第六章2：傳感器件-93801499

有機器件2：傳感器件Sensors

碳氫化合物傳感器

醇傳感器

二氧化碳傳感器

濕度傳感器件

味道傳感器

1.塑料光纖傳感器件SSTI基本原理afterprobingbeforeprobingrefractiveindexofcladrefractiveindexofcoreSSTI光纖傳感器的優(yōu)點半導體傳感器光纖傳感器件需要電驅(qū)動非電驅(qū)動需要防爆裝置不需要受電磁場干擾不受電磁場干擾溫度和濕度有影響抗氣候和濕度變化不能檢測液體氣體和液體都可以檢測恢復速度慢快響應慢快遠程檢測困難可以結(jié)構(gòu)改變困難容易SSTI

實物照片SSTI

特殊用途

桶里樣品的檢測SSTI

平面樣品的檢測

管式樣品的深度檢測ToPumpPCEOCChamber傳感器的結(jié)構(gòu)SSTI電化學識別Advancedphysicalorganicchemistry,editedbyD.Bethell,AcademicPress,1998,Chapter1偶合反應體系

一種具有響應或信號官能團作為主體與離子型或中性客體結(jié)合，從而測出響應或信號的變化如果主體（H)與客體（G)形成1：1的配合物。則配合物的穩(wěn)定性常數(shù)用下面的表達式表示：K+0,2:1,1:1CH2Cl2ElectrochemicalbehaviorofheminandPEO-hemininion-conductivepolymermatricesByGaoquanShi,HiroyukiOhnoJ.Electroanal.Chem.,314(1991)59ElectrochemicaldetectionofdioxygenandhydrogenperoxidebyheminimmobilizedonchemicallyconvertedgrapheneUV-visiblespectraofhemin,CCGandCCG-hemindissolvedordispersedin52.8mmolL

1ammoniasolution.TheconcentrationsofheminandCCGare5×10?3mmolL

1and10.00mgL

1,respectively.TheCCG-heminmixturecontains5×10?3mmolL

1heminand10.00mgL

1CCG.AFMimagesofCCG(left)andCCG-hemin(right)complexsheetsonmicaCyclicvoltammogramsof(A)CCG,heminandCCG-heminmodifiedelectrodes,thefirstand100thcyclesof(B)heminand(C)CCG-heminmodifiedelectrodesin0.5molL?1H2SO4solutionssaturatedwithN2.Scanrate=100mVs

1.CyclicvoltammogramsofCCG,heminandCCG-heminmodifiedelectrodesin0.5molL?1H2SO4solutionssaturatedwithO2.Scanrate=100mVs

1.RDEvoltammogramsofCCG,heminandCCG-heminmodifiedelectrodesatascanrateof50mVs?1andarotationrateof900rpminO2saturated0.5molL?1H2SO4solutions.(A)TheRDEvoltammogramsofCCG-heminmodifiedelectrodeatdifferentrotatingratesinO2saturated0.5mol.L?1H2SO4solutions.Scanrate=50mVs

1.(B)Koutecky-Levichplotofj?1vs.ω?1/2obtainedfromtheRDEdataof(a)at0.40Vand

0.50V.Thedashedlinesarecalculatedforthediffusion-convectioncontrolledreductionofO2

via2(n=2)or4(n=4)electrons.CyclicvoltammogramsofCCG-heminmodifiedelectrodein0.5molL?1H2SO4solutionbubbledwithO2fordifferenttime.Scanrate=100mVs

1.CyclicvoltammogramsofCCG,heminandCCG-heminmodifiedelectrodesin0.5molL?1H2SO4solutionscontaining1.44mmolL

1H2O2.Scanrate=100mVs

1.(A)CyclicvoltammogramsofCCG-heminmodifiedelectrodeinN2-saturated0.5molL?1H2SO4before(a)andafter(btoo)theadditionofdifferentamountsofH2O2atascanrateof100mVs

1.TheconcentrationincrementofH2O2foreachstepis0.096mmolL

1.(B)LinearfitofpeakcurrenttotheconcentrationofH2O2.HydrogensensorandswitchesfromelectrodepositedpalladiummesowirearraysByF.Favier,E.C.Walter,etal,Scienec293(2001)2227

0.2V.5ms成核

NanowirenanosensorsforhighlysensitiveandselectivedetectionofbiologicalandchemicalspeciesByYiCui,QingqiaoWei,HingkunPark,CharlesM.Lieber,Science293(2001)1289抗生素檢測維生素抗體檢測抗生素鈣調(diào)素鈣離子SubmicrometermetallicbarcodesbyS.R.Nicewarner-pena,R.G.freeman,B.D.Reiss,etal;Science294(2001)137430nm520nm600nmSEM,Opticalpicture0000000,0000001,0000010,0000100,0001000,0001010,0011100,0100010,0101010Smartsingle-chipgassensormicrosystemByC.Hagleitner,A.Hierlemmanetal,Nature414(2001)3931、芯片框2、參比電容器3、感應電容器4、量熱傳感和參比。5、溫度傳感器6、質(zhì)量感應天平7、數(shù)據(jù)化界面基于導電高分子的氣體傳感器件化學電阻器Configurationofchemresistor.插齒電極.Thedarkpatternisconductingelectrodeandthewhitepartisinsulatingsubstrate.薄膜晶體管thinfilmtransistor(TFT)隔離門電極場效應晶體管

Isolatedgatefield-effecttransistor(IGFET)二極管器件diodedevice利用光纖的光學傳感器件opticalsensorsusingopticalfibers表面等離子共振傳感器件surface-plasmonresonancesensordevice石英晶體天平傳感器件quartzcrystalmicrobalancesensordevice

電化學池傳感器件：electrolyticcellforgassensingAdsorptionDesorptionchargetransferringPdimprovesthesensingofmethanolacid/basereactions生物傳感器件

生物傳感器是一類化學感應器件。在這一器件中生物識別單元被復合到感應型號轉(zhuǎn)換器中，從而可以定量檢測一些復雜的生物化學參數(shù)。生物傳感器可以粗略地分成三類。第一類是將化學反應的產(chǎn)物擴散到轉(zhuǎn)換器從而引起電學響應；第二類器件在化學反應物與轉(zhuǎn)換器之間涉及到中介分子以提高響應信號。這類器件的制作有兩個步驟：首先酶與基底之間通過中介分子的再氧化發(fā)生氧化還原反應，然后中介分子被電極氧化（例如葡萄糖氧化酶與葡萄糖生成過氧化氫（中介分子），然后再通過檢測過氧化氫來反映葡萄糖的濃度）；第三類器件中化學反應本身產(chǎn)生響應信號，檢測體系中沒有反應產(chǎn)物和中介分子。在這種器件中酶和中介分子直接組裝到電極上從無須在檢測體系中添加酶和中介分子，這種設(shè)計有利于反復檢測。

信號轉(zhuǎn)換器:是生物傳感器的重要組成部分。其功能是將生物化學信號轉(zhuǎn)換成電子型號，光學型號或其他可以數(shù)字化的物理型號。轉(zhuǎn)換器的信號可以用電子方式放大，存儲和顯示。信號轉(zhuǎn)換技術(shù)主要包括：電化學技術(shù)，光譜技術(shù)，量熱技術(shù)，壓電技術(shù)等。因此，生物傳感器件的種類包括安培型生物傳感器；電位型生物傳感器；電導型生物傳感器；光學生物傳感器，量熱式生物傳感器；壓電式生物傳感器等。

導電高分子生物傳感器件：制備這類生物傳感器件的最關(guān)鍵步驟是將生物分子固定到導電高分子修飾電極的上。導電高分子修飾電極的制備方法是通過在電化學惰性電極的表面鍍上導電高分子膜。固定生物小分子的方法主要包括物理吸附，化學鍵合和電化學固定。物理吸附：在聚合物與生物分子溶液的界面發(fā)生靜電吸附作用。導電高分子主鏈在氧化態(tài)時帶有正電荷，而當生物酶在溶液的PH值高于其等電點時帶有負電荷，因此在這一條件下生物酶可以吸附到導電高分子基底上。這一方法有其缺陷性。主要包括：酶只能單分子層吸附到聚合物表面，從而吸附量較低；物理吸附的生物材料作用力叫弱，在檢測的過程中易于電解質(zhì)溶液中，從而檢測傳感器的穩(wěn)定性不好；另外，物理吸附依賴于體系的PH值，從而也影響到傳感器件的穩(wěn)定性。為了提高物理吸附的效率可以用微米/納米結(jié)構(gòu)化的導電高分子膜作為基底以增加聚合物電極的比表面積。例如：利用多孔氧化鋁膜作為模板電化學制備聚吡咯微管陣列膜，然后將酶溶液罐裝到管中，最后用環(huán)氧樹脂封住微米管的開口，就可以將酶穩(wěn)定地固定到微管中形成大量的微型催化反應容器。這樣既提高了酶的附載量也防止了其在溶液中的洗脫。化學鍵合：為了提高傳感器的穩(wěn)定性可以將生物分子用化學鍵固定在導電高分子基底上。這一技術(shù)設(shè)計兩個化學步驟，一是合成帶有反應活性基團的導電高分子，二是將酶分子反應鍵合到導電高分子上。因為酶只被固定在聚合物膜的最外層，因此，可以對每一個反應步驟進行優(yōu)化。

例如：在石墨電極表面電化學聚合聚（羧基三噻吩）然后用酯化反應將葡萄糖氧化酶鍵合到聚合物膜上，所制備的傳感器件具有良好的穩(wěn)定性。且在1-100

M葡萄塘濃度范圍內(nèi)有線性響應，其檢測極限達到0.3M。將葡萄糖氧化酶與N-(羧乙基)吡咯進行酯化鍵合得到帶有酶的吡咯分子。然后將該吡咯分子進行電化學聚合沉積到電極的表面得到穩(wěn)定的葡萄糖檢測電極。電化學固定：電化學固定是在含有生物分子的電解液中電解沉積導電聚合物。在聚合物生長的過程中生物分子被同時包埋其中。這一方法直接而實用，可以增加酶的負載量，也可以減緩其脫附。例如：含有葡萄糖氧化酶的電解液中電解聚合N-取代的吡咯衍生物可以生成含有酶的聚合物膜。然后將該膜用水溶性卡巴酰亞胺處理可以將葡萄糖氧化酶與聚合物進行鍵合，從而能改善檢測響應的穩(wěn)定性。利用導電高分子生物活性電極被用于檢測一系列小分子。固定不同的生物酶和生物分子可以檢測不同的對象。例如：用膽堿脂酶可以檢測農(nóng)藥，維生素氧化酶檢測維生素，尿素酶檢測尿素，乳酸氧化酶檢測乳酸，膽固醇氧化酶檢測膽固醇，酪氨酸酶檢測酚，等等。不同的導電高分子與不同的生物分子組合以及不同的電極制備方法從而可以制得種類繁多的傳感器。小分子共軛聚合物有機共軛材料芘苝酰亞胺聚吡咯聚芘Leucoemeraldineemeraldine

baseemeraldine

saltpernigraniline聚苯胺C.Nylander,M.ArmgrathandI.Lundstrom,ProceedingsoftheInternationalMeetingonChemicalSensors,Fukuoka,Japan,1983.利用顏色變化檢測氣體A.L.Kukla,Y.M.ShirshovandS.A.Piletsky,Sens.ActuatorsB,1996,37,135-140.檢測氨氣聚吡咯B.Dong,M.Krutschke,X.Zhang,etal.,Small,2005,1,520-524.B.Vercelli,S.Zecchin,N.Comisso,etal.,Chem.Mater.,2002,

14,4768-4774.檢測氯仿Y.Che,A.Datar,K.Balakrishnan,etal.,J.Am.Chem.Soc.,2007,129,7234-7235.Y.Che,X.Yang,S.Loser,etal.,NanoLett.,2008,8,2219-2223.淬滅劑J.S.YangandT.M.Swager,J.Am.Chem.Soc.,1998,120,11864-11873.熒光分子光學傳感器：鐵離子的檢測DNAsensorA:聚合物B:單鏈DNAC:雙鏈DNAD:雙鏈DNA有兩堿基不配對E:雙鏈DNA有一堿基不配對NH3andHCCl3:Chemoresistorsbased