傳感器習(xí)題答案

第一章習(xí)題填空題（1）傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。（2）傳感器中敏感元件的主要任務(wù)是感受或響應(yīng)被測(cè)量。（3）傳感器中轉(zhuǎn)換元件的主要任務(wù)是將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。（4）根據(jù)工作機(jī)理不同，傳感器可分為物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器。（5）傳感器檢測(cè)的準(zhǔn)確度一般用誤差來(lái)衡量。（6）傳感器檢測(cè)的精確度一般用偏差來(lái)衡量。2.判斷題（1）鼻子不是傳感器（X

）。（2）傳感器的響應(yīng)時(shí)間越短越好（√

）。（3）傳感器的恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)越好（X）。（4）傳感器的使用壽命越長(zhǎng)越好（√

）。（5）傳感器的靈敏度越高越好（√）。（6）傳感器的檢出限越低越好（√

）。（7）傳感器的線性范圍越寬越好（√

）。3.簡(jiǎn)答題（1）簡(jiǎn)述物理、化學(xué)、生物傳感器的不同點(diǎn)。物理傳感器是利用物理反應(yīng)或物理效應(yīng)，把待測(cè)量轉(zhuǎn)換成便于處理的信號(hào)的裝置；化學(xué)傳感器是利用化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)效應(yīng)，把待測(cè)量轉(zhuǎn)換成便于處理的信號(hào)的裝置；生物傳感器是以生物活性物質(zhì)（酶、抗原抗體、生物組織、微生物等）為敏感元件的一類特殊的傳感器。（2）簡(jiǎn)述分子識(shí)別的概念、實(shí)質(zhì)和實(shí)現(xiàn)途徑。概念：指分子間特異性結(jié)合的相互作用實(shí)質(zhì)：分子間精密的交換信息，彼此相互認(rèn)識(shí)的過(guò)程實(shí)現(xiàn)途徑：靜電作用、親疏水作用、化學(xué)鍵作用、分子間作用力、酶催化底物、抗原與抗體的特異性結(jié)合等（3）試畫出傳感器的響應(yīng)機(jī)理示意圖。第二章習(xí)題填空題（1）傳感器中換能器的主要任務(wù)是：將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。（2）根據(jù)檢測(cè)信號(hào)不同，電化學(xué)換能器可分為電勢(shì)型、電流型和電阻型三種。（3）電化學(xué)池有兩種，分別是原電池和電解池，從能量轉(zhuǎn)換角度來(lái)講，原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，電解池是將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能；從電極反應(yīng)的自發(fā)性來(lái)講，原電池中的反應(yīng)是自發(fā)的，電解池中的反應(yīng)是非自發(fā)的。（4）能斯特方程是電勢(shì)型化學(xué)與生物傳感器的定量依據(jù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（5）法拉第定律是電流型化學(xué)與生物傳感器的定量依據(jù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為Q=nzF

。（6）在導(dǎo)體中，承擔(dān)導(dǎo)電任務(wù)的是其結(jié)構(gòu)中的自由電荷，在半導(dǎo)體中，承擔(dān)導(dǎo)電任務(wù)的是其結(jié)構(gòu)中的空穴和電子。（7）光化學(xué)和生物傳感器中，光電器件的主要任務(wù)是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換或?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。（8）根據(jù)折射率在橫截面上的分布形狀劃分，光纖可分為階躍型和漸變型兩種；根據(jù)光纖中傳輸模式的多少，可分為單模光纖和多模光纖兩種。（9）朗伯-比爾定律是光吸收型化學(xué)與生物傳感器的定量分析依據(jù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：A=εCL

。（10）根據(jù)激發(fā)能量來(lái)源不同，分子發(fā)光可分為光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光和生物發(fā)光三種。2.判斷題（1）光的波長(zhǎng)越短，頻率越大，能量越高（X）。（2）熒光比磷光持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（X）。（3）夜明珠發(fā)光現(xiàn)象屬于熒光現(xiàn)象（X

）。（4）螢火蟲發(fā)光屬于生物發(fā)光（√）。（5）光電極是基于外光電效應(yīng)而制得的光電元件（X）。3.簡(jiǎn)答題（1）簡(jiǎn)述液接電勢(shì)的概念及產(chǎn)生條件和原因。概念：在兩種不同離子的溶液或離子相同而活度不同的溶液接觸界面上所存在的微小的電勢(shì)差，簡(jiǎn)稱溶接電位產(chǎn)生條件：相互接觸的兩液間存在濃度梯度產(chǎn)生原因：各種離子具有不同的遷移速率或擴(kuò)散速度，因此溶接電位也可稱為擴(kuò)散電位。（2）簡(jiǎn)述參比電極的特點(diǎn)。電位不受試液組成變化的影響，具有恒定的數(shù)值（3）P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體各有什么特點(diǎn)？P-N結(jié)是如何形成的？

P型半導(dǎo)體的特點(diǎn)是：其空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度；N型半導(dǎo)體的特點(diǎn)是：其自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度；當(dāng)p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體這兩個(gè)區(qū)域共處一體時(shí)，這兩個(gè)區(qū)域之間的交界層就是p-n結(jié)。在p型區(qū)中空穴的濃度大，在n型區(qū)中電子的濃度大，所以把它們結(jié)合在一起時(shí)，在它們交界的地方便要發(fā)生電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。由于p區(qū)有大量可以移動(dòng)的空穴，n區(qū)幾乎沒有空穴，空穴就要由p區(qū)向n區(qū)擴(kuò)散。同樣n區(qū)有大量的自由電子，p區(qū)幾乎沒有電子，所以電子就要由n區(qū)向p區(qū)擴(kuò)散。隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，p區(qū)空穴減少，出現(xiàn)了一層帶負(fù)電的粒子區(qū)；n區(qū)電子減少，出現(xiàn)了一層帶正電的粒子區(qū)。結(jié)果在p－n結(jié)的邊界附近形成了一個(gè)空間電荷區(qū)，p型區(qū)一邊帶負(fù)電荷的離子，n型區(qū)一邊帶正電荷的離子，因而在結(jié)中形成了很強(qiáng)的局部電場(chǎng)，方向由n區(qū)指向p區(qū)。（4）什么是正壓電效應(yīng)？什么是逆壓電效應(yīng)？

正壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；

逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失

（5）簡(jiǎn)述石英晶振的原理及主要應(yīng)用。

原理：如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率等于晶體諧振器的固有頻率時(shí)，振幅就會(huì)明顯增大，這種現(xiàn)象叫

壓電諧振。

應(yīng)用：用于制備質(zhì)量傳感器。（6）光電效應(yīng)可分為哪幾類？基于不同光電效應(yīng)所制備的常用光電元件各有哪些？分為三類，分別為：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等?；诠馍匦?yīng)的光電元件有光電池等。（7）簡(jiǎn)述太陽(yáng)能中的光電極與化學(xué)和生物傳感器中的光電極之間的異同點(diǎn)。太陽(yáng)能電池中的光電極：屬于物理變化的光電效應(yīng)化學(xué)與生物傳感器中的光電極：與生物化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的光電效應(yīng)（8）簡(jiǎn)述光纖的結(jié)構(gòu)組成及各部分的功能。

涂覆層：保護(hù)光纖不受水汽腐蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)增加光纖的柔韌性，延長(zhǎng)光纖壽命。

包層：使光的傳輸性能相對(duì)穩(wěn)定。

纖芯：光波的主要傳輸通道。4.計(jì)算題：

有一原電池，負(fù)極為飽和甘汞電極，正極為一支浸入鋅離子溶液的鋅棒，在298K的溫度下，測(cè)得該原電池的電池電動(dòng)勢(shì)為-1.06V。求鋅離子的濃度。已知E?Zn2+/Zn=-0.763V,ESCE=0.2438V∵E原電池=E正極–E負(fù)極∴E原電池=EZn2+/Zn–ESCE∵EZn2+/Zn=E?Zn2+/Zn+(RT/nF)lncZn2+=E?Zn2+/Zn+(0.059/2)lgcZn2+∴E原電池=E?Zn2+/Zn+(0.059/2)lgcZn2+–ESCE

-1.03=-0.763+0.0295lgcZn2+–0.24∴l(xiāng)gcZn2+=-0.915cZn2+=10-0.915=0.12(mol/L)第三章習(xí)題填空題（1）敏感元件通常由基體材料、成膜材料和敏感功能材料組成。（2）敏感元件通常有三種敏感模式，分別是分子識(shí)別、離子識(shí)別和生物識(shí)別。（3）制備LB膜，通常有三種方法，分別是垂直拉提法、水平附著法和亞相降低法。（4）兩親性分子可用于制備LB膜（親水性/疏水性/兩親性）。（5）根據(jù)光器件的不同，化學(xué)修飾光器件可分為化學(xué)修飾玻璃和化學(xué)修飾光纖兩類。（6）光器件的常用化學(xué)修飾方法為溶膠凝膠法。（7）丁達(dá)爾現(xiàn)象可用于區(qū)分膠體和溶液。2.名詞解釋化學(xué)修飾電極，溶膠，凝膠

化學(xué)修飾電極：在導(dǎo)體或半導(dǎo)體制作的電極表面進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，將具有優(yōu)良性能的分子、離子、聚合物以化學(xué)薄膜的形式固定在電極表面，使電極具有某種特定的化學(xué)、電化學(xué)以及光學(xué)性質(zhì)。

溶膠：是具有液體特征的膠體體系，分散的粒子是固體或者大分子，分散的粒子大小在1～100nm之間。凝膠：是具有固體特征的膠體體系，被分散的物質(zhì)形成連續(xù)的網(wǎng)狀骨架，骨架空隙中充有液體或氣體，凝膠中分散相的含量很低，一般在1％～3％之間。3.簡(jiǎn)答題（1）通常情況下，敏感元件由哪幾部分組成？各部分的功能是什么？由基體材料、成膜材料和敏感功能材料組成，基體材料是敏感功能材料的載體，成膜材料用于固定敏感功能材料，敏感功能材料是傳感器的核心組成，能直接感受被測(cè)對(duì)象的非電量信息部分（2）生物敏感元件的固定技術(shù)需要滿足哪些條件？

固定化后的生物敏感組分仍能保持良好的生物活性，生物膜與基體材料應(yīng)緊密接觸，且能適應(yīng)多種測(cè)試環(huán)境，固化層要有良好的穩(wěn)定性和耐用性，減少生物膜中生物組分的相互作用，以保持其原有的高度選擇性。（3）簡(jiǎn)述吸附法、共價(jià)鍵合法、包埋法、交聯(lián)法、微膠囊法、夾心法各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

吸附法，優(yōu)點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單，操作條件溫和，對(duì)生物分子活性影響小，生物分子不易發(fā)生變性；缺點(diǎn)：表面結(jié)合力弱，穩(wěn)定性差，易脫附，重現(xiàn)性差，靈敏度低。

共價(jià)鍵合法，優(yōu)點(diǎn)：結(jié)合牢靠，穩(wěn)定性好，重現(xiàn)性好，使用壽命長(zhǎng)；缺點(diǎn)：反應(yīng)步驟多，操作復(fù)雜，可能降低生物分子的活性。包埋法，優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)條件溫和，穩(wěn)定性好，對(duì)生物組分活性影響小；缺點(diǎn)：分子量大的底物擴(kuò)散困難。

交聯(lián)法，優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，結(jié)合牢靠，穩(wěn)定性好；缺點(diǎn)：會(huì)降低生物分子的活性。微膠囊法，優(yōu)點(diǎn)：條件溫和，可以有效保持生物分子的活性；缺點(diǎn)：生物分子的擴(kuò)散受到一定的限制

夾心法：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，固定量大，響應(yīng)速度快，重現(xiàn)性好，不需要任何化學(xué)處理；缺點(diǎn)：生物材料的用量較大。（4）制備化學(xué)修飾電極之前，為什么要對(duì)基底電極進(jìn)行表面處理？?jī)蓚€(gè)原因：①電極表面具有一定的表面能，這造成其晶體的棱面原子上具有未飽和的價(jià)態(tài)，且表面能分布不均勻，易造成電極污染；②電極表面都能被化學(xué)的或者電化學(xué)的方法氧化，易形成惰化層。這兩個(gè)原因都會(huì)造成電極重現(xiàn)性差。第四章習(xí)題填空題（1）根據(jù)所檢測(cè)電信號(hào)的不同，電化學(xué)傳感器可分為電勢(shì)型、電流型和電阻型三類。（2）燃?xì)庑孤﹫?bào)警器屬于電阻式化學(xué)傳感器。（電量式、電勢(shì)式、電流式、電阻式）（3）Fe2O3各種晶型中，γ

型Fe2O3具有氣敏特性。（α/β/γ/δ）（4）半導(dǎo)體氣體傳感器，按其結(jié)構(gòu)不同，可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三類。（5）N型半導(dǎo)體一般用于制備還原性氣體傳感器，P型半導(dǎo)體一般用于制備氧化性氣體傳感器。（氧化性/還原性）（6）pH/F-/Ca2+/CO2/電極屬于玻璃膜/晶體膜/多孔膜/透氣膜電極。2.簡(jiǎn)答題（1）簡(jiǎn)述SnO2半導(dǎo)體陶瓷氣體傳感器與Fe2O3系氣敏傳感器響應(yīng)機(jī)理的異同點(diǎn)。

相同點(diǎn)：都屬于電阻式傳感器不同點(diǎn)：SnO2半導(dǎo)體陶瓷氣體傳感器中電阻的變化是由于還原性氣體與吸附氧的作用而引起；Fe2O3系氣敏傳感器中電阻的變化是由于還原性氣體使得鐵離子的化合價(jià)發(fā)生變化而引起。（2）簡(jiǎn)述半導(dǎo)體型氣體傳感器三種結(jié)構(gòu)類型各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

燒結(jié)型，優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：重現(xiàn)性差，機(jī)械強(qiáng)度不好。

薄膜型，優(yōu)點(diǎn)：元件一致性好，機(jī)械強(qiáng)度好；缺點(diǎn)：設(shè)備要求高。厚膜型，優(yōu)點(diǎn)：制作方法簡(jiǎn)單；元件一致性好，機(jī)械強(qiáng)度好。第四章習(xí)題填空題（1）根據(jù)檢測(cè)對(duì)象不同，場(chǎng)效應(yīng)晶體管電化學(xué)傳感器可分為離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管和氣體敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管兩類。（2）雙極型晶體管由多數(shù)載流子和反極性的少數(shù)載流子參與導(dǎo)電，單極型晶體管由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電。（3）電流型化學(xué)傳感器可分為三類，分別為電解型、燃料電池型和伏安型。第四章習(xí)題2.簡(jiǎn)答題（1）電流型氣體傳感器一般由哪幾部分組成？各自的功能是什么？提供反應(yīng)場(chǎng)所第四章習(xí)題（2）對(duì)于H2O2電流型傳感器，為什么要用修飾電極來(lái)代替裸電極？因?yàn)槁汶姌O用于過(guò)氧化氫檢測(cè)時(shí)，電勢(shì)過(guò)高，靈敏度低，選擇性差。（3）簡(jiǎn)述酶?jìng)鞲衅骱蜔o(wú)酶?jìng)鞲衅鞲髯缘膬?yōu)缺點(diǎn)。

酶?jìng)鞲衅鞯膬?yōu)點(diǎn)：催化高效性，專一性；缺點(diǎn)：使用壽命短，受溫度影響較大。無(wú)酶?jìng)鞲衅鞯膬?yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)；缺點(diǎn)：選擇性差第五章習(xí)題填空題（1）根據(jù)所固定生物活性成分不同，生物傳感器可分為酶?jìng)鞲衅?、免疫傳感器、基因傳感器、組織傳感器和微生物傳感器五類。（2）電化學(xué)傳感器中的三電極系統(tǒng)通常由工作電極、對(duì)電極和參比電極構(gòu)成。（3）影響電極反應(yīng)的兩個(gè)最主要因素為物質(zhì)傳遞速率和電子轉(zhuǎn)移速率。（4）電流型化學(xué)或生物傳感器中，用于定性分析的是峰電位，用于定量分析的是峰電流。2.判斷題（1）電流型化學(xué)或生物傳感器檢測(cè)的電流信號(hào)為電解電流，而不是充電電流。（√）（2）隨著時(shí)間延長(zhǎng)，充電電流幾乎不發(fā)生變化。（X）（3）當(dāng)電子轉(zhuǎn)移速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳質(zhì)速率時(shí)，電極反應(yīng)為不可逆過(guò)程。（X）（4）當(dāng)電子轉(zhuǎn)移速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳質(zhì)速率時(shí)，電極反應(yīng)為不可逆過(guò)程。（√）3.名詞解釋電解電流：待測(cè)物質(zhì)在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)進(jìn)而得失電子產(chǎn)生的電流充電電流：由于界面雙電層的存在，在電勢(shì)發(fā)生變化時(shí)發(fā)生充放電現(xiàn)象而產(chǎn)生的電流4.簡(jiǎn)答題（1）電化學(xué)工作站的主要功能是什么？

控制工作電極電勢(shì)；檢測(cè)電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流（2）電化學(xué)工作站中存在兩種電路，分別是什么？其各自的功能分別是什么？極化電路：