电化学传感器
电化学传感器原理及应用
电化学传感器原理及应用电化学传感器是一种将化学反应转化为电信号的传感器。
它由电极、电解质和工作电极上的感受层组成。
当目标分子进入感受层时，与感受层中的物质发生化学反应，导致电极上发生电荷转移，进而产生电流或电势变化，从而实现对目标分子的检测和分析。
电化学传感器的工作原理可以分为三种类型：电流型、电势型和阻抗型。
电流型传感器基于电解质中产生的氧化还原反应。
当目标分子与感受层上的物质发生反应时，会改变电解质中的离子浓度，从而改变电极上的电流。
通过测量电流的变化，可以确定目标分子的浓度。
电势型传感器基于电解质中产生的电位差。
当目标分子与感受层上的物质发生反应时，会改变电位差，从而测量目标分子的浓度。
电势型传感器具有高灵敏度和较宽的测量范围，适用于溶液中目标分子浓度较低的情况。
阻抗型传感器基于电极电极的交流电阻。
当目标分子与感受层上的物质发生反应时，会改变电极的表面性质，从而改变电极的电阻。
通过测量电阻的变化，可以确定目标分子的浓度。
电化学传感器在生物医学、环境监测、食品安全等领域有广泛的应用。
在生物医学领域，电化学传感器可以用于检测生物标志物，如血糖、血脂等，在疾病的早期诊断和药物治疗中起到重要的作用。
在环境监测中，电化学传感器可以用于检测水质、空气污染等环境参数，帮助我们了解环境的质量状况。
在食品安全领域，电化学传感器可以用于检测食品中的有毒物质和农药残留，保障食品的安全性。
此外，电化学传感器还可以与微流控技术相结合，实现高通量、高灵敏度的目标分子检测。
微流控技术可以控制流体的流动，将样品与试剂快速混合，从而提高反应效率和催化性能。
总而言之，电化学传感器是一种重要的分析工具，具有灵敏度高、反应快、操作简便等优点。
随着纳米材料技术和微流控技术的发展，电化学传感器在生物医学、环境监测、食品安全等领域的应用前景将更加广阔。
电化学传感器结构
电化学传感器结构
电化学传感器一般由电极、传感层和电解质组成。
1. 电极：电化学传感器通常由贵金属电极和反应电极组成。
贵金属电极一般使用铂、金、银等材料，具有良好的电导性和化学稳定性，用于传递电流和测量电位。
反应电极用于与待测物质发生化学反应，一般可以选择合适的材料和膜层来增强其选择性和灵敏度。
2. 传感层：传感层是电化学传感器中的重要部分，其功能是实现待测物质与电极之间的反应。
传感层可以是固体或液体，通常包括催化剂、膜层、生物分子或化学物质等。
传感层的选择取决于待测物质的性质和检测要求。
3. 电解质：电荷转移过程是电化学传感器工作的基础，需要在传感层和电极之间提供离子传导的介质。
电解质可以是液体、凝胶或固体电解质，其选择与传感层和电极材料密切相关。
综上所述，电化学传感器的结构设计要考虑电极材料的选择、传感层的设计和电解质的配合，以实现对待测物质的高灵敏度和高选择性测量。
电化学传感器
22
2、酶固定化技术
直接、间接两种方法。
直接法：通过化学修饰方法直接固定在电极表面； 间接法：将酶先固定在载体上，再组装在电极上。
常用方法：
（1）、聚合物包埋法：将酶等生物分子包埋并固定在高分 子聚合物三维网络结构中。 聚丙烯酰胺、聚吡咯、聚苯胺等； （2）、共价键合法：将酶等生物分子通过共价键与电极表 面结合，从而实现固定化。
24
实例：葡萄糖氧化酶(GOD)传感器 1． 将载有葡萄糖氧化酶的酶电极浸入含有溶解氧的葡萄 糖待测溶液中； 2． GOD 催化葡萄糖氧化反应：
CH2OH(CHOH)4CHO+H2O+O2CH2OH(CHOH)4COOH+H2O2
3． 溶液中剩余的氧气或产生的 H2O2 穿过透过性膜到达传 感电极(如 Pt，Ag)上发生氧化或还原反应； 4． 通过电化学方法测定出氧气量的减少或 H2O2 量的增加， 从而间接测定出葡萄糖的浓度。
pH玻璃电极—对H+有响应的氢离子选择性电极， 其敏感膜就是玻璃膜； 与pH玻璃电极相似，其他各类离子选择性电极在 其敏感膜上同样也不发生电子转移，而只是在膜 表面上发生离子交换而形成膜电位。
8
构成：
由参比电极、内部标准溶液、离子选择性膜构成。 内部标准溶液：含相同离子的强电解质溶液(0.1mol· kg-1)。 参比电极：饱和甘汞电极（SCE）或者 Ag-AgCl 电极。 内部参比电极与外部参比电极之间的电位差即为膜电位
9
原理：
假设电极膜对某种阳离子 Mn+有选择性， 则膜电位可用能 斯特方程表示为： 膜= －2.303RT/ZF lg1/aMn+
膜
中包含膜内表面的膜电位、 内参比电极的电极电势以及除浓度外其
电化学生物传感器的分类
电化学生物传感器的分类
1. 酶电化学生物传感器呀，就像一个极其敏锐的侦探！你看，检测血糖的血糖仪不就是个很好的例子嘛。
它通过酶来识别和转化目标物质，精准得很呢！
2. 免疫电化学生物传感器呢，就如同战士一样坚守着！新冠抗体检测试剂不就是这样嘛，专门去识别那些特定的抗原。
3. 微生物电化学生物传感器呀，嘿，这可神奇了，就好像训练有素的小部队！比如可以检测水质中细菌的传感器，那可真是厉害得很！
4. 组织电化学生物传感器啊，这就像是一个微观的分析大师！像检测脑组织功能的那些传感器就是典型的例子呢。
5. 细胞电化学生物传感器，哇哦，这简直是对细胞的专属关注者嘛！活细胞分析传感器不就是在时刻关注着细胞的一举一动嘛。
6. 核酸电化学生物传感器，可不就是基因的探秘者嘛！基因检测不就是运用它来探索那些神秘的遗传信息呀。
7. 离子电化学生物传感器，像是对离子的敏锐追踪者！比如检测血液中钙离子浓度的传感器，精准得让人惊叹呀。
8. 气体电化学生物传感器，这就是气体的猎手呀！像检测氧气浓度的传感器，那是非常重要的呢！我觉得电化学生物传感器的分类真的好丰富好神奇，每个都有独特的用途和价值，太牛啦！。
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
A为电极面积，D为氧化态物种的扩散系数，t为反应 时间，n为电极反应电子的计量系数。
(6) 产物的脱附。 如果产物解吸速度很慢，电 极可能会中毒。 (7) 产物离开电极表面的扩散。 (8) 产物的排除。净化传感器内部空间。如果 产物极易溶于电解液，将使传感器内部成分 改变，传感器的信号响应则改变。CO传感器 用酸性电解液。
通常采用三电极体 系 ：工作电极、辅 助电极、参比电极
测量的电流信号与发生电极氧化（或还原）的 物质浓度相关 。
3、电导型传感器工作原理
通过测量 电导来测 定化学量
惠斯顿电桥平衡法
Rx
R1 R2
R3
电导型传感器有极高的灵敏度，但几乎没有
选择性，因此应用较少。
三、电化学传感器的性能指标
电化学传感器的性能指标：灵敏度、选 择性、响应时间、准确性、测量范围、温度 系数、背景电流和仪器噪声、稳定性、使用 寿命等。
三、离子传感器的响应机理
溶液中的离子与敏感膜上 的离子之间发生交换作用
敏感膜内外 产生电位差
敏感膜内外 离子活度差
膜电位M
对于阳离子：
M
K
2.303RT nF
lg 阳离子
对于阴离子：
M
K－
2.303RT nF
lg
阴离子
四、离子选择性场效应晶体管型离子传感器
ISFET是一种将离子选择性敏感膜与半导体场 效应器件结合起来的微电子离子选择性敏感器件， 其核心部件是场效应晶体管(FET)
510－7~110－1
Cd2＋, Ag＋, Hg2＋,Cu2＋, Fe3＋, Cl－
510－7~110－1 Pb2＋, Ag＋, Hg2＋,Cu2＋, Fe3＋
电化学气体传感器
运作理论
气体通过多孔膜背面扩散入传感器的工作电极，在此气体被氧化或还原，这种电化学反应引起流经外部线路 的电流。除测量外，还要放大和进行其它信号加工；外线路维持经过传感器的电压和一个二电极反向参考传感器 的电压。在反向电极产生一相反的反应。这样，如工作电极是氧化，则相反电极就是还原。
扩散控制反应
感谢观看
横向零敏度
对一些气体，如环氧乙烷的横向灵敏度可能是个问题，因为乙烷要求一个活性好的工作电极催化和氧化的高 电势。因此，较易氧化气体，如酒和一氧化碳。也有类似的问题。横向灵敏度问题可通过使用化学过滤消除。例 如。过滤器可使对象气体畅通，并反应，但移去普通干扰。
尽管电化学传感器有许多优点，但它并不适合每一种气体。这是由于它的探测机理包括气体的氧化或还原。 虽然它可间接探测电化学惰性气体，如这气体和其它样品在传感器内反应并产生回应，但电化学气体传感器一般 仅适用于电化学性能活泼的气体。二氧化碳传感器是这种接近的例子（即不能用电化学气体传感器测二氧化碳）， 它们已商品化几年了。
电流大小由研究对象气体在工作电极处氧化多少所控制。传感器是经过设计的，因此，气体供应受扩散限制， 而传感器是正比于气体浓度的线性输出。线性输出是电化学传感器比其它技术传感器（即红外）的优点之一。其 它的传感器要在输出前线性化。线性输出允许较精确地测量低浓度，并校正简单（只需校正底线和一个点）。
控制扩散提供另一优点。改表扩散势垒可制造适合特别对象的气体浓度范围。再有，扩散势垒是主要的机械 部份，电化学传感器一经校正后，随时间较稳定。因此，以电化学传感器为基的仪器比一些其它技术的探测器要 求较少维护。原则上，灵敏度基于气体通入传感器通路的扩散性质可以计算。虽然测量扩散性质的实验误差使计 算较用气体校正的精度较小。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
非晶体膜电极
它的膜是由一种含有离子型物质或不带电荷 的支撑体组成，这种支撑体是多孔性的微孔 性的膜或无孔的膜。这类电极的膜电位是由 于膜相中存在着离子交换物质而引起的，可 分为硬质电极和流动载体电极。
非晶体膜电极
分类:
硬质电极：它的敏感膜是由无孔的离子交换型的玻璃薄 片（或球形）材料组成的。膜的选择性由它的膜材料所 决定，如PH玻璃电极。 流动载体电极：某活性物质是将一种带有电荷的或不带 电荷离子交换剂溶于适宜的有机溶剂中，并由一种惰性 支撑物（如微孔塑料膜）为骨架支撑的敏感膜，该类膜 能响应液体中某种离子浓度的变化。
离子选择性电极 是一种电位传感器
离子选择性电极
离子选择性电极（简称ISE），它是由敏感膜、 内导体系、电极控件等部件组成，它能与溶 液 （体液）中某种特定的离子产生选择性的 响应。所谓响应是指离子选择性电极敏感膜 在溶液中与特定离子接触后产生的膜电位值 随溶液中该离子的浓度变化而变化。是一类 电化学传感器。
NH3+H2O
NH4++OH-
K1=
[OH-]=
[NH4+][OH-] [NH3] K1 [NH3] [NH4+]
由于NH4+的浓度较高，即[NH4+]很大， 在反应中可看作常数。
[OH-]= K [NH3] [OH-]= K PCO2 K1 K= [NH4+] Φ膜=K+ RT lnaOH-= K- RT ln PCO2 F F E= Φ参比 Φ膜 测出电动势E就可计算出溶液中NH3的含量。
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；
流动载体电极 带正电荷的流动载体电极 带负电荷的流动载体电极 中性流动载体电极
敏化离子电极
是由透气的流水性高分子薄膜与离子选择电 极组合成的一种电化学传感器。它包括气敏 电极和酶电极。 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。 其结构如图所示：
底部是疏水性的微孔气体渗透膜，一般采用 聚四氟乙烯微孔膜，只允许被侧的NH3 气体 通过。当该气敏电极插入含有NH3 的溶液中 时，NH3 透过透气膜，进入0.1mol/L NH4Cl 的内电解质溶液中，平衡向右移动： NH3+H2O NH4++OH内电解质溶液中的PH相应发生改变，只要测 量出放置在内电解质溶液中的内参比电极和 PH玻璃电极所构成的原电池的电动势，就可 计算出溶液中NH3的分压。
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， 无内参比溶液电极，复合电极
1.带内参比溶液电极
电极管
图（a）是一种由内参 比电极和内参比溶液 组成的选择性电极 选择性电极， 选择性电极 内参比电极是一根 Ag|AgCl电极，内参比 溶液一般由电极种类 所决定，如氟电极， 一般用3.0m mol/LNaF 作为内参比溶液.
1975年国际纯化学与应用化学协会（IUPA）根据膜电极响应机理， 膜的结构、组分对离子选择性电极进行了分类： 晶体膜电极
均相膜电极 非均相膜电极
基本电极 非晶体膜电极
硬质电极 带正电荷载体电极 流动载体电极 场效应半导体传感器 带负电荷载体电极 带中性载体电极
敏化离子电极
气敏电极 酶（底物）电极
晶体膜电极
离子选择性电极
优点：简便快速、仪器设备简单、 优点 易实现自动化、直接检测离子活度， 因而已广泛用于科学研究和生产活 动中。 缺点：精密度不很高（约2%）、 缺点 工作曲线稳定性不很好
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。
人体与机器的对应
外 人体 界 刺 激 机器
人的 器 人 机 机体 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 电位传感器、电流 电位传感器 （安培或伏安）传感器及阻抗（电阻型和电 容型）传感器。
பைடு நூலகம் 离子选择性电极 属于哪种电化学传感器 呢？
图（c）是一种复 复 合电极，它与外参 合电极 比电极组合成一个 测量电池，测量时 免去了常用分开的 参比电极，结构更 加紧凑。
晶体膜电极
分类: 均相膜电极：它的膜材料由一种纯固体材料 单晶或单种化合物或集中化合物均匀混合压 片制成。 非均相膜电极：除了晶体敏感膜外，还加入 了高混合惰性载体，如聚氯乙烯、硅橡胶、 石蜡等，以改善电极传感性能。
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
θ
RT zF a a ln a ca d C D
g G h H
E= E —
参加反应的组分都处于 标准状态时的电动势
电极反应中电子的计量 系数
离子选择性电极的分类
传感器
传感器是指测试器系统的检测部分直接与被测对象 传感器 发生关系，直接感受被测参数的变化，并把被测参 数转为易于运输、处理、测量的信号，完成这一任 务的装置称为传感器。 我们的五官（眼，耳，皮肤，鼻，舌）就是传感 器。五官通过五种感觉（视觉，听觉，触觉，嗅觉， 味觉）接受来自外界的信号，并将这些信号传递给 大脑，大脑对这些信号进行分析处理，然后将指令 传给肌体，这是我们常见的一种传感器。
2.无内参比溶液电极 图（b）与图（a）比较， 它没有内参比溶液，是一 种全固态电极 全固态电极，它的内参 全固态电极 比电极一般使用一根导体 银丝直接与固态膜焊接， 导电固态 接触层 固态压片膜的一个表面加 一层银粉，再将银丝焊接 上去组成一个离子选择性 电极。
3.复合电极
复合电极的 外参比电极