第六章电化学传感器ppt课件
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(优质)电化学传感器PPT课件
通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正、负极间 流动。测量该电流即可确定气体浓度。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。参考电极安装 在电解质中，与传感电极邻近。固定的稳定恒电势作用于传感电极。参考电 极可以保持传感电极上的这种固定电压值。参考电极间没有电流流动。气体 分子与传感电极发生反应，同时测量反电极，测量结果通常与气体浓度直接 相关。施加于传感电极的电压值可以使传感器针对目标气体。
二、分类
电化学传感器的分类方法很多,按照其输出 信号的不同可以分为电位型传感器、电流型传 感器和电导型传感器。而按照电化学传感器所 检测的物质不同,电化学传感器主要可以分为 离子传感器、气体传感器和生物传感器。
三、原理
电位型传感器是将溶解于电解质溶液中的 被测物质作用于电极而产生的电动势作为传感 器的输出,从而实现对被测物质的检测；电流 型传感器是在保持电极和电解质溶液的界面为 一恒定的电位时，将被测物直接氧化或还原， 并将流过外电路的电流作为传感器的输出，从 而实现对被测物质的检测；电导型传感器是将 被测物氧化或还原后电解质溶液电导的变化作 为传感器的输出从而实现被侧物质的检测。
D. 过滤器：有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤 除不需要的气体。过滤器的选择范围有限，每种过滤器 均有不同的效率度数。多数常用的滤材是活性炭。活性 炭可以滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。通过 选择正确的滤材，电化学传感器对其目标气体可以具有 更高的选择性。
4.2 应用实例
CO气体传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心检 测元件，它是以定电位电解为基本原理。当CO扩散到气 体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中 的采样电路，起着将化学能转化为电能的作用。当气体 浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比 变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同 的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能，与相 应的控制装置一同构成了环境检测或监测报警系统。 当CO通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表 面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工 作电极上发生氧化。其化学反应式为：
二、分类
电化学传感器的分类方法很多,按照其输出 信号的不同可以分为电位型传感器、电流型传 感器和电导型传感器。而按照电化学传感器所 检测的物质不同,电化学传感器主要可以分为 离子传感器、气体传感器和生物传感器。
三、原理
电位型传感器是将溶解于电解质溶液中的 被测物质作用于电极而产生的电动势作为传感 器的输出,从而实现对被测物质的检测；电流 型传感器是在保持电极和电解质溶液的界面为 一恒定的电位时，将被测物直接氧化或还原， 并将流过外电路的电流作为传感器的输出，从 而实现对被测物质的检测；电导型传感器是将 被测物氧化或还原后电解质溶液电导的变化作 为传感器的输出从而实现被侧物质的检测。
D. 过滤器：有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤 除不需要的气体。过滤器的选择范围有限，每种过滤器 均有不同的效率度数。多数常用的滤材是活性炭。活性 炭可以滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。通过 选择正确的滤材，电化学传感器对其目标气体可以具有 更高的选择性。
4.2 应用实例
CO气体传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心检 测元件，它是以定电位电解为基本原理。当CO扩散到气 体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中 的采样电路，起着将化学能转化为电能的作用。当气体 浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比 变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同 的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能，与相 应的控制装置一同构成了环境检测或监测报警系统。 当CO通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表 面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工 作电极上发生氧化。其化学反应式为：
《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：
电化学生物传感器
五：应用
Park 等报道了一种由多功能 DNA 四通接 头(4WJ)和羧基二硫化钼 (羧基-MoS2)杂 化材料组成的电化学生物传感器，羧 基MoS2 提高了这种生物传感器的灵敏度， 该电化学生物传感器对 H1N1 显示出良好 的线性响应，线性范围在 100 nmol·L 1 到 10 pmol·L -1 之间
2，高度灵敏、信号 生成和读出速度快、所需样品少、病毒检测成本低廉，以及需要相对 简单的操作仪器等优点而被广泛应用于高发且传染性强的病毒检测中 3，
电化学生物传感器-XYZ
四：分类
1，按识别元件分类： DNA 生物传感器 检测病毒：人乳头瘤病毒
电化学酶传感器
检测病毒：体内番茄红素中的谷氨酸
电化学免疫传感器检测病毒：SARS-CoV 和 SARS-CoV-2中S 蛋白
电化学生物传感器-XYZ
01 病和有效控制疫病传播的关键。 因此，迫切需要快
02 速、准确、高灵敏且便捷的检测 技术来诊断引起疫
03 病的病毒
电化学生物传感器-XYZ
二：检测原理
1，基本原理：电化学生物传感器是一种通过将生化反应转化为定量电信号来检测被分析 物的分析装置。它将生 物识别分子(如抗体)的特异性与电化学检测技术的 优势相结合
五：应用
B.Mojsoska 等[57]开发一种 快速检 测 SARS-CoV-2 的无 标签电化学生物传感器测定法
五：应用
六：总结
重要性
五：应用
病毒感染是导致人类与动物患病的主要原因之一，严重威胁着人类与动物的健康和安全，同时也造成了 巨大的经济损失。为了保证人类的生命安全和财产安全，及时发现与诊断病毒十分重要 电化学生 物传感器是用生物活性材料(酶、蛋白质、DNA、抗 体、抗原等)与化学换能器有机结合的一门 新兴交叉 学科，是生物技术发展过程中必不可少的一种检测与监控方法，同时也是一种快速、微量分析 方法，未来势必会成为一种发展趋势 3，与传统方法比较 传统的检测方法虽然 应用广泛且特异性强，但存在需要专业技术人员和费用较高等缺陷。电化学生物传 感器具有构造简单 方便、用时较短、检测结果灵敏、不需要专业技术人 员等多重特点，是理想的病毒检测平台，在动物和人类健康监测方面具有广阔的应用前景
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。
电化学免疫传感器的应用课件课件
G,Nitti C D , et al . Highly sensitive amperometric enzyme immunoassay for α-fetoprotein in human serum[ J ] . J Immunol Methods ,1996 ,193(1) :51-62.)
性的生物催化剂(如乳糖酶)来标记抗胰岛素抗体。与固定在电极
上的胰岛素特异性结合，乳糖酶催化电极上氧的电还原反应，从而
使电极上电位增加，其增加值与溶液中游离抗原(胰岛素)浓度有 比例关系。检测胰岛素,获得了很宽的线性范围(300 mV) （Direct electron transfer catalyzed by enzymes : application for biosensor development[J ] .Biosens Bioelectron ,2000 ,28(2) :84－89）
电极表面微环境的改变，宏观上则表现为电流、电压、电 导率等电化学信息的变化
第27页，幻灯片共32页
• Louis等在用巯基烷烃保护金电极减少杂蛋白的非特异吸附又不降低其 导电能力的同时,用含巯基的硅烷作偶联剂将链霉亲合素定向固定在金 电极表面的SiO2 层,使之能够与生物素化抗原精确结合,效果很好。
第9页，幻灯片共32页
用戊二醛交联法在铂或银电极上固定IgG抗体,电位差△E 与抗原浓度C之间存在着良好的线性关系,回收率高,使用仪器装置简单,可重 复使用（孙宝元 杨宝清主编.传感器及其应用手册.北京：机械工业出
版社，2004 ：348）
第10页，幻灯片共32页
2.1.2 酶标记电位型免疫传感器
γ at the attomolar level [J ] . Anal Chem,2001 ,73 (3) :901-907)
性的生物催化剂(如乳糖酶)来标记抗胰岛素抗体。与固定在电极
上的胰岛素特异性结合，乳糖酶催化电极上氧的电还原反应，从而
使电极上电位增加，其增加值与溶液中游离抗原(胰岛素)浓度有 比例关系。检测胰岛素,获得了很宽的线性范围(300 mV) （Direct electron transfer catalyzed by enzymes : application for biosensor development[J ] .Biosens Bioelectron ,2000 ,28(2) :84－89）
电极表面微环境的改变，宏观上则表现为电流、电压、电 导率等电化学信息的变化
第27页，幻灯片共32页
• Louis等在用巯基烷烃保护金电极减少杂蛋白的非特异吸附又不降低其 导电能力的同时,用含巯基的硅烷作偶联剂将链霉亲合素定向固定在金 电极表面的SiO2 层,使之能够与生物素化抗原精确结合,效果很好。
第9页，幻灯片共32页
用戊二醛交联法在铂或银电极上固定IgG抗体,电位差△E 与抗原浓度C之间存在着良好的线性关系,回收率高,使用仪器装置简单,可重 复使用（孙宝元 杨宝清主编.传感器及其应用手册.北京：机械工业出
版社，2004 ：348）
第10页，幻灯片共32页
2.1.2 酶标记电位型免疫传感器
γ at the attomolar level [J ] . Anal Chem,2001 ,73 (3) :901-907)
电化学传感器综述ppt课件
10
二、控制电位电解型（电流型）气体传感器
监测和控制大气环境中污染物的排放关系到人类社 会的可持续发展；
目前的气体检测手段：热导分析、磁式氧分析、电子捕 获分析、紫外吸收分析、光纤传感器、半导体气敏传感器、 化学发光式气体分析仪、电化学式传感器、化学分析法。
化学发光式气体分析仪：检测灵敏度高、准确性强，但 仪器体积大，不能用于现场检测，且价格昂贵；
以测得的电动势 E 值与相应的 lgaMn+值绘制工作曲线，即可
求得未知溶液中待测离子的浓度。
9
离子传感器研究较多的是玻璃电极，除测量PH的 电极外，引进玻璃的成分，已制成 Na+、K+、NH4+、 Ag+、Tl+、Li+、Rb+、Cs+等一系列一价阳离子的选 择性电极；
利用Ag2S压片可制成S2-离子选择性电极，已制成 F-、Cl-、Br-、I-、CN-、NO3-等阴离子选择电极
3
化学传感器的分类：
按检测物质种类可以分为：以pH传感器为代表的 各种离子传感器，检测气体的气体传感器以及利 用生物特性制成的生物传感器等等。 依据其原理可分为：① 电化学式；② 光学式； ③ 热学式；④质量式等。 电化学传感器是利用电化学原理，将被测组份的 浓度变化与电信号联系起来，从而提供被检测体 系中化学组份实时信息的一类器件。
19
特点：灵敏度高、选择性好、响应快、操作简便、样品需要量
少、可微型化、价格低廉等。
分类：电化学式和光学式；
生物电化学传感器：电位式、电流式和电导式；
研究和应用最多的是酶传感器。
1962年 Clark等人提出将酶作为与电极结合试剂，并通过检测其 酶催化反应所消耗的氧气来测定葡萄糖的含量。
二、控制电位电解型（电流型）气体传感器
监测和控制大气环境中污染物的排放关系到人类社 会的可持续发展；
目前的气体检测手段：热导分析、磁式氧分析、电子捕 获分析、紫外吸收分析、光纤传感器、半导体气敏传感器、 化学发光式气体分析仪、电化学式传感器、化学分析法。
化学发光式气体分析仪：检测灵敏度高、准确性强，但 仪器体积大，不能用于现场检测，且价格昂贵；
以测得的电动势 E 值与相应的 lgaMn+值绘制工作曲线，即可
求得未知溶液中待测离子的浓度。
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离子传感器研究较多的是玻璃电极，除测量PH的 电极外，引进玻璃的成分，已制成 Na+、K+、NH4+、 Ag+、Tl+、Li+、Rb+、Cs+等一系列一价阳离子的选 择性电极；
利用Ag2S压片可制成S2-离子选择性电极，已制成 F-、Cl-、Br-、I-、CN-、NO3-等阴离子选择电极
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化学传感器的分类：
按检测物质种类可以分为：以pH传感器为代表的 各种离子传感器，检测气体的气体传感器以及利 用生物特性制成的生物传感器等等。 依据其原理可分为：① 电化学式；② 光学式； ③ 热学式；④质量式等。 电化学传感器是利用电化学原理，将被测组份的 浓度变化与电信号联系起来，从而提供被检测体 系中化学组份实时信息的一类器件。
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特点：灵敏度高、选择性好、响应快、操作简便、样品需要量
少、可微型化、价格低廉等。
分类：电化学式和光学式；
生物电化学传感器：电位式、电流式和电导式；
研究和应用最多的是酶传感器。
1962年 Clark等人提出将酶作为与电极结合试剂，并通过检测其 酶催化反应所消耗的氧气来测定葡萄糖的含量。
电化学传感器工作原理
电化学传感器工作原理
电化学传感器工作原理是利用电化学反应来进行测量或监测的传感器。
其工作原理依赖于电极与被测物之间的电化学反应。
电化学传感器通常包含一个工作电极、一个参比电极和一个电解质。
被测物与工作电极发生电化学反应，产生一个电流或电势变化。
这个变化与被测物的浓度或活性有关，因此可以通过测量这个变化来确定被测物的浓度或活性。
具体来说，工作电极表面常常覆盖一层特定的化学物质，该物质能与被测物发生电化学反应。
在电解质的存在下，当被测物接触到工作电极表面时，会引发电化学反应，导致电流或电势的变化。
这些电流或电势变化可以通过连接到参比电极上的电路来测量。
参比电极一般具有稳定的电势，用于提供一个稳定的基准进行测量。
总的来说，电化学传感器通过测量电流或电势的变化来获取被测物的浓度或活性信息。
这种测量方法简便、快速、灵敏，因此被广泛应用于环境监测、生物传感、食品安全等领域。
《电化学生物传感器》课件
在医疗诊断中的应用
血糖监测
糖尿病患者可使用电化学 生物传感器方便地监测血 糖水平，调整治疗方案。
疾病诊断
通过检测生物标志物，电 化学生物传感器有助于早 期诊断癌症、传染病等疾 病。
药物浓度监测
在药物治疗过程中，实时 监测药物浓度有助于确保 治疗效果并防止药物过量 。
在食品检测中的应用
农药残留检测
生物科学研究
在药物筛选、基因表达分析等领域发挥重要作用，促进生物科学研 究的发展。
电化学生物传感器的实验操
05
作与演示
实验操作流程
实验准备
确保实验室环境干净整洁 ，避免干扰实验结果。
准备实验器材和试剂，包 括电化学工作站、电极、 电解质溶液等。
实验操作流程
实验操作步骤
1
2
按照实验指导书搭建实验装置，连接电化学工作 站与电极。
生物传感器具有高灵敏度、高选择性、快速响应等特点，广泛应用于环境监测、食品安全、医疗诊断等 领域。
生物传感器的重要性
01 生物传感器在环境监测中能够快速、准确地检测 出污染物，为环境保护提供有力支持。
02 在食品安全领域，生物传感器能够检测出食品中 的有害物质，保障消费者的健康。
02 在医疗诊断中，生物传感器能够实现无创、快速 、准确的检测，提高医疗质量和效率。
3
加入电解质溶液，记录电化学信号的变化。
实验操作流程
根据实验需要，调整实验参数，如扫描速度、扫 描范围等。 在实验过程中，保持恒温，避免外界干扰。
数据采集与分析
实验操作流程
01 使用电化学工作站采集数据，记录电化学信号随
时间的变化。
02
对采集的数据进行整理、分析和处理，提取有用 的信息。
电化学生物传感器
电化学生物传感器生物分子的分析检测对获取生命过程中的化学与生物信息、了解生物分子及其结构与功能的关系、阐述生命活动的机理以及对疾病的有效诊断与治疗都具有十分重要的意义。
如何高效、快速、灵敏地检测这些生物分子，是当前生命科学领域中面临的一个十分重要的问题。
解决这些问题的关键就在于发展各种新型的分析检测技术。
生物传感器的出现为有效地解决这些问题提供了新的工具，为生命科学及其相关领域的研究提供了许多新的方法1电化学生物传感器的基本结构及工作原理1.1 基本结构通常情况下，生物传感器由两个主要部分组成即生物识别元件和信号转换器。
生物识别元件是指具有分子识别能力，能与待测物质发生特异性反应的生物活性物质，如酶、抗原、抗体、核酸、细胞、组织等。
信号转换器主要功能是将生物识别作用转换为可以检测的信号，目前常用的有电化学、光学、热和质量分析几种方法[1]。
其中，电化学方法就是一种最为理想的检测方法。
图1 电化学生物传感器的基本结构1.2 工作原理电化学生物传感器采用固体电极作基础电极，将生物敏感分子固定在电极表面，然后通过生物分子间的特异性识别作用，生物敏感分子能选择性地识别目标分子并将目标分子捕获到电极表面，基础电极作为信号传导器将电极表面发生的识别反应信号导出，变成可以测量的电信号，从面实现对分析目标物进行定量或定性分析的目的。
2电化学生物传感器的分类由各种生物分子(抗体、DNA、酶、微生物或全细胞)与电化学转换器(电流型、电位型、电容型和电导型)组合可构成多种类型的电化学生物传感器，根据固定在电极表面的生物敏感分子的不同，电化学生物传感器可分为电化学免疫传感器、电化学DNA传感器、电化学酶传感器、电化学微生物传感器和电化学组织细胞传感器等。
2.1 电化学免疫传感器电化学免疫传感器是一种将免疫技术与电化学检测相结合的标记免疫分析方法。
它是以抗原．抗体特异性反应为基础，将抗原/抗体反应达到平衡状态后的生物反应信号转换成可测量的电信号并通过基础电极将其导出。
电化学生物传感器PPT课件
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。
第6页/共21页
第7页/共器 免疫传感器 组织传感器
（根据敏感物质分类）
细胞传感器 DNA传感器
……
第8页/共21页
（一）酶传感器
• 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。
第16页/共21页
（三）细胞传感器
定义：以动植物细胞作为生物敏感膜
的电化学传感器，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。
目前生物传感器主要还处在实验室研究阶段，仍需要较长的一段时间才能实现产 业化。比如，大多数电化学酶传感器只是对单一组分中的污染物具有响应，而传感器 应用于监测实际样品中污染物仍有许多亟待解决的实际问题。
生物传感器是一项崭新的技术手段，它在发展中难免会遇到各种问题，但是它 的应用前景和自身优势毋庸置疑。可以预见，未来的电化学生物传感器将实现功能多 样化、微型化、智能化、集成化等特点。相信随着大量资金的涌入和多学科的融入， 这些问题都将迎刃而解。
1
2
优点：酶活与性酶较电极酶相的比稳定
离析酶高 性增大
3
材料易于 获得
第17页/共21页
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。
第18页/共21页
四.生物传感器的展望
②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。
第6页/共21页
第7页/共器 免疫传感器 组织传感器
（根据敏感物质分类）
细胞传感器 DNA传感器
……
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（一）酶传感器
• 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。
第16页/共21页
（三）细胞传感器
定义：以动植物细胞作为生物敏感膜
的电化学传感器，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。
目前生物传感器主要还处在实验室研究阶段，仍需要较长的一段时间才能实现产 业化。比如，大多数电化学酶传感器只是对单一组分中的污染物具有响应，而传感器 应用于监测实际样品中污染物仍有许多亟待解决的实际问题。
生物传感器是一项崭新的技术手段，它在发展中难免会遇到各种问题，但是它 的应用前景和自身优势毋庸置疑。可以预见，未来的电化学生物传感器将实现功能多 样化、微型化、智能化、集成化等特点。相信随着大量资金的涌入和多学科的融入， 这些问题都将迎刃而解。
1
2
优点：酶活与性酶较电极酶相的比稳定
离析酶高 性增大
3
材料易于 获得
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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。
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四.生物传感器的展望
②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。
电化学传感器PPT课件
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5
二、电化学分析法分类
电位分析法（电极电位）
直接电位法: 电极电位与溶液中电活性物质 的活度有关。
电位滴定: 用电位测量装置指示滴定分析过 程中被测组分的浓度变化。
研制各种高灵敏度、高选择性的 电极是电位分析法最活跃的研究 领域之一。
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6
电解与库仑分析法（电量）
电解分析:
7
极谱与伏安分析(电流－电压曲线)
伏安分析：通过测定特殊条 件下的电流—电压曲线来分析 电解质的组成和含量的一类分 析方法的总称。
极谱法：使用滴汞电极的一 种特殊的伏安分析法。
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8
循环伏安法（CV）
• 循环伏安法可用于研究化合物电极过程的机理、双电层、吸附现象 和电极反应动力学．成为最有用的电化学方法之一。
• 对于符合Nernst方程的可逆电极反应，在25℃时：
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11
电导分析法（电导）
普通电导法：高纯水质测定，弱酸测定 高频电导法：电极不与试样接触
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12
计时分析法(chronoanalysis)
在电分析化学中，记录电流或电极电势等与时间的关系 曲线的方法称为计时分析法．
• 记录电流一时间的关系方法，称为计时电流法． • 记录电势一时间的关系方法，称为计时电势法。 • 记录电量一时间关系的方法，称为计时库仑法。 是研究电极过程和吸附的极好方法。
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18
如何实现信号转化
电化学传感器就是将分析对象的化学信息转换成电 信号的传感装置。从1906年第一支化学传感器产生 以来，大半个世纪中化学传感器的信号转换均集中 在将化学信息直接以电信号（如电流、电位、电阻 等）表达的方式上。
电化学免疫传感器 ppt课件
厚德 笃学 崇实 尚新
电位型免疫传感器
电位型免疫传感器是基于测量电位变化来进行免疫分析的生物传
感器,集酶联免疫分析的高灵敏度和离子选择电极、气敏电极的高
选择性于一体,直接或者间接用于各种抗原、抗体的检测,它具有可
实时监测、响应时间较快等特点。根据不同的传感器原理发展了
基于膜电位测量和基于离子电极电位测量两种电化学免疫传感器。
GCE
PB
PB/GCE
GE
氯金酸
抗体
GE/PB/GCE
GNPS/GE/PB/GCE
BSA
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厚德 笃学 崇实 尚新
Self-assembled graphene platelet-glucose oxidase nanostructures for glucose biosensing
传感器响应电流与葡萄糖浓度在 2~22 mM 范围内有良好的线性关系，R2=0. 9987，在信噪比为3的时候检出限为20μM
导电率测量法可大量用于化学系统中，因为许多 化学反应都产生或消耗多种离子体，从而改变溶液的 总导电率。通常是将一种酶固定在某种贵重金属电极 上（如金、银、铜、镍、铬），在电场作用下测量待
测物溶液中导电率的变化。
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厚德 笃学 崇实 尚新
电流型免疫传感器
电流型免疫传感器测量的是恒定电压下通过电化学室的电流，待测物 通过氧化还原反应在传感电极上产生的电流与电极表面的待测物浓度 成正比。此类系统有高度的敏感性，以及与浓度线性相关性等优点。 原理主要有竞争法和夹心法两类。前者是用酶标抗原与样品中的抗原 竞争结合氧电极上的抗体,催化氧化还原反应,产生电活性物质而引起电 流变化,从而测定样品中的抗原浓度;后者则是在样品中的抗原与氧电极 上的抗体结合后,再加酶标抗体与样品中的抗原结合,形成夹心结构,从而 催化氧化还原反应,产生电流值变化。
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四、电化学气体型传感器
传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工 作。典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一 个薄电解层隔开。
气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障， 最终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应， 以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。穿过屏障扩散的气体与 传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化或还原机理。这些反应由针对被 测气体而设计的电极材料进行催化。
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4.1 组成
电化学传感器包含以下主要元件：
A. 透气膜（也称为憎水膜）：透气膜用于覆盖传感（催化） 电极，在有些情况下用于控制到达电极表面的气体分子量。 此类屏障通常采用低孔隙率特氟隆薄膜制成。这类传感器 称为镀膜传感器。或者，也可以用高孔隙率特氟隆膜覆盖， 而用毛管控制到达电极表面的气体分子量。此类传感器称 为毛管型传感器。除为传感器提供机械性保护之外，薄膜 还具有滤除不需要的粒子的功能。为传送正确的气体分子 量，需要选择正确的薄膜及毛管的孔径尺寸。孔径尺寸应 能够允许足量的气体分子到达传感电极。孔径尺寸还应该 防止液态电解质泄漏或迅速燥结。
D. 过滤器：有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤 除不需要的气体。过滤器的选择范围有限，每种过滤器 均有不同的效率度数。多数常用的滤材是活性炭。活性 炭可以滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。通过 选择正确的滤材，电化学传感器对其目标气体可以具有 更高的选择性。
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4.2 应用实例
电化学电极
电位型电极 电流型电极
离子选择电极 氧化还原电极
氧电极
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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
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。
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·(Y2O3)0.1、三元氧化物 (ZrO2)0.04·(Y2O3)0.04·(Al2O3)0.02。目 前用得较多的是ZrO2·Y2O3、ZrO2·CaO、ZrO2·MgO等。
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。
6.1.2 定电位电解式传感器
CO传感器，其原理图如下：
K a C r2 O 31(纯 物 质 C r2 O 3 的 a 1 ) a C 2 ra O 3 a C 2 ra O 3
由反应的△Gθ可以求得K，测得ao可以计算acr,从而求得[Cr]
又如测定Ag-Pb二元液态合金中的Pb的活度，可以用Ni,NiO做参比电
极，PbO做辅助电极，组成原电池： Pt ∣Ni，NiO∣ZrO2(CaO)∣(Ag-Pb,PbO∣Ir
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。
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。
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。
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。
1
K
1
a
pb
p2 O2
电池反应：[Pb]Ag-Pb + 0.5O2=PbO(s)
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 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。
其电池形成可以写作如下形式： M︱A, AO︱ErO2基电解质︱(B+C), BO︱M
例如不锈钢冶炼时测定Cr含量，将Cr2O3作为独立相良好地附着在固 体电解质表面，组成如下形式的电极：
Mo︱Cr,Cr2O3或Mo,MoO2 ︱ZrO2(MgO)︱Cr2O3︱[Cr]Fe或Ni︱Fe或Mo 把铬传感器插入含铬金属熔体中，Cr传感器和含金属熔体界面建立如 下平衡：2[Cr]+3[O]=Cr2O3(s)(辅助电极)
6.1 气敏传感器 6.2 成分传感器
6.3 生物传感器 6.4 离子传感器
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 酶传感器 6.3.2 微生物传感器 6.3.3 免疫传感器 6.3.4 细菌或组织传感器 6.3.5 场效应晶体管生物传感器
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 ，因而氧离子能顺利地从氧化锆电解质一边运动到另一边。
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。 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。
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 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。