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。
食品成分分析 在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指 标。已开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的 葡萄糖。其它糖类，如果糖，啤酒、麦芽汁中的麦芽糖，也有成熟的测定传感 器。 Niculescu等人研制出一种安培生物传感器，可用于检测饮料中的乙醇含量 。这种生物传感器是将一种配蛋白醇脱氢酶埋在聚乙烯中，酶和聚合物的比例 不同可以影响该生物传感器的性能。在目前进行的实验中，该生物传感器对乙 醇的测量极限为lnM。
食品添加剂的分析 亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶为敏 感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸盐含量，测定 的线性范围为0-6-4mol/L。又如饮料、布丁、昔等食品中的甜味素，Guibault等 采用天冬氨酶结合氨电极测定，线性范围为2x10-5 _1x l0-3mol/L。此外，也有 用生物传感器测定色素和乳化剂的报道。
电学阻抗法受到众多研究者的关注。所谓阻抗，指的是在一个 交流电压条件下，被测系统对交流电流的抵御流程度。 以碳粉掺杂的聚合物为敏感膜,以叉指电极为基底制作了测定挥 发性有机气体的化学阻抗传感器。当敏感膜吸附有机气体时,敏感膜 膨胀,导致膜中导电性的碳粉粒子距离增加,电阻也随之增加。同时, 有机气体的吸附还引起敏感膜的介电常数改变,从而导致电阻、电容 改变。利用上述原理研制了一种新型的电化学阻抗传感器。通过传 感器电阻电容的变化,实现了对有机气体的高灵敏定量测定。
常见的实用化的一类酶传感器件是酶电极。酶电极由固定化酶 和基础电极组成.固定化酶膜与基础电极紧密结合称为密接型;将固定 化酶充填在反应器内,连同基础电极组成流动分析系统称为分离型。 密接型应用比较广泛.。酶电极的设计主要参考酶促反应过程产生或 消耗的电极活性物质(electroactive substance),如果一个耗氧过程,就 可以使用O2电极或H2O2电极作为基础器件;若酶反应为产酸过程,则 可使用pH电极. 用电化学装置检测酶在催化反应中生成或消耗的物质（电极活 性物质），将其变换成电信号输出。固定化酶传感器是由Pt阳极和 Ag阴极组成的极谱记录式H2O2电极与固定化酶膜构成的。它是通过 电化学装置测定由酶反应生成或消耗的离子，通过电化学方法测定 电极活性物质的数量，以测定被测成分空气的主要物质之一，检测空气中二氧化硫尝试是空气检 验的一项经常性工作。应用传感器监测二氧化硫。从缩短检测时间到降低检出 限，都显示出极大的优越性。 利用固体聚合物作离子交换膜，膜的一边含对电 极和参比电极的内部电解液，另一边插入铂电极，组成一种二氧化硫传感器。 该传感器安装在流通池中，在 0.65V下氧化二氧化硫。批示出二氧化硫的量。 该传感装置电流灵敏度高。响应时间短，稳定性好，本底噪音低，线性范围达 0.2mmol/L，检出限为 8*10-6mmol/L，信噪比为3。该传感器不仅可以测定空气 中的二氧化硫，还可用于测定低电导率液体中的二氧化硫。有机改性硅酸盐薄 膜二氧化硫气体传感器的气敏涂层是利用溶胶工艺和自旋技术制作的，对二氧 化硫的测定具有良好的重现性和可逆性，响应时间不到20S，对其它气体的交感 小，受温度和湿度影响小。
酶传感器
酶传感器 酶与适当的膜、粒子表面或内部结合（固定化），将装有酶膜的 酶传感器插入试液中，被测物质在固定化酶膜上发生催化反应，生 成电活性物质（O2，H2O,CO2等），测量消耗或生成的电活性物质， 将浓度转变为电信号，由此测定未知浓度。
酶传感器是由酶敏感膜和电化学器件构成的。由于 酶是水溶性的物质，不能直接用于传感器，必须将其与 适当的载体结合形成不溶于水的固定化酶膜。由于酶是 蛋白质组成的生物催化剂，能催化许多生物化学反应。 生物细胞的复杂代谢就是由成千上万不同的酶控制的。 酶的催化效率极高，而且具有高度专一性，即只能对特 定生物量（底物）进行选择性催化，并且有化学放大作 用，因此利用酶的特性可以制造出高灵敏度、选择性较 好的传感器。 酶传感器是由固定化酶作为敏感元件的生物传感器 。应用酶传感器可以省去提纯酶的复杂步骤。许多酶传 感器都可以用于临床生化指标(葡萄糖、乳酸、尿素、 尿酸、肌酸、肌酐、谷氨酰胺、血清中总蛋白、血清中 胆固醇、血清中甘油三脂、天门冬酰胺等)测定。
电位型传感器
电位型电化学传感器实质是由电极和电解质溶液组成的原电池体系。构 成传感器的两个电极，一个是电极电位能指示被测离子活度的测量电极，另 一个是电极电位不受溶液影响的参比电极。将测量电极和参比电极共同浸入 待测溶液，通过测量原电池的电动势，即可求得被测离子的活度。常见的电 位型电化学传感器包括PH、ORP等，阻抗很高（在10Ω~10Ω之间）。
电化学传感器
李雪莹 41113107
电流型传感器
电化学传感器通过与被测气体或液体发生反应并产生与浓度 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。 气体或液体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应， 然后是疏水屏障层，最终到达电极表面。采用这种方法可以允许 适量气体或液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或液体与传感电极发生反应，传感电极可以 采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对被测体而设计的电极 材料进行催化。 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极 与负极间流动。测量该电流即可确定浓度。由于该过程中会产生 电流，这种电化学传感器又常被称为电流型电化学传感器。
以金属铜电极为基础电极，通过不同的化学修饰，研制出了对硫离 子的电位检测的电化学传感器。 根据8-羟基喹啉与铜原子的配位作用为设计原理实现了8-羟基 喹啉在铜电极的上的组装修饰。该修饰电极对硫离子有选择性识别 作用，依据机理不同表现出不同的电位变化。分别于1.0?1017mol/L～1.0?10-11mol/L和1.0?10-10mol/L～1.0?10-6mol/L范围内 对硫离子浓度的对数呈线性关系，最低检测下限为1.0?10-17mol/L 。并通过半经验分子轨道的量子化学计算，对试验推测结果进行了 验证。
农药残留量分析 近年来，人们对食品中的农药残留问题越来越重视，各国政府也不断加强 对食品中的农药残留的检测工作，Yamazaki等人发明了一种使用人造酶测定有 机磷杀虫剂的电流式生物传感器，利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙 基酚的测定极限为10-7mol，在40℃下测定只要4min。Albareda等用戊二醛交联 法将乙酞胆碱醋酶固定在铜丝碳糊电极表面，制成一种可检测浓度为10-10 mol/L的对氧磷和10-11mol/L的克百威的生物传感器，可用于直接检测自来水和 果汁样品中两种农药的残留。
电阻型传感器
导体或半导体材料因受外力作用，电阻值随其机械变形而发生 变化的物理现象称之为应变效应。金属丝电阻 R可表达为 R＝ρl/A=ρ l/пr2.式中ρ为电阻率，l为电阻丝长度，A为电阻丝横截面积。当沿电 阻丝长度方向施加均匀力时，式中 l、ρ、r都将发生变化。导致电阻 值发生变化。即得到以下结论：当金属丝受外力作用而伸长时长度 增加，截面积减小，电阻值增大；当金属丝受外力作用压缩时，长 度减小，截面积增加，电阻值减小。电阻值变化通常较小。