第六章电化学传感器
电化学传感器工作原理
电化学传感器工作原理
电化学传感器是一种基于电化学原理的传感器，用于检测和测量化学物质的浓度和特性。
其工作原理基于电化学反应，在传感器的工作电极上发生的化学反应可产生电流或电势变化，根据这些变化来推断目标化学物质的浓度或特性。
电化学传感器一般由一个工作电极和一个参比电极组成。
工作电极是与目标化学物质接触的部分，其中的化学反应与目标物质有关。
参比电极是一个稳定的电极，用于提供一个已知的电势作为参考。
在工作过程中，目标化学物质进入工作电极与传感器上的活性物质发生反应。
反应产生的电流或电势变化与目标物质的浓度成正比。
这些电化学反应可以是氧化还原反应、离子迁移反应等。
电化学传感器一般通过对电流或电势的测量来确定目标化学物质的浓度。
测量电流时，传感器的工作电极与参比电极之间会建立一个电势差，电流的大小与该电势差成正比。
测量电势时，传感器会测量工作电极与参比电极之间的电势差，该电势差与目标化学物质的浓度成正比。
为了提高电化学传感器的灵敏度和选择性，可以采用不同的传感器设计和材料。
常见的电化学传感器包括氧气传感器、 pH
传感器、离子传感器等。
这些传感器在不同的应用中起着重要的作用，如环境监测、医疗诊断、工业过程控制等。
总之，电化学传感器通过测量电流或电势的变化来检测和测量目标化学物质的浓度和特性。
其工作原理基于电化学反应，在工作电极上产生的电流或电势变化与目标物质的浓度成正比。
通过采取不同的传感器设计和材料，可以提高电化学传感器的性能和应用范围。
《电化学传感器》PPT课件
❖为了缩短传感器的响应时间，一般采用多 孔的透气膜来研制气体扩散电极，此时气 体在催化剂外表液膜中的扩散将代替气体 在透气膜中的扩散而成为电极反响的控制 步骤。尽管液膜很薄，但由于气体在液相 中的扩散速度较慢，液膜便成为缩短传感 器响应时间的主要障碍。对于电流型气体 传感器这是无法抑制的缺点。目前90％该 类型传感器的响应时间在30s以内。
所以，当前传感器开发研究的重要之 一就是开发具有识别分子功能的优良 材料。
❖ 化学传感器依据其原理可分为：
(1)电化学式，(2)光学式，(3)热学式，(4) 质量式。
❖ 电化学传感器是化学传感器的一种。
电化学传感器分为电位型、电流型和 电导型三类。
§7.1 电位型传感器
❖电位型传感器通过测定电极平衡电位的值来确 定物质的浓度。
❖如将离子选择性电极与甘汞电极组成电池， 那么电池电动势为：
❖根据7-3式，只要配制一系列浓度的标准溶 液，并以测得的电动势E值与相应的浓度 〔对数〕值绘制校正曲线，即可按一样步骤 求得未知溶液中待测离子的浓度。
❖ 对于电位-PH计，只是把所有过程完成后， 直接显示酸度。
❖电流型电化学气体传感器有许多种已经商 品化，用于检测20余种气体。例如，煤矿 瓦斯、酒精、锅炉尾气〔排放是否达标、 燃烧是否充分〕等等。
2．控制电位电解型(电流型)气体传感器的工作 原理
〔1〕通过测定一定电位下的电流，间接测定 电解质溶液中待测气体的溶解浓度
〔2〕待测气体在一定条件下在这种电解质溶 液中的溶解度与其分压相关，从而得到这种 气体的浓度〔分压〕。
灵敏度是电化学传感器的一个重要的特性指 标，一些特殊行业如室内空气监测，海关 检查走私、违禁物品(药品，炸弹或其他易 燃易爆品)时，要求能检测10-9~10-12数 量级，甚至更低的物质浓度。电化学传感 器的灵敏度受许多因素的影响：
电化学传感器课件
电化学传感器课件一、教学内容本节课的教学内容选自小学科学教材中关于电化学传感器的章节。
具体内容包括：1. 电化学传感器的定义和工作原理；2. 电化学传感器的分类和应用；3. 电化学传感器在现实生活中的作用和意义。
二、教学目标1. 让学生了解电化学传感器的定义和工作原理，知道其分类和应用；2. 培养学生运用电化学传感器解决实际问题的能力；3. 培养学生对科学技术的兴趣和好奇心。
三、教学难点与重点重点：电化学传感器的定义、工作原理、分类和应用；难点：电化学传感器的工作原理和应用。
四、教具与学具准备教具：PPT、电化学传感器实物或模型；学具：笔记本、彩笔。
五、教学过程1. 实践情景引入：向学生展示一辆装有电化学传感器的汽车，让学生猜测电化学传感器的作用。
2. 知识点讲解：(1) 电化学传感器的定义：引导学生了解电化学传感器的概念，解释其是一种检测和分析化学物质的装置。
(2) 电化学传感器的工作原理：以氧传感器为例，讲解其工作原理，引导学生理解电化学传感器是通过电化学反应来检测化学物质的。
(3) 电化学传感器的分类：根据传感器所检测的化学物质的不同，将其分为氧化还原传感器、离子传感器、气体传感器等。
(4) 电化学传感器的应用：讲解电化学传感器在汽车、环境监测、医疗等方面的应用。
3. 例题讲解：以汽车尾气中的氧传感器为例，讲解其检测原理和作用。
4. 随堂练习：让学生设计一个简单的电化学传感器，用于检测某种化学物质。
5. 板书设计：将本节课的重点知识用板书形式呈现，便于学生复习。
六、作业设计1. 请简述电化学传感器的定义、工作原理和分类。
2. 举例说明电化学传感器在现实生活中的应用。
3. 设计一个简单的电化学传感器，用于检测某种化学物质。
答案：1. 电化学传感器是一种检测和分析化学物质的装置，其工作原理是通过电化学反应来检测化学物质，分类有氧化还原传感器、离子传感器、气体传感器等。
2. 电化学传感器在现实生活中的应用有汽车尾气检测、环境监测、医疗诊断等。
电化学传感器
在实际中，由于电极 表面连续发生电化发应， 传感电极电势并不能保持 恒定，在经过一段较长时 间后，它会导致传感器性 能退化。为改善传感器性 能，人们引入了参考电极 ，通过控制使工作电极和 参比电极之间的电位保持 一定，故传感电极间的电 位保持一定，构成恒电位 仪电路 。
恒电位仪
这是一个电压跟随电路，参比电极与 工作电极的电压差Vout等于输入的给定电 压 U0, 处于接地电位的工作电极相对参比 电极有一个 -U0的电位，因此输入电压在 电池中被反相。在电路中没有给出测量流 出传感器工作电极的电流装置。 可以看出，要得到恒定的电压，电路 上必须满足两个条件，一是具有基准电压 （有时也称给定电压），使恒定的电压值 可调，二是满足恒电位的调节规律，也就 是当电路的参数变化时（如电源电压变化 或由于电化学变化的延续引起电极电位漂 移），恒电位仪应具有自动调节的能力， 使电极电位保持恒定。通常恒电位的调节 是依靠深度电压负反馈来实现的 。
葡萄糖酶电极。其敏感膜为葡萄糖氧化酶，它固定在聚乙烯酰胺 凝胶上。转换电极为Clark氧电极(为测定水中溶解氧含量而设计的一种极谱电极 )， 其Pt阴极上覆盖一层透氧聚四氟乙烯膜。当酶电极插入被测葡萄糖 溶液中时，溶液中的葡萄糖因葡萄糖氧化酶作用而被氧化，此过程 中将消耗氧气。此时在氧电极附近的氧气量由于酶促反应而减少， 通过测量电流值的变化就可以确定葡萄糖浓度。葡萄糖传感器的核 心是酶膜，提高酶膜的性能是提高酶电极性能的关键。
以电阻应变计为转换元件的电阻应变式传感器,主要由弹性元件 、粘贴于其上的电阻应变片、输出电信号的电桥电路及补偿电路构 成。其中感受被测物理量的弹性元件是其关键部分,结构形式有多样, 旨在提高感受被测物理量的灵敏性和稳定性。 电阻应变式传感器工作原理是：由于被测物理量 (如载荷,位移,压力 等)能够在弹性元件上产生弹性变形 (应变),而粘贴在弹性元件表面的 电阻应变计可以将感受到弹性变形转变成电阻值的变化,这样电阻应 变式传感器就将被测物理量的变化转换成电信号的变化量,再通过电 桥电路及补偿电路输出电信号。通过测量此电量值达到测量非电量 值的目的。
电化学传感器
将离子选择性电极与参比电极 组成一个原电池，在零电流条 件下测量原电池电动势，通过 能斯特方程计算溶液中待测离 子的活度。
能斯特方程
cC+dD
gG+hH
E
=
θ
E
—
RT zF
ln a ag h GH a ac d CD
参加反应的组分都处于 电极反应中电子的计量 标准状态时的电动势 系数
离子选择性电极的分类
人体与机器的对应
外 人体 界 刺 机器 激
人的感官 传感器
人脑 计算机
机体 执行器
电化学传感器
概念：是基于待测物的电化学性质并将待测 物化学量转变成电学量进行传感检测的一种 传感器。
按转化成的电学量分类：电位传感器、电流 （安培或伏安）传感器及阻抗（电阻型和电 容型）传感器。
离子选择性电极
上面已经介绍了很多种电极，下面以气敏电 极为例，来说明离子选择性电极的基本原理 和使用方法。
气敏电极
除有内敏感膜、内参比 溶液、内参比电极等组 成的内敏感离子选择电 极外，还有参比电极、 内电解质溶液以及分离 气体和溶液离子的气透 膜等，用于测量混合气 体中或溶解在溶液中的 某种气体的含量。
近期研究和应用
能用作在线检测的传感器；工业生产、 环境监测、单细胞及生命活体的分析监 测；
电位法测定离子的活度，因此，是研究 化学平衡（常数测定）和物理化学基础 理论（热力学、动力学、电化学）的有 力工具。
近期研究和应用
低至皮摩尔浓度级的痕量检测 色谱等流动系统或体系的检测 测定无机、有机、生物离子；
晶体膜电极，它的膜材料物质为晶体。 晶体膜电极由电极管、内参比电极、
内充液和敏感膜四部分组成 三种常见结构：带内参比溶液电极，
电化学传感器原理及应用
电化学传感器原理及应用一、电化学传感器概述电化学传感器是指一种能够将感兴趣的分子或离子浓度信息转化为电信号输出的传感器。
它主要应用于环境监测、生物医学、食品安全、制药工业等领域，是现代生物分子检测、环境监测和化学分析等领域必不可少的检测手段。
电化学传感器基本的实现原理是将感兴趣的分子或离子与电极表面的活性物质发生反应，在反应过程中产生电化学信号对溶液中的感兴趣物质进行检测。
二、电化学传感器的构成电化学传感器通常包含电极、电解质、反应物质这几个部分。
1. 电极电极是电化学传感器的核心部分，电极表面的活性物质与感兴趣分子或离子发生反应，进而使信号电流发生变化。
电极的种类多种多样，主要包括玻碳电极、金电极、纳米线电极等。
其中，玻碳电极是应用最为广泛的一种电极。
2. 电解质电解质是指电化学传感器内以电离分子形式存在的化学物质，它可以提供电极与感兴趣分子或离子之间的电子传输通道。
电解质的种类很多，主要包括离子液体、缓冲溶液等。
3. 反应物质反应物质是指电极表面的活性物质与感兴趣分子或离子发生反应的物质。
反应物质选择合适且灵敏的材料对检测灵敏度具有很大的影响。
反应物质涉及的化学反应种类非常多，包括氧化还原反应、酶催化反应等。
三、电化学传感器的分类电化学传感器可以根据电化学反应类型、检测偏离和实际应用领域等角度进行分类。
1. 按照电化学反应类型电化学传感器可以按消耗（即固定电位法和准定电位法）和生成型（即安培法或容积法）等电化学反应类型分为不同的类型。
其中，消耗型电化学传感器是应用最为广泛的一种，它将感兴趣分子或离子消耗与电极表面的反应物质的消耗联系起来，从而根据电极电位的变化来判断溶液中感兴趣物质的浓度。
2. 按照检测偏离电化学传感器可以按照对电位、电流和阻抗等参数的检测方式进行划分。
其中，电位传感器检测的是电极表面的电势差，电流传感器检测的是电极表面的电流信号，而阻抗传感器检测的是电极表面的阻抗反应，这三种模式在实际应用中具有较高的可靠性和稳定性。
电化学传感器的原理与应用
电化学传感器的原理与应用电化学传感器是一种利用化合物在电化学反应过程中的电流、电势或荧光等性质来检测化合物浓度的敏感元件。
它具有高灵敏度、选择性好、响应速度快等特点，在环境监测、生化分析、临床诊断、工业生产等方面具有广泛的应用前景。
一、电化学传感器的原理电化学传感器的原理基于化学之间的电化学反应。
它通过在电化学电极上测量反应中产生的电信号，来测量被检测物质的浓度。
这种电化学反应的种类包括氧化还原反应、电解反应、阳极氧化、阴极还原等。
电化学传感器的信号来源于化学反应过程中涉及的电离的离子和电子。
电化学传感器的组成通常包括电极、电解质、支持电解质、反应层等几个部分。
其中，电极是将待测物质作用在电极表面的方法；电解质是将待测物质溶解在其中，以便反应；支持电解质是电化学反应需要的溶液；反应层是用于将待测物质与电极接触的化学物质层。
二、电化学传感器的类别电化学传感器的类型和应用领域广泛，可分为离子选择性电极、电化学氧化还原电池、阴极还原电极、基于荧光和表面增强拉曼散射等。
1、离子选择性电极离子选择性电极是用分子物质选择性地响应单一离子而制成的。
这种电极通常由吸附于非活性载体上的有机高分子构成。
具有高离子选择性的成分称为配合剂，化合物中的离子由这种配合剂吸附。
这种电极以有机物材料为基础，响应于特定的离子，如氢离子、钾离子和钠离子等。
2、氧化还原电池电化学氧化还原反应是一种反应产生电子和化合物的反应，也是电化学传感器的重要原理。
其中的典型应用是基于氧化还原反应的谷胱甘肽电化学传感器，以及测量血液氧气分压的氧化还原电池。
3、阴极还原电极阴极还原电极是由具有还原性反应的物种和反应性应答层建立的。
这种电极通常涉及还原的氢离子和氧分子这样的络合物。
在航天器上使用的氧气传感器是基于阴极还原电极的。
4、基于荧光和表面增强拉曼散射的电化学传感器基于荧光的电化学传感器主要是利用化学反应产生的荧光信号变化来检测化合物的浓度。
它具有高灵敏度、选择性好、响应速度快等特点，在生化分析和临床诊断中具有广泛应用。
电化学传感器原理
电化学传感器原理电化学传感器是一种利用电化学原理来检测和测量化学物质的传感器。
它通过测量化学反应产生的电流、电压或电阻等电化学信号来实现对目标物质的定量或定性分析。
电化学传感器具有灵敏度高、响应速度快、操作简便等特点，因此在环境监测、生物医学、食品安全等领域得到了广泛的应用。
电化学传感器的原理主要包括电化学反应原理和信号检测原理两个方面。
首先，电化学传感器利用目标物质与电极表面发生的电化学反应来产生电流、电压或电阻等信号。
这些电化学反应可以分为氧化还原反应、离子传递反应和化学吸附反应等。
其次，电化学传感器通过电极和电解质溶液之间的界面来检测和测量电化学反应产生的信号。
电极的选择、电解质的配制以及信号的放大和处理等环节都对电化学传感器的性能有着重要的影响。
在电化学传感器的设计中，电极是至关重要的部分。
常见的电极包括工作电极、参比电极和计时电极。
工作电极是与目标物质发生电化学反应的电极，它的表面通常涂有特定的催化剂或选择性膜以增强对目标物质的选择性和灵敏度；参比电极是用来提供一个稳定的电位作为参考的电极，它的电位对于测量信号的稳定性和准确性至关重要；计时电极则是用来测量电化学反应的时间，从而确定反应动力学参数。
这三种电极共同构成了电化学传感器的核心部分。
另外，电解质溶液的选择和配制也对电化学传感器的性能有着重要的影响。
合适的电解质溶液可以提供良好的离子传输通道，维持电极表面的清洁和稳定，从而保证电化学反应的准确性和可重复性。
同时，信号的放大和处理技术也是电化学传感器设计中不可或缺的一部分。
合理的信号放大和处理技术可以提高信噪比，降低干扰，从而提高电化学传感器的灵敏度和稳定性。
总的来说，电化学传感器的原理涉及电化学反应和信号检测两个方面，其中电极的设计、电解质溶液的选择和配制以及信号的放大和处理技术是影响电化学传感器性能的关键因素。
通过不断的研究和创新，电化学传感器在化学分析、环境监测、生物医学和食品安全等领域的应用前景将会更加广阔。
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测量范围：0.1ppm-100%，500-800℃。
固体电解质氧传感器的应用
1. 监测熔体或气相中的氧含量，一般用Cr,Cr2O3做参 比电极。 2. 测定惰性气体中的含氧量。 3. 炉气定氧传感器 4. 生物化学、医学、环境监测、汽车发动机的空气燃 烧比控制。
6.1.2 定电位电解式传感器
原理： 被测气体通过隔膜扩散到电解液中，发生电解，测定
固体电解质导电机理
氧离子固体电解质主要靠空位缺陷导电。 例如ZrO2· CaO二元固体电解质，ZrO2 常温下为单斜晶系，高 温下变成立方晶体，冷却时又变为单斜晶体。因此纯ZrO2晶型 是不稳定的。ZrO2中参加少量稳定剂CaO时，ZrO2的立方晶体 冷却时仍保持不变，且由于钙离子置换了锆离子的位置，在晶 体中留下了氧离子空穴。稳定化的ZrO2有较大的晶胞中心空间
典型的氧浓差电池为 Pt，P"O2︱ZrO2· CaO︱P'O2，Pt 半反应： 1/2O2(P‘O2)＋VO ..→ O02-＋2eO02- → 1/2O2(P"O2)＋VO＋2e 总反应： 1/2O2(P"O2) → 1/2O2(P'O2) 由Nernst方程式得到： E=（RT/4F）ln P"O2/ P'O2 若P"O2采用空气（含氧20.95 %）， P'O2为待测气体中氧含量，则上式变为： E(mV)=0.04960T(－log P'O2－0.6789)
低能耗，与微电子技术兼容，在低浓度下有高灵敏度和选
择性等优点和特性。
按原理可分为三类：
1. 电压传感器
应用最广泛，通过能斯特电压与被测物质浓度联系起来。
2. 极限电流传感器
3. 库仑传感器
6.1 气敏传感器
6.1.1 固体电解质气敏传感器
1889年发现了ZrO2 掺杂Y2O3 的氧离子导体，氧离子有较高的迁移
加在电极上的电位，即可确定被测气体的特有的电解 电位，所产生的电流信号大小与被测气体的浓度成正 比。
特点： 体积小，测量精度高，适用于现场直击监测，可检测
浓度范围宽，10-9~10-2，应用范围广。
应用： 目前商品化的电化学传感器可以检测的气体有O2、CO、
H2S、Cl2、HCN、NO、NO2、酒精、偏二甲肼等，广 泛用于煤矿、冶金、化工及环保等部门。
现代电化学
第六章
电化学传感器
6.1 气敏传感器
6.1.1 固体电解质气敏传感器 6.1.2 定电位电解式传感器 6.1.3 加伐尼传感器
6.2.1 辅助电极型成分传感器 6.2.2 三相固体电解质传感器 6.2.3 新固体电解质传感器 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 酶传感器 微生物传感器 免疫传感器 细菌或组织传感器 场效应晶体管生物传感器
3. 新固体电解质成分传感器。
6.2.1 辅助电极型成分传感器
这种传感器是依据液态或固态合金组元活度测
定而发展起来的。其方法是将固体电解质部分
表面涂覆兼含有待测元素和电解质导电元素的 化合物，形成辅助电极，组成电池时能产生有 待测元素参与的化学反应，从而可测定金属熔 体中待测元素的活度。
6.2 成分传感器前 言
响应于化学物质的传感叫做化学传感。化学传感器巧妙地 利用了电化学测定的原理，因此也可称为电化学传感器。 电化学传感器在近些年来越来越受到广泛重视和关注，已 广泛应用于自动过程控制、环境保护和控制、生物医学等 领域。 电化学传感器一般具有生产成本低，操作简便，免维护和
6.1.2 定电位电解式传感器
CO传感器，其原理图如下：
硫酸电解液，工作电极W， 氧化反应: CO＋H2O → CO2＋2H＋＋2e－ 对电极C，还原反应：
O2＋4H＋＋4 e－ → 2H2O
总电极反应： 2CO＋O2 → 2C2O 在传感器电极和对电极间产 生微小电信号，大小与CO浓 度成正比。电流传感器放大 器4放大后，由电表指示CO 的相应浓度值。
6.1.3 加伐尼式传感器
原理：将透过隔膜而扩散到电解质溶液中的被测气体形成原电池进
行电解，测量电解时形成的电流，即可测定气体的浓度。
阴极反应：O2＋2H2O＋4e － → 4OH － 阳极反应：Pb＋4OH――4e－ → PbO2＋2H2O
总反应：Pb＋O2 → PbO2
两电极间产生电位差而形成电流，其电流与氧气浓度成正比，因此 通过测定电流可得出氧气浓度。 此测量仪器不需外接电源，体积小，重量轻。安全性能好，能连续 测量，已广泛用于采煤工作面、瓦斯抽放管道、火灾地区的氧测量 ，也用于石油化工、隧道、船舶、仓库等类作业环境中的氧监测。
率和较低的激活能，随后开展了氧浓差电池的研究。
1957年C. Wagner发表了用固体电解原电池测定高温下金属卤化物、 氯化物和硫化物标准生成自由能的论文，引起科学家们的极大兴趣。 1961年Weissbast做成了第一台ZrO2 测氧传感器，并被誉为当时世 界钢铁冶金领域中三大重大科研成果之一。 用于制作氧传感器的固体电解质由多元氧化物组成，如二氧化物 (ZrO2)0.2· 2O3)0.1、三元氧化物 (ZrO2)0.04· 2O3)0.04· 2O3)0.02。目 (Y (Y (Al 前用得较多的是ZrO2· 2O3、ZrO2· Y CaO、ZrO2· MgO等。
6.2 成分传感器
若在冶金过程中能迅速测定这些元素的活度或浓度，以及他们 随过程的变化，就可以保证产品质量，节省能量。为此需要研
究开发除氧传感器以外其他元素的传感器，这种传感器我们传
统称为成分传感器。 成分传感器可以分成三类： 1. 辅助电极型成分传感器。 2. 三相固体电解质成分传感器。
，因而氧离子能顺利地从氧化锆电解质一边运动到另一边。
这类传感器的优点如下：
①固态可使浓差电池的体积变小，容易实现集成电 路化； ②电解质厚度减小可使电池的内阻变小，从而降低 电池的工作温度； ③固态消除了泄露问题，不会造成电解质损失，减 少维修费用，降低了成本。
氧浓差电池（氧离子固体电解质电池）