电化学传感器综述

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主要介绍：
一、电位型传感器 二、控制电位电解型（电流型）气体传感器 三、生物电化学传感器（主要介绍酶传感器）
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一、 电位型传感器简介
主要为离子传感器，研究最早的是PH传感器； 离子传感器也称为离子选择性电极； 主要组成部分：离子选择性膜；
离子选择性膜：响应于特定的离子，而且膜电位 随被测定离子的浓度而变化。
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气体扩散电极在气体传感器中的应用
防水组分 催化剂
制备：由催化剂粉末和憎水性 微粒混合后碾压或喷涂并经过 适当的热处理后制成；
溶 液
气 相
憎水性材料：聚乙烯、聚四氟 乙烯；
特点：具有高效的气、固、液 三相界面
由于有足够的气孔，被测气体容易传递到电极内部各处，溶解 于覆盖在催化剂表面并与整体溶液相连通的薄液膜中，因而气体 很容易在电催化剂表面产生电化学氧化或还原。
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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
膜
他对电极电势的影响因素。
当离子选择性电极与外部参比电极组成电池时： E=参－膜=+2.303/ZF lgaMn+ 根据上式，只要配制一系列已知浓度 Mn+的标准溶液，并 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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电化学式传感器优点：体积小，测量精度高，可检测 的气体浓度范围宽（由10-9数量级直至百分浓度），适用于 现场直接监测等。 目前商品化的电化学传感器： O2 ， CO ， H2S ， Cl2， HCN ，PH3，NO，NO2，酒精、肼、偏二甲肼等十几种。 主要应用领域：安全检测，环境监测，以及其他特殊 用途。 如利用 NO 气体传感器测水利窑温度，用 O2 ， CO 气体传 感器监测锅炉燃烧效率。 交警用酒精传感器检测司机是否酗酒，煤矿工业中的 CO气体报警器等。
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。
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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
1961 年， Pungor 发现了卤化银薄膜的离子选择性应 答现象；
1962年，日本学者清山发现了氧化锌对可燃性气体 的选择性应答现象； 1967年以后，电化学传感器的研究进入了新的时代， 特别是近十多年来的迅速发展令人瞩目。
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化学传感器的作用:
(1)、丰富了分析化学并简化了某些分析 测试方法；
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； 半导体气敏传感器：灵敏度低，重现性差，一般仅用作 报警器。
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控制电位电解型气体传感器的结构原理（以CO气 体传感器为例）
⑴ 被测气体进入传感受器的气室 ⑵ 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 ⑶ 电活性物质在电解液中的溶解 ⑷ 电活性物质在电极表面吸附
⑸ 扩散控制下的电化学反应 ⑹ 产物的脱附 ⑺ 产物离开电极表面的扩散
⑻产物的排除
电化学传感器
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传感器技术—实现“五官感觉的人工化”.
“光电效应”、“压电效应”等——物理传感 器. 化学传感器(chemical sensor)：可用来提供 被检测体系（液相或气相）中化学组分实时 信息的一类器件。
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化学传感器的发展： 1906 年， Cremer 首次发现了玻璃膜电极的氢离子选 择性应答现象； 1930年，使用玻璃薄膜的 pH 值传感器进入了实用化 阶段；
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电化学传感器的种类：
电位型传感器、电流型传感器和电导型传感器三类。 电位型传感器（Potentiometric sensors ） ：基于电极电势 与被测组份浓度之间的关系，通过电极电势的变化从而感知 浓度的变化。 电流型传感器(amperometric sensor) ：控制电极和电解质 溶液的界面为一恒定电位，使被测物发生定电势电解，基于 扩散控制条件下，极限电流与浓度的线性关系，从而检测被 测物质组份的实时变化。 电导型传感器：基于被测物质氧化或还原后电解质溶液电导 的变化，实现检测。
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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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二、控制电位电解型（电流型）气体传感器
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目前电解型气体传感器的研究重点： 1、扩大传感器的检测范围
快速、准确和方便的水质检测（As、Hg等）； 复杂环境的监测（碳氢化合物催化热解后检测）；
2、延长传感器的使用寿命及实现小型化
使用高聚物固体电解质（SPE，Nafion膜）；
3、新技术在电化学传感器中的应用
化学修饰电极和微电极技术与传感器结合，降低噪声、 提高信号灵敏度，提高检测下限（1-2个数量级）
(2)、促进了自动检测仪表和分析仪器的 发展；
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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。