第四章 化学与生物传感器
化学与生物传感器的发展与应用
化学与生物传感器的发展与应用在现代科学技术领域中，化学与生物传感器的发展与应用备受关注。
随着科技的不断进步，这些传感器已经成为了许多领域的重要工具，例如医疗保健、环境污染监测、食品饮料检测以及生命科学等领域。
在这篇文章中，我们将探讨化学与生物传感器的技术原理、发展历程以及现代应用。
一、化学传感器的技术原理化学传感器是一种能够通过化学反应来检测和测量化合物浓度的设备。
它们主要由传感器芯片、传感元件和信号输出等组成。
化学传感器的技术原理是基于化学物质的光学、电化学或热学性质，对化学物质进行测试和检测。
化学传感器主要通过固体电解质、导电聚合物或金属氧化物等敏感材料来识别分子。
这些敏感材料能够吸附特定分子，导致电子流的变化，进而产生电压信号。
因此，化学传感器的敏感材料起到了极为重要的作用。
二、生物传感器的技术原理生物传感器是将生物材料与电子、光学等技术结合，以检测生物分子或其他获得性目标的设备。
生物传感器采用离子传感器、抗体、DNA分子、细胞等生物元件来探测分子。
生物传感器主要分为免疫传感器和生物传导传感器两种。
生物传感器通过将生物元素与传感器合成，从而进行指定样品的分析和检测。
例如，一些蛋白质分析是在免疫传感器上进行的。
当生物分子与传感器反应时，传感器会发生变化并输出电信号。
这个过程也叫作转换，而输出信号则可以在显示屏上显示出来。
三、化学与生物传感器的发展历程化学传感器和生物传感器的发展历程可以追溯到20世纪初。
自20世纪50年代，一些人们开始进行更深入的研究和试验，才逐渐明确了目前化学与生物传感器的技术原理。
同时，在20世纪60年代，体外病毒检测和生命诊断标记也被发明。
进入21世纪后，传感器技术已经达到了一个新的台阶。
生物传感器采用了现代快速DNA测序技术的发展，例如单分子DNA方法和Nanopore测序。
现代化学传感器通常具有更高的灵敏度和特异性，已成为环境污染监测、医药保健、饮食安全以及生命科学等领域的重要工具。
《化学与生物传感器》课件
什么是化学传感器和生物传感器？
化学传感器
化学传感器是一种能够检测和测量特定化学物质 的装置，用于监测和控制各种化学过程。
生物传感器
生物传感器是一种利用生物分子与目标物质相互 作用的装置，用于检测和测量生物体内的特定分 子。
化学传感器的工作原理
1
信号转换
化学传感器接收化学信号并将其转换为可测量的物理信号，如电信号或光信号。
传感器在工业过程监控和控制中发挥关键 作用，提高生产效率和产品质量。
化学与生物传感器的优势和挑战
优势
• 高灵敏度 • 选择性 • 便携性 • 快速响应
挑战
• 稳定性 • 实时监测 • 复杂样品处理 • 成本和可持续性
结语和总结
化学与生物传感器是现代科学领域的重要组成部分，它们在医疗、环境、食 品和工业等领域发挥着关键作用。通过深入研究和创新，我们可以进一步拓 展传感器技术的应用前景。
《化学与生物传感器》 PPT课件
在这个课件中，我们将一起探索化学传感器和生物传感器的世界。从工作原 理到应用领域，让我们一起揭开这个神奇领域的面纱。
我们的团队
专业背景
我们的团队由化学和生物学专家组成，拥有丰富的研究和实践经验。
创新思维
我们致力于挖掘新的传感器技术，不断推动领域的发展。
合作精神
我们与学术界和工业界密切合作，共同解决实际问题。
3
信号检测
检测设备接收并解读信号，确定目标 分子的存在和浓度。
化学与生物传感器的应用领域
1 医学诊断
2 环境监测
化学与生物传感器可用于早期疾病诊断和 治疗监测，提高医疗效率和准确性。
传感器可检测环境中的污染物和有害物质， 4 工业应用
传感器可检测食品中的有害物质和微生物， 确保食品的安全和质量。
化学生物传感器
化学生物传感器化学生物传感器是一种关键的分析工具，可以将化学和生物学相结合，实现对生物分子的高效、灵敏和选择性检测。
它在医学、环境保护、食品安全等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍化学生物传感器的原理、分类及其在不同领域的应用。
一、原理化学生物传感器是基于传感技术和生物学识别元素的协同作用实现分析检测的一种器件。
其主要原理是在传感器表面固定生物识别分子，并通过与目标分子的特异性识别产生信号变化，从而实现对目标分子的定量或定性检测。
二、分类根据传感机制和信号转换方式的不同，化学生物传感器可以分为光学传感器、电化学传感器和质谱传感器等多种类型。
1. 光学传感器光学传感器是利用光学信号进行检测的一类传感器。
常见的光学传感器包括荧光传感器、表面增强拉曼散射传感器和纳米颗粒传感器等。
通过测量荧光强度、散射光强度或吸收光谱的变化，可以实现对目标分子的检测和分析。
2. 电化学传感器电化学传感器是利用电化学信号进行检测的一类传感器。
常见的电化学传感器包括电化学发光传感器、电化学阻抗传感器和电化学免疫传感器等。
通过测量电流、电压或电阻等电化学信号的变化，可以实现对目标分子的测定。
3. 质谱传感器质谱传感器是利用质谱技术进行检测的一类传感器。
质谱传感器可以实现对目标分子的高灵敏度和高选择性的检测，广泛应用于生物分析、环境监测和食品安全等领域。
三、应用化学生物传感器在不同领域都有着广泛的应用。
1. 医学应用化学生物传感器在医学领域具有重要的应用价值。
例如，通过检测体液中的生物标志物，可以实现早期诊断和治疗监测。
化学生物传感器还可以应用于药物筛选和药物释放控制等方面，为药物研发和治疗提供重要支持。
2. 环境保护化学生物传感器在环境监测和环境保护方面发挥着重要作用。
例如，通过测定水体中的污染物浓度，可以实时监测水质，并采取相应的措施进行净化和治理。
化学生物传感器还可以应用于大气污染物的检测和土壤重金属的监测等领域。
3. 食品安全化学生物传感器在食品安全领域也具有重要的应用前景。
生物化学与生物传感器
生物化学与生物传感器生物化学和生物传感器是现代生物科学和技术中的重要研究领域，它们在医学诊断、环境监测、食品安全等方面发挥着重要作用。
本文将介绍生物化学和生物传感器的基本概念、原理和应用，并探讨其未来发展前景。
一、生物化学的基本概念和原理生物化学是研究生物体内化学反应的科学，涉及生物分子、生物大分子和生物体内的各种化学过程。
生物化学的研究对象主要包括蛋白质、核酸、糖类等生物大分子及其代谢产物。
生物化学的发展促进了对生命活动的深入理解，为人们认识疾病的发生机制和药物的研发提供了基础。
生物化学的研究方法主要包括分离纯化、结构分析、酶学研究等。
其中，分离纯化是将混合物中的目标物分离出来并去除杂质，以获取纯净的样品进行进一步研究。
结构分析则是利用物理、化学等方法来解析生物大分子的结构和性质。
酶学研究则侧重于研究酶的催化机制、活性调节和应用等。
二、生物传感器的基本概念和原理生物传感器是一种能够检测生物体内特定物质并转换为测量信号的装置。
它由生物识别元件和信号转换元件两部分组成。
生物识别元件通常由酶、抗体、核酸等生物分子构成，用于与目标物质特异性地结合并发生化学反应。
信号转换元件则将生物识别元件反应产生的信号转化为可以测量的物理或化学信号。
生物传感器的工作原理主要基于生物分子与目标物质的选择性相互作用。
生物传感器广泛应用于医学诊断、食品安全、环境监测等领域。
以医学诊断为例，生物传感器可通过检测血液或尿液中的特定生物标志物，如葡萄糖、胆固醇等来判断人体健康状况。
三、生物化学与生物传感器的应用1. 医学诊断应用生物化学和生物传感器在医学诊断中具有广泛应用。
通过检测生物体内特定物质的含量或变化，可以判断疾病的发生和进展情况。
例如，血糖传感器常用于糖尿病患者的血糖监测，可及时调整药物剂量和饮食，保证病人的健康。
2. 环境监测应用生物化学和生物传感器在环境监测中起到重要作用。
通过监测土壤、水质和空气中的有害物质，可以提前预警和采取相应措施，保护环境和人类健康。
化学与生物传感器
化学与生物传感器生命对于化学反应有着复杂而精准的控制机制，这种生物过程的理解与应用一直受到科学家们的关注。
为了研究和利用生命的化学反应，在过去的几十年里，化学与生物传感器这一领域得到了快速发展。
化学与生物传感器作为用于捕获和转换生物学信息的工具，在医学、环境监测、食品安全等领域具有广泛的应用前景。
一、化学传感器化学传感器是一种用化学分析原理将目标化合物转换为可测量量的装置。
其工作原理基于特定的化学反应，通过感受器件将化学反应的结果转化为可量化的信号。
化学传感器可以用于检测环境中的化学物质浓度、反应的动力学参数以及化学反应的机制。
例如，利用电化学传感器可以测量溶液中金属离子的浓度，利用光学传感器可以测量溶液中某种化学物质的吸光度。
二、生物传感器生物传感器是利用生物组织、酶、抗体、细胞等生物成分作为传感器元件，通过生物识别反应将目标物质转化为可测量的信号。
生物传感器具有高灵敏度和高选择性的特点，可以用于生物学和医学领域的研究。
例如，利用免疫传感器可以检测血液中的特定蛋白质，利用生物酶传感器可以测定食品中的某种成分。
化学与生物传感器的结合，构成了一种高效的传感器系统。
通过将化学传感器与生物传感器相结合，可以实现更为复杂的检测任务，提高传感器的灵敏度和选择性。
例如，利用化学反应转换生物学信息的信号，可以实现对细胞内环境的检测，揭示细胞代谢过程中产生的化学反应。
生物传感器还可以应用于医学领域，例如通过检测尿液中的特定代谢物，可以辅助诊断疾病。
未来，化学与生物传感器将继续发展，不仅在药物研发、健康管理等领域有着重要的应用，还将在环境监测、食品安全等方面发挥重要作用。
化学与生物传感器的发展将推动科学技术的进步，为人类的生活带来更多的便利与安全。
化学与生物传感器的研究将为了解和利用生命的化学反应提供强有力的工具，有望在未来的科学研究和应用中发挥更加重要的作用。
总结起来，化学与生物传感器是一种高效的信息获取工具，通过将化学反应转化为可测量的信号，实现对目标物质的检测和分析。
化学与生物传感器了解生物传感器的化学检测原理和应用
化学与生物传感器了解生物传感器的化学检测原理和应用化学与生物传感器：了解生物传感器的化学检测原理和应用一、引言生物传感器是一种可以将生物信号转换为可观测和可测量的信号的装置，它在医疗、环境监测、食品安全等领域具有广泛的应用。
生物传感器的核心是化学检测原理，本文将介绍生物传感器的化学检测原理和应用。
二、生物传感器的分类生物传感器按照检测原理和传感器结构可以分为多种类型，例如生物电传感器、光学传感器、电化学传感器等。
在这些类型中，化学检测原理在电化学传感器中被广泛应用。
三、化学检测原理化学检测原理是生物传感器中实现信号转换的关键。
电化学传感器利用电化学反应过程将生物信号转换为电信号，常用的电化学检测原理有溶液电池、电解质传感器和生物燃料电池。
1. 溶液电池溶液电池是利用溶液中的离子交换过程产生电势差的原理进行检测的。
它通过在传感器中加入特定的离子溶液，当待检测的生物信号与溶液中的离子发生反应时，就会产生离子交换，进而形成电势差。
通过测量电势差的变化，可以定量分析生物信号的含量。
2. 电解质传感器电解质传感器是利用溶液中电解质浓度与电导率成正比的原理进行检测的。
生物传感器中的电解质传感器常常使用离子选择性电极来测量溶液中特定离子的浓度变化，从而间接地反映生物信号的变化。
3. 生物燃料电池生物燃料电池是利用生物体内产生的化学能转换为电能的原理进行检测的。
它利用生物催化剂来催化生物燃料的氧化还原反应，从而产生电流。
生物燃料电池在检测生物信号时，可利用生物体内的代谢产物作为燃料，例如葡萄糖、乳酸等。
四、生物传感器的应用生物传感器具有高灵敏度、高选择性、可重复使用等优点，因此在许多领域得到了广泛的应用。
1. 医疗领域生物传感器在医疗领域中可以用于血液分析、疾病诊断和治疗监测等。
例如，血糖传感器可用于连续监测糖尿病患者的血糖水平，生物蛋白传感器可用于检测肿瘤标志物。
2. 环境监测生物传感器在环境监测中可以用于检测水质、空气质量和土壤污染等。
化学与生物传感技术
化学与生物传感技术近年来，化学与生物传感技术的融合在科学研究和生物医学应用领域取得了显著的进展。
这种跨学科的合作促进了更高效、更精确的生物传感器的开发，为临床诊断、环境监测和食品安全领域等提供了有力的支持。
本文将探讨化学与生物传感技术的进展，并介绍其在不同领域中的应用。
一、生物传感器的基本原理生物传感技术的核心是利用生物体内或外部的生物分子与目标分子之间的特异性识别，实现信号的转换和检测。
这种技术的关键在于选择合适的生物传感元件，例如酶、抗体或核酸等，将其与传感器平台相结合。
生物传感器通常包括生物识别层、转换层和检测层。
生物识别层负责特异性地识别目标分子，通常通过生物元件的特异性结合来实现。
转换层将生物识别事件转化为物理或化学信号，常见的转换方式包括光学、电化学和质谱等。
检测层则将转换后的信号转化为电子信号，并进行定量或定性测量。
二、化学与生物传感技术的进展随着纳米技术的发展，化学与生物传感技术有了更广阔的应用前景。
纳米材料的引入不仅提高了传感器的灵敏度和选择性，还扩展了其应用范围。
例如，金纳米颗粒作为一种优良的纳米材料，具有良好的生物相容性和表面增强拉曼散射效应，可用于生物分子的检测和成像。
此外，化学与生物传感技术在医学领域中的应用也取得了重要的突破。
生物传感器结合了微流控技术和纳米材料，能够实现极低浓度的肿瘤标志物检测，为早期肿瘤的诊断和治疗提供了有效手段。
同时，由于生物传感器具有简单、高灵敏度和实时监测的特点，对于监测药物治疗的效果、控制药物浓度以及调整治疗方案等方面也发挥着重要作用。
三、化学与生物传感技术在环境监测中的应用化学与生物传感技术对于环境污染的监测和防治也具有重要意义。
以水污染为例，化学传感器通过检测废水中的重金属离子、有机物和毒素等，能够实时监测水体的污染程度。
而生物传感器则通过检测废水中的生物标志物，如细菌和寄生虫等，可以更准确地评估水质的安全性。
化学与生物传感技术相结合，可以获得更全面、更准确的环境监测数据，有助于及时采取控制措施，保护生态环境。
化学传感器与生物传感器原理
化学传感器与生物传感器原理传感器是一种检测物理量或者化学量的装置，它可以将这些量转换成电信号或者其他可以识别的形式。
在现代科技中，化学传感器和生物传感器作为重要的传感器类型，广泛应用于环境监测、生物医药、食品安全和工业生产等领域。
本文将分析化学传感器与生物传感器的原理及其应用。
一、化学传感器原理化学传感器是通过检测化学物质与所需判断的物理或化学变量之间的相互作用来测量某种分析物。
常见的化学传感器包括气体传感器和溶液传感器。
1. 气体传感器原理气体传感器是一种能够检测气体浓度的传感器。
其工作原理是利用传感元件对气体的识别和测量。
气体传感器常见的传感元件有半导体传感器、红外传感器和电化学传感器。
半导体传感器是通过检测气体浓度对半导体材料的电学性能变化进行测量。
当目标气体接触到半导体材料表面时，氧化还原反应会引起半导体上的电导率发生变化。
通过测量电导率的变化，从而判断气体浓度。
红外传感器则是通过检测目标气体对特定波长的光的吸收程度来测量气体浓度。
红外传感器的基本原理是利用目标气体吸收特定波长的红外光，通过检测光的衰减程度来确定气体浓度。
电化学传感器是利用电化学反应检测气体浓度的传感器。
其原理是在传感元件上引入一种具有选择性的敏感膜，当目标气体进入传感器，与膜反应后产生电化学反应，通过测量反应产生的电流或电势来判断气体浓度。
2. 溶液传感器原理溶液传感器也被称为化学传感器，用于检测液体样品中的特定物质。
其工作原理是在传感元件中引入一种可与目标物质发生特异性反应的活性成分，通过观察反应引起的电位或电流变化来测量目标物质的浓度。
常见的溶液传感器包括电极传感器和光学传感器。
电极传感器一般将传感元件构建成电极结构，通过测量电流或电压的变化来判断目标物质浓度。
光学传感器则是利用光学信号的变化来测量溶液中目标物质的浓度，其原理常见的有吸收光谱法、荧光光谱法和拉曼光谱法等。
二、生物传感器原理生物传感器是利用生物材料（如酶、抗体、细胞等）与分析物之间的特异性识别和反应实现分析检测的装置。
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化学传感器中基本的功能单元如下：
(a) 分子识别元件(感受器，receptor)是发生选择性 识别的区域，可以引起能够被transducer(转换器) 检测的化学或物理变化。识别过程可以基于不同 的原理，例如，化学原理，被分析物涉及到一个 化学反应；物理原理，无化学反应，但被分析物 可以产生吸光度、温度、质量或电导等的变化， 这些量与被分析物的浓度有特定的关系；生化原 理，涉及到生化反应，称为生物传感器。
D. 质量转换器：将由被分析物在选择性修饰表面上 累计所引起的质量的变化转换为该表面某一性质的 变化。 (1) 压电型传感器： (2) 表面声波型传感器： E. 基于新型原理：例如，纳米技术，SPMs ( Scanning probe microscopes)等。
4.4 化学传感器的原理
下面我们主要介绍电化学传感器和光学传感器的 原理。 4.4.1 电化学传感器(Electrochemical sensors)
化学信息可能源于涉及到被分析物的化学反应或 体系的一种物理性质。化学信息可能是定量的， 例如，样品特定组分(可能是原子、分子、离子或 生物分子)的浓度、活度或分压等；所涉及的样品 可以是固态、液态或气态。当然，化学信息也可能 是定性的，例如，某种化合物是否存在？或存在时 是否超过一定的量值。例如，烟道报警器。
B. 光学转换器：将由被分析物所引起的光学现象 转换为电信号。光导纤维广泛地应用于这方面，基 于光导纤维所发展的传感器又称为光极(optode)。 (1) 吸收型传感器： (2) 反射型传感器： (3) 发光型传感器： (4) 光散射传感器：
C. 热转换器：将由涉及到被分析物所引起的化学 反应所产生的热转换为电信号。 (1) 催化型： (2) 热导型：
干玻璃
待测液 内充液
图4.5
玻璃膜的剖面图
水合层很薄，仅在该水合层中发生的玻璃和邻近溶液 之间的相互作用。膜电势的出现是因为硅酸盐网络对 特定阳离子有亲和力，它们被吸附在此结构上(可能在 固定的阴离子位点)。这种作用产生电荷分离从而改变 界面电势差。此电势差反过来将改变吸附和脱附的速 率。显然，玻璃膜与一个选择性可透过膜那样的简化 思想相悖。事实上，对于最感兴趣的一些离子，如质 子，它可能根本没有穿透玻璃膜。那么，这种离子迁 移数在整个膜中就并非是1，准确地讲在特定区域内可 能为零。我们仍能理解所观察到的选择性响应吗？如 果所感兴趣的离子主导了膜界面区域的电荷转移，答 案是肯定的。
在仅考虑Na+和H+作为活性物质的情况下，我们已系统地阐明了 此问题。玻璃膜也对其它的离子有响应，如Li+，K+，Ag+和NH4+。 相关的响应可以通过相应的电势法选择性系数来表述，玻璃组分 对此有较大的影响。基于不同组分的玻璃的不同类型的电极已商 品化。它们广义上可分为：(a)具有选择性顺序为H+ >>> Na+ > K+、Rb+、Cs＋ >> Ca2+的pH电极，(b)具有选择性顺序为Ag+ >H+ >Na+ >> K+、Li＋ >> Ca2+的钠离子选择性电极，(c)具有较窄选 择性范围，选择性顺序为H+ > K+ > Na+ > NH4+，Li＋ >> Ca2+的通 用阳离子选择性电极。 更加通用的公式称为Nikolsky - Eisenman 方程：
(b) 信号转换器(换能器，Transducer)是将被分析物有 关的化学信息转换为可测量的分析有用的信号，然后 记录和进一步处理。 主要有电化学电极(如电势、电流的测量)，光学检测元 件，热敏电阻，场效应晶体管，压电石英体及表面等离 子共振器件等。 有些传感器还包括一个分离器，一种膜，目的是增强 选择性。 一个理想的化学传感器应该具有高选择性、高灵敏度， 稳定性好和耐用，并且响应时间短！
4.3.2 转换器
在化学传感器中主要采用的转换技术如下： A. 电化学转换器：将被分析物与电极相互作用的 信号转换为电信号。 (1) 电势型传感器：基于测量在零电流下电池的电势。 (2) 伏安(安培)型传感器：测量被分析物发生氧化还 原时所产生电流。 (3) 电导型传感器：测量由被分析物所引起的电导的 变化。 (4) 电容型传感器：测量由被分析物所引起的电容的 变化。
待测液
水合层
内充液
干玻璃层
吸附平衡
扩散电势
吸附平衡
图4.6 研究玻璃隔膜膜电势的模型
对于上图所示的一个关于玻璃膜的模型，玻璃将被认为由三部分组成。 在界面区域m′和m″与溶液中成分很快达到平衡，这样每一个吸附的 阳离子有一个活度，它反映了邻近溶液中对应的活度。玻璃的本体由m 代表，我们假设传导由单个物质进行，为了讨论的方便，假设为Na+。 因此整个体系由五个相组成，穿过膜的总的电势差是由本体区域的四部 分液接界构成：
图4.1 人体的感觉器官与化学/生物传感器
例如，人的鼻子就是一个很好的传感器： 肺是样品导入泵，上皮传感细胞作为“化 学传感器”，大脑作为微处理器和数据储 存器，整个过程（功能）同时进行。其 中最重要的组分是传感元件，它通过复 杂的识别过程，达到识别不同味道的作用。
化学传感器是一门由材料科学、超分子化学(分子识别 )、光电子学、微电子学和信号处理技术等多种学科相 互渗透成长起来的高新技术。具有选择性好、灵敏度 高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在 线连续监测的特点；可以高度自动化、微型化与集成 化，减少了对使用者环境和技术的要求，适合野外现 场分析的需求，在生物、医学、环境监测、食品、医 药及国家安全等利用有着重要的应用价值！
James W. Jorgenson and Krynn DeArman Lukacs, Anal.Chem., 1981, 53, 1298-1302
4.2 化学传感器的定义
IUPAC的定义：化学传感器是一种将化学信息(例 如化学组成与浓度)转换为有用分析信号的装置。 转换过程可以是电化学的、光学的、热的和质 量型的。 在此我们主要讨论电化学型和光学型化学传感 器。
化学传感器具有宽广的市场，例如，葡萄糖传感器（ 糖尿病）在美国每年有上百亿美元的市场！ 显然，没有单一的化学传感器能够满足所有的分析测 试要求，但是，可以根据要求设计和制备不同类型的 传感器及阵列传感器。
作业5：
1. 对于一个混合物的分离得到三个峰，分别为阳离子(t =78s)、 中性化合物(t=132.8s)和阴离子(t=264.6s)。所 用毛细管总 长度为48.5 cm，有效长度为40 cm，施加 电压为10 kV。 试求算电渗淌度以及不同离子的表观 淌度和有效淌度。 2. 在毛细管区带电泳分离苯胺、甲苯和苯甲酸，缓冲液的pH 为7，请判断出峰顺序。 3. 对于人尿样中重金属Pb2+的分析，试根据你所学的知识，设 计从采样到数据报告的全分析过程。 4. 举出你在日常生活中见到的化学或生物传感器。
分子功能性膜
图4.2 化学传感器的传感原理
4.3 化学传感器的分类
通常可根据识别元件和转换器来进行分类。
4.3.1 识别元件 A. 化学或合成的感受器。例如，基于各种平衡反应 (酸碱、络合、氧化还原)的识别过程；基于形状和大 小的识别过程(各种冠醚、杯芳烃、抗菌素)以及分子 印迹高分子。
B. 生物感受器。主要应用于生物传感器中的识别元 件。酶、DNA、各种活体组织、细胞等。
实际上，玻璃相的行为是相当复杂的。膜的本体厚度大约为50 m，它是干燥的玻璃，通过内部存在的阳离子专一地进行电荷 转移。通常，玻璃内部存在的阳离子为碱金属离子，如Na+或Li+。 溶液中的氢离子对该区域的导电并不做出贡献。与溶液相接触的 膜的表面与本体不同，因为玻璃的硅酸盐结构是水合的。
水合层 水合层
零电流
参比电极
图4.3 二－电极系统
(2) 玻璃电极
在20世纪早期人们已经认识到玻璃/电解质溶液界面的离子选择 性行为，从那时起，玻璃电极已被应用于pH值和碱金属离子活度 的测量。 银丝 Ag/AgCl
内充溶液
薄玻璃膜 图4.4 典型的玻ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电极示意图
进行测量时，薄膜整个浸在被测试溶液中，记录相对于一个如 SCE(饱和甘汞电极)的参比电极的电极电势。电池结构如下：
电化学传感器大多数是基于电化学原理来进行传感的， 在此，我们主要介绍电势型传感器和安培型传感器。
葡萄糖传感器
4.4.1.1. 电势型传感器(potentiometric sensor)
电势型传感器也称为离子选择性电极(Ion selective electrode, ISE)。 (1) 选择性界面 假设可以在两电解质溶液相之间产生一个界面，仅一 种离子可穿过，一个选择性的可透过膜可能作为一个 分离器来完成此目的。描述 两相中离子平衡的公式是 能斯特(Nernst)公式:
(4.1) 这里离子i是可透过的离子。
如果物质i活度在一相中保持恒定，则两相间的电势差(常称为膜 电势，membrane potential, Em)与另一相中离子活度的关系符合 Nernst形式。 这种思想是离子选择性电极的本质。采用这些装置进行测量本质 上是测量膜电势，其本身包括电解质溶液相之间的液接界电势。 任何一个单一体系的性质在很大程度上取决于感兴趣的离子在膜 部分电荷转移中占主导地位的程度。我们在下面将看到真实装置 是相当复杂的，电荷通过膜迁移的选择性很难达到，且实际上不 需要。 已经研究过许多离子选择性界面，一些不同类型的电极已被商品 化。我们将通过它们中的几种来考察导入选择性的基本策略。玻 璃膜是我们讨论的出发点，因为它提供了一个相当完整的考察基 本概念和实际装置中常见的复杂问题的平台。
第四章
化学与生物传感器 Chemical Sensors and Biosensors