应用电化学电化学传感器课件.ppt

第九章 电化学传感器,主要内容,基本概念,人体与机器的对应,外界刺激,人体,人的感官,人脑,机体,机器,传感器,计算机,执行器,传感器：信息采集和处理链中的一个逻辑元件,化学传感器：可用以提供被检测体系(液相或气相)中化学组分实时信息的那一类器件,物理传感器：利用光电效应、压电效应等将物理现象转化为各种信息的器件,9.1.1 化学传感器分类,按检测物质种类分：,化学传感器,离子传感器,液膜型,选择性FET,固体膜型,气体传感器,生物传感器,半导体,接触燃烧性,固体电解质,电解型,微生物,酶传感器,免疫传感器,依据原理分：,化学传感器,热学式,光学式,电化学式,质量式,电导型,电流型,电位型,9.1.2 电位型传感器(potentiometric sensors),定义：将溶解于电解质溶液中的离子作用于离子电极而产生的电动势作为传感器的输出而实现离子的检测，通过平衡电位来确定物质浓度。其中研究最多的是离子传感器，而离子传感器中最多的是pH传感器,离子传感器也叫做离子选择性电极（ion-selective electrode,ISE)，它响应于特定的离子，其构造的主要部分是离子选择性膜。因为膜电位随着被测定离子的浓度而变化，所以通过离子选择性膜的膜电位可以测定出离子的浓度。,膜电位：内部参比电极和外部参比电极之间的电位差。也有把外部参比电极组合成一体化的传感器。有的传感器还带有温度补偿用的热敏电阻。,离子传感器主要构造：,参比电极(SCE或Ag-AgCl),内部基准液(0.1mol/kg,强),玻璃薄膜,液膜及载体,固体膜,离子传感器膜电位原理：,膜电位与溶液中离子Mn+活度aMn+的关系，可用能斯特方程来表示：,对于阴离子Rn-有选择性的电极,则有如下的关系:,离子选择性电极与甘汞电极组成电池后，,配制一系列已知浓度的标准溶液，并以测得的电动势E值与相应的lgaMn+值绘制校正曲线，即可按相同步骤求得未知溶液中欲测离子的浓度。,例：氟离子传感器是以LaF3单晶片作为薄膜，内部标准溶液为0.lmolkg-1 KF和0.1molkg-1 NaCl，可以写成：,玻璃膜和氢离子浓度分别为aH+/aH+的水溶液接触时，产生的膜电位为：,298K时，E/V常数一0.05916pH,较高的Na+存在时，还必须考虑Na+带来的影响，公式变为：,式中，KH,Na叫做离子选择常数，KH,Na愈小，对H+的选择性越好。,除测量PH 的电极外，引进玻璃的成分，已制成了Na+,K+,NH4+,Ag+,Tl+,Li+,Rb+,Cs+等一列一价阳离子的选择性电极。此外还种膜电极出现，例如用Ag2S压片可制成S2-离子选择性电极，已制成了F+,Cl-,Br-,I-,CN-,NO3-等阴离子选择电极。,化学修饰电极电位传感器,A.pH电位传感器,a.聚(1,2-二氨基苯)修饰电极,pH=410之间几乎呈能斯特响应，斜率为53mV/pH，线性相关系数为0.991。由于电极表面聚合物中胺链的质子化所引起,b.苯酚、苯胺及其衍生物电化学聚合修饰电极,c.4,4-二氨基联苯、8-羟基喹啉及一些含羟基、氮原子的芳香化合物修饰电极,掺杂有Cl-,Br-,ClO4-,NO3-等阴离子的导电高分子 聚吡咯（PPy）修饰电极对所掺杂离子,B.阴离子和钾离子电位传感器,例：对于Cl-掺杂的PPy薄膜电极，浸人含有Cl-的溶液中活化一段时间，对Cl-显示了稳定的电位响应。在10-4 0.1 molkg-1浓度范围内呈现能斯特响应，斜率为-5860mV/pCl，检测下限为3.510-5 molkg-1,C.采用共价键合的二茂铁修饰电极能用作L-抗坏血酸的电位传感器,电位响应与pH=2.2氨基乙酸缓冲溶液中的L-抗坏血酸浓度在10-310-6 mol kg-1之间呈线性关系，电极电势响应斜率为51.5mV，线性相关系数为0.9997,9.2.1 控制电位电解型气体传感器的发展,目前检测气体的主要方法：,(1)热导分析（常用于气相色谱分析）；(2)磁式氧分析；(3)电子捕获分析；(4)紫外吸收分析法；(5)光纤传感器；(6)半导体器；(7)化学发光式气体分析仪；(8)电化学式传感器；(9)化学分析法。,不同传感器比较比较：,a.化学发光式气体分析仪：优点检测灵敏度高、准确性能强等，缺点仪器体积大，不能实时监测，价格昂贵,b.半导体气敏传感器：灵敏度较低，重现性较差，只能用作一般报警器。,c.电化学式传感器：灵敏度高，准确性好，体积小，操作简单，携带方便，可用于现场监测且价格低廉,控制电位电解型(即电流型)气体传感器特点：a.体积小，测量精度高，适用于现场直接监测b.可检测的气体种类多：达数百种c.可检测的气体浓度范围宽：由10-9至百分浓度级,可以检测的气体有：O2,CO,H2S,Cl2,HCN,PH3,NO,NO2，酒精、肼、偏二甲肼等十几种气体,电流型电化学气体传感器种类：,应用：安全检测，环境监测，以及其他特殊用途。如利用NO气体传感器测水泥窑温度，用O2和CO气体传感器监测锅炉燃烧效率。,酒精传感器：据呼吸中所含酒精气体的分压与传感器的极限扩散电流成线性关系的原理而研制的。,CO报警器：煤矿工业中，为保护矿工的健康和生命安全，检测浓度范围在0250uLL-1,O2和CO2气体传感器：检测血液中O和O2气体的分压及血液的酸性环境状况。也能用于非气体物质蛋白质、铁含量和NO3-浓度等的检测。,D-葡萄糖氧化酶传感器：固定在氧电极表面，由于酶的氧化导致工作电极缺氧，通过这种方法，可以对体内、体外的D-葡萄糖、乳酸盐、叶黄素、维生素C、微生物群、多巴胺和水杨酸盐(酯)进行监测。,气体传感器研究方向大多集中在：,(1)扩大传感器的检测范围,(2)延长传感器的使用寿命及实现其小型化,(3)新技术在电化学传感器中的应用,9.2.2 Clark 电极,Clark 电极：最早用于氧检测的电流型气体传感受器，在许多场合下对氧气的检测。,Clark 电极是一种封闭式氧电极，它是用一疏水透气膜将电解池体系与待测体系分开，以防止电极被待测溶液中某些组分污染而中毒,Clark的基本原理,氧气进入膜后在电极表面迅速成还原。因此，在铂电极附近氧气压为零，这时外电路检测的氧气还原电流正比于气相中氧气的分压，从电流的值可以测定氧气的浓度。,Clark 电极的膜结构：一是透气膜，它将电极、电解液与待测溶液分开；二是液膜，在透气膜与电极之间保持有一很薄的、由电解液形成的液膜，大约515m。透气膜一般选用聚四氟乙烯，其中用得最多的是1020m厚的聚四氟乙烯膜。,9.2.3.控制电位电解型气体传感器的结构原理,A.电流型气体传感器的共同特性：,(1)都有供气体进人的气室或薄膜,(2)一般有三个电极,(3)有离子导电性的电解质溶液,控制电位电解型气体传感器的结构原理,曝光罩,隔离器,工作电极,参比电极,对电极,电解液通道,电解质室,底盖,排气孔,接线柱,几何结构示意图,电解液,气室,多孔电极,多孔膜,过滤器,H+,H+,H+,H+,H+,H+,CO(g),(1),(2),WE,(3),CO(aq),(4),(5),(6),(7),CO2(aq),(8),CO2(g),(9),样品出口,控制电位电解型气体传感器的工作过程,(1)被测气体进入传感器气室(2)反应物从气室到达工作电极前面的多孔膜，并向电极-电解液界面扩散(3)电活性物质在电解液中溶解(4)电活性物质在电极表面吸附(5)扩散控制下的电化学反应(6)产物脱附(7)产物离开电极表面的扩散(8)产物的排除,影响参数包括：进样速度，工作电极成分，电解液的类型与用量，膜的孔积率和渗透力，工作电极的电位,9.2.4.电流型气体传感器的几个性能指标,1、灵敏度,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数量级甚至更低检测下限的物质浓度。,电化学传感器灵敏度的影响因素：,(1)待测物在检测系统中的传质速度；(2)电极材料的电化学活性（包括电极材料、电极的物理形状和工作时的电极电势）；(3)反应过程中每摩尔物质传递的电流；(4)待测物在电解液中的溶解性和流动性；(5)传感器的几何形状和样品进人的方法；(6)工作电极产生的噪声信号大小。,2、选择性,传感器工作时的电极电势和电催化剂的选择直接影响传感器的选择性。,如：热力学角度：NO和N2共存条件下检测N2气体，可以选择N2的热力学电势为工作电势，使得在该电势下N2气体发生反应而NO气体不反应。动力学角度：以NO气体传感器为例，NO在Au，Pt电极上反应都很快，但由于CO在Au电极上的反应速度比其在Pt电极上要慢103106倍，所以，在NO和CO气体共存的环境中用Au电极检测NO气体就可以获得很好的选择性。,3、响应时间,在安全测试过程中，要求传感器能对环境成分（尤其是有毒气体）作出快速响应，以确保生命和财产安全。,定电位电解型气体传感器的响应时间在很大程度上取决于：A、工作电极与参比电极间的电阻，即溶液电阻。B、气室的体积和电极反应速率常数。C、膜的厚度（即缩短气体扩散路径）也是缩短响应时间的一个方法。,4、底电流和噪声,噪声与底电流的存在都对传感器的灵敏度产生不利影响。如果能最大程度地降低底电流和噪声，传感器的灵敏度将显著提高。,产生底电流和噪声的原因：(1)电解液或电极上的杂质，如微量溶解氧或金属；(2)电极的腐蚀。即在阳极电势范围内，贵金属电极催化剂表面缓慢生成氧化层；(3)反应物或对电极上的反应产物的扩散。,处理方案：在实际工作中，测出稳定的底电流和噪声后，可以用计算机软件对实测信号进行扣除,5、其他性能,现阶段电流型气体传感器的工作温度区间可在-20+400C，在任何空气湿度范围内均可工作（5%-95时最好），检测的准确度在12%，使用寿命1-2年左右。具体的数值与实际需要的具体传感器相联系。,生物传感器(Biosensor)是指用固定化的生物体成分或生物体本身作为敏感元件的传感器，是一种将生物化学反应能转换成电信号的分析测试装置。,一、什么是生物传感器？,电化学生物传感器的基本组成敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件,离子选择电极 电位型电极 氧化还原电极电化学电极 电流型电极 氧电极,二、电化学生物传感器的信号转换器,离子选择电极 离子选择电极是一类对特定的阳离子或阴离子呈选择性响应的电极，具有快速、灵敏、可靠、价廉等优点。在生物医学领域常直接用它测定体液中的一些成分（例如H+，K+，Na+，Ca2+等）。氧化还原电极氧化还原电极是不同于离子选择电极的另一类电位型电极。这里指的主要是零类电极。,1、电位型电极,2、电流型电极,电化学生物传感器中采用电流型电极为信号转换器的趋势日益增加，这是因为这类电极和电位型电极相比有以下优点：电极的输出直接和被测物浓度呈线性关系，不像电位型电极那样和被测物浓度的对数呈线性关系。电极输出值的读数误差所对应的待测物浓度的相对误差比电位型电极的小。电极的灵敏度比电位型电极的高。,氧电极,有不少酶特别是各种氧化酶和加氧酶在催化底物反应时要用溶解氧为辅助试剂，反应中所消耗的氧量就用氧电极来测定。此外，在微生物电极、免疫电极等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器，因此氧电极在生物传感器中用得很广。目前用得最多的氧电极是电解式的Clark氧电极，Clark氧电极是由铂阴极、Ag/AgCl阳极、KCl电解质和透气膜所构成。,Xiaoping Liu,Oihui Liu.Nitric Oxide.2005,13(1):6877,三、电化学生物传感器的分类（根据敏感物质分类）,酶传感器免疫传感器组织传感器、细胞传感器等,（一）酶传感器酶电极电化学电极顶端紧贴一层酶膜,朱建中,周衍.传感器世界.1997,4:18,1、酶的固定化技术,惰性载体物理吸附法离子载体交换法活化载体共价结合法物理包埋法,乔丽娜,周在德.化学研究与应用.2005,17(6):299302,物理吸附法酶分子通过极性键、氢键、疏水力或电子相互作用等吸 附于不溶性载体上。常用的载体有：多孔玻璃、活性炭、氧化铝、石英砂、纤维素酯、葡聚糖、琼脂精、聚氯乙烯、聚苯乙烯已用此法固定化的酶如：脂肪酶、D葡萄糖苷酶、过氧化物酶等,交换法 选用具有离子交换剂的载体，在适宜的pH下，使酶分子与离子交换剂通过离子键结合起来，形成固定化酶。常用的带有离子交换剂的载体如下：DEAE一纤维素、TEAE一纤维素、AE纤维素、CM纤维素、DEAE一葡萄糖、肌酸激酶,共价结合法a.重氮 b.迭氮 c.卤化氰 d.缩合e.烷基化法,物理包埋法 将酶分子包埋在凝胶的细微格子里制成固定化。常用的凝胶有：聚丙烯酸胺、淀粉、明胶、聚乙烯醇、海藻酸钙、硅树脂 用凝胶包埋法制备的固定化酶如：木瓜蛋白酶、纤维素酶、乳酸脱氢酶,2、酶传感器应用,（1）葡萄糖传感器大肠杆菌改良型葡萄糖传感器MWCNTs-HRP葡萄糖传感器检测血清中葡萄糖浓度,大肠杆菌改良型葡萄糖传感器,利用大肠杆菌中的葡萄糖脱氢酶(mGDH)对氧分子的不敏感性而降低干扰。此传感器把大肠杆菌细胞固定在附有苯醌的石墨电极上，中间夹有一层透析膜。检测葡萄糖浓度达0.2-10 mM，响应时间在2min左右，此葡萄糖传感器用EDTA处理后可再度使用。,Ito Y,Yamazaki S,Biosens Bioelectron.2002,17(11-12):993-8,MWCNTs-HRP葡萄糖传感器,施加电压为-300mv时，可避免抗坏血酸、尿酸等干扰，对葡萄糖在GOD作用下生成的过氧化氢有高的灵敏度。MWCNTs和HRP混合物固定在电极上，制成MWCNTs-HRP改进型电极。检测限达1.0 x 10(-7)mol/L,还可在线检测葡萄糖。,Yamamoto K,Shi G.Analyst.2003,128(3):249-54,检测血清中葡萄糖浓度,在普通葡萄糖电极上加一层多功能膜，使测量不受血液中其它金属离子以及抗坏血酸、尿酸等干扰物质的影响。此多功能膜为磷酸胆碱，甲基丙稀酰胺和纤维素的聚合物。检测血清中葡萄糖浓度达5-650 mg/dl，响应时间小于60s，有很好的重现性和稳定性。,Chen CY,Ishihara K.Biomed Microdevices.1998,1(2):155-66,（2）脲电极,Urea+2H2O 2NH4+2HCO3-,脲 酶,产生的2NH4+为阳离子电极感应。,此外还有：氨基酸电极醇电极尿酸电极乳酸电极青霉素电极亚硝酸离子电极：菠菜亚硝酸还原酶产生NH3,（二）免疫传感器,基本原理 采用抗原与抗体的特异反应将待测物与酶连接，然后通过酶与底物产生颜色反应，用于定量测定。在这种测定方法中有3种必要的试剂：固相的抗原或抗体（免疫吸附剂）酶标记的抗原或抗体（标记物）酶作用的底物（显色剂）,酶联免疫吸附测定法,测量时，抗原（抗体）先结合在固相载体上，但仍保留其免疫活性，然后加一种抗体（抗原）与酶结合成的偶联物（标记物），此偶联物仍保留其原免疫活性与酶活性，当偶联物与固相载体上的抗原（抗体）反应结合后，再加上酶的相应底物，即起催化水解或氧化还原反应而呈颜色。其所生成的颜色深浅与欲测的抗原（抗体）含量成正比。,1、双抗体夹心法此法适用于检验各种蛋白质等大分子抗原,2、间接法间接法是检测抗体最常用的方法，其原理为利用酶标记的抗体检测已与固相结合的受检抗体，故称为间接法。,3、竞争法竞争法可用于抗原和半抗原的定量测定，也可用于测定抗体。,酶联免疫吸附测定法临床应用,酶电极在40nL的微池中检测D-Dimer浓度应用于临床试验。检测到D-Dimer浓度范围为0.1 100 nM，抚育时间从几小时减少到5分钟。利用抗原抗体反应前后电位的变化检测B型肝炎抗原。检测浓度范围为4-800 ng/ml，检测限达1.3 ng/ml。此方法比常规检测更加直接，快速，简单。,Rossier JS,Girault HH.Lab on a Chip.2001,1(2)：153-157,Tang DP,Yuan R.Anal Biochem.2004,333(2):345-50,（三）细胞传感器,以动植物细胞作为生物敏感膜的电化学传感器称为细胞电极，此系酶电极的衍生型电极。动植物细胞中的酶是反应的催化剂。与酶电极比较，细胞电极具有如下优点：1.酶活性较离析酶高。2.酶的稳定性增大。3.材料易于获得。,细胞传感器的应用,细胞传感器可用于诊断早期癌症，用人类脐静脉内皮细胞通过三乙酸纤维素膜固定在离子选择性电极上作为传感器，肿瘤细胞中VEGF刺激细胞使电极电位发生变化从而测得VEGF浓度来诊断癌症。,May KM,Vogt A.Anal Bioanal Chem.2005,382(4):1010-6,