電化學傳感器

1、電化學傳感器 李雪瑩李雪瑩 4111310741113107電流型電化學傳感器電位型電化學傳感器電阻型電化學傳感器酶傳感器電流型傳感器 電化學傳感器通過與被測氣體或液體發(fā)生反應并產生與濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。 氣體或液體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應，然后是疏水屏障層，最終到達電極表面。采用這種方法可以允許適量氣體或液體與傳感電極發(fā)生反應，以形成充分的電信號，同時防止電解質漏出傳感器。穿過屏障擴散的氣體或液體與傳感電極發(fā)生反應，傳感電極可以采用氧化機理或還原機理。這些反應由針對被測體而設計的電極材料進行催

2、化。通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動。測量該電流即可確定濃度。由于該過程中會產生電流，這種電化學傳感器又常被稱為電流型電化學傳感器。 在實際中，由于電極表面連續(xù)發(fā)生電化發(fā)應，傳感電極電勢并不能保持恒定，在經過一段較長時間后，它會導致傳感器性能退化。為改善傳感器性能，人們引入了參考電極，通過控制使工作電極和參比電極之間的電位保持一定，故傳感電極間的電位保持一定，構成恒電位儀電路 。 恒電位儀恒電位儀 這是一個電壓跟隨電路，參比電極與工作電極的電壓差Vout等于輸入的給定電壓 U0, 處于接地電位的工作電極相對參比電極有一個 -U0的電位，因此輸入電壓在電池中被

3、反相。在電路中沒有給出測量流出傳感器工作電極的電流裝置。 可以看出，要得到恒定的電壓，電路上必須滿足兩個條件，一是具有基準電壓（有時也稱給定電壓），使恒定的電壓值可調，二是滿足恒電位的調節(jié)規(guī)律，也就是當電路的參數(shù)變化時（如電源電壓變化或由于電化學變化的延續(xù)引起電極電位漂移），恒電位儀應具有自動調節(jié)的能力，使電極電位保持恒定。通常恒電位的調節(jié)是依靠深度電壓負反饋來實現(xiàn)的 。應用： 二氧化硫傳感器 二氧化硫是污染空氣的主要物質之一，檢測空氣中二氧化硫嘗試是空氣檢驗的一項經常性工作。應用傳感器監(jiān)測二氧化硫。從縮短檢測時間到降低檢出限，都顯示出極大的優(yōu)越性。 利用固體聚合物作離子交換膜，膜的一邊含對電

4、極和參比電極的內部電解液，另一邊插入鉑電極，組成一種二氧化硫傳感器。該傳感器安裝在流通池中，在 0.65V下氧化二氧化硫。批示出二氧化硫的量。該傳感裝置電流靈敏度高。響應時間短，穩(wěn)定性好，本底噪音低，線性范圍達0.2mmol/L，檢出限為 8*10-6mmol/L，信噪比為3。該傳感器不僅可以測定空氣中的二氧化硫，還可用于測定低電導率液體中的二氧化硫。有機改性硅酸鹽薄膜二氧化硫氣體傳感器的氣敏涂層是利用溶膠工藝和自旋技術制作的，對二氧化硫的測定具有良好的重現(xiàn)性和可逆性，響應時間不到20S，對其它氣體的交感小，受溫度和濕度影響小。 電位型傳感器 電位型電化學傳感器實質是由電極和電解質溶液組成的原

5、電池體系。構成傳感器的兩個電極，一個是電極電位能指示被測離子活度的測量電極，另一個是電極電位不受溶液影響的參比電極。將測量電極和參比電極共同浸入待測溶液，通過測量原電池的電動勢，即可求得被測離子的活度。常見的電位型電化學傳感器包括PH、ORP等，阻抗很高（在1010之間）。以金屬銅電極為基礎電極，通過不同的化學修飾，研制出了對硫離子的電位檢測的電化學傳感器。根據(jù)8-羥基喹啉與銅原子的配位作用為設計原理實現(xiàn)了8-羥基喹啉在銅電極的上的組裝修飾。該修飾電極對硫離子有選擇性識別作用，依據(jù)機理不同表現(xiàn)出不同的電位變化。分別于1.0?10-17mol/L1.0?10-11mol/L和1.0?10-10m

6、ol/L1.0?10-6mol/L范圍內對硫離子濃度的對數(shù)呈線性關系，最低檢測下限為1.0?10-17mol/L。并通過半經驗分子軌道的量子化學計算，對試驗推測結果進行了驗證。 電阻型傳感器 導體或半導體材料因受外力作用，電阻值隨其機械變形而發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱之為應變效應。金屬絲電阻 R可表達為 Rl/A= l/r2.式中為電阻率，l為電阻絲長度，A為電阻絲橫截面積。當沿電阻絲長度方向施加均勻力時，式中 l、r都將發(fā)生變化。導致電阻值發(fā)生變化。即得到以下結論：當金屬絲受外力作用而伸長時長度增加，截面積減小，電阻值增大；當金屬絲受外力作用壓縮時，長度減小，截面積增加，電阻值減小。電阻值變化通常

7、較小。 以電阻應變計為轉換元件的電阻應變式傳感器,主要由彈性元件、粘貼于其上的電阻應變片、輸出電信號的電橋電路及補償電路構成。其中感受被測物理量的彈性元件是其關鍵部分,結構形式有多樣,旨在提高感受被測物理量的靈敏性和穩(wěn)定性。電阻應變式傳感器工作原理是：由于被測物理量 (如載荷,位移,壓力等)能夠在彈性元件上產生彈性變形 (應變),而粘貼在彈性元件表面的電阻應變計可以將感受到彈性變形轉變成電阻值的變化,這樣電阻應變式傳感器就將被測物理量的變化轉換成電信號的變化量,再通過電橋電路及補償電路輸出電信號。通過測量此電量值達到測量非電量值的目的。 電學阻抗法受到眾多研究者的關注。所謂阻抗，指的是在一個交

8、流電壓條件下，被測系統(tǒng)對交流電流的抵御流程度。 以碳粉摻雜的聚合物為敏感膜,以叉指電極為基底制作了測定揮發(fā)性有機氣體的化學阻抗傳感器。當敏感膜吸附有機氣體時,敏感膜膨脹,導致膜中導電性的碳粉粒子距離增加,電阻也隨之增加。同時,有機氣體的吸附還引起敏感膜的介電常數(shù)改變,從而導致電阻、電容改變。利用上述原理研制了一種新型的電化學阻抗傳感器。通過傳感器電阻電容的變化,實現(xiàn)了對有機氣體的高靈敏定量測定。酶傳感器 酶傳感器酶傳感器 酶與適當?shù)哪ぁ⒘Ｗ颖砻婊騼炔拷Y合（固定化），將裝有酶膜的酶傳感器插入試液中，被測物質在固定化酶膜上發(fā)生催化反應，生成電活性物質（O2，H2O,CO2等），測量消耗或生成的電活

9、性物質，將濃度轉變?yōu)殡娦盘?，由此測定未知濃度。 酶傳感器是由酶敏感膜和電化學器件構成的。由于酶是水溶性的物質，不能直接用于傳感器，必須將其與適當?shù)妮d體結合形成不溶于水的固定化酶膜。由于酶是蛋白質組成的生物催化劑，能催化許多生物化學反應。生物細胞的復雜代謝就是由成千上萬不同的酶控制的。酶的催化效率極高，而且具有高度專一性，即只能對特定生物量（底物）進行選擇性催化，并且有化學放大作用，因此利用酶的特性可以制造出高靈敏度、選擇性較好的傳感器。 酶傳感器是由固定化酶作為敏感元件的生物傳感器。應用酶傳感器可以省去提純酶的復雜步驟。許多酶傳感器都可以用于臨床生化指標(葡萄糖、乳酸、尿素、尿酸、肌酸、肌酐、

10、谷氨酰胺、血清中總蛋白、血清中膽固醇、血清中甘油三脂、天門冬酰胺等)測定。 常見的實用化的一類酶傳感器件是酶電極。酶電極由固定化酶和基礎電極組成.固定化酶膜與基礎電極緊密結合稱為密接型;將固定化酶充填在反應器內,連同基礎電極組成流動分析系統(tǒng)稱為分離型。密接型應用比較廣泛.。酶電極的設計主要參考酶促反應過程產生或消耗的電極活性物質(electroactive substance),如果一個耗氧過程,就可以使用O2電極或H2O2電極作為基礎器件;若酶反應為產酸過程,則可使用pH電極. 用電化學裝置檢測酶在催化反應中生成或消耗的物質（電極活性物質），將其變換成電信號輸出。固定化酶傳感器是由Pt陽極和

11、Ag陰極組成的極譜記錄式H2O2電極與固定化酶膜構成的。它是通過電化學裝置測定由酶反應生成或消耗的離子，通過電化學方法測定電極活性物質的數(shù)量，以測定被測成分的濃度。 葡萄糖酶電極。其敏感膜為葡萄糖氧化酶，它固定在聚乙烯酰胺凝膠上。轉換電極為Clark氧電極(為測定水中溶解氧含量而設計的一種極譜電極 )，其Pt陰極上覆蓋一層透氧聚四氟乙烯膜。當酶電極插入被測葡萄糖溶液中時，溶液中的葡萄糖因葡萄糖氧化酶作用而被氧化，此過程中將消耗氧氣。此時在氧電極附近的氧氣量由于酶促反應而減少，通過測量電流值的變化就可以確定葡萄糖濃度。葡萄糖傳感器的核心是酶膜，提高酶膜的性能是提高酶電極性能的關鍵。 食品成分分析

12、 在食品工業(yè)中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和貯藏壽命的一個重要指標。已開發(fā)的酶電極型生物傳感器可用來分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖。其它糖類，如果糖，啤酒、麥芽汁中的麥芽糖，也有成熟的測定傳感器。 Niculescu等人研制出一種安培生物傳感器，可用于檢測飲料中的乙醇含量。這種生物傳感器是將一種配蛋白醇脫氫酶埋在聚乙烯中，酶和聚合物的比例不同可以影響該生物傳感器的性能。在目前進行的實驗中，該生物傳感器對乙醇的測量極限為lnM。 食品添加劑的分析 亞硫酸鹽通常用作食品工業(yè)的漂白劑和防腐劑，采用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料制成的電流型二氧化硫酶電極可用于測定食品中的亞硫酸鹽含量，測定的線性范圍為0-6-4mol/L。又如飲料、布丁、昔等食品中的甜味素，Guibault等采用天冬氨酶結合氨電極測定，線性范圍為2x10-5 _1x l0-3mol/L。此外，也有用生物傳感器測定色素和乳化劑的報道。 農藥殘留量分析 近年來，人們對食品中的農藥殘留問題越來越重視，各國政府也不斷加強對食品中的農藥殘留的