電化學(xué)傳感器

關(guān)于電化學(xué)傳感器第一頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第一節(jié)電化學(xué)傳感器概述

一、傳感器基本概念

傳感器：能感受（或響應(yīng)）一種信息并變換成可測(cè)量信號(hào)的器件。第二頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二物理信息：光、聲、溫度、壓力等化學(xué)信息：組分、氣味、味道等物理傳感器化學(xué)傳感器

化學(xué)傳感器的檢測(cè)對(duì)象：化學(xué)物質(zhì)，要求對(duì)特定分子有選擇性的響應(yīng)。

化學(xué)傳感器依據(jù)其工作原理可以分為：電化學(xué)式、光學(xué)式、熱學(xué)式及質(zhì)量式等。第三頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、電化學(xué)傳感器工作原理

根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同可以分為：離子傳感器、氣體傳感器、生物傳感器

根據(jù)工作方式的不同，可以分為電位型傳感器、電流型傳感器、電導(dǎo)型傳感器

電化學(xué)傳感器：由一個(gè)或多個(gè)能產(chǎn)生與被測(cè)組分某種化學(xué)性質(zhì)相關(guān)電信號(hào)的敏感元件所構(gòu)成的傳感器。第四頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二被分析物選擇性敏感膜

化學(xué)信息換能器電信號(hào)二次儀表

電化學(xué)傳感器總工作原理：將被測(cè)物與敏感材料之間相互作用產(chǎn)生的化學(xué)信息轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信號(hào)。第五頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二1、電位型傳感器工作原理

膜電位與溶液中待測(cè)離子活度（或濃度）的對(duì)數(shù)值呈線性關(guān)系。

離子選擇性膜中的離子與溶液中的離子發(fā)生交換反應(yīng)，在兩個(gè)界面處形成兩個(gè)液接電位。

電位型傳感器中，研究最多的是離子傳感器，或稱離子選擇性電極。第六頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、電流型傳感器工作原理測(cè)量的電流信號(hào)與發(fā)生電極氧化（或還原）的物質(zhì)濃度相關(guān)。通過(guò)測(cè)量電流或電量來(lái)測(cè)定化學(xué)量通常采用三電極體系：工作電極、輔助電極、參比電極第七頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二3、電導(dǎo)型傳感器工作原理通過(guò)測(cè)量電導(dǎo)來(lái)測(cè)定化學(xué)量惠斯頓電橋平衡法電導(dǎo)型傳感器有極高的靈敏度，但幾乎沒(méi)有選擇性，因此應(yīng)用較少。第八頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、電化學(xué)傳感器的性能指標(biāo)

電化學(xué)傳感器的性能指標(biāo)：靈敏度、選擇性、響應(yīng)時(shí)間、準(zhǔn)確性、測(cè)量范圍、溫度系數(shù)、背景電流和儀器噪聲、穩(wěn)定性、使用壽命等。

各性能指標(biāo)與敏感元件的本性、電極材料、制備工藝、信號(hào)收集與處理系統(tǒng)的性能等因素有關(guān)。第九頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二1、靈敏度影響靈敏度的因素：

(1)待測(cè)物在檢測(cè)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(shì)）；

(3)反應(yīng)過(guò)程中每摩爾物質(zhì)傳遞的電流；

(4)待測(cè)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)入的方法；

(6)膜電位的大小及達(dá)到平衡的時(shí)間長(zhǎng)短；

(7)工作電極產(chǎn)生的噪聲信號(hào)大小。第十頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、選擇性對(duì)電位型傳感器而言，選擇性依賴于被測(cè)溶液和參比溶液之間膜電位的大小，膜電位要迅速達(dá)到平衡，只對(duì)所研究的離子有響應(yīng)并隨濃度線性變化；對(duì)電流型傳感器，工作時(shí)的電極電勢(shì)和電催化劑的選擇直接影響傳感器的選擇性。

選擇合適的電解液和操作方法、加過(guò)濾器或選擇滲透膜可提高傳感器的選擇性。第十一頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二3、響應(yīng)時(shí)間對(duì)電位型傳感器，響應(yīng)時(shí)間取決于膜電位達(dá)到平衡的時(shí)間長(zhǎng)短；電流型傳感器的響應(yīng)時(shí)間在很大程度上取決于反應(yīng)電阻和界面電容的時(shí)間常數(shù)。4、背景電流和儀器噪聲

背景電流產(chǎn)生原因：電解液或電極上的雜質(zhì)；電極的腐蝕；反應(yīng)物或?qū)﹄姌O上的反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散。

背景電流與儀器噪聲影響傳感器靈敏度。第十二頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第二節(jié)離子傳感器

離子傳感器又稱離子選擇性電極，它是由敏感膜、內(nèi)導(dǎo)體系、電極控件等部件組成，它能與溶液中某種特定的離子產(chǎn)生選擇性的響應(yīng)。

響應(yīng)是指離子選擇性電極敏感膜在溶液中與特定離子接觸后產(chǎn)生的膜電位值隨溶液中該離子的濃度變化而變化。第十三頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二

將離子選擇性電極與參比電極組成一個(gè)原電池，在零電流條件下測(cè)量原電池電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)能斯特方程計(jì)算溶液中待測(cè)離子的活度。

一、離子傳感器的基本結(jié)構(gòu)玻璃電極硫化銀膜電極離子接觸型全固態(tài)型第十四頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、離子傳感器的分類

根據(jù)膜電極響應(yīng)機(jī)理，膜的結(jié)構(gòu)、組分對(duì)離子傳感器分類：基本傳感器

晶體膜傳感器

均相膜傳感器

非均相膜傳感器

非晶體膜傳感器

帶負(fù)電荷載體流動(dòng)載體傳感器帶正電荷載體敏化傳感器帶中性載體

場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體傳感器硬質(zhì)傳感器（玻璃電極）

氣敏傳感器生物敏傳感器第十五頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二1、晶體膜傳感器

敏感膜是由難溶鹽經(jīng)過(guò)加壓或拉制，制成單晶、多晶或混晶的活性膜。分為均相和非均相晶體膜兩類。均相膜：由一種純固體材料單晶或單種化合物或集中化合物均勻混合壓片制成的膜。非均相膜：除了晶體敏感物外，還加入了高混合惰性載體，如聚氯乙烯、硅橡膠、石蠟等，以改善膜傳感性能。第十六頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二晶體膜傳感器的品種和性能傳感器膜材料線性響應(yīng)濃度范圍c/(molL－1)主要干擾離子F－LaF3＋Eu2＋510－7~110－1OH－Cl－AgCl＋Ag2S510－5~110－1Br－,S2O32－,I－,CN－,S2－Br－AgBr＋Ag2S510－6~110－1S2O32－,I－,CN－,S2－I－AgI＋Ag2S110－7~110－1S2－CN－AgI110－6~110－2I－Ag＋,S2－Ag2S110－7~110－1Hg2＋Cu2＋CuS＋Ag2S510－7~110－1Ag＋,Hg2＋,Fe3＋,Cl－Pb2＋PbS＋Ag2S510－7~110－1Cd2＋,Ag＋,Hg2＋,Cu2＋,Fe3＋,Cl－Cd2＋CdS＋Ag2S510－7~110－1Pb2＋,Ag＋,Hg2＋,Cu2＋,Fe3＋第十七頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二晶體膜電極由電極管、內(nèi)參比電極、內(nèi)充液和敏感膜四部分組成。三種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)：帶內(nèi)參比溶液電極，無(wú)內(nèi)參比溶液電極，復(fù)合電極。帶內(nèi)參比溶液電極：內(nèi)參比電極一般是Ag|AgCl電極，內(nèi)參比溶液一般由電極種類所決定，如氟電極，一般用3.0mmol/LNaF第十八頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二無(wú)內(nèi)參比溶液電極：是一種全固態(tài)電極，內(nèi)參比電極一般使用一根導(dǎo)體銀絲直接與固態(tài)膜焊接，固態(tài)壓片膜的一個(gè)表面加一層銀粉，再將銀絲焊接上去。復(fù)合電極：它與外參比電極組合成一個(gè)測(cè)量電池，測(cè)量時(shí)免去了常用分開(kāi)的參比電極，結(jié)構(gòu)更加緊湊。復(fù)合電極的外參比電極第十九頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、非晶體膜傳感器

膜是由一種含有離子型物質(zhì)或不帶電荷的支撐體組成，這種支撐體是多孔性的膜或無(wú)孔的膜。膜電位是由于膜相中存在著離子交換而引起的。分為硬質(zhì)和流動(dòng)載體傳感器。

硬質(zhì)傳感器的膜由具有離子交換功能的玻璃熔融燒制而成，又稱為玻璃電極。玻璃敏感膜的組成一般為Na2O、SiO2、CaO和A12O3等，根據(jù)其組分和含量的不同，玻璃電極可以響應(yīng)不同的離子。第二十頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二流動(dòng)載體傳感器：敏感膜是由某種有機(jī)液體離子交換劑制成，由電活性物質(zhì)（載體）、溶劑（增塑劑）、基體（微孔支持體）組成。l：內(nèi)充溶液2：Ag－AgCl內(nèi)參比電極3：液體離子交換劑4：浸有液體離子交換劑的多孔性膜

液體離子交換劑與被測(cè)離子結(jié)合，能在膜中遷移，溶液中反號(hào)離子被排斥在膜之外，引起相界面電荷分布不均勻，形成界面電勢(shì)差。第二十一頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二常用流動(dòng)載體傳感器傳感器活性物質(zhì)線性響應(yīng)濃度范圍c/(molL－1)主要干擾離子Ca2＋二（正辛基苯基）磷酸鈣溶于苯基磷酸二辛酯110－5~110－1Zn2＋,Mn2＋,Cu2＋K＋纈氨霉素110－6~110－1Cs＋,NH4＋水硬度Ca2＋＋Mg2＋二癸基磷酸鈣溶于癸醇110－5~110－1Na＋,K＋,Ba2＋,Sr＋,Cu2＋,Ni2＋,Zn2＋,Fe2＋NO3－四（十二烷基）硝酸銨510－6~110－1NO2－,Br－,I－,ClO4－ClO4－鄰二氮雜菲鐵(II)配合物110－5~110－1OH－BF4－三庚基十二烷基氟硼酸銨110－6~110－1I－,SCN－,ClO4－第二十二頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、離子傳感器的響應(yīng)機(jī)理溶液中的離子與敏感膜上的離子之間發(fā)生交換作用

敏感膜內(nèi)外離子活度差

敏感膜內(nèi)外產(chǎn)生電位差

膜電位M

對(duì)于陽(yáng)離子：對(duì)于陰離子：第二十三頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二四、離子選擇性場(chǎng)效應(yīng)晶體管型離子傳感器

ISFET是一種將離子選擇性敏感膜與半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)器件結(jié)合起來(lái)的微電子離子選擇性敏感器件，其核心部件是場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)

溶液中敏感離子的活度與電位間存在能斯特關(guān)系，而電位能控制場(chǎng)效應(yīng)晶體管漏電流的變化，因此測(cè)定漏電流便可知離子的活度。第二十四頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二ISFET的主要特點(diǎn)：①屬于固態(tài)傳感器，機(jī)械性能好、耐震動(dòng)、壽命長(zhǎng)；②構(gòu)造簡(jiǎn)單，體積小，便于批量制作，成本低，便于微型化；③適應(yīng)溫度范圍寬；④輸出阻杭低，與檢測(cè)器的連接線甚至不用屏蔽，不受外來(lái)電場(chǎng)干擾，測(cè)試電路簡(jiǎn)化；⑤可在同一硅片上集成多種傳感器，對(duì)樣品中不同成分同時(shí)進(jìn)行測(cè)量分析。第二十五頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三節(jié)電化學(xué)氣體傳感器

氣體傳感器：能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種裝置或器件，它能將氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的信號(hào)。

電子鼻是一種20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的新穎的分析、識(shí)別和檢測(cè)復(fù)雜嗅味及大多數(shù)揮發(fā)性成份的儀器，是由一定選擇性的傳感器陣列和適當(dāng)?shù)膱D像識(shí)別裝置組成的儀器，能夠識(shí)別單一的或復(fù)合的氣味；是模擬動(dòng)物嗅覺(jué)器官開(kāi)發(fā)出一種高科技產(chǎn)品。第二十六頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二

氣體傳感器有電化學(xué)型、光學(xué)型、半導(dǎo)體型、熱導(dǎo)型、表面聲波型等種類。

電化學(xué)氣體傳感器優(yōu)點(diǎn)：能滿足一般檢測(cè)所需要的靈敏度和準(zhǔn)確性，體積小、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、可用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，價(jià)格低廉。

電化學(xué)氣體傳感器按照工作原理分為電位型氣體傳感器、電流型氣體傳感器（又稱控制電位電解型氣體傳感器）等。第二十七頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二一、電流型電化學(xué)氣體傳感器1、Clark電極（溶解氧電極）Clark電極是一種測(cè)定溶解在液體中的氧的電流型電極，最早由Clark在1956年發(fā)明。Clark電極是一種封閉式電極，它用一疏水透氣膜將電解池體系與待測(cè)體系分開(kāi)。待測(cè)的氧可以通過(guò)透氣膜擴(kuò)散到電極內(nèi)，而待測(cè)溶液中的其他雜質(zhì)不能透過(guò)，這樣可以有效地防止電極被待測(cè)溶液中某些組分污染而中毒。第二十八頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二絕緣材料

Ag/AgCl參比電極

電解質(zhì)溶液

透氧膜

氧氣進(jìn)入膜后在電極表面迅速還原，外電路檢測(cè)的氧氣還原電流正比氧氣的濃度。雙層膜：透氣膜（將電極、電解液與待測(cè)溶液分開(kāi)）；液膜（在透氣膜與電極之間很薄的由電解液形成的，約5~15m）。透氣膜多為聚四氟乙烯膜。第二十九頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二Clark電極被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)處理、水文監(jiān)測(cè)、污水處理、游泳池、魚(yú)塘和化肥、化工、生物等領(lǐng)域的含氧量監(jiān)測(cè)，測(cè)定水中溶解氧以研究光合、呼吸作用等。優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好，膜不易損壞、抗污染。缺點(diǎn)：傳感器的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)（氣體擴(kuò)散到電極表面的速度很慢，氣體在液膜中的擴(kuò)散為整個(gè)電極過(guò)程的控制步驟），響應(yīng)信號(hào)低，溫度系數(shù)大。第三十頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、CO氣體傳感器

工作原理：待測(cè)物的濃度（壓力）與所產(chǎn)生的電流信號(hào)成線性關(guān)系。第三十一頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二CO傳感器工作過(guò)程：(1)被測(cè)氣體進(jìn)入傳感器的氣室。自由擴(kuò)散或機(jī)械泵入。氣體先經(jīng)過(guò)濾器：保護(hù)傳感器（濾掉被測(cè)氣體中的顆粒），提高選擇性（濾掉電活性干擾物）。(2)反應(yīng)物從氣室到達(dá)多孔膜，并向電極一電解液界面擴(kuò)散。多孔膜作用：防止傳感器的漏液現(xiàn)象、進(jìn)一步提高選擇性。(3)電活性物質(zhì)在電解液中的溶解。物質(zhì)穿過(guò)氣液界面的速度和氣體在電解液中的溶解速度決定傳感器的響應(yīng)靈敏度和響應(yīng)時(shí)間。第三十二頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二(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)。當(dāng)被測(cè)氣體為CO，對(duì)電極為空氣電極時(shí)：工作電極： CO＋H2OCO2＋2H＋＋2e對(duì)電極： 1/2O2＋2H＋＋2eH2O總反應(yīng)： CO＋1/2O2

CO2

擴(kuò)散控制下的電流i和溶液中被測(cè)物質(zhì)的濃度成正比關(guān)系：A為電極面積，D為氧化態(tài)物種的擴(kuò)散系數(shù)，t為反應(yīng)時(shí)間，n為電極反應(yīng)電子的計(jì)量系數(shù)。第三十三頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二(6)產(chǎn)物的脫附。如果產(chǎn)物解吸速度很慢，電極可能會(huì)中毒。(7)產(chǎn)物離開(kāi)電極表面的擴(kuò)散。(8)產(chǎn)物的排除。凈化傳感器內(nèi)部空間。如果產(chǎn)物極易溶于電解液，將使傳感器內(nèi)部成分改變，傳感器的信號(hào)響應(yīng)則改變。CO傳感器用酸性電解液。

影響傳感器的響應(yīng)特性的因數(shù)：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、工作電極的電位等。第三十四頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二

電化學(xué)CO氣體傳感器結(jié)構(gòu)：電極、過(guò)濾器、透氣膜、電解液、電極引出線（管腳）、殼體等。CO氣體傳感器與報(bào)警器配套使用，是報(bào)警器中的核心檢測(cè)元件。當(dāng)一氧化碳擴(kuò)散到氣體傳感器時(shí)，其輸出端產(chǎn)生電流輸出，提供給報(bào)警器中的采樣電路，經(jīng)報(bào)警器的中間電路轉(zhuǎn)換放大輸出，以驅(qū)動(dòng)不同的執(zhí)行裝置，完成聲、光和電等檢測(cè)與報(bào)警功能。第三十五頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二3、電流型氣體傳感器優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)氣體種類多，測(cè)量濃度范圍寬，精度高，便于攜帶，可用于現(xiàn)場(chǎng)直接監(jiān)測(cè)。

不足：電解液的蒸發(fā)或污染導(dǎo)致傳感器信號(hào)衰減，使用壽命短；催化劑長(zhǎng)期與電解液直接接觸，使催化活性降低；在干燥的氣氛中，傳感器中的電解液很容易失水而干涸，致使傳感器失效；容易發(fā)生漏液現(xiàn)象，腐蝕電子線路；傳感器的微型化困難。第三十六頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、固體電解質(zhì)氣體傳感器

固體電解質(zhì)類型：高溫陶瓷型、快離子導(dǎo)體類、高聚物。

氧化鋯固體電解質(zhì)氧氣傳感器原理：穩(wěn)定化的二氧化鋯對(duì)氧離子具傳導(dǎo)性。

穩(wěn)定化的ZrO2：ZrO2中分別加入10～15％（摩爾比）CaO和Y2O3并使之固溶。該物質(zhì)具有大量由氧氣逸出而形成的離子性晶格缺陷，在500～600oC以上形成氧離子選擇性透過(guò)的離子導(dǎo)體。第三十七頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二氧化鋯PtPtVP(O2)待測(cè)氣體P(O2)基準(zhǔn)氣體氧傳感器構(gòu)成：氧化鋯固體電解質(zhì)為薄膜，兩邊安裝上多孔性鉑電極。

若兩側(cè)氧分壓不同，則氧氣從高壓一側(cè)透過(guò)氧化鋯薄膜向低壓一側(cè)擴(kuò)散，在薄膜兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，即構(gòu)成膜電勢(shì)：第三十八頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二三、濕敏傳感器

某些敏感材料能產(chǎn)生與濕度（水蒸氣含量）有關(guān)的物理效應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)，將濕度的變化轉(zhuǎn)換成某個(gè)電信號(hào)（電阻、電容值等）。1、高分子電阻濕敏傳感器

高分子電解質(zhì)感濕材料吸收水分后引起兩電極間電阻的變化，將相對(duì)濕度的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化。

組成：感濕層、電極和具有一定機(jī)械強(qiáng)度的絕緣基片等。第三十九頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、高分子電容濕敏傳感器

當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度增大時(shí)，環(huán)境氣氛中的水分子沿著電極的毛細(xì)微孔進(jìn)入感濕膜面被吸附，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加，所以電容量增大。

組成：在微晶玻璃襯底上，利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)全濕范圍的濕度，線性好，重復(fù)性好，滯后小，響應(yīng)快，尺寸小。第四十頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二3、半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器

當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，多孔感濕陶瓷吸濕，電阻值隨之變化。

組成：由多孔感濕陶瓷薄片的兩面加上兩個(gè)電極，再焊出引線；外面圍繞鎳鎘加熱絲，并由引腳引出；把它們固定在絕緣陶瓷底座上。

注意：為了防止電阻極化，測(cè)量時(shí)必須是交流；在高溫、高濕環(huán)境下，要定期加熱清洗，使傳感器恢復(fù)性能。第四十一頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二第四節(jié)電化學(xué)生物傳感器

一、生物傳感器

將生物體的成份（酶、抗原、抗體、DNA等）或細(xì)胞、組織固定化在載體上作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器。

生物分子識(shí)別元件（感受器）：具有分子識(shí)別能力的生物活性物質(zhì)（如組織、細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞膜、酶、抗體、核酸等）。信號(hào)轉(zhuǎn)換器：電化學(xué)傳感器、光學(xué)檢測(cè)元件、熱敏電阻、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、壓電石英晶體及表面等離子共振器件等。第四十二頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二放大換能器接受器信號(hào)測(cè)量生物傳感器原理敏感元生物催化反應(yīng)專一性生物傳感器具有良好的選擇性第四十三頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二生物傳感器優(yōu)點(diǎn)

1、選擇性好，樣品不需預(yù)處理，測(cè)定時(shí)一般不需另加其它試劑。

2、體積小，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。

3、響應(yīng)快、樣品用量少；且由于敏感材料是固定化的，可以反復(fù)多次使用。

4、傳感器連同測(cè)定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀器，因而便于推廣普及。第四十四頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二生物傳感器的應(yīng)用生物傳感器生物醫(yī)學(xué)體育運(yùn)動(dòng)食品和藥物分析軍事環(huán)境檢測(cè)第四十五頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二生物傳感器分類抗原或抗體免疫傳感器細(xì)胞傳感器微生物傳感器組織傳感器酶?jìng)鞲衅髅肝⑸锛?xì)胞組織半導(dǎo)體傳感器測(cè)熱型傳感器光學(xué)傳感器測(cè)聲型傳感器電化學(xué)傳感器敏感元按敏感材料分類按信號(hào)轉(zhuǎn)換器分類信號(hào)轉(zhuǎn)換器電化學(xué)裝置場(chǎng)效應(yīng)管光纖熱敏電阻SAW裝置電化學(xué)傳感器酶?jìng)鞲衅骺山徊娴谒氖?yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二二、電化學(xué)生物傳感器原理待測(cè)物敏感物固定載體電極物理、化學(xué)變化電信號(hào)信號(hào)測(cè)量信號(hào)處理敏感元生物電極電流法電位法安培法第四十七頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二生物分子固定方法關(guān)鍵因素生物分子固定材料生物電極的構(gòu)筑吸附、包埋、交聯(lián)、化學(xué)鍵合無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料、復(fù)合材料第四十八頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二保持生物分子的催化活性和專一性生物分子與載體結(jié)合牢固固定化生物分子要有最小的空間位阻載體要有一定的機(jī)械強(qiáng)度載體穩(wěn)定，不可與底物、產(chǎn)物反應(yīng)載體具有生物相容性1、生物分子固定化方法與載體選擇原則三、生物分子固定化第四十九頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、生物分子常規(guī)固定化方法

吸附法包埋法共價(jià)結(jié)合法交聯(lián)法

第五十頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（1）吸附法通過(guò)載體表面和生物分子表面間的次級(jí)鍵相互作用而達(dá)到固定目的的方法。將生物分子溶液與具有活潑表面的吸附劑接觸，再經(jīng)洗滌除去未吸附的生物分子。是最簡(jiǎn)單的固定化技術(shù)，在經(jīng)濟(jì)上也最具有吸引力。第五十一頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二根據(jù)吸附劑的特點(diǎn)又分為：物理吸附法：通過(guò)氫鍵、疏水鍵、π電子親和力等物理作用力將生物分子吸附于不溶性載體。常用的載體有：高嶺土、皂土、硅膠、氧化鋁、磷酸鈣膠、微空玻璃等無(wú)機(jī)吸附劑，纖維素、膠原以及火棉膠等有機(jī)吸附劑。離子結(jié)合法：在適宜的pH和離子強(qiáng)度條件下，利用生物分子的側(cè)鏈解離基團(tuán)和離子交換基間的相互作用而達(dá)到固定化。最常用的交換劑有CM-纖維素、DEAE-纖維素、DEAE-葡聚糖凝膠等。離子交換劑的吸附容量一般大于物理吸附劑。第五十二頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二影響生物分子在載體上吸附程度的因素:1.pH：影響載體和生物分子電荷,從而影響吸附。2.離子強(qiáng)度：多方面的影響，一般認(rèn)為鹽阻止吸附。3.生物分子濃度：若吸附劑的量固定，隨生物分子濃度增加，吸附量也增加，直至飽和。4.溫度：生物蛋白往往是隨溫度上升而減少吸附。5.吸附速度：生物蛋白在固體載體上的吸附速度要比小分子慢得多。6.載體：對(duì)于非多孔性載體，則顆粒越小吸附力越強(qiáng)。多孔性載體，要考慮吸附對(duì)象的大小和總吸附面積的大小。第五十三頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二吸附法的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，條件溫和，可供選擇的載體類型多，吸附過(guò)程可同時(shí)達(dá)到純化和固化的目的，所得到的固定化生物蛋白使用失活后可以重新活化和再生。

吸附法的缺點(diǎn)：生物分子與載體的結(jié)合力不強(qiáng)，易脫落，會(huì)導(dǎo)致催化活力的喪失和沾污反應(yīng)產(chǎn)物。所得到的傳感器穩(wěn)定性、重現(xiàn)性差，靈敏度低、使用壽命短。吸附法的優(yōu)缺點(diǎn)第五十四頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（2）包埋法

將載體（聚合物等）與生物分子溶液混合，借助物理作用，生物分子被包埋在載體中以達(dá)到固定化。包埋法操作簡(jiǎn)單，由于生物分子只被包埋，未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可得高活力的固定化生物蛋白。對(duì)大多數(shù)生物分子甚至完整的微生物細(xì)胞都適用。

第五十五頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二包埋法包括凝膠包埋法和微囊化包埋法：

凝膠包埋法（膠格包埋法）：將生物分子包埋在高聚物網(wǎng)格內(nèi)的包埋方法。

聚丙烯酰胺包埋法：丙烯酰胺單體、交聯(lián)劑和蛋白混合，然后加入催化劑使之開(kāi)始聚合，結(jié)果就在生物分子周圍形成交聯(lián)的高聚物網(wǎng)絡(luò)。

海藻酸鈉也可以用來(lái)作為包埋載體，它從海藻中提取出來(lái)，可被多價(jià)離子Ca2+、Al3+凝膠化。

K-角叉萊膠（卡拉膠）冷卻成膠或與二、三價(jià)金屬離子成膠。包埋條件溫和無(wú)毒性，機(jī)械強(qiáng)度好。固定化的蛋白回收率和穩(wěn)定性都比聚丙烯酰胺法好。

明膠、殼聚糖等也是常用的包埋載體。第五十六頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二

微囊化包埋法：將生物分子包埋于具有半透性聚合物膜的微囊內(nèi)。它使蛋白存在于類似細(xì)胞內(nèi)的環(huán)境中，從而增加了生物分子的穩(wěn)定性。界面沉淀法是一種簡(jiǎn)單的物理微囊化法，它是利用某些高聚物在水相和有機(jī)相的界面上溶解度較低而形成的皮膜將蛋白包埋。界面聚合法是用化學(xué)手段制備微囊的方法。他所得的微囊外觀好，但不穩(wěn)定，有些生物分子還會(huì)因在包埋過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而失活。表面活性劑乳化液膜包埋法是在水溶液中添加表面活性劑使之乳化形成液膜達(dá)到包埋目的的一種方法。第五十七頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二

包埋法的優(yōu)點(diǎn)：是一種反應(yīng)條件溫和、很少改變生物蛋白結(jié)構(gòu)但是又較牢固的固定化方法。

包埋法的缺點(diǎn)：只有小分子底物和產(chǎn)物可以通過(guò)高聚物網(wǎng)架擴(kuò)散，對(duì)那些底物和產(chǎn)物是大分子的生物蛋白并不適合。這是由于高聚物網(wǎng)架會(huì)對(duì)大分子物質(zhì)產(chǎn)生擴(kuò)散阻力導(dǎo)致固定化生物分子動(dòng)力學(xué)行為改變，使活力降低。包埋法的優(yōu)缺點(diǎn)第五十八頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（3）共價(jià)結(jié)合（偶聯(lián)）法生物蛋白分子上的功能基團(tuán)和固相支持物表面上的反應(yīng)基團(tuán)之間形成共價(jià)鍵，因而將生物分子固定在支持物上（借助共價(jià)鍵將生物蛋白的非活性側(cè)鏈基團(tuán)和載體的功能基團(tuán)進(jìn)行偶聯(lián)）。第五十九頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二

共價(jià)偶聯(lián)法操作原則：

（a）載體的物化性質(zhì)要求載體親水，并且有一定的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同時(shí)具備在溫和條件下與生物分子結(jié)合的功能基團(tuán)。

（b）偶聯(lián)反應(yīng)的反應(yīng)條件必須在溫和pH、中等離子強(qiáng)度和低溫的緩沖溶液中。

（c）所選擇的偶聯(lián)反應(yīng)要盡量考慮到對(duì)蛋白的其它功能基團(tuán)副反應(yīng)盡可能少。

（d）要考慮到蛋白固定化后的構(gòu)型，盡量減少載體的空間位阻對(duì)蛋白活力的影響。第六十頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二生物蛋白可提供的與載體連接的功能基團(tuán)：①蛋白N—端的氨基；②蛋白C-端的羧基以及Asp殘基的α-羧基和Glu殘基γ-羧基；③Cys殘基的巰基；④Ser、Tyr、Thr殘基的羥基；⑤Phe和Tyr殘基的苯環(huán)；⑥His殘基的咪唑基；⑦Trp殘基的吲哚基。在實(shí)際中偶聯(lián)最普遍的基團(tuán)是：氨基、羧基、苯環(huán)。被偶聯(lián)的基團(tuán)還應(yīng)是生物分子活性的非必需基團(tuán)，否則將導(dǎo)致生物蛋白失活。第六十一頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二共價(jià)偶聯(lián)法載體的選擇的一般要求:①一般親水載體在蛋白質(zhì)結(jié)合量和固定化生物分子活力及其穩(wěn)定性上都優(yōu)于疏水載體。②載體結(jié)構(gòu)疏松，表面積大，有一定的機(jī)械強(qiáng)度。③載體必須有在溫和條件與生物蛋白共價(jià)結(jié)合的功能基團(tuán)。④載體沒(méi)有或很少有非專一性吸附。⑤載體來(lái)源容易，能反復(fù)使用。第六十二頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二偶聯(lián)反應(yīng)：縮合反應(yīng)：一些帶羧基或氨基的載體用碳化二亞胺活化后，與生物蛋白分子的氨基或羧基直接偶聯(lián)。酸酐反應(yīng)：在己二胺作用下，酸酐與生物蛋白的氨基起偶聯(lián)反應(yīng)。重氮反應(yīng)：將帶芳香族氨基的載體，先用NaNO2和稀鹽酸酸處理成重氮鹽衍生物，再與生物蛋白發(fā)生偶聯(lián)。異硫氰酸反應(yīng)：含有芳香氨基的載體，與光氣反應(yīng)生成異硫氰酸，再與酶分子的氨基連接。活化酯法：含羧基的載體在二環(huán)己基碳二亞胺存在下用N—羥基琥珀酰亞胺活化，再連接生物蛋白。酰氯化反應(yīng)：含羧基載體，用氯化亞砜處理，生成酰氯衍生物，再與蛋白的氨基偶聯(lián)。第六十三頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二

共價(jià)偶聯(lián)法的優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)鍵的形成將生物分子固定于固體表面，不易發(fā)生分子的泄漏，并且改善了生物分子在表面的定向、均勻分布狀況。得到的固定化蛋白結(jié)合牢固、穩(wěn)定性好、利于連續(xù)使用。

共價(jià)偶聯(lián)法的缺點(diǎn)：載體活化的操作復(fù)雜、耗時(shí)，反應(yīng)條件激烈；生物分子易失活，共價(jià)結(jié)合會(huì)影響到蛋白的空間構(gòu)象，對(duì)蛋白的催化活性產(chǎn)生影響。共價(jià)偶聯(lián)法的優(yōu)缺點(diǎn)第六十四頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（4）交聯(lián)法利用雙功能或多功能試劑在生物分子間或生物分子與載體間，或生物分子與惰性蛋白間進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，得到三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。交聯(lián)試劑：戊二醛、苯基二異硫氰等。第六十五頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（a）直接交聯(lián)法

在生物分子溶液中加入適量多功能試劑，使其形成不溶性衍生物。固定化依賴于生物分子與試劑的濃度、溶液pH和離子強(qiáng)度、溫度和反應(yīng)時(shí)間之間的平衡。交聯(lián)法種類（b）載體交聯(lián)法

用多功能試劑的一部分功能基團(tuán)化學(xué)修飾高聚物載體，而其中的另一部分功能基團(tuán)偶聯(lián)生物蛋白。第六十六頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（c）輔助蛋白交聯(lián)

當(dāng)可得到的蛋白量有限，可以使用第二個(gè)“載體”蛋白來(lái)增加蛋白質(zhì)濃度，從而使蛋白共交聯(lián)。這種“載體”蛋白即輔助蛋白，可以是白蛋白、明膠、血紅蛋白等。（d）吸附交聯(lián)法先將蛋白吸附在硅膠、皂土、氧化鋁、球狀酚醛樹(shù)脂或其他大孔型離子交換樹(shù)脂上，再用戊二醛等雙功能試劑交聯(lián)。第六十七頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二交聯(lián)法的優(yōu)缺點(diǎn)

交聯(lián)法的優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)化學(xué)鍵將生物分子固定于固體表面，不易發(fā)生分子的泄漏。

交聯(lián)法的缺點(diǎn)：反應(yīng)難以控制，形成的蛋白質(zhì)層蓬松、堅(jiān)固性差，所需生物樣品量多。單用交聯(lián)法制備的固定化生物蛋白活力較低，常將此法與吸附法、包埋法結(jié)合使用，可以達(dá)到既提高固定化蛋白的活力，又起到加固的效果。

第六十八頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二物理吸附包埋法共價(jià)結(jié)合法共價(jià)交聯(lián)法制備易易難難結(jié)合力弱強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)酶活力高高中中底物專一性無(wú)變化無(wú)變化有變化有變化再生可能不可能不可能不可能固定化費(fèi)用低中高中制法特性（5）四種固定化方法的特點(diǎn)小結(jié)新方法：自組裝法、LB膜法、電化學(xué)法、多方法復(fù)合等第六十九頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二3、生物分子固定的載體材料無(wú)機(jī)材料聚合物材料成膜性不好好滲透性好一般固定量較高一般對(duì)酶影響基本不影響酶結(jié)構(gòu)基本不影響酶結(jié)構(gòu)結(jié)合力一般不高一般較高無(wú)機(jī)、聚合物復(fù)合材料可改善固定化生物分子的性能第七十頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二4、生物分子固定化發(fā)展方向優(yōu)越的固定材料優(yōu)異的固定方法突破瓶頸拓展應(yīng)用第七十一頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二四、電化學(xué)酶?jìng)鞲衅?/p>

電化學(xué)酶?jìng)鞲衅魇怯晒潭ɑ概c電化學(xué)傳感器組合而成的生物傳感器。

酶具有高效催化性和高度專一性，使得傳感器具有高度的選擇性。

電化學(xué)酶?jìng)鞲衅鬟x擇性高、響應(yīng)快、靈敏度高、操作簡(jiǎn)便，能快速測(cè)定試液中某一給定化合物的濃度，且需樣品量很少。1、電化學(xué)酶?jìng)鞲衅魈攸c(diǎn)與分類第七十二頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二

依據(jù)酶與電極之間的電子傳遞機(jī)理，將酶?jìng)鞲衅鞣譃槿?/p>

根據(jù)電化學(xué)測(cè)量信號(hào)，酶?jìng)鞲衅髦饕譃殡娏餍秃碗娢恍?。第七十三?yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、電流型酶?jìng)鞲衅?/p>

將酶促反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)在電極上發(fā)生氧化或還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流信號(hào)，在恒電位下，所測(cè)電流信號(hào)與被測(cè)物濃度呈線性關(guān)系。測(cè)定對(duì)象酶基本傳感器葡萄糖葡萄糖氧化酶O2,H2O2半乳糖半乳糖氧化酶O2,H2O2尿酸尿酸酶O2,H2O2乳酸乳酸氧化酶O2,H2O2膽固醇膽固醇氧化酶O2,H2O2L－氨基酸L一氨基酸氧化酶H2O2,I2,O2單胺單胺氧化酶O2苯酚酪氨酸酶醌乙醇乙醇氧化酶O2，H2O2

第七十四頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二生物分子識(shí)別元件：葡萄糖氧化酶膜可測(cè)量：O2的減少量，葡萄糖酸或H2O2產(chǎn)生量（1）葡萄糖傳感器第七十五頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二H2O2O22e-O2GlucoseGlucnolactoneGODElectrodeBiomembraneSolutionE=0.6VH2O2氧化產(chǎn)生的電流與葡萄糖濃度成正比。該方法靈敏度高，其最低檢出限達(dá)10nM。但工作電位較高，電活性物質(zhì)（維生素C、尿酸等）產(chǎn)生干擾。第七十六頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二生物分子識(shí)別元件：乙醇氧化酶膜可測(cè)量：O2的減少量，H2O2產(chǎn)生量（2）乙醇傳感器生物分子識(shí)別元件：乙醇脫氫酶膜可測(cè)量：Ox電子傳遞介質(zhì)（二茂鐵、四硫富瓦烯等）第七十七頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二（3）酚傳感器PPOO2Electrode2e--0.2VBiomembraneSolutionOHOHOOOHOH第七十八頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二3、電位型酶?jìng)鞲衅?/p>

將酶促反應(yīng)所引起的物質(zhì)量的變化轉(zhuǎn)變成電位信號(hào)輸出，電位信號(hào)大小與底物濃度的對(duì)數(shù)值呈線性關(guān)系?；緜鞲衅鳎簆H電極、氣敏電極（CO2、NH3）等，直接影響酶電極性能。例：尿素傳感器常用氨敏電極測(cè)定，用于臨床全血、血清、尿液等樣品中尿素含量的測(cè)定及尿素生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)分析。第七十九頁(yè)，共九十頁(yè)，編輯于2023年，星期二五、電化學(xué)DNA傳感器

基因傳感器包括DNA生物傳感器和RNA生物傳感器兩大類

電化學(xué)DNA傳感器根據(jù)工作原理的不同可分為電流型、電致化學(xué)發(fā)光型及電導(dǎo)型等

根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的不同，基因傳感器可