第二章信号转换器

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（二）气敏电极 电位型气敏电极作为各种生物传感器的 信号转换器，使用较多的是氨气敏电极和 CO2 气敏电极。
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1. 氨气敏电极
氨是酶反应中 最常见的产物和 反应物，因此氨 电极是常用的信 号转换器之一。
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氨电极浸入碱性待测液时，待测液中的铵盐转 化成挥发性氨，经透气膜渗入内充液薄层发生如下 反应：
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1.1 电化学测量基础
1.测量系统
根据转变方式和输出电信号的不同， 可将电化学传感器分为：
ì 电位型（原电池） ï ï ï 三种类型 ï í 电流型（电解电池） ï ï ï ï î 电导型（电导池）
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图2-1 原电池构成
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电位型测量系统——在电极/溶液界 面上自发地发生化学反应，将被测化学量 转变为电位信号的测定装置。 被测的化学量与电位之间的关系，符 合能斯特方程：
第二章 生物传感器 的信号转换器
信号转换器作为生物传感器的重要组成部分， 它的作用是将生物敏感元件拾取的生物化学信息 转换为容易进行处理测量的、与被测量有对应关 系的电信息。
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●
电化学信号转换器
●
●
离子敏场效应晶体管
热敏电阻
●
●
压电晶体信号转换器
光电换能器
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一、电化学型信号转换器
电化学电极作为生物传感器信号转换器，一般 可分为两种类型：电位型和电流型。 电化学电极(固体电极、离子选择性电极、气敏 电极、修饰电极等)作为信号转换器已广泛用于酶传 感器、微生物传感器及其它类型的生物传感器中。
K
好。
Pot Ca 2 , Ba 2
0.01
pot KA , X 越小，表明干扰越小，电极的选择性越
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③ 响应时间
响应时间指电极达到平衡电位时所需要的时 间。 它与电极的种类及被测离子的活度、溶液的 搅拌速度、敏感膜的组成及性质、膜的厚度、 参比电极的稳定性等有关。
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④ 电极寿命
子浓度成正比。
GC
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1.2 基本概念
1. 电离常数 Ionization constant
电离常数表示电解质电离能力的强弱。
[ A ][ B ] K AB
[AB]表示平衡时未电离的分子浓度，[A-]和[B+] 表示平衡时A-和B+离子的浓度。
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2. 活度和活度系数 Activity and activity coefficient 活度指电解质溶液的有效浓度。
n
P-Si n
n
p-Si
FET结构
ISFET结构
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FET工作原理:
VDS VGS
S
G
D
ID
P-Si n p-Si
n
FET工作原理
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反型层的形成 在栅极与源极之间施加电压，会导致栅源极之间的
电荷流动，并在栅极绝缘层下的P型半导体材料的表面大
量积累负电荷而形成反型层。 N型沟道的形成
栅源电压若大于阈值电压，栅极绝缘层下面将形成
因此，只要设法利用生化反应过程所产生的物质 变化来影响栅极电压，便可设计出以离子敏场效应管 为转换器件的半导体生物传感器。
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2.3 特点
构造简单，体积小，便于批量制作，成本低； 易微型化和多功能化；
FET制作的敏感器件响应快，适用于自控监测
和流程分析等。
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2.4 应用 尿素的测定：
E ln C
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图2-2 电解电池构成
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电流型测量系统——外加电压下， 在电极/溶液界面上发生化学反应，将被 测化学量转变为电流信号的测定装置。 在一定条件下，其电流大小与离子 浓度成比例。
I C
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电导型测量系统——在外加电压下，
将化学量转变成电导信号的测定装置。
在离子浓度不大时，溶液的电导与离
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使用很广。
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氧电极是一个通过测定电解电流来测 定溶液中氧含量的电解池。 有两种：开放式和封闭式。
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1. 开放式氧电极
开放式氧电极测定氧的装置如图所示。
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外加电解电压，当铂电极电位相对参比电 极低0.2V时，氧在铂丝上开始电解，此时电流 计中有电流指示。
脲酶 CO( NH2 )2 H2O CO2 2NH3
+ H 2O
+
H 2O
↓
HCO3 H
↓
2NH4 2OH
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双栅极酶-FET传感器
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葡萄糖的测定：
葡萄糖氧化酶 C 6 H 12 O6 2 H 2 O O 2 C 6 H 12 O7 2 H 2 O 2
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二氧化碳气敏电极在医学上的应用
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1.5 电流型换能器
◆ 输出直接与被测物浓度呈线性关系；
◆ 电极输出值的读数误差较电位型电极小；
◆ 灵敏度比电位型电极高。
常用的电流型电极有O2 电极电极、H2O2 电极
及燃料电池型电极等。
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（一） 氧电极
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可用
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●
电化学信号转换器
●
●
离子敏场效应晶体管
热敏电阻
●
●
压电晶体信号转换器
光电换能器
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二、离子敏场效应晶体管（ISFET）
ISFET是把离子选择性敏感膜和 FET相结合，将离子 活度的化学信息转化为电流或电压的变化。 2.1 结构与原理
S G D
参比电极
S
被测溶液 D
敏感膜
P-Si n p-Si
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Clark氧电极结构见图。
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3.氧电极在医学中的应用
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二、H2O2电极
H2O2电极是根据电解氧化时所产生的电流输出
来测定浓度的复合式电极。 电极包括阳极、阴极、电解液和渗透膜，阳极 一般用金、白金，阴极一般用Ag/AgCl，渗透膜可 用醋酸纤维素膜，电解液是氯化钾与磷酸缓冲液及
氯化钾与醋酸缓冲液等。
溶液浓度与活度之间的关系表示为：
为活度系数，表示电解质溶液的浓度与活 度的偏差程度，即表示浓度有百分之几是有效的。 通常 0＜ ≤1，当溶液无限稀释 1 。
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a .c
如0.1mol/L的盐酸溶液中，H+的活度就等于 0.0799mol/L，意思是说，H+在化学反应起作用
的浓度是0.0799mol/L。
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当铂电极相对参比电极低0.6～0.8V时，电流趋于 恒定，此时的电流与溶液中氧含量成正比。
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2.封闭式氧电极(Clark氧电极)
Clark氧电极是一种较为稳定的封闭式氧电 极。铂电极与 Ag / AgCl 电极组合在一起置于参比 溶液中，与被测溶液之间用透氧膜隔开。 此膜将被测溶液中溶解的氧气通过膜扩散到 膜内电解质溶液薄层，再扩散到铂电极表面进行 还原产生电流。
电极寿命是指电极保持Nernst响应的时间。
主要取决于膜的结构与性质。当实测电势与理 论电势之比小于0.9时，电极不宜再使用。
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2. 碘电极
碘离子选择电极常用于有 H 2 O2 生成的 酶反应中，碘离子与 H 2 O2 相遇，在过氧化 物酶催化下，可快速发生如下反应：
2 H H 2 O 2 3 I 过氧化物酶 I 3 2 H 2 O
离子选择性电极——用特殊敏感薄膜制 作的对特定阳离子或阴离子呈选择性响应的 电极。 离子选择性电极具有快速、灵敏、可靠、 价廉等优点，因此应用范围很广。
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1. pH电极
氢离子活度对化学反应和生物化学反应有
重要的决定作用。有一些酶反应，涉及到氢离子
的生成和消耗，因此可用pH玻璃电极作为某些 生物传感器的信号转换器。
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② 电位选择系数
pot KA ,X
指同一支电极对不同离子的选择性响应， 表征ISE选择性的优劣。电极对各种离子的选择
pot 性可用电位选择系数表示。在K A 中，A表示被 ,X
测离子，X表示干扰离子。
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钙电极用于测 Ca2+ ，但其对 Ba2+ 也有响应， 因此是测量时的干扰离子，若其对 Ca2+ 的响应为 Ba2+的100倍，则Ba2+对Ca2+的干扰为1/100倍，所 以:
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两极间外加一定电压，实际测量时，外加电压控制 在电压-电流曲线的平滑部分，即0.7-0.9V，此时 输出电流就与浓度成比例。
阳极反应
H 2O2 O2 2 H 2e
1 2 e 2 H O2 H 2O 2
阴极放应
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H2O2电极基本测量电路和电压-电流曲线
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（3） Ag AgCl 电极
一种性能较好的 参比电极。它结 构简单，只需在 Ag丝上，镀上 一薄层AgCl， 并浸入一定浓度 的KCl溶液中便 制成电极。
图2-4 银/氯化银电极
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2. 指示电极 Indicating electrode
指示电极——根据电极电位的大小指 示出物质浓度的电极。 包括离子选择性电极、气敏电极、金 属或非金属电极(Au、Cu、Pt，石墨电极 等 )。
电位与待测溶液中氨的浓度符合能斯特方程。
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2.二氧化碳电极
CO2气敏电极的结构由pH玻璃电极和 Ag/AgCl 参比电极组成电池，用透气膜将中间 溶液与被测溶液隔离开来。
图2-9 CO2气敏电极
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测定时溶液中的CO2通过透气膜进入溶液，而 发生下列反应：