應(yīng)用電化學(xué)9_電化學(xué)傳感器

1、應(yīng)用電化學(xué)應(yīng)用電化學(xué) Applied electrochemistry概述概述1控制電位電解型氣體傳感器控制電位電解型氣體傳感器2生物電化學(xué)傳感器生物電化學(xué)傳感器3主要內(nèi)容主要內(nèi)容基本概念基本概念人體與機(jī)器的對應(yīng)外界刺激人體人的感官人腦機(jī)體機(jī)器傳感器計(jì)算機(jī)執(zhí)行器傳感器：信息采集和處理鏈中的一個(gè)邏輯元件傳感器：信息采集和處理鏈中的一個(gè)邏輯元件化學(xué)傳感器：可用以提供被檢測體系化學(xué)傳感器：可用以提供被檢測體系(液相或氣相液相或氣相)中化學(xué)組分實(shí)時(shí)信息的那一類器件中化學(xué)組分實(shí)時(shí)信息的那一類器件物理傳感器：利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等將物理現(xiàn)物理傳感器：利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等將物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為各種信息的器件

2、象轉(zhuǎn)化為各種信息的器件9.1.1 化學(xué)傳感器分類化學(xué)傳感器分類按檢測物質(zhì)種類分：按檢測物質(zhì)種類分：化學(xué)傳感器離子傳感器液膜型選擇性FET固體膜型氣體傳感器生物傳感器半導(dǎo)體接觸燃燒性固體電解質(zhì)電解型微生物酶傳感器免疫傳感器依據(jù)原理分：依據(jù)原理分：化學(xué)傳感器熱學(xué)式光學(xué)式電化學(xué)式質(zhì)量式電導(dǎo)型電流型電位型9.1.2 電位型傳感器電位型傳感器(potentiometric sensors)定義：將溶解于電解質(zhì)溶液中的離子作用于離子電極而產(chǎn)生的電動(dòng)勢作為傳感器的輸出而實(shí)現(xiàn)離子的檢測，通過平衡電位來確定物質(zhì)濃度。其中研究最多的是離子傳感器，而離子傳感器中最多的是pH傳感器離子傳感器也叫做離子選擇性電極（io

3、n-selective electrode, ISE)，它響應(yīng)于特定的離子，其構(gòu)造的主要部分是離子選擇性膜。因?yàn)槟る娢浑S著被測定離子的濃度而變化，所以通過離子選擇性膜的膜電位可以測定出離子的濃度。 膜電位：內(nèi)部參比電極和外部參比電極之間的電位差。也有把外部參比電極組合成一體化的傳感器。有的傳感器還帶有溫度補(bǔ)償用的熱敏電阻。 離子傳感器主要構(gòu)造：離子傳感器主要構(gòu)造： 參比電極(SCE或Ag-AgCl)內(nèi)部基準(zhǔn)液(0.1mol/kg,強(qiáng))玻璃薄膜液膜及載體固體膜離子傳感器膜電位原理：離子傳感器膜電位原理： nMazFRTlg03.32膜膜膜電位與溶液中離子Mn+活度aMn+的關(guān)系，可用能斯特方程來

4、表示：nRazFRTlg03.32-膜膜對于陰離子Rn-有選擇性的電極,則有如下的關(guān)系:nMazFRTElg03.32-膜參離子選擇性電極與甘汞電極組成電池后，配制一系列已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，并以測得的電動(dòng)勢E值與相應(yīng)的lgaMn+值繪制校正曲線，即可按相同步驟求得未知溶液中欲測離子的濃度。 例：氟離子傳感器是以LaF3單晶片作為薄膜，內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)溶液為0.lmolkg-1 KF和0.1molkg-1 NaCl，可以寫成： 玻璃膜和氫離子濃度分別為aH+/aH+的水溶液接觸時(shí)，產(chǎn)生的膜電位為： 未知HazFRTlg03.32298K時(shí)，E/ V常數(shù)一0.05916pH 較高的Na+存在時(shí)，還必須考慮

5、Na+帶來的影響，公式變?yōu)椋?NaNaHHaKaFRTE,lg03.32未知常數(shù)式中，KH,Na叫做離子選擇常數(shù)，KH,Na愈小，對H+的選擇性越好。 除測量PH 的電極外，引進(jìn)玻璃的成分，已制成了Na+, K+, NH4+, Ag+, Tl+, Li+, Rb+, Cs+ 等一列一價(jià)陽離子的選擇性電極。此外還種膜電極出現(xiàn)，例如用Ag2S壓片可制成S2-離子選擇性電極，已制成了F+, Cl-, Br-, I-, CN-, NO3-等陰離子選擇電極。 化學(xué)修飾電極電位傳感器 A. pH電位傳感器a. 聚(1, 2-二氨基苯)修飾電極pH = 410之間幾乎呈能斯特響應(yīng)，斜率為53mV /pH，線

6、性相關(guān)系數(shù)為0.991。由于電極表面聚合物中胺鏈的質(zhì)子化所引起 b. 苯酚、苯胺及其衍生物電化學(xué)聚合修飾電極c. 4, 4-二氨基聯(lián)苯、8-羥基喹啉及一些含羥基、氮原子的芳香化合物修飾電極 摻雜有Cl- , Br-,ClO4- , NO3-等陰離子的導(dǎo)電高分子 聚吡咯（PPy）修飾電極對所摻雜離子 B. 陰離子和鉀離子電位傳感器 例：對于Cl-摻雜的PPy薄膜電極，浸人含有Cl-的溶液中活化一段時(shí)間，對Cl-顯示了穩(wěn)定的電位響應(yīng)。在10-4 0.1 molkg-1濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)能斯特響應(yīng)，斜率為-5860mV/pCl，檢測下限為3.510-5 molkg-1 C.采用共價(jià)鍵合的二茂鐵修飾電極能

7、用作L-抗壞血酸的電位傳感器電位響應(yīng)與pH =2.2氨基乙酸緩沖溶液中的L-抗壞血酸濃度在10-310-6 mol kg-1之間呈線性關(guān)系，電極電勢響應(yīng)斜率為51.5mV，線性相關(guān)系數(shù)為0.9997 概述概述1控制電位電解型氣體傳感器控制電位電解型氣體傳感器2生物電化學(xué)傳感器生物電化學(xué)傳感器39.2.1 控制電位電解型氣體傳感器的發(fā)展控制電位電解型氣體傳感器的發(fā)展 目前檢測氣體的主要方法： (1)熱導(dǎo)分析（常用于氣相色譜分析）；(2)磁式氧分析； (3)電子捕獲分析；(4)紫外吸收分析法； (5)光纖傳感器；(6)半導(dǎo)體器； (7)化學(xué)發(fā)光式氣體分析儀；(8)電化學(xué)式傳感器； (9)化學(xué)分析法

8、。 不同傳感器比較比較：a.化學(xué)發(fā)光式氣體分析儀：優(yōu)點(diǎn)檢測靈敏度高、準(zhǔn)確性能強(qiáng)等，缺點(diǎn)儀器體積大，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測，價(jià)格昂貴b. 半導(dǎo)體氣敏傳感器：靈敏度較低，重現(xiàn)性較差，只能用作一般報(bào)警器。c. 電化學(xué)式傳感器：靈敏度高，準(zhǔn)確性好，體積小，操作簡單，攜帶方便，可用于現(xiàn)場監(jiān)測且價(jià)格低廉控制電位電解型(即電流型)氣體傳感器特點(diǎn)：a. 體積小，測量精度高，適用于現(xiàn)場直接監(jiān)測b. 可檢測的氣體種類多：達(dá)數(shù)百種c. 可檢測的氣體濃度范圍寬：由10-9至百分濃度級可以檢測的氣體有：O2, CO, H2S, Cl2, HCN, PH3, NO, NO2，酒精、肼、偏二甲肼等十幾種氣體電流型電化學(xué)氣體傳感器種類

9、：應(yīng)用：安全檢測，環(huán)境監(jiān)測，以及其他特殊用途。如利用NO氣體傳感器測水泥窯溫度，用O2和CO氣體傳感器監(jiān)測鍋爐燃燒效率。 酒精傳感器：據(jù)呼吸中所含酒精氣體的分壓與傳感器的極限擴(kuò)散電流成線性關(guān)系的原理而研制的。CO報(bào)警器：煤礦工業(yè)中，為保護(hù)礦工的健康和生命安全，檢測濃度范圍在0250uLL-1O2和CO2氣體傳感器：檢測血液中O和O2氣體的分壓及血液的酸性環(huán)境狀況。也能用于非氣體物質(zhì)蛋白質(zhì)、鐵含量和NO3-濃度等的檢測。D-葡萄糖氧化酶傳感器：固定在氧電極表面，由于酶的氧化導(dǎo)致工作電極缺氧，通過這種方法，可以對體內(nèi)、體外的D-葡萄糖、乳酸鹽、葉黃素、維生素C、微生物群、多巴胺和水楊酸鹽(酯)進(jìn)行

10、監(jiān)測。氣體傳感器研究方向大多集中在： (1)擴(kuò)大傳感器的檢測范圍 (2)延長傳感器的使用壽命及實(shí)現(xiàn)其小型化 (3)新技術(shù)在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用 9.2.2 Clark 電極電極 Clark 電極：最早用于氧檢測的電流型氣體傳感受器，在許多場合下對氧氣的檢測。Clark 電極是一種封閉式氧電極，它是用一疏水透氣膜將電解池體系與待測體系分開，以防止電極被待測溶液中某些組分污染而中毒Clark的基本原理氧氣進(jìn)入膜后在電極表面迅速成還原。因此，在鉑電極附近氧氣壓為零，這時(shí)外電路檢測的氧氣還原電流正比于氣相中氧氣的分壓，從電流的值可以測定氧氣的濃度。 Clark 電極的膜結(jié)構(gòu)：一是透氣膜，它將電極、電解

11、液與待測溶液分開；二是液膜，在透氣膜與電極之間保持有一很薄的、由電解液形成的液膜，大約515m。透氣膜一般選用聚四氟乙烯，其中用得最多的是1020m厚的聚四氟乙烯膜。 9.2.3. 控制電位電解型氣體傳感器的結(jié)構(gòu)原理控制電位電解型氣體傳感器的結(jié)構(gòu)原理 A. 電流型氣體傳感器的共同特性：(1)都有供氣體進(jìn)人的氣室或薄膜(2)一般有三個(gè)電極(3)有離子導(dǎo)電性的電解質(zhì)溶液控制電位電解型氣體傳感器的結(jié)構(gòu)原理曝光罩隔離器工作電極參比電極對電極電解液通道電解質(zhì)室底蓋排氣孔接線柱幾何結(jié)構(gòu)示意圖電解液氣室多孔電極多孔膜過濾器H+H+H+H+H+H+CO(g)(1)(2)WE(3)CO(aq)(4)(5)(6)

12、(7)CO2(aq)(8)CO2(g)(9)樣品出口控制電位電解型氣體傳感器的工作過程(1)被測氣體進(jìn)入傳感器氣室(2)反應(yīng)物從氣室到達(dá)工作電極前面的多孔膜，并向電極-電解液界面擴(kuò)散(3)電活性物質(zhì)在電解液中溶解(4)電活性物質(zhì)在電極表面吸附(5)擴(kuò)散控制下的電化學(xué)反應(yīng)(6)產(chǎn)物脫附(7)產(chǎn)物離開電極表面的擴(kuò)散(8)產(chǎn)物的排除影響參數(shù)包括：進(jìn)樣速度，工作電極成分，電解液的類型與用量，膜的孔積率和滲透力，工作電極的電位 9.2.4. 電流型氣體傳感器的幾個(gè)性能指標(biāo) 1、靈敏度 靈敏度是電化學(xué)傳感器的一個(gè)重要的特性指標(biāo)，一些特殊行業(yè)如室內(nèi)空氣監(jiān)測，海關(guān)檢查走私、違禁物品（藥品，炸彈或其他易燃易爆品

13、）時(shí)，要求能檢測10-9,10-12數(shù)量級甚至更低檢測下限的物質(zhì)濃度。電化學(xué)傳感器靈敏度的影響因素：(1)待測物在檢測系統(tǒng)中的傳質(zhì)速度；(2)電極材料的電化學(xué)活性（包括電極材料、電極的物理形狀和工作時(shí)的電極電勢）；(3)反應(yīng)過程中每摩爾物質(zhì)傳遞的電流；(4)待測物在電解液中的溶解性和流動(dòng)性；(5)傳感器的幾何形狀和樣品進(jìn)人的方法；(6)工作電極產(chǎn)生的噪聲信號大小。 2、選擇性 傳感器工作時(shí)的電極電勢和電催化劑的選擇直接影響傳感器的選擇性。 如：熱力學(xué)角度：NO和N2共存條件下檢測N2氣體，可以選擇N2的熱力學(xué)電勢為工作電勢，使得在該電勢下N2氣體發(fā)生反應(yīng)而NO氣體不反應(yīng)。動(dòng)力學(xué)角度：以NO氣體

14、傳感器為例，NO在Au，Pt電極上反應(yīng)都很快，但由于CO在Au電極上的反應(yīng)速度比其在Pt電極上要慢103106倍，所以，在NO和CO氣體共存的環(huán)境中用Au電極檢測NO氣體就可以獲得很好的選擇性。 3、響應(yīng)時(shí)間 在安全測試過程中，要求傳感器能對環(huán)境成分（尤其是有毒氣體）作出快速響應(yīng)，以確保生命和財(cái)產(chǎn)安全。 定電位電解型氣體傳感器的響應(yīng)時(shí)間在很大程度上取決于：A、工作電極與參比電極間的電阻，即溶液電阻。B、氣室的體積和電極反應(yīng)速率常數(shù)。C、膜的厚度（即縮短氣體擴(kuò)散路徑）也是縮短響應(yīng)時(shí)間的一個(gè)方法。 4、底電流和噪聲 噪聲與底電流的存在都對傳感器的靈敏度產(chǎn)生不利影響。如果能最大程度地降低底電流和噪聲

15、，傳感器的靈敏度將顯著提高。 產(chǎn)生底電流和噪聲的原因：(1)電解液或電極上的雜質(zhì)，如微量溶解氧或金屬；(2)電極的腐蝕。即在陽極電勢范圍內(nèi)，貴金屬電極催化劑表面緩慢生成氧化層；(3)反應(yīng)物或?qū)﹄姌O上的反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散。 處理方案：在實(shí)際工作中，測出穩(wěn)定的底電流和噪聲后，可以用計(jì)算機(jī)軟件對實(shí)測信號進(jìn)行扣除5、其他性能 現(xiàn)階段電流型氣體傳感器的工作溫度區(qū)間可在-20 +400C，在任何空氣濕度范圍內(nèi)均可工作（5%-95時(shí)最好），檢測的準(zhǔn)確度在12%，使用壽命1-2年左右。具體的數(shù)值與實(shí)際需要的具體傳感器相聯(lián)系。 概述概述1控制電位電解型氣體傳感器控制電位電解型氣體傳感器2生物電化學(xué)傳感器生物電化學(xué)傳

16、感器3生物傳感器(Biosensor)是指用固定化的生物體成分或生物體本身作為敏感元件的傳感器，是一種將生物化學(xué)反應(yīng)能轉(zhuǎn)換成電信號的分析測試裝置。一、什么是生物傳感器？一、什么是生物傳感器？電化學(xué)生物傳感器的基本組成電化學(xué)生物傳感器的基本組成敏感元件（分子識別元件）和信號轉(zhuǎn)換器件 離子選擇電極 電位型電極 氧化還原電極電化學(xué)電極 電流型電極 氧電極二、電化學(xué)生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器二、電化學(xué)生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器 離子選擇電極 離子選擇電極是一類對特定的陽離子或陰離子呈選擇性響應(yīng)的電極，具有快速、靈敏、可靠、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常直接用它測定體液中的一些成分（例如H+，K+，Na+，Ca2

17、+等）。 氧化還原電極氧化還原電極是不同于離子選擇電極的另一類電位型電極。這里指的主要是零類電極。1、電位型電極、電位型電極2、電流型電極、電流型電極 電化學(xué)生物傳感器中采用電流型電極為信號轉(zhuǎn)換器的趨勢日益增加，這是因?yàn)檫@類電極和電位型電極相比有以下優(yōu)點(diǎn)： 電極的輸出直接和被測物濃度呈線性關(guān)系，不像電位型電極那樣和被測物濃度的對數(shù)呈線性關(guān)系。 電極輸出值的讀數(shù)誤差所對應(yīng)的待測物濃度的相對誤差比電位型電極的小。 電極的靈敏度比電位型電極的高。氧電極氧電極 有不少酶特別是各種氧化酶和加氧酶在催化底物反應(yīng)時(shí)要用溶解氧為輔助試劑，反應(yīng)中所消耗的氧量就用氧電極來測定。此外，在微生物電極、免疫電極等生物傳

18、感器中也常用氧電極作為信號轉(zhuǎn)換器，因此氧電極在生物傳感器中用得很廣。 目前用得最多的氧電極是電解式的Clark氧電極，Clark氧電極是由鉑陰極、Ag/AgCl陽極、KCl電解質(zhì)和透氣膜所構(gòu)成。Xiaoping Liu,Oihui Liu.Nitric Oxide.2005,13(1):6877 三、電化學(xué)生物傳感器的分類三、電化學(xué)生物傳感器的分類（根據(jù)敏感物質(zhì)分類）（根據(jù)敏感物質(zhì)分類）v酶傳感器v免疫傳感器v組織傳感器、細(xì)胞傳感器等 （一）酶傳感器（一）酶傳感器酶電極電化學(xué)電極頂端緊貼一層酶膜酶電極電化學(xué)電極頂端緊貼一層酶膜朱建中,周衍.傳感器世界.1997,4:18 1 1、酶的固定化技術(shù)

19、酶的固定化技術(shù)v惰性載體惰性載體物理吸附法物理吸附法v離子載體離子載體交換法交換法v活化載體活化載體共價(jià)結(jié)合法共價(jià)結(jié)合法v物理包埋法物理包埋法喬麗娜,周在德.化學(xué)研究與應(yīng)用.2005,17(6):299302物理吸附法物理吸附法酶分子通過極性鍵、氫鍵、疏水力或酶分子通過極性鍵、氫鍵、疏水力或電子相互作用等吸電子相互作用等吸 附于不溶性載體附于不溶性載體上。上。常用的載體有：多孔玻璃、活性炭、氧化鋁、石英砂、纖維素酯、葡聚糖、瓊常用的載體有：多孔玻璃、活性炭、氧化鋁、石英砂、纖維素酯、葡聚糖、瓊脂精、聚氯乙烯、聚苯乙烯脂精、聚氯乙烯、聚苯乙烯已用此法固定化的酶如：已用此法固定化的酶如： 脂肪酶、

20、脂肪酶、D D葡萄糖苷酶、過氧化物酶等葡萄糖苷酶、過氧化物酶等 交換法 選用具有離子交換劑的載體，在適宜的pH下，使酶分子與離子交換劑通過離子鍵結(jié)合起來，形成固定化酶。 常用的帶有離子交換劑的載體如下： DEAE一纖維素、TEAE一纖維素、 AE纖維素、CM纖維素、 DEAE一葡萄糖、肌酸激酶 共價(jià)結(jié)合法共價(jià)結(jié)合法a .a .重氮重氮 b.b.迭氮迭氮 c.c.鹵化氰鹵化氰 d.d.縮合縮合e.e.烷基化法烷基化法物理包埋法 將酶分子包埋在凝膠的細(xì)微格子里制成固定化。 常用的凝膠有：聚丙烯酸胺、淀粉、明膠、聚乙烯醇、海藻酸鈣、硅樹脂 用凝膠包埋法制備的固定化酶如：木瓜蛋白酶、纖維素酶、乳酸脫氫

21、酶2 2、酶傳感器應(yīng)用、酶傳感器應(yīng)用（1）葡萄糖傳感器v 大腸桿菌改良型葡萄糖傳感器v MWCNTs-HRP葡萄糖傳感器v 檢測血清中葡萄糖濃度大腸桿菌改良型葡萄糖傳感器大腸桿菌改良型葡萄糖傳感器v 利用大腸桿菌中的葡萄糖脫氫酶(mGDH)對氧分子的不敏感性而降低干擾。v 此傳感器把大腸桿菌細(xì)胞固定在附有苯醌的石墨電極上，中間夾有一層透析膜。v 檢測葡萄糖濃度達(dá)0.2-10 mM ，響應(yīng)時(shí)間在2min左右，此葡萄糖傳感器用EDTA處理后可再度使用。Ito Y, Yamazaki S,Biosens Bioelectron.2002 , 17(11-12):993-8MWCNTs-HRPMWCN

22、Ts-HRP葡萄糖傳感器葡萄糖傳感器v 施加電壓為-300mv時(shí)，可避免抗壞血酸、尿酸等干擾，對葡萄糖在GOD作用下生成的過氧化氫有高的靈敏度。v MWCNTs和HRP混合物固定在電極上，制成MWCNTs-HRP改進(jìn)型電極。v 檢測限達(dá)1.0 x 10(-7) mol/L,還可在線檢測葡萄糖。Yamamoto K , Shi G . Analyst . 2003 ,128(3):249-54檢測血清中葡萄糖濃度檢測血清中葡萄糖濃度v 在普通葡萄糖電極上加一層多功能膜，使測量不受血液中其它金屬離子以及抗壞血酸、尿酸等干擾物質(zhì)的影響。v 此多功能膜為磷酸膽堿，甲基丙稀酰胺和纖維素的聚合物。v 檢測

23、血清中葡萄糖濃度達(dá)5-650 mg/dl，響應(yīng)時(shí)間小于60s，有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。 Chen CY , Ishihara K.Biomed Microdevices.1998 , 1(2):155-66（2）脲電極Urea + 2H2O 2NH4+2HCO3-脲 酶產(chǎn)生的2NH4+為陽離子電極感應(yīng)。此外還有：氨基酸電極醇電極尿酸電極乳酸電極青霉素電極亞硝酸離子電極：菠菜亞硝酸還原酶產(chǎn)生NH3（二）（二）免疫傳感器免疫傳感器v 基本原理 采用抗原與抗體的特異反應(yīng)將待測物與酶連接，然后通過酶與底物產(chǎn)生顏色反應(yīng)，用于定量測定。v 在這種測定方法中有3種必要的試劑： 固相的抗原或抗體（免疫吸附劑）

24、 酶標(biāo)記的抗原或抗體（標(biāo)記物） 酶作用的底物（顯色劑）酶聯(lián)免疫吸附測定法酶聯(lián)免疫吸附測定法 測量時(shí)，抗原（抗體）先結(jié)合在固相載體上，但仍保留其免疫活性，然后加一種抗體（抗原）與酶結(jié)合成的偶聯(lián)物（標(biāo)記物），此偶聯(lián)物仍保留其原免疫活性與酶活性，當(dāng)偶聯(lián)物與固相載體上的抗原（抗體）反應(yīng)結(jié)合后，再加上酶的相應(yīng)底物，即起催化水解或氧化還原反應(yīng)而呈顏色。其所生成的顏色深淺與欲測的抗原（抗體）含量成正比。1 1、雙抗體夾心法、雙抗體夾心法此法適用于檢驗(yàn)各種蛋白質(zhì)此法適用于檢驗(yàn)各種蛋白質(zhì)等大分子抗原等大分子抗原2 2、間接法、間接法間接法是檢測抗體最常用的方法，間接法是檢測抗體最常用的方法，其原理為利用酶標(biāo)記的抗體檢測其原理為利用酶標(biāo)記的抗體檢測已與固相結(jié)合的受檢抗體，故稱已與固相結(jié)合的受檢抗體，故稱為間接法。為間接法。3 3、競爭法、競爭法競爭法可用于抗原和半抗原的定量競爭法可用于抗原和半抗原的定量測定，也可用于測定抗體。測定，也