化学传感器

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煤气中毒
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一.化学传感器作用
• 一位危重病人在接受紧急护理,突然病人失去知觉,医 生在根据自己的经验采取应急措施的同时,他急需知道 病人的血液pH及血气分析结果,这些结果包括:二氧化 碳结合力(CO2CP)、标准重碳酸盐(SB)、实际重碳 酸盐(AB)、缓冲碱(BB)、剩余碱(BE)、氧分压 (PO2)和血氧饱和度(SaO2)。
换产生膜电位 2)仅对溶液中特定离子有选择性响应
(离子选择性电极),选择性好。
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(5)膜电极
膜电极的关键:是一个称为选 择膜的敏感元件。
敏感元件:单晶、混晶、 液膜、高分子功能膜及生物膜 等构成。
膜内外被测离子活度的不 同而产生电位差。
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(5)膜电极
将膜电极和参比电极一起插到被测 溶液中,组成电池。
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• 在外加电压下, 电极上发生电 化学反应的电 池称为电解电 池。测量电路 如右图:
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电解电池: 由外电源 提供电能, 使电流通 过电极, 在电极上 发生电极 反应的装 置。
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Cu2+ + 2Ag = Cu + 2Ag+ 负极(还原反应): Cu2+ + 2e = Cu 正极(氧化反应): Ag = Ag+ + e
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电位非常稳 定,只与内 部Cl-活度有 关。电极内 溶液的Cl-活 度一定,甘 汞电极电位 固定.
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3)银-氯化银电极:
银丝镀上一层AgCl沉淀,浸在一定浓度的 KCl溶液中即构成了银-氯化银电极。
电极反应:AgCl + e- == Ag + Cl半电池符号:Ag|AgCl(固)|Cl –
第一类电极的电位仅与金属离子的浓度有关。
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(2)第二类电极──金属-金属难溶盐电极
由金属与其难溶盐和该难溶盐的阴 离子溶液所组成。 应用:测定阴离子
例:Ag︱AgCl,ClAgCl + e-→ Ag + Cl-
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3)第三类电极 由金属与两种具有相同阴离子的难溶盐
(或难解离的配合物),再与含有第二种 难溶盐(或难解离的配合物)的阳离子组 成的电极体系。
电极
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原电池:
自发地 发生电 极反应, 将化学 能转变 成电能
负极
正极
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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。
Cu + 2Ag+ = Cu2+ + 2Ag 负极(氧化反应): Cu - 2e = Cu2+ 正极(还原反应): 2Ag+ + 2e = 2Ag
• 难点:玻璃电极测PH值计算
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§6-1概述
一.化学传感器作用
“如入芝兰之室,久而不闻其香;如入鲍 鱼之肆,久而不闻其臭”。
孟子在多少年以前就意识到嗅觉的疲劳现 象了。人的化学感觉虽然对一些特定的化 学物质非常敏感,但对许多有味物质的感 觉还是比较迟钝的。
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§6-1概述
一.化学传感器作用
人类能感觉的化学对象的种类亦有局限。
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§6-2.电极种类
• 在电化学测试过程中,溶液主体浓度不发生 变化的电极,称为指示电极.如果有较大电流 通过,溶液的主体浓度发生显著的变化的电 极,称为工作电极.
• 电位分析法中离子选择性电极为指示电极, 在电解分析和库仑分析中所用的铂电极为 工作电极.
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§6-2.电极种类
• 2.辅助电极或对电极 测定电流构成回路所用的电极
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一.化学传感器作用
1.血、血清、血浆分析; 2.尿酸碱性分析; 3.汗水氯化物分析; 4.研究唾液成分与牙齿衰变速度的关系; 5.分析骨骼结构和骨头长孔等疾病;
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一.化学传感器作用
6.研究胃分泌和诊断肠胃病; 7.药理实验; 9.酶活度测量。
化学传感器对人体各种生wk.baidu.com现象以 及病理起重要作用。
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(5)膜电极
定义:具有敏感膜并能产生膜电位的电极 √
如:各种离子选择性电极 它以固体膜或液体膜为探头,其膜电
位是由于离子交换或扩散而产生,而没 有电子转移,其膜电位与特定的离子活 度的关系式符合能斯特公式.
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(5)膜电极
应用:测定某种特定离子 例:玻璃电极;各种离子选择性电极
特点(区别以上四种): 1)无电子转移,靠离子扩散和离子交
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1.电位型电化学传感器
电位型电化学传感器是在电极和溶液界面上可 逆地发生电极反应时把被测化学物质量转变为电 位信号的测定器件。
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1.电位型电化学传感器
• 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: • 1:电极电位能指示被测离子活度
的测量电极或者指示电极 • 2:电极电位不受溶液影响的参比
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构成:同甘汞电极,只是将甘汞电极内管中的 (Hg,Hg2Cl2,饱和KCl) 换成涂有AgCl的银丝即可
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§6-2.电极种类
• 二.指示电极: √ • 根据电极电位的大小能指示出溶液中物质
含量的电极称为指示电极(indicating eleclrode)。属于此类电极的有离子选择电 极和一些用金属或非金属构成的电极,如 铜、金、铂、碳、石墨等电极。
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3.电导型电化学传感器
• 化学反应通常伴有离子种类的变化,因此 使反应溶液总电导度发生变化。因为溶液 电导的测量不是特异的,所以限制了它的 广泛应用。但在不要求特异性时,可采用 电导测量,而且它具有很高的灵敏度。
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• 惠斯登电桥测量电 路
电导测量十分简单,直 接比例于所在溶液中离子 的浓度。
态和还原态的活度等于1 时的电极电位称 为:标准电极电位。
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1)标准氢电极(SHE)
基准,电位值为零(任何温度) 电极反应 2H+ + 2e-→ H2
ESHE 0
但要使用氢气,不方便。 镀铂黑的目的是增大氢气吸附面积
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2)甘汞电极
• 定义:甘汞电极由汞、Hg2Cl2和已知浓 度的 KCl 溶液组成。 电极反应:Hg2Cl2 + 2e- 2Hg + 2 Cl半电池符号:Hg | Hg2Cl2(固)|Cl-
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一.化学传感器作用
• 这些参数对于医生深入了解病情,采用合 理治疗措施将提供重要的客观指标。
• 这些都是需要电化学传感器来检测
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一.化学传感器作用
所有生命物质,从有机体到单细胞,在它的整个生 命活动过程中都离不开各种离子的作用。
电化学传感器能够监测这些离子 并且能测量溶解在生理溶液中各种气 体的含量。
• 典型的例子: pH玻璃电极--对H+具有选择性的响 应。
• 这类电极的电极电位与特定离子的活度的对数 呈线性关系,故可作为指示电极测定溶液中离 子的活度。由于操作简单,测定快速,灵敏度 高,重复性好、因此应用广泛。
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1.离子选择电极种类
• 离子选择性电极种类很多,按其 结构和作用原理主要有如下几类: 固体膜电极、液体膜电极和气体 电极。
则电池结构为: 外参比电极∣被测溶液( ai未知)∣ 内充溶液( ai一定)∣ 内参比电极
(敏感膜)
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§6-2.电极种类
• 三.工作电极和辅助电极: • 1.工作电极 • 有些物质的测定,需在电极上加一定的电
压使其电解,然后根据其电解电流的大小 测定物质含量。为构成电学回路,需取两 个电极同时插入电解池中,其中一个电极 是根据其电解电流的大小测定物质含量的, 此电极称为工作电极。
第六章 化学传感器
Chemical Sensors
本章主要内容
• §6-1 概述 • §6-2 电极种类 • §6-3 气敏电极 • §6-4 离子敏场效应管 • §6-5 半导体陶瓷气敏传感器 • §6-6 生物电检测电极
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本章目的、重点、难点
目的:掌握化学传感器的工作原理、 分类及其应用
• 重点: 1.化学传感器三种工作原理 2.离子选择电极 3.典型气体电极传感器
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2.原理结构
• 离子选择性电极是一类具有薄膜的 电极。其电极薄膜具有一定的膜电 位,膜电位的大小就可指示出溶液 中某种离子的活度,从而可用来测 定这种离子。
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2.原理结构
内参比电极 电极腔体 内参比溶液
电极薄膜
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3.玻璃电极
• (1)结构 • 玻璃电极是一种固体膜电极。此电极玻
理想的参比电极: 1)电极电位稳定,可逆性好 2)重现性好 3)使用方便,寿命长
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将标准氢电 极(人为规 定任何温度 下,其电极 电位为零) 作为负极与 待测电极组 成电池
电位差即该电极的相对电极电位,比标准氢电极的
电极电位高的为正,反之为负
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参考电极:Pt|H2(101325 Pa ),H+(1mol/L) 指示电极:Ag+(1mol/L)|Ag • 电位差:+0.799 V; • 银电极的标准电极电位:+0.799 V。 • 在298.15 K 时,以水为溶剂,当氧化
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二、测量系统
在电极——介质界面上,一方面通过 溶液离子运动进行电荷传输,另一方面通 过电极的测量电路进行电子导电,这两方 面可以看成是能量转换过程。
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二、测量系统
2.组成√
• 由三部分组成: • 电解质溶液、 • 电极(至少二个) • 测量电路。
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三.化学传感器分类
• 被测的化学量转变成电学量可用各 种不同方法进行。根据转变方式和输出 的电学信号的不同,可将电化学传感器 分为电位、电流和电导型三种。
表 银-氯化银电极的电极电位(25℃)
KCl 浓度 电极电位(V)
0.1mol/LAg-AgCl 电极 0.1 mol / L +0.2880
标准 Ag-AgCl 电极 1.0 mol / L +0.2223
饱和 Ag-AgCl 电极 饱和溶液 +0.2000
温度校正,(标准Ag-AgCl电极),t ℃时的电极电位为: Et= 0.2223- 6×10-4(t-25) (V)
电化学生物传感器中采用电流型电极为信号 转换器的趋势日益增加,这是因为这类电极和 电位型电极相比有以下优点:
①电极的输出直接和被测物浓度呈线性关 系,不像电位型电极那样和被测物浓度的对 数呈线性关系。
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。
③电极的灵敏度比电位型电极的高。
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理想的指示电极对离子浓度变化响应
快、重现性好,电极电位与待测离子浓度
或活度关系符合Nernst方程。
(1)第一类电极──金属-金属离子电极 它是由金属与该金属离子溶液组成 。 应用:测定金属离子
例如:Ag-AgNO3电极(银电极), Zn-ZnSO4电极(锌电极)等
电极反应为: Mn+ + ne- →M
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辅助电极或对电极
它们提供电子传递的场所,当通过电流 很小时,一般直接由工作电极和参比电极组 成电池,但当电流较大时需采用辅助电极构 成三电极系统来测量.
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四.离子选择电极(ion selective electrode)------ISE
是一种用特殊敏感薄膜制作的,对溶液中特定 离子具有选择响应的指示电极。
化学传感器分类
• 电化学传感器
电位测定、电流测定、电导测定等。
• 光化学传感器
吸收光谱、荧光光谱、化学发光等。
• 热化学传感器 • 研究化学过程中热效应及其规律的科学叫做热化学。热的测量。 • 这里主要介绍电化学传感器
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二、测量系统
• 1.概念
• 电化学传感器与物理传感器不同, 它是利用在电极——介质界面上进行 的电化学反应,将被测介质的化学量 转变为电学量的一类化学传感器。
应用:测定阳离子 例如草酸根离子能与银和钙离子生成草酸银 和草酸钙难溶盐,在以草酸银和草酸钙饱 和过的、含有钙离子的溶液中,插入银电 极可用来指示钙离子的活度。
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(4)零类电极(惰性金属电极)
由一种惰性金属(铂或金)与含有可 溶性的氧化态和还原态物质的溶液组成。 电极不参与反应,但其晶格间的自由电 子可与溶液进行交换.故惰性金属电极 可作为溶液中氧化态和还原态获得电子 或释放电子的场所。 应用:测定氧化型、还原型浓度或比值
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§6-2 电极种类
• 一.参比电极√ • 电极电势已知、恒定,且与被测溶液组成
无关,在测量电极电位时用作基准电位的 电极称为参比电极(reference electrode)。 • 标准氢电极是一级标准的参比电极。为制 作和使用方便,常用银/氯化银电极和甘 汞电极作为参比电极。
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一、参比电极
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2.电流型电化学传感器
• 电位型传感器是电化学电池的一个部件, 其工作机理是基于离子/电子界面上的平衡 态,这意味着没有净电流流过电池。而电流 型电化学传感器虽也是电化学电池的一个部 件,但它是在外加电压下在离子/电子界面 上发生化学反应将被测物质量转变成电流信 号的测量器件。
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电流型传感器优点
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