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第二章电化学传感器 共91页

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(优质)电化学传感器PPT课件

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通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正、负极间 流动。测量该电流即可确定气体浓度。在实际中，由于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，它会导致 传感器性能退化。为改善传感器性能，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。固定的稳定恒电势作用于传感电极。参考电 极可以保持传感电极上的这种固定电压值。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。施加于传感电极的电压值可以使传感器针对目标气体。
二、分类
电化学传感器的分类方法很多,按照其输出 信号的不同可以分为电位型传感器、电流型传 感器和电导型传感器。而按照电化学传感器所 检测的物质不同,电化学传感器主要可以分为 离子传感器、气体传感器和生物传感器。
三、原理
电位型传感器是将溶解于电解质溶液中的 被测物质作用于电极而产生的电动势作为传感 器的输出,从而实现对被测物质的检测；电流 型传感器是在保持电极和电解质溶液的界面为 一恒定的电位时，将被测物直接氧化或还原， 并将流过外电路的电流作为传感器的输出，从 而实现对被测物质的检测；电导型传感器是将 被测物氧化或还原后电解质溶液电导的变化作 为传感器的输出从而实现被侧物质的检测。
D. 过滤器：有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤 除不需要的气体。过滤器的选择范围有限，每种过滤器 均有不同的效率度数。多数常用的滤材是活性炭。活性 炭可以滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。通过 选择正确的滤材，电化学传感器对其目标气体可以具有 更高的选择性。
4.2 应用实例
CO气体传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心检 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 的采样电路，起着将化学能转化为电能的作用。当气体 浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比 变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同 的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能，与相 应的控制装置一同构成了环境检测或监测报警系统。 当CO通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表 面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工 作电极上发生氧化。其化学反应式为：

电化学传感器课件

电化学传感器课件

电化学传感器课件一、教学内容本节课的教学内容选自小学科学教材中关于电化学传感器的章节。

具体内容包括：1. 电化学传感器的定义和工作原理；2. 电化学传感器的分类和应用；3. 电化学传感器在现实生活中的作用和意义。

二、教学目标1. 让学生了解电化学传感器的定义和工作原理，知道其分类和应用；2. 培养学生运用电化学传感器解决实际问题的能力；3. 培养学生对科学技术的兴趣和好奇心。

三、教学难点与重点重点：电化学传感器的定义、工作原理、分类和应用；难点：电化学传感器的工作原理和应用。

四、教具与学具准备教具：PPT、电化学传感器实物或模型；学具：笔记本、彩笔。

五、教学过程1. 实践情景引入：向学生展示一辆装有电化学传感器的汽车，让学生猜测电化学传感器的作用。

2. 知识点讲解：(1) 电化学传感器的定义：引导学生了解电化学传感器的概念，解释其是一种检测和分析化学物质的装置。

(2) 电化学传感器的工作原理：以氧传感器为例，讲解其工作原理，引导学生理解电化学传感器是通过电化学反应来检测化学物质的。

(3) 电化学传感器的分类：根据传感器所检测的化学物质的不同，将其分为氧化还原传感器、离子传感器、气体传感器等。

(4) 电化学传感器的应用：讲解电化学传感器在汽车、环境监测、医疗等方面的应用。

3. 例题讲解：以汽车尾气中的氧传感器为例，讲解其检测原理和作用。

4. 随堂练习：让学生设计一个简单的电化学传感器，用于检测某种化学物质。

5. 板书设计：将本节课的重点知识用板书形式呈现，便于学生复习。

六、作业设计1. 请简述电化学传感器的定义、工作原理和分类。

2. 举例说明电化学传感器在现实生活中的应用。

3. 设计一个简单的电化学传感器，用于检测某种化学物质。

答案：1. 电化学传感器是一种检测和分析化学物质的装置，其工作原理是通过电化学反应来检测化学物质，分类有氧化还原传感器、离子传感器、气体传感器等。

2. 电化学传感器在现实生活中的应用有汽车尾气检测、环境监测、医疗诊断等。

电化学生物传感器PPT课件

电化学生物传感器PPT课件
• 酶电极电化学电极顶端紧贴一层酶膜
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酶的固定化技术
惰性载体物理吸附法
离子载体交换法
物理T包e埋xt法
酶分子通过极性 键、氢键、疏水力 或π电子相互作用 等吸附于不溶性载 体上。
选用具有离子交
换剂的载体，在适 宜的pH下，使酶分 子与离子交换剂通 过离子键结合起来， 形成固定化酶。
将酶分子包埋 在凝胶的细微格 子里制成固定化。
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二.电化学生物传感器的信号转换器
电 电化学参比电极 极
电位型电极
➢离子选择电 极
➢氧化还原电 极
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电. 流型电极
➢氧电极
1、电位型电极
离子选择电极 离子选择电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈选择性响应的电极，具有快速、 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的一些成分 （例如H+，K+，Na+，Ca2+等）。
目前生物传感器主要还处在实验室研究阶段，仍需要较长的一段时间才能实现产 业化。比如，大多数电化学酶传感器只是对单一组分中的污染物具有响应，而传感器 应用于监测实际样品中污染物仍有许多亟待解决的实际问题。
生物传感器是一项崭新的技术手段，它在发展中难免会遇到各种问题，但是它 的应用前景和自身优势毋庸置疑。可以预见，未来的电化学生物传感器将实现功能多 样化、微型化、智能化、集成化等特点。相信随着大量资金的涌入和多学科的融入， 这些问题都将迎刃而解。
1
2
Hale Waihona Puke 优点：酶活与性酶较电极酶相的比稳定
离析酶高 性增大
3
材料易于 获得
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应用
细胞传感器可用于诊断早期癌症，用人类脐静脉内皮细胞通过三乙酸纤维素膜 固定在离子选择性电极上作为传感器，肿瘤细胞中VEGF刺激细胞使电极电位发生变 化从而测得VEGF浓度来诊断癌症。

电化学传感器

电化学传感器

背景：最早的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代，当时用于氧气监测。

到了20世纪80年代中期，小型电化学传感器开始用于检测PEL范围内的多种不同有毒气体，并显示出了良好的敏感性与选择性。

目前，为保护人身安全起见，各种电化学传感器广泛应用于许多静态与移动应用场合。

电化学传感器的工作原理:电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。

典型的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。

气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是疏水屏障层，最终到达电极表面。

采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。

穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。

这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。

通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。

测量该电流即可确定气体浓度。

由于该过程中会产生电流，电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。

在实际中，由于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，它会导致传感器性能退化。

为改善传感器性能，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。

固定的稳定恒电势作用于传感电极。

参考电极可以保持传感电极上的这种固定电压值。

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。

施加于传感电极的电压值可以使传感器针对目标气体。

分类：电化学传感器可分为以下几个类型①吸附型：通过吸附方式将修饰物质结合在电极表面得到的修饰电极为吸附型化学修饰电极。

可以制备单分子层和多分子层。

根据吸附作用力的不同，又可分为平衡吸附型、静电吸附型、LB膜型、SA膜型、涂层型。

②共价键合型：在电极的表面通过键合反应把预定功能团接在电极表面而得到的化学修饰电极为共价型化学修饰电极。

电化学传感器

电化学传感器

在实际中，由于电极 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，它会导致传感器性 能退化。为改善传感器性 能，人们引入了参考电极 ，通过控制使工作电极和 参比电极之间的电位保持 一定，故传感电极间的电 位保持一定，构成恒电位 仪电路 。
恒电位仪
这是一个电压跟随电路，参比电极与 工作电极的电压差Vout等于输入的给定电 压 U0, 处于接地电位的工作电极相对参比 电极有一个 -U0的电位，因此输入电压在 电池中被反相。在电路中没有给出测量流 出传感器工作电极的电流装置。 可以看出，要得到恒定的电压，电路 上必须满足两个条件，一是具有基准电压 （有时也称给定电压），使恒定的电压值 可调，二是满足恒电位的调节规律，也就 是当电路的参数变化时（如电源电压变化 或由于电化学变化的延续引起电极电位漂 移），恒电位仪应具有自动调节的能力， 使电极电位保持恒定。通常恒电位的调节 是依靠深度电压负反馈来实现的 。
葡萄糖酶电极。其敏感膜为葡萄糖氧化酶，它固定在聚乙烯酰胺 凝胶上。转换电极为Clark氧电极(为测定水中溶解氧含量而设计的一种极谱电极 )， 其Pt阴极上覆盖一层透氧聚四氟乙烯膜。当酶电极插入被测葡萄糖 溶液中时，溶液中的葡萄糖因葡萄糖氧化酶作用而被氧化，此过程 中将消耗氧气。此时在氧电极附近的氧气量由于酶促反应而减少， 通过测量电流值的变化就可以确定葡萄糖浓度。葡萄糖传感器的核 心是酶膜，提高酶膜的性能是提高酶电极性能的关键。
以电阻应变计为转换元件的电阻应变式传感器,主要由弹性元件 、粘贴于其上的电阻应变片、输出电信号的电桥电路及补偿电路构 成。其中感受被测物理量的弹性元件是其关键部分,结构形式有多样, 旨在提高感受被测物理量的灵敏性和稳定性。 电阻应变式传感器工作原理是：由于被测物理量 (如载荷,位移,压力 等)能够在弹性元件上产生弹性变形 (应变),而粘贴在弹性元件表面的 电阻应变计可以将感受到弹性变形转变成电阻值的变化,这样电阻应 变式传感器就将被测物理量的变化转换成电信号的变化量,再通过电 桥电路及补偿电路输出电信号。通过测量此电量值达到测量非电量 值的目的。

电化学传感器

电化学传感器

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，通过 能斯特方程计算溶液中待测离 子的活度。
能斯特方程
cC+dD
gG+hH
E
=
θ
E
—
RT zF
ln a ag h GH a ac d CD
参加反应的组分都处于 电极反应中电子的计量 标准状态时的电动势 系数
离子选择性电极的分类
人体与机器的对应
外 人体 界 刺 机器 激
人的感官 传感器
人脑 计算机
机体 执行器
电化学传感器
概念：是基于待测物的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的一种 传感器。
按转化成的电学量分类：电位传感器、电流 （安培或伏安）传感器及阻抗（电阻型和电 容型）传感器。
离子选择性电极
上面已经介绍了很多种电极，下面以气敏电 极为例，来说明离子选择性电极的基本原理 和使用方法。
气敏电极
除有内敏感膜、内参比 溶液、内参比电极等组 成的内敏感离子选择电 极外，还有参比电极、 内电解质溶液以及分离 气体和溶液离子的气透 膜等，用于测量混合气 体中或溶解在溶液中的 某种气体的含量。
近期研究和应用
能用作在线检测的传感器；工业生产、 环境监测、单细胞及生命活体的分析监 测；
电位法测定离子的活度，因此，是研究 化学平衡（常数测定）和物理化学基础 理论（热力学、动力学、电化学）的有 力工具。
近期研究和应用
低至皮摩尔浓度级的痕量检测 色谱等流动系统或体系的检测 测定无机、有机、生物离子；
晶体膜电极，它的膜材料物质为晶体。 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 三种常见结构：带内参比溶液电极，

应用电化学电化学传感器

应用电化学电化学传感器

物理传感器
将光、声、温度 和压力等物理信 息转化为可用输 出信号的传感器
化学传感器
将化学组分、含 量等化学信息转 化为可用输出信 号的传感器
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2 电化学传感器的分类及工作原理
电化学传感器
将待测物质以适当形式置于电化学反应池中，测量其电化学性质（如电位、 电流和电量等）变化则可实现物质组成及含量的测定，基于此原理的化学传感器 称为电化学传感器。
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第四节 电化学生物传感器
1 生物传感器及工作原理 2 生物传感器的分类 3 电化学生物传感器及其发展 4 酶电极传感器
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1 生物传感器及工作原理
生物传感器是一类特殊的化学传感器，由生 物敏感基元（接收器）和信号转换器（换能器） 组成，将生物功能材料（酶、微生物组织、动物 细胞、底物、抗原、抗体等）固定化处理，当待 测物质与分子识别感受器（即接收器）相互作用 时发生物理变化或化学变化，然后通过各种物理、 化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的 反应，再将反应的程度用离散或连续的信号表达 出来，从而得出被测物的浓度。
生物传感器的制备方法直接影响着传感器的一般性 能，如传感器的线性响应范围、灵敏度、选择性、最适 pH值及温度、响应时间、重现性和稳定性等。因此研究 生物传感器的制备显得非常重要。
生物识别组分的选择 换能器的选择
生物功能物质的固定化
生物传感器的制备
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1）生物识别组分的选择
❖生物识别组分是生物传感器的核心，各种生物组分各有 千秋，可以根据需要选择。
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灵敏度
指传感器的输出变化与输入变化的比值。
(1) 待测物在检测系统中的传质速度； (2) 电极材料的电化学活性； (3) 反应过程中每摩尔物质传递的电流； (4) 待测物在电解液中的溶解性和流动性； (5) 传感器的几何形状和样品进入的方法； (6) 膜电位的大小及达到平衡的时间长短； (7) 工作电极产生的噪声信号大小。

电化学传感器

电化学传感器

传感器
传感器是指测试器系统的检测部分直接与被测对象 发生关系，直接感受被测参数的变化，并把被测参 数转为易于运输、处理、测量的信号，完成这一任 务的装置称为传感器。
我们的五官（眼，耳，皮肤，鼻，舌）就是传感 器。五官通过五种感觉（视觉，听觉，触觉，嗅觉， 味觉）接受来自外界的信号，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，这是我们常见的一种传感器。
1975年国际纯化学与应用化学协会（IUPA）根据膜电极响应机理， 膜的结构、组分对离子选择性电极进行了分类：
晶体膜电极
均相膜电极 非均相膜电极
基本电极
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
场效应半导体传感器
带中性载体电极
敏化离子电极
气敏电极 酶（底物）电极
晶体膜电极
[OH-]= K PCO2
K=
K1 [NH4+]
Φ膜=K+
RT F
lnaOH-=
K-
RT F
ln PCO2
E= Φ参比 Φ膜
测出电动势E就可计算出溶液中NH3的含量。
离子选择性电极
优点：简便快速、仪器设备简单、 易实现自动化、直接检测离子活度， 因而已广泛用于科学研究和生产活 动中。
缺点：精密度不很高（约2%）、 工作曲线稳定性不很好
3.复合电极
复合电极的 外参比电极
图（c）是一种复 合电极，它与外参 比电极组合成一个 测量电池，测量时 免去了常用分开的 参比电极，结构更 加紧凑。
晶体膜电极
分类: 均相膜电极：它的膜材料由一种纯固体材料
单晶或单种化合物或集中化合物均匀混合压 片制成。 非均相膜电极：除了晶体敏感膜外，还加入 了高混合惰性载体，如聚氯乙烯、硅橡胶、 石蜡等，以改善电极传感性能。

电化学传感器

电化学传感器

电流型电极与电位型电极相比有以下优点：
（1）电极的输出直接和被测物的浓度呈线性关
系，不像电位型电极那样和被测物浓度的对数呈
线性关系．
（2）电极输出值的读数误差所对应的待测物浓
度的相对误差比电位型电极的小．
（3）电极的灵敏度比电位型电极的高．

1.2电位型传感器
免疫传感器的应用
检测DNA光纤免疫传感器可以用来进行DNA分子的识别、测序。其原理 是将有反应性的一单股核苷酸固定在传感器上作为探针，可以在复杂
环境成份下特异地识别出某一靶子底物 ，并通过换能装置转换成可
以检测到的光电信号。检测的方法有荧光型和表面等离子体共振型传 感器。荧光检测法是在 DNA 探针中或待测靶基因中标上荧光标记物 ，
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，然后加一种抗体（抗原）与酶结合成的偶联物（标记物）， 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 的抗原（抗体）反应结合后，再加上酶的相应底物，即起催化水 解或氧化还原反应而呈颜色。其所生成的颜色深浅与欲测的抗原 （抗体）含量成正比。

细胞传感器的应用
细胞传感器可用于诊断早期癌症，用人类脐静脉 内皮细胞通过三乙酸纤维素膜固定在离子选择性 电极上作为传感器，肿瘤细胞中VEGF刺激细胞使 电极电位发生变化从而测得VEGF浓度来诊断癌症。

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电化学传பைடு நூலகம்器
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Contents
1.电化学传感器的工作原理 2.电化学生物传感器的分类 3.电化学生物传感器的原理 和应用

1.电化学传感器的工作原理
初步了解：
由膜电极和电解液灌封而成。 浓度（气体）信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将 信号传出。 它的优点是：反映速度快、准确（可用于ppm级），稳定性 好、能够定量检测，但寿命较短（大于等于两年）。

气体电化学传感器PPT课件

气体电化学传感器PPT课件

B.电极：电极材料一般为催化材料，能够长时间内执行半电解反应。通常电 极采用贵金属制造，如铂或进，在催化后与气体分子发生有效反应。根据 传感器类型的不同，
C.电解质：电解质必须有能够促进电解反应，有效将离子电荷传送到电极 的能力。电解质与参考点击形成稳定的参考电势并与传感器内使用的材料 兼容。若电解质蒸发太迅速，传感器信号将减弱。
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恒定电位电解池型气体传感器
工作过程：
（1）被测气体进入传感器的气室：通过气体扩散或机械泵；先经 过一个过滤器---提高选择性。
（2）反应物从气室到达工作电极前面的多孔膜，并向电极-电解液 界面扩散：工作电极一般不暴露在外，所以气体先经过多孔膜；多 孔膜的作用：防止泄漏，给电极提供结构支持，再次提高选择性。
• 氧气进入膜后在电极ຫໍສະໝຸດ 面迅速还原，外电路检测的氧气还原电流正比 氧气的浓度。
第11页/共25页
伽伏尼电池型气体传感器：
• Clark电极是一种封闭式电极，它用一疏水透气膜将电解池体系与待测体系分开。待测的氧可以通过透气膜 扩散到电极内，而待测溶液中的其他杂质不能透过，这样可以有效地防止电极被待测溶液中某些组分污染而 中毒。
（3）电活性物质在电解液中的溶解：气体在电解液中的溶解速率 在很大程度上决定了传感器的灵敏度和响应时间。
（4）电活性物质在电极表面吸附：待测气体扩散到催化剂电极表 面发生氧化或还原反应，氧化或还原反应速率的大小与气体在电极 表面的吸附密切相关。
（5）扩散速度下的电化学反应：当扩散步骤为速率控制步骤时， 整个反应可以由Cottrell方程描述。
第7页/共25页
恒定电位电解池型气体传感器
应用实例：
一种基于CAN总线的CO气体监测系统

电化学传感器原理

电化学传感器原理

电化学传感器原理电化学传感器是一种利用电化学原理来检测和测量化学物质的传感器。

它通过测量化学反应产生的电流、电压或电阻等电化学信号来实现对目标物质的定量或定性分析。

电化学传感器具有灵敏度高、响应速度快、操作简便等特点，因此在环境监测、生物医学、食品安全等领域得到了广泛的应用。

电化学传感器的原理主要包括电化学反应原理和信号检测原理两个方面。

首先，电化学传感器利用目标物质与电极表面发生的电化学反应来产生电流、电压或电阻等信号。

这些电化学反应可以分为氧化还原反应、离子传递反应和化学吸附反应等。

其次，电化学传感器通过电极和电解质溶液之间的界面来检测和测量电化学反应产生的信号。

电极的选择、电解质的配制以及信号的放大和处理等环节都对电化学传感器的性能有着重要的影响。

在电化学传感器的设计中，电极是至关重要的部分。

常见的电极包括工作电极、参比电极和计时电极。

工作电极是与目标物质发生电化学反应的电极，它的表面通常涂有特定的催化剂或选择性膜以增强对目标物质的选择性和灵敏度；参比电极是用来提供一个稳定的电位作为参考的电极，它的电位对于测量信号的稳定性和准确性至关重要；计时电极则是用来测量电化学反应的时间，从而确定反应动力学参数。

这三种电极共同构成了电化学传感器的核心部分。

另外，电解质溶液的选择和配制也对电化学传感器的性能有着重要的影响。

合适的电解质溶液可以提供良好的离子传输通道，维持电极表面的清洁和稳定，从而保证电化学反应的准确性和可重复性。

同时，信号的放大和处理技术也是电化学传感器设计中不可或缺的一部分。

合理的信号放大和处理技术可以提高信噪比，降低干扰，从而提高电化学传感器的灵敏度和稳定性。

总的来说，电化学传感器的原理涉及电化学反应和信号检测两个方面，其中电极的设计、电解质溶液的选择和配制以及信号的放大和处理技术是影响电化学传感器性能的关键因素。

通过不断的研究和创新，电化学传感器在化学分析、环境监测、生物医学和食品安全等领域的应用前景将会更加广阔。

电化学传感器ppt课件

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四、电化学气体型传感器
传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工 作。典型的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。
气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障， 最终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应， 以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。穿过屏障扩散的气体与 传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化或还原机理。这些反应由针对被 测气体而设计的电极材料进行催化。
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4.1 组成
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到达电极表面的气体分子量。 此类屏障通常采用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，也可以用高孔隙率特氟隆膜覆盖， 而用毛管控制到达电极表面的气体分子量。此类传感器称 为毛管型传感器。除为传感器提供机械性保护之外，薄膜 还具有滤除不需要的粒子的功能。为传送正确的气体分子 量，需要选择正确的薄膜及毛管的孔径尺寸。孔径尺寸应 能够允许足量的气体分子到达传感电极。孔径尺寸还应该 防止液态电解质泄漏或迅速燥结。
D. 过滤器：有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤 除不需要的气体。过滤器的选择范围有限，每种过滤器 均有不同的效率度数。多数常用的滤材是活性炭。活性 炭可以滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。通过 选择正确的滤材，电化学传感器对其目标气体可以具有 更高的选择性。
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4.2 应用实例
电化学电极
电位型电极 电流型电极
离子选择电极 氧化还原电极
氧电极

电化学传感器

电化学传感器

互补ssDNA
生物传感器在环境污染监测中的应用
BOD生物传感器，重要的水质有机污染 评价指标——稀释法 酚类微生物传感器：炼油、造纸以及各 种化工废水——4-氨基安替比林光度法分析。 硫化物、油类、芳香胺干扰测定 重金属监测：重金属离子可以被含有任 何含-SH的催化基团的酶加以监测，简单方便。
电化学生物传感器 敏感元件：生物体成分（酶、抗原、抗体、激素） 或生物体本身（细胞、细胞器、组织） 选择性 转换元件：电极(电化学电极、石英晶体、热敏电 阻器、微光管） 敏感性
1、由选择性好的生物材料(例如酶）构成分子识别 元件，不需样品处理 2、体积小，可实现在线监测 3、响应快，样品用量少，敏感材料可以多次使用 4、成本低，便于推广普及
生 物
敏感元件
酶传感器 细胞传感器 微生物传感器
传 感 器
DNA传感器
酶传感器 酶与适当的膜、粒子表面或内部结合（固定 化），将装有酶膜的酶传感器插入试液中，被 测物质在固定化酶膜上发生催化反应，生成电 活性物质（O2，H2O,CO2等），测量消耗或生 成的电活性物质，将浓度转变为电信号，由此 测定未知浓度。
电流型传感器
氧化还原反应与电势有关，通过控制电极电 势从而有选择地使溶液中某成分发生化学氧化或 还原反应。电流通过时，电极会发生极化现象， 电极电势偏离平衡电势，通过控制电极电势，测 量的电流信号与发生电极氧化或还原的物质浓度 有关。
电导型传感器
溶液离子变化 电导变化
根据检测对象不同分为 1、离子传感器 2、气体传感器 3、生物传感器
惰性电极
燃料电池型微生物细胞传感器工作原理示意图
DNA传感器 利用单链DNA（ssDNA）作为敏感元件 通过共价键合或化学吸附固定在固体电极表 面，加入电活性指示剂共同构成检测特定基 因的装置

电化学传感器综述ppt课件

电化学传感器综述ppt课件
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二、控制电位电解型（电流型）气体传感器
监测和控制大气环境中污染物的排放关系到人类社 会的可持续发展；
目前的气体检测手段：热导分析、磁式氧分析、电子捕 获分析、紫外吸收分析、光纤传感器、半导体气敏传感器、 化学发光式气体分析仪、电化学式传感器、化学分析法。
化学发光式气体分析仪：检测灵敏度高、准确性强，但 仪器体积大，不能用于现场检测，且价格昂贵；
以测得的电动势 E 值与相应的 lgaMn+值绘制工作曲线，即可
求得未知溶液中待测离子的浓度。
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离子传感器研究较多的是玻璃电极，除测量PH的 电极外，引进玻璃的成分，已制成 Na+、K+、NH4+、 Ag+、Tl+、Li+、Rb+、Cs+等一系列一价阳离子的选 择性电极；
利用Ag2S压片可制成S2-离子选择性电极，已制成 F-、Cl-、Br-、I-、CN-、NO3-等阴离子选择电极
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化学传感器的分类：
按检测物质种类可以分为：以pH传感器为代表的 各种离子传感器，检测气体的气体传感器以及利 用生物特性制成的生物传感器等等。 依据其原理可分为：① 电化学式；② 光学式； ③ 热学式；④质量式等。 电化学传感器是利用电化学原理，将被测组份的 浓度变化与电信号联系起来，从而提供被检测体 系中化学组份实时信息的一类器件。
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特点：灵敏度高、选择性好、响应快、操作简便、样品需要量
少、可微型化、价格低廉等。
分类：电化学式和光学式；
生物电化学传感器：电位式、电流式和电导式；
研究和应用最多的是酶传感器。
1962年 Clark等人提出将酶作为与电极结合试剂，并通过检测其 酶催化反应所消耗的氧气来测定葡萄糖的含量。

电化学传感器

电化学传感器
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工作原理
1、恒定电位电解池型气体传感器：使电极与电解质溶液的界面保 恒定电位电解池型气体传感器： 恒定电位电解池型气体传感器 持一定电位进行电解，通过改变其设定电位，有选择的使气体进 行氧化或还原，从而能定量检测各种气体。对特定气体来说，设 定电位由其固有的氧化还原电位决定，但又随电解时作用电极的 材质、电解质的种类不同而变化。
电化学传感器
Electrochemical sensor
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引言 电化学传感器分类 电化学式气体传感器 在生命医学和药物研究中的应用
发展方向
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引言
• 电化学传感器：是基于待测物的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的一种传感器。 • 最早的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代，当时用 于氧气监测。到了20世纪80年代中期，小型电化学传感 器开始用于检测PEL范围内的多种不同有毒气体，并显示 出了良好的敏感性与选择性。目前，为保护人身安全起 见，各种电化学传感器广泛应用于许多静态与移动应用 场合。
2、加伏尼电池型气体传感器：通过测量电解电流来检测气体浓度。 加伏尼电池型气体传感器： 加伏尼电池型气体传感器 但由于传感器本身就是电池，所以不需要由外界施加电压。这种传 感器主要是用于O2的检测，检测缺氧的仪器几乎都使用这种传感 器。
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3、电量式气体传感器：被测气体与电解质溶液反应生成电解电流， 电量式气体传感器： 电量式气体传感器 将此电流作为传感器输出来检测气体浓度，其作用电极、对比电极 都是Pt电极。
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上述的传感器大都是以水溶液作为电解质溶液的，它有下几点 问 题： （1）电解液的蒸发或污染常会导致传感器信号衰降，使用寿命短 （一般来说，电化学传感器的寿命只有一年左右，最长不过两年）； （2）催化剂长期与电解液直接接触，反应的有效区域，即气、液、 固三相界面容易发生移动，会使催化活性降低； （3）在干燥的气氛中，特别是在通气条件下，传感器中的电解液很 容易失水而干涸，致使传感器失效； （4）存在漏液、腐蚀电子线路等问题； （5）为了保证传感器有一定的使用寿命，电解液的用量不能太少， 因此限制了该类传感器的微型化。
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第二章 电化学传感器
第一节 电化学传感器概述 一、传感器基本概念
传感器：能感受（或响应）一种信息并变换 成可测量信号的器件。
物理信息：光、声、温度、压力等 物理传感器 化学信息：组分、气味、味道等 化学传感器
化学传感器的检测对象：化学物质，要求 对特定分子有选择性的响应。
化学传感器依据其工作原理可以分为：电 化学式、光学式、热学式及质量式等。
主要干扰离子
510－7~110－1 OH－
510－5~110－1 510－6~110－1 110－7~110－1
Br－, S2O32－, I－, CN－, S2－ S2O32－, I－, CN－, S2－ S2－
110－6~110－2 I－
110－7~110－1 Hg2＋
510－7~110－1 Ag＋, Hg2＋, Fe3＋, Cl－
各性能指标与敏感元件的本性、电极材 料、制备工艺、信号收集与处理系统的性能 等因素有关。
1、灵敏度 影响灵敏度的因素：
(1) 待测物在检测系统中的传质速度； (2) 电极材料的电化学活性（包括电极材料、 电极的物理形状和工作时的电极电势）； (3) 反应过程中每摩尔物质传递的电流； (4) 待测物在电解液中的溶解性和流动性； (5) 传感器的几何形状和样品进入的方法； (6) 膜电位的大小及达到平衡的时间长短； (7) 工作电极产生的噪声信号大小。
晶体膜传感器的品种和性能
传感器
F－ Cl－ Br－ I－ CN－ Ag＋, S2－ Cu2＋ Pb2＋
Cd2＋
膜材料
LaF3＋Eu2＋ AgCl＋Ag2S AgBr＋Ag2S AgI＋Ag2S
AgI Ag2S CuS＋Ag2S PbS＋Ag2S
CdS＋Ag2S
线性响应浓度范围 c/(molL－1)
3、响应时间 对电位型传感器，响应时间取决于膜电 位达到平衡的时间长短； 电流型传感器的响应时间在很大程度上 取决于反应电阻和界面电容的时间常数。
4、背景电流和仪器噪声 背景电流与仪器噪声影响传感器灵敏度。
背景电流产生原因：电解液或电极上的 杂质；电极的腐蚀；反应物或对电极上的 反应产物的扩散。
影响传感器的响应特性的因数：进样速度、 工作电极成分、电解液的类型与用量、膜的孔 积率和渗透力、工作电极的电位等。
电化学CO气体传感器结构：电极、过滤 器、透气膜、电解液、电极引出线（管脚）、 壳体等。
主要干扰离子
Zn2＋, Mn2＋,Cu2＋
110－6~110－1 110－5~110－1
510－6~110－1
Cs＋, NH4＋
Na＋, K＋, Ba2＋, Sr＋, Cu2＋, Ni2＋, Zn2＋, Fe2＋
N－O2－, Br－, I－, ClO4
110－5~110－1 OH－
110－6~110－1 I－, SCN－, ClO4－
氧气进入膜后在电极表面迅速还原，外 电路检测的氧气还原电流正比氧气的浓度。
Clark电极被广泛应用于水质处理、水文监 测、污水处理、游泳池、鱼塘和化肥、化工、 生物等领域的含氧量监测，测定水中溶解氧 以研究光合、呼吸作用等。
优点：稳定性好，膜不易损坏、抗污染 。
缺点：传感器的响应时间较长（气体扩散到 电极表面的速度很慢，气体在液膜中的扩散 为整个电极过程的控制步骤 ），响应信号低， 温度系数大。
用屏蔽，不受外来电场干扰，测试电路简化； ⑤ 可在同一硅片上集成多种传感器，对样
品中不同成分同时进行测量分析。
第三节 电化学气体传感器
气体传感器：能感知环境中某种气体及 其浓度的一种装置或器件，它能将气体种类 和浓度有关的信息转换成可测量的信号。
电子鼻是一种20世纪90年代发展起来的 新颖的分析、识别和检测复杂嗅味及大多数 挥发性成份的仪器，是由一定选择性的传感 器阵列和适当的图像识别装置组成的仪器， 能够识别单一的或复合的气味；是模拟动物 嗅觉器官开发出一种高科技产品。
Clark电极是一种封闭式电极，它用一疏 水透气膜将电解池体系与待测体系分开。待测 的氧可以通过透气膜扩散到电极内，而待测溶 液中的其他杂质不能透过，这样可以有效地防 止电极被待测溶液中某些组分污染而中毒。
绝缘材料
Ag/AgCl参比电极
电解质溶液
透氧膜
双层膜：透气膜（将电极、电解液与待测溶液分 开）；液膜（在透气膜与电极之间很薄的由电解液 形成的，约5~15m）。透气膜多为聚四氟乙烯膜。
2、CO气体传感器 工作原理：待测物的浓度（压力）与所产
生的电流信号成线性关系。
CO传感器工作过程： (1) 被测气体进入传感器的气室。自由扩散或机 械泵入。气体先经过滤器：保护传感器（滤掉 被测气体中的颗粒），提高选择性（滤掉电活 性干扰物）。 (2) 反应物从气室到达多孔膜，并向电极一电解 液界面扩散。多孔膜作用：防止传感器的漏液 现象、进一步提高选择性。 (3) 电活性物质在电解液中的溶解。物质穿过气 液界面的速度和气体在电解液中的溶解速度决 定传感器的响应灵敏度和响应时间。
流动载体传感器：敏感膜是由某种有机液体 离子交换剂制成，由电活性物质（载体）、 溶剂（增塑剂）、基体（微孔支持体）组成。
l ：内充溶液
2 ：Ag－AgCl内参比电极 3 ：液体离子交换剂 4 ： 浸有液体离子交换剂的
多孔性膜
液体离子交换剂与被测离子结合，能在膜中迁移， 溶液中反号离子被排斥在膜之外，引起相界面电荷分 布不均匀，形成界面电势差。
支撑体组成，这种支撑体是多孔性的膜或无孔 的膜。膜电位是由于膜相中存在着离子交换而 引起的。分为硬质和流动载体传感器。
硬质传感器的膜由具有离子交换功能的玻 璃熔融烧制而成，又称为玻璃电极。玻璃敏感 膜的组成一般为Na2O、SiO2、CaO和A12O3等， 根据其组分和含量的不同，玻璃电极可以响应 不同的离子。
510－7~110－1
Cd2＋, Ag＋, Hg2＋,Cu2＋, Fe3＋, Cl－
510－7~110－1 Pb2＋, Ag＋, Hg2＋,Cu2＋, Fe3＋
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。 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。
带内参比溶液电极： 内参比电极一般是 Ag|AgCl电极，内参比 溶液一般由电极种类 所决定，如氟电极， 一般用3.0mmol/L NaF
第二节 离子传感器
离子传感器又称离子选择性电极，它是 由敏感膜、内导体系、电极控件等部件组成， 它能与溶液中某种特定的离子产生选择性的 响应。
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的膜电位值随溶液 中该离子的浓度变化而变化。
一、离子传感器的基本结构
玻璃 电极
离子接触型
全固态型
硫化银膜电极
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，通 过能斯特方程计算溶液中待测离子的活度。
二、离子传感器的分类
根据膜电极响应机理，膜的结构、组分对离子 传感器分类：
晶体膜传感器
均相膜传感器 非均相膜传感器
基本传感器
非晶体膜传感器
硬质传感器 （玻璃电极） 带正电荷载体
it nF1/A 2c/D 1/2t1/2
A为电极面积，D为氧化态物种的扩散系数，t为反应 时间，n为电极反应电子的计量系数。
(6) 产物的脱附。 如果产物解吸速度很慢，电 极可能会中毒。 (7) 产物离开电极表面的扩散。 (8) 产物的排除。净化传感器内部空间。如果 产物极易溶于电解液，将使传感器内部成分 改变，传感器的信号响应则改变。CO传感器 用酸性电解液。
(4) 电活性物质在电极表面吸附。 (5) 扩散控制下的电化学反应。
当被测气体为CO，对电极为空气电极时： 工作电极： CO＋H2OCO2＋2H＋＋2e 对电极： 1/2 O2＋2H＋＋2e H2O 总反应： CO ＋ 1/2 O2 CO2
扩散控制下的电流i和溶液中被测物质 的浓度成正比关系：
无内参比溶液电极：是一种全固 态电极，内参比电极一般使用一 根导体银丝直接与固态膜焊接， 固态压片膜的一个表面加一层银 粉，再将银丝焊接上去。
复合电极的 外参比电极
复合电极：它与外参比电极组 合成一个测量电池，测量时免 去了常用分开的参比电极，结 构更加紧凑。
2、非晶体膜传感器 膜是由一种含有离子型物质或不带电荷的
2、选择性
对电位型传感器而言，选择性依赖于被测 溶液和参比溶液之间膜电位的大小，膜电位 要迅速达到平衡，只对所研究的离子有响应 并随浓度线性变化； 对电流型传感器，工作时的电极电势和电 催化剂的选择直接影响传感器的选择性。
选择合适的电解液和操作方法、加过滤 器或选择渗透膜可提高传感器的选择性。
流动载体传感器 带负电荷载体
场效应半导体传感器
带中性载体
敏化传感器
气敏传感器 生物敏传感器
1、晶体膜传感器
敏感膜是由难溶盐经过加压或拉制，制 成单晶、多晶或混晶的活性膜。分为均相和 非均相晶体膜两类。
均相膜：由一种纯固体材料单晶或单种化 合物或集中化合物均匀混合压片制成的膜。 非均相膜：除了晶体敏感物外，还加入了 高混合惰性载体，如聚氯乙烯、硅橡胶、石 蜡等，以改善膜传感性能。
常用流动载体传感器
传感器
Ca2＋
K＋ 水硬度 Ca2＋＋ Mg2＋ NO3－
ClO4－
BF4－
活性物质
二（正辛基苯基）磷 酸钙 溶于苯基磷酸二辛酯 缬氨霉素
二癸基磷酸钙溶于癸 醇
四（十二烷基）硝酸 铵 邻二氮杂菲铁(II)配合 物 三庚基十二烷基氟硼 酸铵
线性响应浓度 范围
c/(molL－1)
110－5~110－1
溶液中敏感离子的活度与电位间存在能斯特关系， 而电位能控制场效应晶体管漏电流的变化，因此测定漏 电流便可知离子的活度。
ISFET的主要特点： ① 属于固态传感器，机械性能好、耐震动、