体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中采样电路，起着将化学能转化为电能作用。当气体浓度发生改变时，气体传感器输出电流也随之成正比改变，经报警器中间电路转换放大输出，以驱动不一样执行装置，完成声、光和电等检测与报警功效，与对应控制装置一同组成了环境检测或监测报警系统。当CO经过外壳上气孔经透气膜扩散到工作电极表面上时，在工作电极催化作用下，一氧化碳气体在工作电极上发生氧化。其化学反应式为：CO+H2OCO2+2H+2e-第9页在工作电极上发生氧化反应产生H+离子和e-，

7、经过电解液转移到与工作电极保持一定间隔对电极上，与水中氧发生还原反应：1/2O2+2H+2H2O。所以，传感器内部就发生了氧化-还原可逆反应：2CO+2O22CO2该可逆反应在工作电极与对电极之间一直发生着，并在电极间产生电位差。但因为在两个电极上发生反应都会使电极极化，这使得极间电位难以维持恒定，因而限制了对CO浓度可检测范围。为维持极间电位恒定，我们加进了一个参比电极。在三电极电化学气体传感器中，其输出端所反应出是参比电极和工作电极之间电位改变，因为参比电极不参加氧化或还原反应，所以它能够使极间电位维持恒定（即恒电位），此时电位改变就同CO浓度改变直接相关。当气体传感器产生输出电流时，其大

8、小与气体浓度成正比。经过电极引出线用外部电路丈量传感器输出电流大小，便可检测出CO浓度，而且有很宽线性丈量范围。这么，在气体传感器上外接信号采集电路和对应转换和输出电路，就能够对CO实现检测和监控。第10页五、电化学生物传感器 生物传感器(Biosensor)是指用固定化生物体成份或生物体本身作为敏感元件传感器，是一个将生物化学反应能转换成电信号分析测试装置。第11页5.1基本组成敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件第12页5.2电化学生物传感器信号转换器离子选择电极电位型电极氧化还原电极电化学电极电流型电极氧电极第13页 1、电位型电极n离子选择电极是一类对特定阳离子或阴离子呈选择性响应电

9、极，含有快速、灵敏、可靠、价廉等优点。在生物医学领域常直接用它测定体液中一些成份（比如H+、K+、Na+、Ca2+等）。n氧化还原电极是不一样于离子选择电极另一类电位型电极。这里指主要是零类电极。第14页 2、电流型电极 电化学生物传感器中采取电流型电极为信号转换器趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型电极相比有以下优点：电极输出直接和被测物浓度呈线性关系，不像电位型电极那样和被测物浓度对数呈线性关系。电极输出值读数误差所对应待测物浓度相对误差比电位型电极小。电极灵敏度比电位型电极高。第15页 氧电极n有不少酶尤其是各种氧化酶和加氧酶在催化底物反应时要用溶解氧为辅助试剂，反应中所消耗氧量就用氧

10、电极来测定。另外，在微生物电极、免疫电极等生物传感器中也惯用氧电极作为信号转换器，所以氧电极在生物传感器中用得很广。n当前用得最多氧电极是电解式Clark氧电极，Clark氧电极是由铂阴极、Ag/AgCl阳极、KCl电解质和透气膜所组成。第16页5.3免疫传感器应用酶联免疫吸附测定法测量时,抗原（抗体）先结合在固相载体上，但仍保留其免疫活性,然后加一个抗体（抗原）与酶结合成偶联物（标识物),此偶联物仍保留其原免疫活性与酶活性,当偶联物与固相载体上抗原（抗体）反应结合后,再加上酶对应底物,即起催化水解或氧化还原反应而呈颜色。其所生成颜色深浅与欲测抗原（抗体）含量成比。第17页六、电化学离子传感器

11、（离子选择性电 极）n离子选择性电极（简称ISE），它是由敏感膜、内导体系、电极控件等部件组成，它能与溶液（体液）中某种特定离子产生选择性响应。所谓响应是指离子选择性电极敏感膜在溶液中与特定离子接触后产生膜电位值随溶液中该离子浓度改变而改变。是一类电化学传感器。n将离子选择性电极与参比电极组成一个原电池，在零电流条件下测量原电池电动势，经过能斯特方程计算溶液中待测离子活度。第18页6.1离子选择性电极分类基本电极晶体膜电极均相膜电极非均相膜电极非晶体膜电极硬质电极流动载体电极带正电荷载体电极带负电荷载体电极带中性载体电极场效应半导体传感器敏化离子电极气敏电极酶（底物）电极第19页6.1.1 晶

12、体膜电极 n晶体膜电极，它膜材料物质为晶体。n晶体膜电极由电极管、内参比电极、内充液和敏感膜四部分组成。n三种常见结构：带内参比溶液电极，无内参比溶液电极，复合电极。第20页 1.带内参比溶液电极图（a）是一个由内参比电极和内参比溶液组成选择性电极，内参比电极是一根Ag|AgCl电极，内参比溶液普通由电极种类所决定，如氟电极，普通用3.0mmol/LNaF作为内参比溶液。第21页 2.无内参比溶液电极图（b）与图（a）比较，它没有内参比溶液，是一个全固态电极，它内参比电极普通使用一根导体银丝直接与固态膜焊接，固态压片膜一个表面加一层银粉，再将银丝焊接上去组成一个离子选择性电极。第22页 3.复

13、合电极图（c）是一个复合电极，它与外参比电极组合成一个测量电池，测量时免去了惯用分开参比电极，结构愈加紧凑。第23页6.1.2 非晶体膜电极n它膜是由一个含有离子型物质或不带电荷支撑体组成，这种支撑体是多孔性微孔性膜或无孔膜。这类电极膜电位是因为膜相中存在着离子交换物质而引发，可分为硬质电极和流动载体电极。第24页 6.1.3 气敏电极n除有内敏感膜、内参比溶液、内参比电极等组成内敏感离子选择电极外，还有参比电极、内电解质溶液以及分离气体和溶液离子气透膜等，用于测量混合气体中或溶解在溶液中某种气体含量。第25页6.2 离子传感器近期研究和应用n低至皮摩尔浓度级痕量检测n色谱等流动系统或体系检测n测定无机、有机、生物离子；第26页