《生物信息與仿生材料測(cè)試技術(shù)》 課件 -第5章-第二節(jié)生物信息采集中的化學(xué)量測(cè)試方法

第二節(jié)生物信息采集中的化學(xué)量測(cè)試方法自然科學(xué)的學(xué)科是根據(jù)某一特定領(lǐng)域的研究對(duì)象進(jìn)行劃分的。化學(xué)是研究物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化的科學(xué)?；瘜W(xué)在研究化學(xué)變化中涉及電子轉(zhuǎn)移的氧化還原反應(yīng)時(shí)，主要是討論化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)化(反應(yīng)熱效應(yīng))而很少涉及電能。如果進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)消耗外部電能或直接對(duì)外提供電能則稱為電化學(xué)反應(yīng)，是電化學(xué)研究的對(duì)象。為此，電化學(xué)定義為研究化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化以及這個(gè)轉(zhuǎn)化過程中有關(guān)現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)。在生物信息采集中，電化學(xué)方法是一種重要的化學(xué)量測(cè)試手段，尤其在生物傳感器和生物電子學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本節(jié)將詳細(xì)介紹電化學(xué)的基本原理，并探討其在生物信息采集中的應(yīng)用。1電化學(xué)的基本原理1.1電化學(xué)基本概念電化學(xué)體系由電極、電解質(zhì)和外部電路組成。電極是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的地方，電解質(zhì)則是離子導(dǎo)電的介質(zhì)。在外部電路中，電子流動(dòng)形成電流，而在電解質(zhì)中，離子流動(dòng)形成電解流。下面先來看看實(shí)際生活中常見的三種導(dǎo)電回路，分析一下這三種回路的導(dǎo)電機(jī)理。1電化學(xué)的基本原理電子導(dǎo)電回路在圖5.106中,E是電源,R是負(fù)載(如燈泡)。這是大家熟悉的最簡(jiǎn)單的導(dǎo)電回路。暫且不考慮電源內(nèi)部的導(dǎo)電機(jī)理。在外線路中,電流I從電源E的正極流向負(fù)極。電流經(jīng)過負(fù)載時(shí)，一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，使燈絲加熱而發(fā)光?；芈分行纬呻娏鞯妮d流子是自由電子。凡是依靠物體內(nèi)部自由電子的定向運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電的物體，即載流子為自由電子(或空穴)的導(dǎo)體，叫做電子導(dǎo)體，也稱為第一類導(dǎo)體，如金屬、合金、石墨及某些固態(tài)金屬化合物。所以，圖5.106中的外線路是由第一類導(dǎo)體(導(dǎo)線、燈絲)串聯(lián)組成的，稱為電子導(dǎo)電回路。1電化學(xué)的基本原理電解池回路在圖5.107中E仍為電源,負(fù)載則為電解池R(如電鍍槽)。同樣,在外線路中,電流從電源E的正極經(jīng)電解池流向電源E的負(fù)極。已知在金屬導(dǎo)線內(nèi)，載流子是自由電子。但在電解池中電荷是怎樣傳遞的呢?仍然依靠自由電子的流動(dòng)嗎：實(shí)驗(yàn)表明，溶液中不可能有獨(dú)立存在的自由電子,因而來自金屬導(dǎo)體的自由電子是不能從電解池的溶液中直接流過的。在電解質(zhì)溶液中，是依靠正、負(fù)離子的定向運(yùn)動(dòng)傳遞電荷的，即載流子是正、負(fù)離子而不是電子。凡是依靠物體內(nèi)的離子運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電的導(dǎo)體叫做離子導(dǎo)體，也稱為第二類導(dǎo)體，例如各種電解質(zhì)溶液、熔融態(tài)電解質(zhì)和固體電解質(zhì)。由此可見，圖5.107中的外線路是由第一類導(dǎo)體和第一類導(dǎo)體串聯(lián)組成的，可稱之為電解池回路。1電化學(xué)的基本原理電解池回路現(xiàn)在，又有了一個(gè)新的問題：既然存在著兩類導(dǎo)體,有不同的載流子，那么不同載流子之間又是怎樣傳遞電荷的呢：也就是說，兩類導(dǎo)體的導(dǎo)電方式是怎樣相互轉(zhuǎn)化的呢?如果仔細(xì)觀察電解池通電時(shí)，如電鍍時(shí)的現(xiàn)象，就容易發(fā)現(xiàn):在導(dǎo)電的同時(shí)，電解池的兩個(gè)極板上有氣體析出或金屬沉積，也就是在極板上有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。這樣，從外電源E的負(fù)極流出的電子，到了電解池的負(fù)極,經(jīng)過還原反應(yīng),將負(fù)電荷傳遞給溶液(電子與正離子復(fù)合,等于溶液中負(fù)電荷增加)。在溶液中依靠正離子向負(fù)極運(yùn)動(dòng),負(fù)離子向正極運(yùn)動(dòng),將負(fù)電荷傳遞到了正極。又經(jīng)過氧化反應(yīng),將負(fù)電荷以電子形式傳遞給電極，極板上積累的自由電子經(jīng)過導(dǎo)線流回電源E的正極。由此可見,兩類導(dǎo)體導(dǎo)電方式的轉(zhuǎn)化是通過電極上的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。1電化學(xué)的基本原理電解池回路在電化學(xué)中，通常把發(fā)生氧化反應(yīng)(失電子反應(yīng))的電極叫做陽極；把發(fā)生還原反應(yīng)(得電子反應(yīng))的電極叫做陰極。因此,電解池中的正極通常叫做陽極，負(fù)極稱為陰極，氧化反應(yīng)是指物質(zhì)失去電子，還原反應(yīng)是指物質(zhì)獲得電子。在生物信息采集中，電極反應(yīng)通常涉及到生物分子（如DNA、蛋白質(zhì)、酶等）的氧化還原。1電化學(xué)的基本原理原電池回路在圖5.108中，R為負(fù)載，E為電源,稱作原電池。原電池和電解池類似，也是由兩個(gè)極板和電解質(zhì)溶液組成的，在原電池內(nèi)部是離子導(dǎo)電，同時(shí)在陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)，在陰極上發(fā)生還原反應(yīng)。不同的是,電解池中的氧化還原反應(yīng)是由電源E供給電流(電能)而引發(fā)的；原電池中的氧化還原反應(yīng)則是自發(fā)產(chǎn)生的。因此，原電池中化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果是在外線路中產(chǎn)生電流供負(fù)載使用，即原電池本身是一種電源。原電池的陽極上，因氧化反應(yīng)而有了電子的積累，故電位較負(fù)，是負(fù)極；陰極上則因還原反應(yīng)而缺乏電子，故電位較正，是正極。在外線路中，電子就由陽極流向陰極,即電流從陰極(正極)流出，A經(jīng)外線路流入陽極(負(fù)極)。整個(gè)原電池回路也是由第一類導(dǎo)體和第二類導(dǎo)體串聯(lián)組成的。通過對(duì)上述三個(gè)回路的分析,可以得出以下結(jié)論：1電化學(xué)的基本原理原電池回路這三個(gè)回路都是導(dǎo)電的回路，但是導(dǎo)電的機(jī)理因組成回路的導(dǎo)體類型不同而異。在電子導(dǎo)電回路中，回路的各部分(除E外)都是由第一類導(dǎo)體組成，因此只有一種載流子--自由電子。自由電子可以從一個(gè)相跨越相界面進(jìn)入另一相而進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)，在相界面上不發(fā)生任何化學(xué)變化。在電解池和原電池回路中，有兩類不同導(dǎo)體串聯(lián)，第一類導(dǎo)體的載流子是自由電子，第二類導(dǎo)體的載流子是離子。導(dǎo)電時(shí),電荷的連續(xù)流動(dòng)是依靠在兩類導(dǎo)體界面上，兩種不同載流子之問的電荷轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)的。而這個(gè)電荷轉(zhuǎn)移過程,就是在界面上發(fā)生的得失電子的化學(xué)反應(yīng)。所以，在這類回路中導(dǎo)電過程必定伴隨有物質(zhì)的化學(xué)變化。第一種回路(見圖5.106)是電工和電子學(xué)研究的對(duì)象。而電解池和原電池具有共同的特征，即都是由兩類不同導(dǎo)體組成的，是一種在電荷轉(zhuǎn)移時(shí)不可避免地伴隨有物質(zhì)變化的體系。這種體系叫做電化學(xué)體系，是電化學(xué)科學(xué)研究的對(duì)象。兩類導(dǎo)體界面上發(fā)生的氧化反應(yīng)或還原反應(yīng)稱為電極反應(yīng)。也常常把電化學(xué)體系中發(fā)生的、伴隨有電荷轉(zhuǎn)移的化學(xué)反應(yīng)統(tǒng)稱為電化學(xué)反應(yīng)。1電化學(xué)的基本原理原電池回路所以，可以將電化學(xué)科學(xué)定義為研究電子導(dǎo)電相(金屬和半導(dǎo)體)和離子導(dǎo)電相(溶液、熔鹽和固體電解質(zhì))之間的界面上所發(fā)生的各種界面效應(yīng),即伴有電現(xiàn)象發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的科學(xué)。這些界面效應(yīng)所具有的內(nèi)在特殊矛盾性就是化學(xué)現(xiàn)象和電現(xiàn)象的對(duì)立統(tǒng)一。具體地講，電化學(xué)的研究對(duì)象包括三部分：第一類導(dǎo)體、第二類導(dǎo)體、兩類導(dǎo)體的界面及其效應(yīng)。第一類導(dǎo)體已屬于物理學(xué)研究范疇，在電化學(xué)中只需引用它們所得出的結(jié)論：電解質(zhì)溶液理論則是第二類導(dǎo)體研究中的最重要的組成部分，也是經(jīng)典電化學(xué)的重要領(lǐng)域；而兩類導(dǎo)體的界面性質(zhì)及其效應(yīng)，則是現(xiàn)代電化學(xué)的主要內(nèi)容。1電化學(xué)的基本原理電化學(xué)發(fā)光法電化學(xué)發(fā)光法（Electrochemiluminescence,ECL）是一種將電化學(xué)反應(yīng)與發(fā)光反應(yīng)結(jié)合的高靈敏度檢測(cè)技術(shù)。它利用生物分子在電極表面的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的能量來激發(fā)發(fā)光物質(zhì)，從而產(chǎn)生可檢測(cè)的發(fā)光信號(hào)。這種技術(shù)在生物信息采集中，尤其是在低濃度生物分子的檢測(cè)中，顯示出了極高的靈敏度和特異性。ECL的基本原理涉及兩個(gè)主要步驟：電化學(xué)氧化還原反應(yīng)和發(fā)光反應(yīng)。(1)電化學(xué)氧化還原反應(yīng)：在這一步驟中，生物分子（如抗體、酶、DNA等）在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)。這些生物分子通常通過特定的標(biāo)記（如電化學(xué)發(fā)光標(biāo)記物）與電極表面連接。氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致電子的轉(zhuǎn)移，并可能產(chǎn)生能量。(2)發(fā)光反應(yīng)：在電化學(xué)氧化還原反應(yīng)的基礎(chǔ)上，發(fā)光物質(zhì)被激發(fā)并發(fā)出光信號(hào)。這個(gè)過程可以是通過電化學(xué)氧化還原反應(yīng)直接激發(fā)發(fā)光物質(zhì)，也可以是通過電化學(xué)產(chǎn)生的物種與發(fā)光物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生發(fā)光。1電化學(xué)的基本原理電化學(xué)發(fā)光法ECL技術(shù)的關(guān)鍵在于選擇合適的發(fā)光標(biāo)記物。常用的發(fā)光標(biāo)記物包括三聯(lián)吡啶釕（Ru(bpy)3）配合物及其衍生物。這些標(biāo)記物在電化學(xué)反應(yīng)中被氧化還原，然后在電極表面或附近區(qū)域產(chǎn)生光信號(hào)。ECL能夠檢測(cè)極低濃度的生物分子，其檢測(cè)限通常在皮摩爾（pM）到飛摩爾（fM）級(jí)別。通過特定的生物分子識(shí)別過程（如抗體-抗原反應(yīng)），ECL可以實(shí)現(xiàn)高度特異性的檢測(cè)。ECL的信號(hào)強(qiáng)度與電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的發(fā)光物質(zhì)的量成正比，因此具有較寬的檢測(cè)范圍。與放射性同位素標(biāo)記相比，ECL使用的是非放射性的發(fā)光標(biāo)記物，因此更加安全。1電化學(xué)的基本原理電化學(xué)發(fā)光法在生物信息采集中，ECL技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種生物分子的檢測(cè)，包括DNA、RNA、蛋白質(zhì)、酶、細(xì)胞等。例如，在臨床診斷中，ECL技術(shù)可以用于檢測(cè)病原體、腫瘤標(biāo)志物、激素等。在科研領(lǐng)域，ECL技術(shù)也被用于研究生物分子的相互作用、酶活性、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)等。1電化學(xué)的基本原理電化學(xué)阻抗譜法電化學(xué)阻抗譜法（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy,EIS）是一種強(qiáng)大的非破壞性電化學(xué)技術(shù)，用于分析電子傳輸過程和界面現(xiàn)象。在生物信息采集中，EIS通過測(cè)量生物分子與電極表面相互作用引起的電化學(xué)阻抗變化，可以提供關(guān)于生物分子與電極表面結(jié)合的動(dòng)力學(xué)信息，從而分析生物分子的結(jié)構(gòu)和功能。EIS的基本原理是基于對(duì)電化學(xué)系統(tǒng)施加一個(gè)小幅度正弦波電壓或電流擾動(dòng)，并測(cè)量由此產(chǎn)生的電流或電壓的響應(yīng)。通過這種方式，可以獲得系統(tǒng)的阻抗譜，即阻抗隨頻率的變化關(guān)系。阻抗譜中包含了關(guān)于電極過程和界面現(xiàn)象的豐富信息，如電荷轉(zhuǎn)移電阻、雙電層電容、擴(kuò)散阻抗等。1電化學(xué)的基本原理電化學(xué)阻抗譜法在生物信息采集中，EIS主要應(yīng)用于研究和優(yōu)化生物傳感器的性能，例如，通過測(cè)量電極表面與生物分子（如抗體、酶、DNA等）相互作用的阻抗變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分子的定量檢測(cè)。EIS提供的信息有助于理解生物分子與電極表面之間的相互作用機(jī)制，從而提高傳感器的靈敏度和選擇性。EIS還可以用于研究生物分子之間的相互作用，如蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-核酸、蛋白質(zhì)-小分子等。通過監(jiān)測(cè)這些相互作用引起的阻抗變化，可以獲得關(guān)于生物分子結(jié)合的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如結(jié)合常數(shù)、解離速率等。同時(shí)EIS可以用于研究生物膜的性質(zhì)和細(xì)胞的行為。例如，通過測(cè)量細(xì)胞與電極表面相互作用的阻抗變化，可以研究細(xì)胞的生長(zhǎng)、附著和死亡等過程。此外，EIS還可以用于研究生物膜的電導(dǎo)性和滲透性。其優(yōu)勢(shì)在于，EIS測(cè)量過程中對(duì)樣品的影響非常小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的實(shí)時(shí)、原位監(jiān)測(cè)：EIS可以檢測(cè)到微小的阻抗變化，從而獲得關(guān)于生物分子與電極表面相互作用的詳細(xì)信息。EIS提供的是阻抗譜，包含了多個(gè)參數(shù)的信息，可以同時(shí)獲得關(guān)于電子傳輸、物質(zhì)傳輸和界面現(xiàn)象的綜合信息。1電化學(xué)的基本原理電位法電位法（Potentiometry）是一種電化學(xué)分析方法，它通過測(cè)量電極系統(tǒng)中的電位變化來定量分析溶液中的生物分子濃度。這種方法基于生物分子與電極表面結(jié)合時(shí)產(chǎn)生的電位變化，因此適用于檢測(cè)生物分子的濃度，尤其是離子和分子的檢測(cè)。電位法的基本原理是利用電極與溶液之間的電荷作用。當(dāng)一個(gè)生物分子與電極表面結(jié)合時(shí)，它會(huì)影響電極表面的電荷分布，從而導(dǎo)致電位的變化。這種電位變化可以通過電位計(jì)或電勢(shì)計(jì)進(jìn)行測(cè)量，并且與生物分子的濃度成正比。電位法的測(cè)量系統(tǒng)通常由一個(gè)指示電極和一個(gè)參比電極組成。指示電極對(duì)溶液中的生物分子濃度變化敏感，而參比電極提供一個(gè)穩(wěn)定的電位參考點(diǎn)。當(dāng)指示電極與溶液中的生物分子發(fā)生作用時(shí)，電位計(jì)會(huì)測(cè)量指示電極與參比電極之間的電位差。1電化學(xué)的基本原理電位法電位法廣泛用于檢測(cè)溶液中的離子濃度，如pH值、離子強(qiáng)度等。例如，pH電極是一種常見的電位法應(yīng)用，它利用氫離子與電極表面結(jié)合時(shí)產(chǎn)生的電位變化來測(cè)量溶液的酸堿性。電位法還可以用于檢測(cè)生物分子（如蛋白質(zhì)、核酸、抗體等）的濃度。通過特定的識(shí)別元素（如抗體、酶、受體等）與電極表面結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)生物分子的定量檢測(cè)。電位法還可以用于檢測(cè)細(xì)胞和微生物的存在和活性。例如，通過測(cè)量細(xì)胞膜電位的變化，可以評(píng)估細(xì)胞的狀態(tài)和功能。1電化學(xué)的基本原理安培法安培法（Amperometry）是一種電化學(xué)分析方法，它通過測(cè)量生物分子氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流來定量分析生物分子的濃度。這種方法具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確度，適用于生物分子的高精度檢測(cè)。安培法的基本原理是利用生物分子在電極表面的氧化還原反應(yīng)。當(dāng)一個(gè)生物分子在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)，它會(huì)釋放或吸收電子，從而在電路中產(chǎn)生電流。通過測(cè)量這個(gè)電流的大小，可以定量分析生物分子的濃度。安培法的測(cè)量系統(tǒng)通常由一個(gè)工作電極、一個(gè)輔助電極和一個(gè)參比電極組成。工作電極是生物分子氧化還原反應(yīng)發(fā)生的地方，輔助電極用于提供電子，而參比電極提供一個(gè)穩(wěn)定的電位參考點(diǎn)。當(dāng)生物分子在工作電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)，電流計(jì)會(huì)測(cè)量通過電路的電流。1電化學(xué)的基本原理安培法安培法可以用于檢測(cè)生物分子（如葡萄糖、乳酸、尿酸等）的濃度。通過特定的識(shí)別元素（如酶、抗體等）與電極表面結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)生物分子的定量檢測(cè)。培法還可以用于檢測(cè)細(xì)胞和微生物的存在和活性。例如，通過測(cè)量細(xì)胞代謝產(chǎn)生的氧化還原物質(zhì)的電流，可以評(píng)估細(xì)胞的狀態(tài)和功能。安培法可以用于藥物和毒素的檢測(cè)。通過特定的識(shí)別元素與電極表面結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)藥物或毒素的定量檢測(cè)。2離子傳感器離子傳感器是一種利用離子選擇電極，將感受的離子量轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器，其組成包括傳感膜、參比電極、工作電極以及電路和信號(hào)處理單元等關(guān)鍵部分。這些組件共同協(xié)作，使得離子傳感器能夠精確測(cè)量水溶液樣本中選定離子的濃度。其發(fā)展至今已有幾十年，在化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，日常生活中常使用玻璃膜式離子傳感器（pH傳感器）測(cè)量液體pH值，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)使用離子煙霧傳感器能夠在火災(zāi)初期階段就發(fā)出警報(bào)，有助于及時(shí)逃生和減少財(cái)產(chǎn)損失。近年來，由于半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，離子傳感器也在朝著多元化、智能化遙測(cè)方向發(fā)展。2離子傳感器2.1離子傳感器的工作原理（1）離子選擇性電極（ISE）：離子選擇性電極是離子傳感器的核心部件。離子選擇性電極通常由電極體、離子選擇性膜和參比電極組成。離子選擇性膜是關(guān)鍵部分，其具有特定的選擇性，只允許目標(biāo)離子通過。當(dāng)目標(biāo)離子在離子選擇性膜上發(fā)生反應(yīng)時(shí)，會(huì)引起電位的變化。這個(gè)電位變化可以被測(cè)量并與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行比較，從而確定溶液中目標(biāo)離子的濃度。離子選擇性電極通過離子選擇性膜對(duì)目標(biāo)離子的選擇性反應(yīng)，測(cè)量電位變化來間接測(cè)量樣品中目標(biāo)離子的濃度。這種傳感器在分析化學(xué)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，并在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中發(fā)揮著重要作用。例如：pH計(jì)就是一種常見的離子選擇性電極。其中玻璃膜離子傳感器就是一種pH計(jì)，利用玻璃膜對(duì)氫離子的選擇性來測(cè)量溶液的pH值。2離子傳感器2.1離子傳感器的工作原理（2）參比電極：除了離子選擇性電極外，離子傳感器還包括一個(gè)參比電極。參比電極在離子傳感器中的作用類似于標(biāo)尺，在測(cè)量時(shí)提供一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位，有助于準(zhǔn)確測(cè)量待測(cè)樣品中的電位變化，從而推斷出目標(biāo)離子濃度。例如：飽和甘汞電極，是一種常見的參比電極類型，利用飽和的汞汞齊溶液和汞汞齊電極反應(yīng)提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位；銀/氯化銀電極：是另一種常見的參比電極類型，其中銀電極與氯化銀電極反應(yīng)提供基準(zhǔn)電位。（3）電位測(cè)量：當(dāng)目標(biāo)離子濃度發(fā)生變化時(shí)，離子選擇性電極的電位也會(huì)相應(yīng)改變。通過測(cè)量離子選擇性電極和參比電極之間的電位差，可以確定目標(biāo)離子的濃度。通常使用電位計(jì)或其他電子儀器來測(cè)量電位差，通過測(cè)量樣品與參比電極之間的電位差來確定目標(biāo)離子的濃度。2離子傳感器2.1離子傳感器的工作原理（4）校準(zhǔn)：為了確保準(zhǔn)確性，離子傳感器通常需要進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過電位測(cè)量和校準(zhǔn)，離子傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)量樣品中目標(biāo)離子的濃度，為化學(xué)分析和其他實(shí)驗(yàn)提供重要數(shù)據(jù)支持。常見的校準(zhǔn)方法有兩種：標(biāo)準(zhǔn)曲線法：通過使用標(biāo)準(zhǔn)溶液制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，將已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液與對(duì)應(yīng)的電位變化關(guān)系建立起來，用于后續(xù)測(cè)量的參考；零點(diǎn)校準(zhǔn)：在進(jìn)行測(cè)量之前，對(duì)離子傳感器進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，即在無離子存在的溶液中調(diào)零，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。2離子傳感器基于工作原理的分類2、離子交換膜電極：通過離子交換膜來實(shí)現(xiàn)離子濃度的測(cè)量。3、離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ISFET）：基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的離子傳感器。1、離子選擇性電極（ISE）：根據(jù)不同的選擇性敏感膜可以選擇特定類型的離子進(jìn)行測(cè)量。2離子傳感器基于測(cè)量離子種類的分類1、氫離子傳感器（pH傳感器）：用于測(cè)量溶液的pH值。012、金屬離子傳感器：用于測(cè)量金屬離子（如鐵離子、銅離子等）的濃度。023、氟離子傳感器：用于檢測(cè)氟離子濃度，常用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和水質(zhì)檢測(cè)等領(lǐng)域。032離子傳感器基于測(cè)量范圍的分類1、微型離子傳感器：用于微流體系統(tǒng)中的離子濃度測(cè)量。2、大范圍離子傳感器：用于處理大體積樣品或高濃度離子測(cè)量。這些分類方式并不是互斥的，離子傳感器可能同時(shí)符合多種分類標(biāo)準(zhǔn)。不同類型的離子傳感器適用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域和測(cè)量需求，選擇適合的離子傳感器對(duì)于確保準(zhǔn)確的離子濃度測(cè)量至關(guān)重要。2離子傳感器2.3離子選擇性電極（ISE）離子選擇性電極（ISE）是一種電化學(xué)傳感器，專門設(shè)計(jì)用于測(cè)定溶液中特定離子的活度或濃度。離子選擇性電極的工作原理主要是利用膜電勢(shì)測(cè)定溶液中離子的活度或濃度。當(dāng)離子選擇性電極與含有待測(cè)離子的溶液接觸時(shí)，在電極的敏感膜和溶液的相界面上會(huì)產(chǎn)生與該離子活度直接有關(guān)的膜電勢(shì)。這種膜電勢(shì)是一種相間電勢(shì)，即不同兩相（敏感膜和溶液）接觸并發(fā)生帶電粒子的轉(zhuǎn)移，待達(dá)到平衡后產(chǎn)生的電勢(shì)差。這個(gè)電勢(shì)差與溶液中特定離子的活度的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系，從而可以通過測(cè)量電勢(shì)差來確定離子的活度或濃度。離子選擇性電極由幾個(gè)關(guān)鍵部分組成：電極腔體通常由玻璃或高分子聚合物材料制成；內(nèi)參比電極，通常是Ag/AgCl電極；內(nèi)參比溶液，由氯化物及響應(yīng)離子的強(qiáng)電解質(zhì)溶液組成；以及敏感膜，這是對(duì)離子具有高選擇性的響應(yīng)膜。2離子傳感器離子選擇性電極分類1、玻璃膜式離子傳感器：這類傳感器使用玻璃膜作為敏感元件，玻璃膜的成分變化可以使其對(duì)特定的離子具有選擇性。pH玻璃電極是最早出現(xiàn)的離子選擇電極，其關(guān)鍵部分是敏感玻璃膜。2、液態(tài)膜式離子傳感器：這類傳感器使用液態(tài)膜作為離子感應(yīng)部分，其特性是對(duì)某些離子具有較高的選擇性和靈敏度。液態(tài)膜式離子傳感器基于離子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)行為而工作。它通常由離子選擇性電極和參比電極組成。當(dāng)離子與敏感膜層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電位變化，這個(gè)電位變化可以通過參比電極和電橋電路來測(cè)量。例如：PVC（聚氯乙烯）膜電極。2離子傳感器離子選擇性電極分類3、固態(tài)膜式離子傳感器：這類傳感器使用固態(tài)膜來檢測(cè)和測(cè)量離子濃度，固態(tài)膜具有較好的穩(wěn)定性和耐用性。固態(tài)膜式離子傳感器主要由固態(tài)敏感膜、參比電極、工作電極以及電荷轉(zhuǎn)移層組成。其中，固態(tài)敏感膜是核心部分，負(fù)責(zé)與待測(cè)離子發(fā)生反應(yīng)。例如：基于ZnS納米粒子的固態(tài)膜傳感器、固態(tài)膜電位傳感器。4、隔膜式傳感器：這類傳感器以離子傳感器為基本體，通過隔膜來感應(yīng)和測(cè)量離子濃度。當(dāng)外界壓力或液位發(fā)生變化時(shí)，隔膜會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的形變，這種形變進(jìn)一步被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力或液位的精確測(cè)量。例如：隔膜壓力傳感器、隔膜式液位傳感器。2離子傳感器ISE的主要特點(diǎn)1、高選擇性：能夠選擇性地測(cè)量溶液中的某一種離子，而不受其他離子的干擾。013、響應(yīng)速度快：可以在短時(shí)間內(nèi)給出準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。035、應(yīng)用廣泛：ISE可用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)054、操作簡(jiǎn)便：使用ISE進(jìn)行測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的樣品前處理。042、靈敏度高：即使離子濃度很低，也能準(zhǔn)確測(cè)量。022離子傳感器2.4離子交換膜電極離子交換膜電極是一種基于離子交換膜技術(shù)的電化學(xué)傳感器，用于測(cè)量和監(jiān)控離子濃度或活度。這種傳感器結(jié)合了離子交換膜的選擇性離子傳輸特性和電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)，從而在多種應(yīng)用領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)精確、快速的離子濃度測(cè)量。離子交換膜電極傳感器的核心組成部分是離子交換膜，起到選擇性地透過離子的作用。離子交換膜電極傳感器的工作原理主要是利用離子交換膜的選擇性透過性。膜的一側(cè)與待測(cè)溶液接觸，另一側(cè)與內(nèi)參比溶液接觸。當(dāng)待測(cè)溶液中的離子濃度發(fā)生變化時(shí)，這些離子會(huì)通過離子交換膜進(jìn)行傳輸，從而在膜兩側(cè)產(chǎn)生電勢(shì)差。這個(gè)電勢(shì)差與待測(cè)離子的濃度或活度有著直接的關(guān)系。通過測(cè)量這個(gè)電勢(shì)差，就可以確定待測(cè)離子的濃度或活度。2離子傳感器離子交換膜電極分類離子交換膜電極主要分為兩類：陽離子交換膜電極：能夠選擇性吸附陰離子。基于陽離子交換膜的離子交換能力和電極的電化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)溶液中的陽離子與陽離子交換膜接觸時(shí)，它們會(huì)通過膜的交換基團(tuán)進(jìn)行交換，從而進(jìn)入膜內(nèi)部。這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致膜兩側(cè)的電荷分布發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生電勢(shì)差。通過測(cè)量這個(gè)電勢(shì)差，可以推算出溶液中陽離子的濃度。這類傳感器在藥物傳輸和離子選擇性傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如：電導(dǎo)率傳感器、離子濃度傳感器。陰離子交換膜電極：能夠選擇性吸附陽離子?；陉庪x子交換膜的選擇性透過性，只允許特定的陰離子通過。當(dāng)溶液中的陰離子通過交換膜時(shí)，會(huì)引起膜兩側(cè)的電位變化。這個(gè)電位變化可以通過電極進(jìn)行測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)陰離子濃度的檢測(cè)。這類傳感器適用于環(huán)境污染監(jiān)測(cè)和離子傳感器等領(lǐng)域。例如：水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器、生物傳感器。2離子傳感器離子交換膜電極主要特點(diǎn)1、選擇性：離子交換膜能夠選擇性地透過特定類型的離子（如陽離子或陰離子），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定離子的精確測(cè)量。012、靈敏度：傳感器對(duì)離子濃度的變化非常敏感，能夠檢測(cè)到微小的濃度變化。023、穩(wěn)定性：離子交換膜具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，能夠在各種環(huán)境條件下保持性能穩(wěn)定。032離子傳感器2.5離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ISFET）離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器，即IonSensitiveFieldEffectTransistor（ISFET）傳感器，是一種微電子離子選擇性敏感元件。它結(jié)合了電化學(xué)和晶體管的特性，具有高靈敏度、快速響應(yīng)、小樣品消耗、易于批量制造和低成本等優(yōu)點(diǎn)。離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ISFET）的工作原理主要是基于半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)原理和離子選擇性的敏感膜技術(shù)。基本結(jié)構(gòu)與工作原理如下：1、核心結(jié)構(gòu)：ISFET的核心部分是一個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），但與普通的MOSFET不同的是，ISFET在柵極上引入了一層特殊的靈敏膜。2、離子濃度轉(zhuǎn)換：這層靈敏膜具有選擇性地響應(yīng)于特定離子，當(dāng)被測(cè)液體中的離子與靈敏膜接觸時(shí)，會(huì)引起膜表面的電勢(shì)變化。靈敏膜將離子濃度的變化轉(zhuǎn)換成膜表面的電荷密度變化。3、電信號(hào)輸出：這個(gè)電荷密度的變化進(jìn)而影響晶體管的導(dǎo)通電流或阻斷電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)離子濃度的測(cè)量。最終，ISFET會(huì)將這種變化以電信號(hào)的形式輸出，供外部電路讀取和處理。通過這種方式，ISFET能夠高靈敏地檢測(cè)液體中的離子濃度變化，因此在生物傳感器、化學(xué)傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。2離子傳感器離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管分類根據(jù)敏感膜類型分類：1、無機(jī)ISFET：其敏感膜一般為無機(jī)絕緣柵、固態(tài)膜或有機(jī)高分子PVC膜。這類ISFET主要用于檢測(cè)NH4+、H+、K+、Na+、F-、Cl-等無機(jī)離子。2、酶FET（EnzymeFET）：由一層含酶的物質(zhì)與ISFET相結(jié)合所構(gòu)成，在敏感柵表面固定一層酶膜。當(dāng)待測(cè)底物與酶接觸時(shí)，會(huì)反應(yīng)生成新的物質(zhì)，引起敏感膜附近局部的離子濃度變化，從而檢測(cè)特定的生化反應(yīng)。3、免疫FET（ImmunoFET）：由具有免疫反應(yīng)的分子識(shí)別功能敏感膜與ISFET相結(jié)合所構(gòu)成，包括非標(biāo)記免疫FET和標(biāo)記免疫FET兩種，用于檢測(cè)特定的生物分子。根據(jù)離子選擇性分類：氫離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管（pH-ISFET）對(duì)H+離子敏感；鉀離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管（K-ISFET）對(duì)K+離子敏感等。2離子傳感器ISFET主要特點(diǎn)選擇性：離子交換膜能夠選擇性地透過特定類型的離子（如陽離子或陰離子），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定離子的精確測(cè)量。靈敏度：傳感器對(duì)離子濃度的變化非常敏感，能夠檢測(cè)到微小的濃度變化。穩(wěn)定性：離子交換膜具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，能夠在各種環(huán)境條件下保持性能穩(wěn)定。快速響應(yīng)：傳感器響應(yīng)速度快，能夠迅速反映離子濃度的變化。2離子傳感器應(yīng)用場(chǎng)景離子傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，以下是一些主要的應(yīng)用領(lǐng)域：1、環(huán)境監(jiān)測(cè)：水質(zhì)監(jiān)測(cè)：離子傳感器可以用于檢測(cè)水體中的離子濃度，如河流、湖泊、海洋等自然水體的污染情況監(jiān)測(cè)。通過測(cè)量水體中的離子濃度變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)污染，保護(hù)水資源?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)：特定的離子傳感器，如離子流氧傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中的氧氣含量，為改善環(huán)境質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支持。2、工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室分析：離子傳感器在工業(yè)過程中可以用于監(jiān)測(cè)和控制化學(xué)反應(yīng)中的離子濃度，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)室分析中，離子傳感器是研究離子之間的相互作用和化學(xué)反應(yīng)的重要工具，幫助科學(xué)家更深入地了解離子行為。2離子傳感器應(yīng)用場(chǎng)景3、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：離子選擇性電極被廣泛應(yīng)用于測(cè)量生物體液（如血液）中的離子濃度，如鉀、鈉、氯等離子，對(duì)于指導(dǎo)臨床治療和藥物使用具有重要意義。在生物醫(yī)學(xué)研究中，離子傳感器也用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物體內(nèi)的離子濃度變化，以研究生物體的生理功能。4、食品和飲料行業(yè)：離子傳感器可以用于檢測(cè)食品和飲料中的離子含量，如鹽分、礦物質(zhì)等，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和安全。2離子傳感器案例分析以離子式煙霧傳感器在火災(zāi)報(bào)警中的應(yīng)用為例：離子式煙霧傳感器是一種特殊的離子傳感器，用于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。其工作原理基于煙霧對(duì)電離室內(nèi)正負(fù)離子的影響。常見的離子感煙傳感器主要由內(nèi)外兩個(gè)電離室為主構(gòu)成。外電離室（即檢測(cè)室）有孔與外界相通，煙霧可以從該孔進(jìn)入傳感器內(nèi)；內(nèi)電離室（即補(bǔ)償室）是密封的，煙霧不會(huì)進(jìn)入。內(nèi)外兩個(gè)電離室是串聯(lián)的。如圖5.111(a)所示。當(dāng)外電離室有燃燒生成物和煙霧進(jìn)入時(shí)，部分正離子和負(fù)離子被吸附到燃燒生成物和煙霧顆粒上（燃燒生成物與煙霧顆粒比離子大1000倍左右），故其在電場(chǎng)中的移動(dòng)速度就會(huì)比原來的速度慢，而且在移動(dòng)過程中正負(fù)離子中和的機(jī)會(huì)也將增多，也就是離子電流會(huì)相應(yīng)地減小。煙霧數(shù)量較多，離子電流也越小，相當(dāng)于等效電阻增加。在另一方面，由于內(nèi)電離室是密封的，無煙霧粒子進(jìn)入，離子電流是恒定的。2離子傳感器案例分析由于離子感煙傳感器中的內(nèi)外電離室是采用串聯(lián)連接方式（如圖5.111(a)所示）,外電離室的等效電阻是變化的（隨煙霧而變），可等效為一只可調(diào)電阻RP，而外電離室等效，電阻R是不變的，故圖5.111(a)電路又可以等效為圖5.111(b)的形式.這兩只等效電阻串聯(lián)后將E分壓提供給后級(jí)電路供控制電路使用。當(dāng)無煙霧，圖5.111(a)電路中的A點(diǎn)電壓約為0.5V;當(dāng)有煙霧時(shí)，外電離室的離子電流減少，等效電阻增加，由于RP的變化使A點(diǎn)電位降低。電位降低的大小與煙霧的數(shù)量成比例關(guān)系，有煙霧與無煙霧時(shí)，兩者在A點(diǎn)的電位差可以達(dá)到1V以上。利用這個(gè)電壓變化，就可以控制電子電路實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警。2離子傳感器2.7離子傳感器選型離子傳感器的選型需要考慮多個(gè)因素，以下是一些關(guān)鍵的選型要點(diǎn)：1、測(cè)量目標(biāo)：首先需要明確要測(cè)量的離子種類和濃度范圍，例如是測(cè)量氫離子、鈣離子還是其他離子。這將直接影響傳感器的選擇，因?yàn)椴煌碾x子傳感器對(duì)特定的離子具有選擇性。2、傳感器類型：根據(jù)測(cè)量原理和應(yīng)用場(chǎng)景，可以選擇不同類型的離子傳感器，如電極型、場(chǎng)效應(yīng)晶體管型、光導(dǎo)傳感型和聲表面波型等。電極型離子傳感器通常用于測(cè)量水溶液中的離子濃度，而光導(dǎo)傳感型則可能更適合于某些特殊環(huán)境或氣體中的離子檢測(cè)。2離子傳感器2.7離子傳感器選型3、技術(shù)指標(biāo)：考慮傳感器的靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性、分辨率等技術(shù)指標(biāo)。例如，對(duì)于需要快速響應(yīng)的應(yīng)用，應(yīng)選擇響應(yīng)時(shí)間短的傳感器；對(duì)于需要高精度測(cè)量的場(chǎng)合，則應(yīng)選擇分辨率高、穩(wěn)定性好的傳感器。4、環(huán)境因素：考慮傳感器的工作環(huán)境，如溫度、濕度、壓力以及可能存在的干擾物質(zhì)等。這些因素可能影響傳感器的性能和準(zhǔn)確性，因此需要選擇能夠適應(yīng)特定環(huán)境條件的傳感器。5、成本和維護(hù)：根據(jù)預(yù)算和維護(hù)需求選擇合適的傳感器。不同類型的傳感器在價(jià)格和維護(hù)成本上可能有所不同，因此需要在滿足性能需求的前提下考慮成本效益。2離子傳感器2.7離子傳感器選型6、校準(zhǔn)和驗(yàn)證：在選型過程中，還需要考慮傳感器的校準(zhǔn)和驗(yàn)證需求。定期校準(zhǔn)可以確保傳感器的準(zhǔn)確性，而驗(yàn)證過程則有助于確認(rèn)傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。綜上所述，離子傳感器的選型是一個(gè)綜合考慮多個(gè)因素的過程，包括測(cè)量目標(biāo)、傳感器類型、技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境因素、成本和維護(hù)以及校準(zhǔn)和驗(yàn)證等。通過仔細(xì)評(píng)估這些因素并咨詢專業(yè)人士的意見，可以選擇到最適合特定應(yīng)用需求的離子傳感器。3氣體傳感器3.1工作原理氣體傳感器基于不同的技術(shù)，包括但不限于化學(xué)感應(yīng)、光學(xué)、電化學(xué)、半導(dǎo)體等。這些傳感器通過特定的感應(yīng)元件來檢測(cè)空氣中的氣體成分，并將這些氣體的濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行處理和顯示。氣體傳感器是一種用于檢測(cè)和測(cè)量空氣中特定氣體濃度的裝置。其功能來自于不同氣體與傳感器內(nèi)部材料之間的相互作用，這些相互作用會(huì)導(dǎo)致電學(xué)、光學(xué)或機(jī)械性質(zhì)的變化。根據(jù)作用類型的不同可分為電化學(xué)傳感器、紅外氣體傳感器、氣敏電阻傳感器、熱導(dǎo)式氣體傳感器、質(zhì)譜傳感器等。3氣體傳感器電化學(xué)氣體傳感器電化學(xué)氣體傳感器的工作原理基于離子導(dǎo)電，通過與被測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來工作。這類傳感器主要由傳感電極（或工作電極）和反電級(jí)組成，并由一個(gè)薄電解質(zhì)層隔開。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后是疏水屏障層，最終到達(dá)電極表面。這種結(jié)構(gòu)允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，以形成充分的電信號(hào)，同時(shí)防止電解質(zhì)漏出傳感器。穿過屏障擴(kuò)散的氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，傳感電極可以采用氧化機(jī)理或還原機(jī)理。這些反應(yīng)由針對(duì)被測(cè)氣體而設(shè)計(jì)的電極材料進(jìn)行催化。通過電極間連接的電阻器，與被測(cè)氣濃度成正比的電流會(huì)在正極與負(fù)極間流動(dòng)。測(cè)量該電流即可確定氣體濃度，如圖所示。3氣體傳感器紅外氣體傳感器這種傳感器利用特定氣體對(duì)紅外光的吸收特性。傳感器包含一個(gè)紅外光源和一個(gè)檢測(cè)器。氣體會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的紅外光，因此通過測(cè)量光線通過樣品氣體時(shí)的減弱程度，可以確定氣體濃度。分子中的電子總是處在某一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，每一種狀態(tài)都具有一定的能量，屬于一定的能級(jí)。電子由于受到光、熱、電的激發(fā)，從一個(gè)能級(jí)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)能級(jí)，稱為躍遷。當(dāng)這些電子吸收了外來輻射的能量，就從一個(gè)能量較低的能級(jí)躍遷到另一個(gè)能量較高的能級(jí)。由于分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)所牽涉到的能級(jí)變化比較復(fù)雜，分子吸收光譜也就比較復(fù)雜。在分子內(nèi)部除了電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之外，還有核間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即核的振動(dòng)和分子繞重心的轉(zhuǎn)動(dòng)。而振動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能，按量子力學(xué)計(jì)算是不連續(xù)的，即具有量子化的性質(zhì)。所以，一個(gè)分子吸收了外來輻射之后，3氣體傳感器紅外氣體傳感器它的能量變化△E為其振動(dòng)能變化△Ev、轉(zhuǎn)動(dòng)能變化△Er以及電子運(yùn)動(dòng)能量變化△Ee的總和。物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光線具有不同的吸收能力，物質(zhì)也只能選擇性地吸收那些能量相當(dāng)于該分子振動(dòng)能變化△Ev、轉(zhuǎn)動(dòng)能變化△Er以及電子運(yùn)動(dòng)能量變化△Ee總和的輻射。由于各種物質(zhì)分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，分子的能級(jí)也千差萬別，各種能級(jí)之間的間隔也互不相同，這樣就決定了它們對(duì)不同波長(zhǎng)光線的選擇吸收。通過改變某一吸收物質(zhì)的入射光的波長(zhǎng)，并記錄該物質(zhì)在每一波長(zhǎng)處的吸光度（A），然后以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)作圖，得到的譜圖稱為該物質(zhì)的吸收光譜或吸收曲線。某物質(zhì)的吸收光譜反映了它在不同的光譜區(qū)域內(nèi)吸收能力的分布情況，可以從波形、波峰的強(qiáng)度和位置及其數(shù)目，研究物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。分子的振動(dòng)能量比轉(zhuǎn)動(dòng)能量大，當(dāng)發(fā)生振動(dòng)能級(jí)躍遷時(shí)，不可避免地伴隨有轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，所以無法測(cè)量純粹的振動(dòng)光譜，3氣體傳感器氣敏電阻傳感器這種傳感器利用氧化物或半導(dǎo)體材料的電阻隨氣體濃度變化而變化的特性。當(dāng)氣體與敏感材料接觸時(shí)，其電阻會(huì)發(fā)生變化，可以通過測(cè)量電阻的變化來確定氣體濃度。。常見的氣敏電阻電阻值(R)與氣體濃度(C)之間的關(guān)系通常可以用如下的經(jīng)驗(yàn)公式表示：R=R_0\timesf(C)(5.89)式中：R是氣敏電阻的電阻值；R_0是氣敏電阻在標(biāo)準(zhǔn)條件下（通常是空氣中特定氣體濃度為零時(shí)）的電阻值；f(C)是關(guān)于氣體濃度(C)的某個(gè)函數(shù)，描述了電阻值隨氣體濃度變化的關(guān)系。通常情況下，f(C)的具體形式由氣敏電阻的制造商根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)確定。例如，對(duì)于某些傳感器，f(C)是一個(gè)線性函數(shù)，表示電阻與氣體濃度成正比；而對(duì)于另一些傳感器，則可能采用指數(shù)函數(shù)或?qū)?shù)函數(shù)來描述電阻與氣體濃度之間的關(guān)系。3氣體傳感器熱導(dǎo)式氣體傳感器熱導(dǎo)式氣體傳感器的工作原理主要基于測(cè)量混合氣體熱導(dǎo)率的變化量來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體濃度的分析。這種傳感器通過電路將氣體的熱導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的檢測(cè)。通常導(dǎo)熱系數(shù)的差異通過電路轉(zhuǎn)化為電阻的變化，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是將待測(cè)氣體送入氣室，氣室的中心是熱敏元件，如熱敏電阻、鉑絲或鎢絲，加熱到一定溫度，把混合氣體熱導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為熱敏元件電阻的變化，電阻值的變化時(shí)比較容易精確測(cè)量出來的。工作原理如圖所示（R1，R2，R3為橋臂電阻，r為熱導(dǎo)傳感器）3氣體傳感器電化學(xué)氣體傳感器1.呼吸疾病診斷：電化學(xué)氣體傳感器可以用來檢測(cè)呼吸系統(tǒng)疾病患者的呼出氣中的氣體成分，如二氧化碳、一氧化氮和氧氣等。這些數(shù)據(jù)可以幫助診斷和監(jiān)測(cè)疾病如哮喘、慢性阻塞性肺?。–OPD）等。3.細(xì)胞培養(yǎng)中的氣體監(jiān)測(cè)：電化學(xué)氣體傳感器可以用于監(jiān)測(cè)細(xì)胞培養(yǎng)中產(chǎn)生的氣體，如氧氣和二氧化碳的濃度變化。這對(duì)于評(píng)估細(xì)胞的代謝活性、生長(zhǎng)狀態(tài)和健康狀況非常有用。2.疾病狀態(tài)監(jiān)測(cè)：通過分析呼出氣中的特定揮發(fā)性有機(jī)化合物，電化學(xué)傳感器可以幫助檢測(cè)和監(jiān)測(cè)癌癥、糖尿病、腎病等的生物標(biāo)志物。4.藥物活性評(píng)估：電化學(xué)氣體傳感器可以用于監(jiān)測(cè)藥物對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)中氧氣消耗率的影響，從而評(píng)估藥物的活性和效果。23413氣體傳感器紅外氣體傳感器1.呼吸行為監(jiān)測(cè)：在動(dòng)物研究中，紅外氣體傳感器可以用來監(jiān)測(cè)動(dòng)物的呼吸行為。通過監(jiān)測(cè)動(dòng)物呼出氣體中的二氧化碳濃度變化，可以評(píng)估動(dòng)物的代謝狀態(tài)和響應(yīng)不同環(huán)境條件的能力。012.環(huán)境生物學(xué)研究：在研究生物體內(nèi)外氣體交換的過程中，紅外氣體傳感器可以用于測(cè)量生物體或環(huán)境中的氧氣和二氧化碳濃度。這對(duì)于理解植物光合作用、動(dòng)物呼吸及環(huán)境生物活動(dòng)的生物物理學(xué)和生態(tài)學(xué)研究非常重要。023.生物反應(yīng)器監(jiān)測(cè)：在生物工程和發(fā)酵過程中，紅外氣體傳感器可以用來監(jiān)測(cè)反應(yīng)器中氧氣和二氧化碳的濃度。這對(duì)于調(diào)節(jié)反應(yīng)器條件、優(yōu)化生物制造流程以及生物藥物生產(chǎn)具有重要意義。033氣體傳感器氣敏電阻傳感器1.生物氣體檢測(cè)：在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，氣敏電阻傳感器可用于檢測(cè)生物體產(chǎn)生的氣體，如氨氣（NH3）、硫化氫（H2S）等。這些傳感器可用于監(jiān)測(cè)動(dòng)植物的新陳代謝活動(dòng)，研究其生理狀態(tài)或行為模式。012.環(huán)境監(jiān)測(cè)：在生態(tài)學(xué)研究中，氣敏電阻傳感器可用于監(jiān)測(cè)環(huán)境中的氣體濃度，如土壤中的氧氣和二氧化碳濃度。這有助于理解土壤微生物活動(dòng)、植物根系呼吸等生態(tài)過程。013.動(dòng)物行為研究：氣敏電阻傳感器可以集成到動(dòng)物籠中，用于監(jiān)測(cè)動(dòng)物的呼吸活動(dòng)或排放的氣體。這些傳感器可用于研究動(dòng)物的代謝活動(dòng)、行為模式以及對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)。013氣體傳感器熱導(dǎo)式氣體傳感器1.動(dòng)物代謝研究：在研究動(dòng)物的代謝活動(dòng)中，熱導(dǎo)式氣體傳感器可以用于測(cè)量動(dòng)物的氧氣消耗和二氧化碳產(chǎn)生。這些數(shù)據(jù)可以幫助研究者了解動(dòng)物的能量代謝過程、行為模式以及對(duì)不同環(huán)境刺激的生理響應(yīng)。2.環(huán)境生物學(xué)：在生態(tài)學(xué)研究中，熱導(dǎo)式氣體傳感器可以用于監(jiān)測(cè)土壤中的氧氣和二氧化碳濃度。這對(duì)于理解土壤中的微生物活動(dòng)、植物根系呼吸以及土壤碳循環(huán)過程非常有幫助。3.植物生理學(xué)研究：熱導(dǎo)式氣體傳感器可以用于測(cè)量植物葉片的氣體交換，如葉片的氧氣吸收和二氧化碳釋放。這些傳感器對(duì)于研究植物的光合作用、呼吸作用以及應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫的生理響應(yīng)非常重要。3氣體傳感器質(zhì)譜傳感器1.腫瘤診斷和治療：質(zhì)譜檢測(cè)可以用來診斷腫瘤類型、監(jiān)測(cè)腫瘤治療的進(jìn)展和評(píng)估治療的效果。2.藥物代謝和毒性：質(zhì)譜檢測(cè)可以用來測(cè)定藥物在人體內(nèi)代謝的速度和途徑以及藥物所產(chǎn)生的毒性。3.生化標(biāo)志物鑒定：質(zhì)譜檢測(cè)可以用來鑒定生化標(biāo)志物，比如蛋白質(zhì)、糖類、脂質(zhì)等，這些標(biāo)志物可以用于疾病的診斷和治療。4、培養(yǎng)基分析：質(zhì)譜檢測(cè)可以用來分析細(xì)菌培養(yǎng)基中的成分，從而幫助醫(yī)生診斷細(xì)菌感染。5.毒物檢測(cè)：質(zhì)譜檢測(cè)可以用來檢測(cè)身體內(nèi)的毒物、藥物或化學(xué)物質(zhì)，從而確定中毒原因并采取相應(yīng)的治療措施。4濕度傳感器濕度傳感器是指能將濕度量轉(zhuǎn)換為容易被測(cè)量處理的電信號(hào)的裝置。傳感器的主要構(gòu)成為濕度傳感器和加濕器兩大部分，即一個(gè)測(cè)量元件和一個(gè)信號(hào)處理原件。濕度傳感器作為濕敏元件，其主要分為電阻式與電容式兩大類。其特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。溫濕度傳感器的種類很多，例如氧化鋁濕度傳感器，氯化鋰濕度傳感器、硅濕度傳感器、陶瓷濕度傳感器等。4濕度傳感器4.1濕度的特點(diǎn)濕度是重要的環(huán)境參數(shù)，其監(jiān)測(cè)和控制在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療、食品保鮮及制造業(yè)等領(lǐng)域扮演著重要的角色。為了滿足智能化社會(huì)對(duì)濕度傳感器日益增長(zhǎng)的高需求，亟待研制出靈敏度高、穩(wěn)定性和重復(fù)性好、響應(yīng)-恢復(fù)速率快及成本低的高性能濕度傳感器。濕敏材料是影響濕度傳感器性能的關(guān)鍵因素，現(xiàn)已經(jīng)開發(fā)出電解質(zhì)、有機(jī)聚合物及金屬氧化物等多種濕敏材料。其中，金屬氧化物以其強(qiáng)抗化學(xué)侵蝕性、高熱穩(wěn)定性、體積小和比表面積大等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。①絕對(duì)濕度:空氣中的水蒸汽的多少不但會(huì)影響空氣的濕度，而且使空氣出現(xiàn)潮濕或干燥現(xiàn)象。空氣的干濕程度，通常是用空氣中水蒸汽的密度來表示的。即每立方米大氣所含水汽的克數(shù)來表示，及g/m3它稱為大氣的絕對(duì)濕度。4濕度傳感器4.1濕度的特點(diǎn)②相對(duì)濕度:要想直接測(cè)量出空氣中水蒸汽的密度，方法比較復(fù)雜。而理論計(jì)算表明，在一般的氣溫條件下，空氣的水汽密度，與空氣中水汽的壓強(qiáng)數(shù)值十分接近。所以空氣的水蒸汽密度又可以規(guī)定為空氣中所含水蒸汽的壓強(qiáng)，又把它稱為天氣的絕對(duì)濕度，用符號(hào)D表示，常用的單位是mmHg。通常把大氣的絕對(duì)濕度跟當(dāng)時(shí)氣溫下飽和水汽壓的百分比稱為大氣的相對(duì)濕度用%RH表示，若大氣中所含水汽的壓強(qiáng)等于當(dāng)時(shí)氣溫下的飽和水汽壓時(shí)，這時(shí)大氣的相對(duì)濕度等于100%RH。③結(jié)露：如果絕對(duì)濕度不變，則溫度增加，RH減小；反之溫度降低，RH增加；如圖5.115的例子：30℃，RH=50%，到10℃左右結(jié)露，若升高到60℃，RH降到10%。4濕度傳感器4.1濕度的特點(diǎn)④露點(diǎn)：將溫度為T1的氣體冷卻，開始結(jié)露的溫度T2顯然，溫度T1時(shí)的水蒸汽壓=溫度T2的飽和水蒸汽壓。⑤濕度測(cè)量：全量程為0％～100％RH。但對(duì)一種具體的傳感器一般是無法覆蓋全量程的，所以濕度傳感器的標(biāo)稱量稱越大，使用的價(jià)值就越大。例如木材干燥0-40%；空調(diào)30-70%；氣象0-100%。⑥溫度系數(shù)C的計(jì)算：特征量溫度系數(shù)：感濕溫度系數(shù)：濕滯量：4濕度傳感器呼吸監(jiān)測(cè)在醫(yī)學(xué)研究案例中，有必要監(jiān)測(cè)小型實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的呼吸，以便于更好地研究生理和藥理學(xué)。嚴(yán)海龍及其合作者以超分子離子材料（SIM）為濕敏材料，制作了超靈敏的呼出式濕度傳感器，成功地監(jiān)測(cè)到麻醉后大鼠的呼吸信號(hào)。如圖5.116(a)所示，將濕度傳感器與麻醉后大鼠的口腔保持1cm的固定距離，記錄呼吸頻率。從圖中可以看到，利用基于SIM的濕度傳感器能監(jiān)測(cè)出與麻醉狀態(tài)下大鼠的呼吸模式相對(duì)應(yīng)的明顯且重復(fù)的電流信號(hào)。此外，該濕度傳感器還具有在不同生理過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸頻率的能力。如圖5.116(b)所示，根據(jù)大鼠麻醉后直至醒來的呼吸頻率監(jiān)測(cè)，觀察到麻醉劑代謝期間發(fā)生的不同生理狀態(tài)，證明了基于SIM的濕度傳感器能夠?qū)崟r(shí)地記錄麻醉劑治療引起的生理狀態(tài)變化。4濕度傳感器呼吸監(jiān)測(cè)呼吸是人類的一種正常生理活動(dòng)，它不僅能反應(yīng)人們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也是重要的健康指標(biāo)之一。很多疾病的外部癥狀都有呼吸異常的表現(xiàn)，這引導(dǎo)著濕度傳感器的應(yīng)用逐步向呼吸監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)展。Tseng及其合作者制備了基于Li-C3N4復(fù)合材料的濕度傳感器，應(yīng)用于人體呼吸監(jiān)測(cè)。該濕度傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三種不同模式（快速、正常和慢速）的呼吸頻率（圖5.117(a)），還可以用于檢測(cè)睡眠呼吸暫停癥狀（圖5.117(b)）。4濕度傳感器語音識(shí)別基于聲學(xué)傳感器的語音識(shí)別技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，然而許多人由于聲帶損傷不能說話，很難進(jìn)行口頭交流。因此，幫助不進(jìn)行口頭交流的人“說話”引起了人們的注意。通過柔性壓力傳感器可進(jìn)行語音識(shí)別，但是需要連接到喉部，這種接觸檢測(cè)方式會(huì)帶來身體的不適。近年來，研究人員嘗試使用濕度傳感器以非接觸方式來實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別。Solanki及其合作者提出了一種通過脫合金來生長(zhǎng)多孔金屬氧化物的新方法，開發(fā)了基于多孔SnO2的電阻式濕度傳感器。該濕度傳感器不僅具有識(shí)別單詞的功能，還可以通過單個(gè)哨子生成相同的模式來識(shí)別哨子之間的差異，這表明其具有獨(dú)特的電子監(jiān)聽能力，如圖5.118(a)所示。此外，該團(tuán)隊(duì)還研究了不同的人說出相同單詞的傳感器響應(yīng)，如圖5.118(b)所示。驗(yàn)證了該濕度傳感器具有電子監(jiān)聽的能力，未來可用作電子耳。4濕度傳感器語音識(shí)別以可調(diào)聚多巴胺-石墨烯(GNCP)為濕敏材料，制作了高靈敏度的濕度傳感器。如下圖5.119所示，基于GNCP的濕度傳感器能夠通過說話或唱歌實(shí)時(shí)測(cè)定此人講話期間的水分變化，捕捉聲調(diào)的細(xì)微特征，證明了該濕度傳感器具有記錄人類生物信息特征的卓越能力。4濕度傳感器非接觸開關(guān)人與機(jī)器之間的信息交換和命令傳輸通常是靠接觸按鈕完成，但是這種方式可能會(huì)導(dǎo)致按鈕的機(jī)械磨損或用戶之間因病毒/細(xì)菌的存在而產(chǎn)生交叉感染。尤其在新型冠狀病毒肆虐的今天，這種非接觸式濕度傳感器開關(guān)的研制顯得意義重大。研究表明，當(dāng)手指靠近濕度傳感器時(shí)，濕度傳感器的輸出信號(hào)會(huì)發(fā)生顯著變化，顯示出非接觸開關(guān)的特性。因此，利用人體皮膚表面水分與濕度傳感器之間的關(guān)系，開發(fā)非接觸開關(guān)能夠有效解決接觸控制所引起的問題。周嵐娟及其合作者以石墨碳氮化物/聚氧化乙烯（g-C3N4/PEO）雜化薄膜為濕敏材料，制作了一個(gè)4×4陣列式濕度傳感器。如圖abc所示，該濕度傳感器可識(shí)別出有特定形狀（如“4”、“T”、“U”和“L”）的濕物體接近，證明了其在非接觸傳感中的潛在應(yīng)用。陸立軍及其合作者設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有透明電極的3×3陣列式濕度傳感器，成功實(shí)現(xiàn)了其多點(diǎn)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)滑動(dòng)監(jiān)測(cè)的能力。如圖x所示，該濕度傳感器可作為非接觸開關(guān)，控制機(jī)器人小車沿手指滑動(dòng)軌跡運(yùn)輸藥丸。4濕度傳感器皮膚監(jiān)測(cè)人體皮膚的含水量是評(píng)價(jià)人體健康和皮膚狀況的重要生理參數(shù)，濕度傳感器可以通過非接觸的方式識(shí)別到水分，因此濕度傳感器開始向皮膚濕度檢測(cè)方向發(fā)展。Kano及其合作者制備了基于硅納米晶膜的濕度傳感器，將其放置在塑料箱中，交替用手和帶橡膠手套的手蓋住箱子，測(cè)試箱內(nèi)濕度的變化（圖5.121）。該濕度傳感器僅在徒手蓋住外殼時(shí)才做出響應(yīng)，證實(shí)了其具有監(jiān)測(cè)皮膚水分蒸發(fā)的能力。使用石墨烯/聚合物異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料開發(fā)了可監(jiān)測(cè)皮膚的濕度傳感器（圖5.122）。該濕度傳感器以非接觸的方式監(jiān)測(cè)皮膚狀況，比接觸式皮膚電阻測(cè)試的結(jié)果更快更好。該濕度傳感器還可以直接檢測(cè)額頭上微弱而動(dòng)態(tài)的皮膚汗腺活動(dòng)，識(shí)別出因說謊或壓力過大導(dǎo)致的緊張狀態(tài)。4濕度傳感器濕度傳感器的分類濕度傳感器的工作原理主要基于材料吸濕性的變化。常見的濕度傳感器原理有電阻式、電容式和納米級(jí)傳感器原理。①電阻式濕度傳感器使用一種濕度敏感材料，常見的是聚合物或陶瓷材料。這種材料能夠根據(jù)濕度的變化而產(chǎn)生電阻的變化。當(dāng)濕度升高時(shí)，材料吸濕膨脹，電阻值變??；而當(dāng)濕度下降時(shí)，材料排濕收縮，電阻值變大。通過測(cè)量電阻值的變化，就能夠得到空氣中的濕度信息。②電容式濕度傳感器的工作原理是利用一種含水介質(zhì)（如聚合物或陶瓷）的電容器。電容器的電容值與介質(zhì)的濕度成正比，而與介質(zhì)的溫度無關(guān)。通過測(cè)量電容的變化，就能夠得到空氣中的濕度信息。4濕度傳感器濕度傳感器的分類③納米級(jí)濕度傳感器是利用納米材料的吸濕性能來測(cè)量濕度。納米材料具有較大的表面積，能夠吸附水分，并造成電阻、電容或電感的變化。納米級(jí)濕度傳感器的靈敏度較高，可以精確地測(cè)量微小的濕度變化。4濕度傳感器濕度傳感器傳感器的工作原理濕度傳感器的工作方式主要分為兩種：電阻式和電容式。①電阻式濕度傳感器的工作原理。電阻式濕度傳感器通常由濕度感測(cè)元件和測(cè)量電路組成。感測(cè)元件通過吸濕材料的形變與電阻值的變化來測(cè)量濕度。測(cè)量電路將濕度感測(cè)元件的電阻值轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)，并輸出給顯示器或控制系統(tǒng)。電阻式濕度傳感器具有響應(yīng)速度較快、適應(yīng)溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。分壓:放大：②電容式濕度傳感器的工作原理。電容式濕度傳感器通過測(cè)量感測(cè)元件中的濕度變化來測(cè)量濕度。感測(cè)元件通常由一層導(dǎo)電材料和一層吸濕介質(zhì)構(gòu)成，兩層之間形成了一個(gè)電容器。當(dāng)濕度變化時(shí)，吸濕介質(zhì)的電容值會(huì)發(fā)生變化，通過測(cè)量電容值的變化就能夠得到濕度信息。4濕度傳感器濕度傳感器傳感器的工作原理電容式濕度傳感器具有響應(yīng)速度較快、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為：??=??/??(5.95)式中：ε為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，ε=ε0εr,其中ε0為真空介電常數(shù),εr為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；S為兩平行板所覆蓋的面積；d為兩平行板之間的距離。因此電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。改變電容C的方法有三種，其一為改變介質(zhì)的介電常數(shù)ε；其二為改變形成電容的有效面積；其三為改變兩個(gè)極板間的距離,而得到電參數(shù)的輸出為電容值的增量ΔC，這就成了電容式傳感器。4濕度傳感器濕度傳感器傳感器的工作原理③總結(jié)：濕度傳感器是一種重要的儀器設(shè)備，通過測(cè)量空氣中的濕度水分含量，幫助人們了解并控制環(huán)境濕度，使其適應(yīng)不同的需求。傳感器的工作原理主要基于材料吸濕性的變化，包括電阻式、電容式和納米級(jí)傳感器原理。電阻式傳感器通過測(cè)量電阻值的變化來測(cè)量濕度，而電容式傳感器則通過測(cè)量電容值的變化來測(cè)量濕度。不同類型的傳感器具有各自的特點(diǎn)和適用范圍，可以選擇適合自己需求的傳感器進(jìn)行使用。4濕度傳感器4.4濕度傳感器中濕敏元件的結(jié)構(gòu)及案例分析濕度傳感器，基本形式都為利用濕敏材料對(duì)水分子的吸附能力或?qū)λ肿赢a(chǎn)生物理效應(yīng)的方法測(cè)量濕度。現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)要求高精度、高可靠和連續(xù)地測(cè)量濕度，因而陸續(xù)出現(xiàn)了種類繁多的濕敏元件。濕敏元件主要分為二大類：水分子親和力型濕敏元件和非水分子親和力型濕敏元件。利用水分子有較大的偶極矩，易于附著并滲透入固體表面的特性制成的濕敏元件稱為水分子親和力型濕敏元件。例如，利用水分子附著或浸入某些物質(zhì)后，其電氣性能（電阻值、介電常數(shù)等）發(fā)生變化的特性可制成電阻式濕敏元件、電容式濕敏元件；利用水分子附著后引起材料長(zhǎng)度變化，可制成尺寸變化式濕敏元件，如毛發(fā)濕度計(jì)。金屬氧化物是離子型結(jié)合物質(zhì)，有較強(qiáng)的吸水性能，不僅有物理吸附，而且有化學(xué)吸附，可制成金屬氧化物濕敏元件。這類元件在應(yīng)用時(shí)附著或浸入被測(cè)的水蒸氣分子，與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氫氧化物，或一經(jīng)浸入就有一部分殘留在元件上而難以全部脫出，使重復(fù)使用時(shí)元件的特性不穩(wěn)定，測(cè)量時(shí)有較大的滯后誤差和較慢的反應(yīng)速度。目前應(yīng)用較多的均屬于這類濕敏元件。另一類非親和力型濕敏元件利用其與水分子接觸產(chǎn)生的物理效應(yīng)來測(cè)量濕度。例如，利用熱力學(xué)方法測(cè)量的熱敏電阻式濕度傳感器，利用水蒸氣能吸收某波長(zhǎng)段的紅外線的特性制成的紅外線吸收式濕度傳感器等。4濕度傳感器電解質(zhì)濕敏元件利用潮解性鹽類受潮后電阻發(fā)生變化制成的濕敏元件。最常用的是電解質(zhì)氯化鋰（LiCl）。氯化鋰濕敏元件的工作原理是基于濕度變化能引起電介質(zhì)離子導(dǎo)電狀態(tài)的改變，使電阻值發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)形式有頓蒙式和含浸式。頓蒙式氯化鋰濕敏元件是在聚苯乙烯圓筒上平行地繞上鈀絲電極，然后把皂化聚乙烯醋酸酯與氯化鋰水溶液混合液均勻地涂在圓筒表面上制成，測(cè)濕范圍約為相對(duì)濕度30%。含浸式氯化鋰濕敏元件是由天然樹皮基板用氯化鋰水溶液浸泡制成的。植物的髓脈具有細(xì)密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于水分子的吸入和放出。70年代研制成功玻璃基板含浸式濕敏元件，采用兩種不同濃度的氯化鋰水溶液浸泡多孔無堿玻璃基板（孔徑平均500埃），可制成測(cè)濕范圍為相對(duì)濕度20～80%的元件。氯化鋰元件具有滯后誤差較小，不受測(cè)試環(huán)境的風(fēng)速影響，不影響和破壞被測(cè)濕度環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，但因其基本原理是利用潮解鹽的濕敏特性，經(jīng)反復(fù)吸濕、脫濕后，會(huì)引起電解質(zhì)膜變形和性能變劣，尤其遇到高濕及結(jié)露環(huán)境時(shí)，會(huì)造成電解質(zhì)潮解而流失，導(dǎo)致元件損壞。4濕度傳感器高分子材料濕敏元件利用有機(jī)高分子材料的吸濕性能與膨潤(rùn)性能制成的濕敏元件。吸濕后，介電常數(shù)發(fā)生明顯變化的高分子電介質(zhì)，可做成電容式濕敏元件。吸濕后電阻值改變的高分子材料，可做成電阻變化式濕敏元件。常用的高分子材料是醋酸纖維素、尼龍和硝酸纖維素等。高分子濕敏元件的薄膜做得極薄，一般約5000埃，使元件易于很快的吸濕與脫濕,減少了滯后誤差，響應(yīng)速度快。這種濕敏元件的缺點(diǎn)是不宜用于含有機(jī)溶媒氣體的環(huán)境，元件也不能耐80℃以上的高溫。4濕度傳感器金屬氧化物膜濕敏元件許多金屬氧化物如氧化鋁、四氧化三鐵、鉭氧化物等都有較強(qiáng)的吸脫水性能，將它們制成燒結(jié)薄膜或涂布薄膜可制作多種濕敏元件。把鋁基片置于草酸、硫酸或鉻酸電解槽中進(jìn)行陽極氧化，形成氧化鋁多孔薄膜，通過真空蒸發(fā)或?yàn)R射工藝，在薄膜上形成透氣性電極。這種多孔質(zhì)的氧化鋁濕敏元件互換性好，低濕范圍測(cè)濕的時(shí)間響應(yīng)速度較快，滯后誤差小，常用于高空氣球上測(cè)濕。四氧化三鐵膠體的優(yōu)點(diǎn)是固有電阻低，長(zhǎng)期置于大氣環(huán)境表面狀態(tài)不會(huì)變化，膠體粒子間相互吸引粘結(jié)緊密等。它是一種價(jià)廉物美，較早投入批量生產(chǎn)的濕敏元件，在濕度測(cè)量和濕度控制方面都有大量應(yīng)用。4濕度傳感器金屬氧化物陶瓷濕敏元件將極其微細(xì)的金屬氧化物顆粒在高溫1300℃下燒結(jié)，可制成多孔體的金屬氧化物陶瓷，在這種多孔體表面加上電極，引出接線端子就可做成陶瓷濕敏元件。濕敏元件使用時(shí)必須裸露于測(cè)試環(huán)境中，故油垢、塵土和有害于元件的物質(zhì)（氣、固體）都會(huì)使其物理吸附和化學(xué)吸附性能發(fā)生變化，引起元件特性變壞。而金屬氧化物陶瓷濕敏元件的陶瓷燒結(jié)體物理和化學(xué)狀態(tài)穩(wěn)定，可以用加熱去污方法恢復(fù)元件的濕敏特性，而且燒結(jié)體的表面結(jié)構(gòu)極大地?cái)U(kuò)展元件表面與水蒸氣的接觸面積，使水蒸氣易于吸著和脫去，還可通過控制元件的細(xì)微構(gòu)造使物理性吸附占主導(dǎo)地位，獲得最佳的濕敏特性。因此陶瓷濕敏元件的使用壽命長(zhǎng)、元件特性穩(wěn)定，是目前最有可能成為工程應(yīng)用的主要濕敏元件之一。陶瓷濕敏元件的使用溫度為0～160℃?；蛞唤?jīng)浸入就有一部分殘留在元件上而難以全部脫出，使重復(fù)使用時(shí)元件的特性不穩(wěn)定，測(cè)量時(shí)有較大的滯后誤差和較慢的反應(yīng)速度。目前應(yīng)用較多的均屬于這類濕敏元件。另一類非親和力型濕敏元件利用其與水分子接觸產(chǎn)生的物理效應(yīng)來測(cè)量濕度。例如，利用熱力學(xué)方法測(cè)量的熱敏電阻式濕度傳感器，利用水蒸氣能吸收某波長(zhǎng)段的紅外線的特性制成的紅外線吸收式濕度傳感器等。4濕度傳感器熱敏電阻式濕度傳感器利用熱敏電阻作濕敏元件。傳感器中有組成橋式電路的珠狀熱敏電阻R1和R2,電源供給的電流使R1、R2保持在200℃左右的溫度。其中R2裝在密封的金屬盒內(nèi)，內(nèi)部封裝著干燥空氣，R1置于與大氣相接觸的開孔金屬盒內(nèi)。將R1先置于干燥空氣中，調(diào)節(jié)電橋平衡，使輸出端A、B間電壓為零，當(dāng)R1接觸待測(cè)含濕空氣時(shí)，含濕空氣與干燥空氣產(chǎn)生熱傳導(dǎo)差，使R1受冷卻，電阻值增高，A、B間產(chǎn)生輸出電壓，其值與濕度變化有關(guān)。熱敏電阻式濕敏傳感器的輸出電壓與絕對(duì)濕度成比例，因而可用于測(cè)量大氣的絕對(duì)濕度。傳感器是利用濕度與大氣導(dǎo)熱率之間的關(guān)系作為測(cè)量原理的，當(dāng)大氣中混入其他特種氣體或氣壓變化時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)有程度不同的影響。此外，熱敏電阻的位置對(duì)測(cè)量也有很大影響。但這種傳感器從可靠性、穩(wěn)定性和不必特殊維護(hù)等方面來看，很有特色，現(xiàn)已用于空調(diào)機(jī)濕度控制，或制成便攜式絕對(duì)濕度表、直讀式露點(diǎn)計(jì)、相對(duì)濕度計(jì)、水分計(jì)等。4濕度傳感器紅外線吸收式濕度傳感器利用水蒸氣能吸收某波段的紅外線制成的濕度傳感器。60年代中期，美國氣象局以波長(zhǎng)為1.37微米和1.25微米的紅外光分別作敏感光束和參考光束，研制成紅外線吸收式濕度傳感器。這種傳感器采用裝有λ0濾光片和λ濾光片的旋轉(zhuǎn)濾光片，當(dāng)光源通過旋轉(zhuǎn)濾光片時(shí)，輪流地選擇波長(zhǎng)為λ0和λ的紅外光束,兩條光束通過被測(cè)濕度的樣氣抵達(dá)光敏元件,由于波長(zhǎng)為λ0的光束不被水蒸氣吸收，其光強(qiáng)仍為I0，波長(zhǎng)為λ的光束被水蒸氣部分吸收，光強(qiáng)衰減為I。采用朗伯－貝爾法測(cè)量：式中I0為光源光強(qiáng)度，I為光敏元件處的光強(qiáng)度，ε為吸收系數(shù),c為待測(cè)含水蒸氣的濃度,l為光路長(zhǎng)度。根據(jù)光強(qiáng)度的變化，將光敏元件上的信號(hào)處理后可獲得正比于水蒸氣濃度c的電信號(hào)。紅外線吸收式濕度傳感器屬非水分子親和力型濕敏元件，測(cè)量精度和靈敏度較高，能夠測(cè)量高溫或密封場(chǎng)所的氣體濕度，也能解決其他濕度傳感器不能解決的大風(fēng)速或通風(fēng)孔道環(huán)境中的濕度測(cè)量問題。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光路系統(tǒng)存在溫度漂移現(xiàn)象。4濕度傳感器微波式濕度傳感器利用微波電介質(zhì)共振系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)隨濕度變化的機(jī)理制成的傳感器。微波共振器采用氧化鎂-氧化鈣-二氧化鈦陶瓷體，共振器與耦合環(huán)構(gòu)成共振系統(tǒng)，含水蒸氣的氣體進(jìn)入傳感器腔體后改變?cè)舱裣到y(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，其微波損失量與濕度成線性關(guān)系。這種傳感器的測(cè)濕范圍為相對(duì)濕度40～95%，在溫度0～50℃時(shí)，精度可達(dá)±2%。微波式濕度傳感器具有非水分子親和力型濕敏元件的優(yōu)點(diǎn)，又由于采用陶瓷材料作共振系統(tǒng)，故可加熱清洗，且堅(jiān)固耐用。缺點(diǎn)是對(duì)微波電路穩(wěn)定性要求甚高。4濕度傳感器超聲波式濕度傳感器超聲波在空氣中的傳播速度與溫度、濕度有關(guān)，利用這一特性可制成超聲波式濕度傳感器。傳感器由超聲波氣溫計(jì)和鉑絲電阻測(cè)溫計(jì)組成，前者的測(cè)量數(shù)據(jù)與濕度有關(guān)，后者的測(cè)量數(shù)據(jù)只與溫度有關(guān)，按照超聲波在干燥空氣和含濕空氣中的傳播速度可計(jì)算出空氣的絕對(duì)濕度。超聲波濕度傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，它的測(cè)濕數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，響應(yīng)速度快，可以測(cè)出某一極小范圍的絕對(duì)濕度而不受輻射熱的影響。這種傳感器尚處于研制階段。4濕度傳感器4.5濕度傳感器的選型國內(nèi)外各廠家的濕度傳感器產(chǎn)品水平不一，質(zhì)量?jī)r(jià)格都相差較大，用戶如何選擇性能價(jià)格比最優(yōu)的理想產(chǎn)品確有一定難度，需要在這方面作深入的了解。濕度傳感器具有如下特點(diǎn)：精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。濕度傳感器的精度應(yīng)達(dá)到±2%~±5%RH，達(dá)不到這個(gè)水平很難作為計(jì)量器具使用，濕度傳感器要達(dá)到±2%~±3%RH的精度是比較困難的，通常產(chǎn)品資料中給出的特性是在常溫（20℃±10℃）和潔凈的氣體中測(cè)量的。在實(shí)際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，使用時(shí)間一長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生老化，精度下降，濕度傳感器的精度水平要結(jié)合其長(zhǎng)期穩(wěn)定性去判斷，一般說來，長(zhǎng)期穩(wěn)定性和使用壽命是影響濕度傳感器質(zhì)量的頭等問題，年漂移量控制在1%RH水平的產(chǎn)品很少，一般都在±2%左右，甚至更高。4濕度傳感器4.5濕度傳感器的選型濕度傳感器的溫度系數(shù)。濕敏元件除對(duì)環(huán)境濕度敏感外，對(duì)溫度亦十分敏感，其溫度系數(shù)一般在0.2~0.8%RH/℃范圍內(nèi)，而且有的濕敏元件在不同的相對(duì)濕度下，其溫度系數(shù)又有差別。溫漂非線性，這需要在電路上加溫度補(bǔ)償式。采用單片機(jī)軟件補(bǔ)償，或無溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葌鞲衅魇潜ＷC不了全溫范圍的精度的，濕度傳感器溫漂曲線的線性化直接影響到補(bǔ)償?shù)男Ч?，非線性的溫漂往往補(bǔ)償不出較好的效果，只有采用硬件溫度跟隨性補(bǔ)償才會(huì)獲得真實(shí)的補(bǔ)償效果。濕度傳感器工作的溫度范圍也是重要參數(shù)。多數(shù)濕敏元件難以在40℃以上正常工作。濕度傳感器的供電。金屬氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化鋰等濕敏材料施加直流電壓時(shí)，會(huì)導(dǎo)致性能變化，甚至失效，所以這類濕度傳感器不能用直流電壓或有直流成份的交流電壓。必須是交流電供電。4濕度傳感器4.5濕度傳感器的選型互換性。目前，濕度傳感器普遍存在著互換性差的現(xiàn)象，同一型號(hào)的傳感器不能互換，嚴(yán)重影響了使用效果，給維修、調(diào)試增加了困難，有些廠家在這方面作出了種種努力，取得了較好效果。濕度校正。校正濕度要比校正溫度困難得多。溫度標(biāo)定往往用一根標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)即可，而濕度的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)較難實(shí)現(xiàn)，干濕球溫度計(jì)和一些常見的指針式濕度計(jì)是不能用來作標(biāo)定的，精度無法保證，因其要求環(huán)境條件非常嚴(yán)格，一般情況，（最好在濕度環(huán)境適合的條件下）在缺乏完善的檢定設(shè)備時(shí)，通常用簡(jiǎn)單的飽和鹽溶液檢定法，并測(cè)量其溫度。4濕度傳感器產(chǎn)品名稱:濕度傳感器（電容型）產(chǎn)品型號(hào):VHM10簡(jiǎn)單介紹：V-HM10V系列濕度模塊，電壓（0.8～3.9VDC）輸出線性主要參數(shù)：（Ta=25C，Vs=5VDC）；濕度測(cè)量范圍5～99%RH；精度(40to60%RH)±3%RH；溫度系數(shù)(10~50C)0.2%RH/C；供電電壓5VDC；產(chǎn)品廠商:深圳市矢量科技有限公司4濕度傳感器產(chǎn)品名稱:濕度傳感器（電容型）恢復(fù)時(shí)間（在>90%RH環(huán)境中存放150小時(shí)后）10s；儲(chǔ)存溫度范圍-30～70C；輸出（0--100%RH線性對(duì)應(yīng)0.8V--3.9V）；響應(yīng)時(shí)間(33to76%RH,慢流動(dòng)的空氣中)30s；長(zhǎng)期穩(wěn)定性<1%RH/年；消耗電流1.1mA(5VDC)；工作溫度范圍-10～60C；4濕度傳感器產(chǎn)品名稱:濕度傳感器（電阻型）產(chǎn)品型號(hào):CHR-01產(chǎn)品廠商:廣州西博臣科技有限公司簡(jiǎn)單介紹：采用功能高分子膜涂敷在帶有導(dǎo)電電極陶瓷襯底上,形成阻抗相對(duì)濕度變化成對(duì)數(shù)變化的敏感部件,導(dǎo)電機(jī)理為水分子的存影響高分子膜內(nèi)部導(dǎo)電離子的遷移率。特征參數(shù)：工作溫度范圍0℃～＋85℃；檢測(cè)范圍20～95%RH；檢測(cè)精度±5%RH；工作電壓AC1V（50～2KHz）；特征阻抗范圍30(21～45)KΩ(60%RH,25℃)；5微流控分析芯片微流控分析芯片，又稱為微流控芯片或微全分析系統(tǒng)（MicroTotalAnalysisSystem，μTAS），是一種將化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室的功能集成到幾平方厘米大小的芯片上的技術(shù)。微流控分析芯片利用微加工技術(shù)，在玻璃、硅或塑料等材料上制作微米級(jí)通道，以實(shí)現(xiàn)液體的流動(dòng)、混合、反應(yīng)和檢測(cè)等功能。這種技術(shù)具有體積小、速度快、樣品和試劑消耗少、易于自動(dòng)化和集成化等優(yōu)點(diǎn)，在生物信息采集、藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測(cè)和臨床診斷等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。微流控分析芯片的基本組成包括微通道、微泵、微閥、混合器、反應(yīng)室、檢測(cè)器和控制系統(tǒng)等。微通道用于傳輸液體，微泵和微閥用于控制液體的流動(dòng)，混合器用于實(shí)現(xiàn)不同液體的混合，反應(yīng)室用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，檢測(cè)器用于檢測(cè)反應(yīng)結(jié)果，控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)芯片的操作和控制。5微流控分析芯片微流控分析芯片的工作原理基于流體力學(xué)和化學(xué)分析原理。在微流控芯片中，液體通過微通道流動(dòng)，通道尺寸一般在幾十到幾百微米之間。這種小尺寸導(dǎo)致流體速度增加，從而使液體中的成分能夠迅速混合。由于微通道的高表面積與體積比，混合效率大大提高。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)中，可能需要數(shù)分鐘甚至數(shù)小時(shí)才能達(dá)到的混合效果，在微流控芯片上只需幾秒鐘。微通道的高表面積與體積比不僅有利于混合，也有利于傳質(zhì)和傳熱。當(dāng)反應(yīng)需要催化劑或需要溫度控制時(shí)，這種高效的傳質(zhì)和傳熱能力尤為重要。例如，在酶促反應(yīng)中，微流控芯片可以快速地將底物和酶混合，同時(shí)保持反應(yīng)溫度的穩(wěn)定，從而提高反應(yīng)速率和效率。由于微流控芯片的快速混合和高效的傳質(zhì)傳熱，反應(yīng)物之間的相互作用可以迅速發(fā)生，從而提高反應(yīng)速率。此外，由于反應(yīng)發(fā)生在接近芯片表面的微通道中，檢測(cè)器可以更接近反應(yīng)區(qū)域，從而提高檢測(cè)靈敏度。在某些情況下，微流控芯片可以集成多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多步反應(yīng)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步提高了檢測(cè)的靈敏度和精確性。5微流控分析芯片5.1生化反應(yīng)芯片生物化學(xué)，作為研究生物體內(nèi)部化學(xué)過程的學(xué)科，主要包括三大領(lǐng)域：新陳代謝、蛋白質(zhì)科學(xué)和分子遺傳學(xué)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，微流控芯片技術(shù)逐漸成為生物化學(xué)領(lǐng)域的重要研究工具。這種技術(shù)將生物、化學(xué)分析過程集成到一塊小小的芯片上，因其操作簡(jiǎn)單、分析速度快、樣品用量少、靈敏度高以及成本低廉等特點(diǎn)，受到了科研工作者的廣泛關(guān)注。微流控芯片技術(shù)在生化反應(yīng)和分析方面的應(yīng)用非常廣泛。一些典型的生化反應(yīng)，如濃度定量、分離、純化、酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、毒理學(xué)和藥物篩選等，都可以在微流控芯片上高效、快速地進(jìn)行。此外，微流控芯片還可以用于研究生物分子之間的相互作用，為生物科學(xué)研究提供了一種全新的視角。無細(xì)胞體系，是一種不依賴于活細(xì)胞，但包含所有功能酶、DNA模板以及可以進(jìn)行基因表達(dá)的核糖體等物質(zhì)的細(xì)菌裂解物。這種體系為研究者提供了一種驗(yàn)證合成生物電路的理想平臺(tái)。在無細(xì)胞體系中，研究者可以自由地操控各種生物分子，從而深入研究生物電路的工作原理和調(diào)控機(jī)制。5微流控分析芯片5.1生化反應(yīng)芯片微流控芯片技術(shù)為生物化學(xué)領(lǐng)域提供了一種高效、快速、低成本的實(shí)驗(yàn)手段，使得許多復(fù)雜的生化反應(yīng)和分析過程變得簡(jiǎn)單易行。無細(xì)胞體系的引入，更是為合成生物學(xué)的研究提供了強(qiáng)大的工具。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們有理由相信，微流控芯片技術(shù)和無細(xì)胞體系將在生物化學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。5微流控分析芯片聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)是一種用于放大擴(kuò)增特定的DNA片段的分子生物學(xué)技術(shù)。基于經(jīng)典PCR的實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)是應(yīng)用得最廣泛的快速有效檢測(cè)方法，但其仍然存在反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)體積大、能量消耗多、易產(chǎn)生副產(chǎn)物和不便于集成與攜帶等問題。因此，科學(xué)家們逐漸將對(duì)該檢測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新轉(zhuǎn)向微流控技術(shù)。與傳統(tǒng)的PCR相比，微流控PCR芯片反應(yīng)所需的樣品和試劑量少可大大降低成本，而且微流控芯片傳熱速率快、內(nèi)部溫度均勻、反應(yīng)過程易于控制，不僅能顯著縮短檢測(cè)時(shí)間，還能提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度和靈敏度，因此樣品消耗少、污染少、效率高，有望提供綠色分析技術(shù)。目前，微流控PCR芯片在病毒檢測(cè)、傳染性疾病、食品和水質(zhì)檢測(cè)、致病菌鑒定及微生物重要基因檢測(cè)、農(nóng)作物病菌、畜禽病毒的檢測(cè)及農(nóng)作物基因研究方面都有廣泛應(yīng)用。PCR的過程包括3個(gè)步驟--變性、退火、延伸，需要在高低3個(gè)不同溫度區(qū)間下進(jìn)行。5微流控分析芯片聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)根據(jù)芯片的結(jié)構(gòu)差異，可以將PCR芯片分為靜止式PCR、連續(xù)流動(dòng)式PCR。靜止式(或稱微池式)PCR的特點(diǎn)在于，反應(yīng)體系不流動(dòng)，通過芯片整體升溫、降溫的循環(huán)來實(shí)現(xiàn)反應(yīng);連續(xù)流動(dòng)式PCR則由反應(yīng)液體循環(huán)流過不同溫度區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)增。微池式PCR的優(yōu)勢(shì)在于小型化，更有利于實(shí)現(xiàn)小型化。微池式PCR的關(guān)鍵在于微通道(或微池內(nèi))擴(kuò)增體系溫度升高(或降低)的快速、準(zhǔn)確切換，需要優(yōu)化儀器的溫度控制，進(jìn)而縮短循環(huán)時(shí)間，如采用近紅外激光加熱器以及新型的環(huán)境控制裝置和策略，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫。連續(xù)流動(dòng)式PCR芯片的優(yōu)點(diǎn)是溫度控制簡(jiǎn)單，但其尺寸較大，不利于集成，受到微流控結(jié)構(gòu)的限制。其中，蛇形式、輻射式和螺旋式的反應(yīng)循環(huán)的次數(shù)受芯片通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，而振蕩式和閉環(huán)式可以隨意調(diào)整。1999年，有研究者提出了數(shù)字PCR(dPCR)的概念，5微流控分析芯片聚合酶鏈?zhǔn)椒?/p>