电化学传感器
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
种类繁多的化学传感器的出现，突破了人的感官的局限，使 人类的化学感觉在广度上和深度上都得到了延伸。简单而言， 化学传感器是模仿人类化学感觉器官的人造仪器。例如，半导 体气味传感器对人鼻嗅之无味的一氧化碳，其检测灵敏度可低 至百万分之几，这一数值远低于空气中允许存在的一氧化碳浓
度。安装这样的传感器可有效地防止一氧化碳中毒。
灵敏度、准确度高，选择性好，应用广泛。 被测物质的最低量可以达到10-12 mol/L数量级。 电化学仪器装置较为简单，操作方便,尤其适合于 化工生产中的自动控制和在线分析。 适用范围广（无机离子的分析；有机电化学分析 ；药物分析；应用于活体分析）
二、电化学分析法分类
根据所测电物理量不同分： • 电位分析法 • 电解与库仑分析法 • 极谱与伏安分析法 • 电导分析法
极谱法：使用滴汞电极的一 种特殊的伏安分析法。
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。
• 扫描电压呈等腰三角形。如果前半部扫描(电压上升部分)为去极化剂 在电极上被还原的阴极过程，则后半部扫描(电压下降部分)为还原产物 重新被氧化的阳极过程。因此．一次三角波扫描完成一个还原过程和氧 化过程的循环，故称为循环伏安法。
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。
电解与库仑分析法（电量）
电解分析:
在恒电流或控制电位的条件下，被测物在电 极上析出，实现定量分离测定目的的方法。
电重量分析法:
电解过程中在阴极上析出的物质量通常可以 用称重的方法来确定。
库仑分析法:
依据法拉第电解定律，由电解过程中电极上 通过的电量来确定电极上析出的物质量。
电流滴定或库仑滴定：
在恒电流下，电解产生的滴定剂与被测物作 用。
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。
例如，加尿后烧开显橘 红色，就应在上次用量 的基础上加12单位的 胰岛素。这种办法很麻 烦，而且是半定量的。
在葡萄糖传感器问世之前，患者需采 用所谓“班氏试验尿糖估计法”来指 导胰岛素注射量。这一方法相当烦琐， 需备酒精灯一个、试管一支、吸管一 支、班氏剂一瓶。每次注射胰岛素前， 取班氏试剂2毫升放入试管中，置酒 精灯上烧开，开后试剂保持蓝色不变， 说明试剂有效，加入病人尿液3滴， 再置酒精灯上烧开，根据试剂的变色 情况决定胰岛素用量的增减.
电化学传感器
上海交通大学环境学院 申哲民
一、 概 述 一、电化学分析法概述
什么是电化学分析 ?
定义: 应用电化学的基本原理和实验技术，依据 物质的电化学性质(电流、电位、电导、电量)，在 溶液中有电流或无电流流动的情况下，来测定物质 组成及含量的分析方法称之为电化学分析或电分析 化学。
电化学分析法的特点:
• 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。
• 计时电流法和计时库仑法
计时电流法是一种控制电位的分析方法，电位是控制的对象，电流是被测定 的对象，记录的是i—t曲线。
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。
直到最近30多年，随着光纤通信技术和物理传感 器（如石英晶体微天平、压电表面声波器件等）的 发展，化学家们才将化学传感器的信号转换由单纯 的电信号拓展到光信号、热信号、质量信号等多个 领域。
• 两个峰电流值及其比值，两个峰电位值及其差值 是循环伏安法中最为重要的参数。
• 对于符合Nernst方程的可逆电极反应，在25℃时：
ห้องสมุดไป่ตู้
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
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．
电化学传感器
• 由膜电极和电解液灌封而成。 • 浓度（气体）信号将电解液分解成阴阳带
电离子，通过电极将信号传出。 • 它的优点是：反映速度快、准确（可用于
ppm级），稳定性好、能够定量检测，但 寿命较短（大于等于两年）。 • 它主要适用于毒性气体的检测。目前国际 上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。
用电化学葡萄糖传感器测定人体血糖
班氏试剂颜色
砖红 橘红 黄 绿
胰岛素增减量(单位) ＞＋16 ＋12 ＋8 ＋4
蓝 0或-4
班氏尿糖估计法确定胰岛素用量
用电化学葡萄糖传感器 测定人体血糖
• 葡萄糖传感器传 感器的响应原理:
是葡萄糖氧化酶 （GOD）参与的 酶促反应：
装置由三部分组成：血糖 传感器、供药泵、胰岛素 药源。传感器、泵与病人 的血液三者构成一个闭环 控制系统（图）。传感器 将测定的信号变为对供药 泵开启与关闭的指令，使 糖尿病病人能像正常人一 样保持最恰当的血糖含量
电位阶跃产生极限电流，对于平面电极的线性扩散，其极限扩散电流可用 Cottrell方程式表示:
如电位阶跃未达到极限电流，则：
如对电流积分：
三电极体系
人的味觉
在人类的感觉中，视觉、听觉和触觉获取的是物理信息，与 之相关的传感器被分类为物理传感器.嗅觉、味觉获取的是化 学信息，称为化学传感器。
人的嗅觉和味觉，即人的化学感觉有种种局限,它对许多有味 物质的感觉比较迟钝同时能感觉的化学对象的种类亦有局限. 比如人的嗅觉不能识别有毒的一氧化碳,因而常常在不知不觉 中中毒。
根据信号转换技术的不同，可将化学传感器分为 电化学传感器、光化学传感器、质量化学传感器和 热化学传感器。
三、电化学分析法原理
度。安装这样的传感器可有效地防止一氧化碳中毒。
灵敏度、准确度高，选择性好，应用广泛。 被测物质的最低量可以达到10-12 mol/L数量级。 电化学仪器装置较为简单，操作方便,尤其适合于 化工生产中的自动控制和在线分析。 适用范围广（无机离子的分析；有机电化学分析 ；药物分析；应用于活体分析）
二、电化学分析法分类
根据所测电物理量不同分： • 电位分析法 • 电解与库仑分析法 • 极谱与伏安分析法 • 电导分析法
极谱法：使用滴汞电极的一 种特殊的伏安分析法。
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。
• 扫描电压呈等腰三角形。如果前半部扫描(电压上升部分)为去极化剂 在电极上被还原的阴极过程，则后半部扫描(电压下降部分)为还原产物 重新被氧化的阳极过程。因此．一次三角波扫描完成一个还原过程和氧 化过程的循环，故称为循环伏安法。
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。
电解与库仑分析法（电量）
电解分析:
在恒电流或控制电位的条件下，被测物在电 极上析出，实现定量分离测定目的的方法。
电重量分析法:
电解过程中在阴极上析出的物质量通常可以 用称重的方法来确定。
库仑分析法:
依据法拉第电解定律，由电解过程中电极上 通过的电量来确定电极上析出的物质量。
电流滴定或库仑滴定：
在恒电流下，电解产生的滴定剂与被测物作 用。
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。
例如，加尿后烧开显橘 红色，就应在上次用量 的基础上加12单位的 胰岛素。这种办法很麻 烦，而且是半定量的。
在葡萄糖传感器问世之前，患者需采 用所谓“班氏试验尿糖估计法”来指 导胰岛素注射量。这一方法相当烦琐， 需备酒精灯一个、试管一支、吸管一 支、班氏剂一瓶。每次注射胰岛素前， 取班氏试剂2毫升放入试管中，置酒 精灯上烧开，开后试剂保持蓝色不变， 说明试剂有效，加入病人尿液3滴， 再置酒精灯上烧开，根据试剂的变色 情况决定胰岛素用量的增减.
电化学传感器
上海交通大学环境学院 申哲民
一、 概 述 一、电化学分析法概述
什么是电化学分析 ?
定义: 应用电化学的基本原理和实验技术，依据 物质的电化学性质(电流、电位、电导、电量)，在 溶液中有电流或无电流流动的情况下，来测定物质 组成及含量的分析方法称之为电化学分析或电分析 化学。
电化学分析法的特点:
• 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。
• 计时电流法和计时库仑法
计时电流法是一种控制电位的分析方法，电位是控制的对象，电流是被测定 的对象，记录的是i—t曲线。
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。
直到最近30多年，随着光纤通信技术和物理传感 器（如石英晶体微天平、压电表面声波器件等）的 发展，化学家们才将化学传感器的信号转换由单纯 的电信号拓展到光信号、热信号、质量信号等多个 领域。
• 两个峰电流值及其比值，两个峰电位值及其差值 是循环伏安法中最为重要的参数。
• 对于符合Nernst方程的可逆电极反应，在25℃时：
ห้องสมุดไป่ตู้
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
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．
电化学传感器
• 由膜电极和电解液灌封而成。 • 浓度（气体）信号将电解液分解成阴阳带
电离子，通过电极将信号传出。 • 它的优点是：反映速度快、准确（可用于
ppm级），稳定性好、能够定量检测，但 寿命较短（大于等于两年）。 • 它主要适用于毒性气体的检测。目前国际 上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。
用电化学葡萄糖传感器测定人体血糖
班氏试剂颜色
砖红 橘红 黄 绿
胰岛素增减量(单位) ＞＋16 ＋12 ＋8 ＋4
蓝 0或-4
班氏尿糖估计法确定胰岛素用量
用电化学葡萄糖传感器 测定人体血糖
• 葡萄糖传感器传 感器的响应原理:
是葡萄糖氧化酶 （GOD）参与的 酶促反应：
装置由三部分组成：血糖 传感器、供药泵、胰岛素 药源。传感器、泵与病人 的血液三者构成一个闭环 控制系统（图）。传感器 将测定的信号变为对供药 泵开启与关闭的指令，使 糖尿病病人能像正常人一 样保持最恰当的血糖含量
电位阶跃产生极限电流，对于平面电极的线性扩散，其极限扩散电流可用 Cottrell方程式表示:
如电位阶跃未达到极限电流，则：
如对电流积分：
三电极体系
人的味觉
在人类的感觉中，视觉、听觉和触觉获取的是物理信息，与 之相关的传感器被分类为物理传感器.嗅觉、味觉获取的是化 学信息，称为化学传感器。
人的嗅觉和味觉，即人的化学感觉有种种局限,它对许多有味 物质的感觉比较迟钝同时能感觉的化学对象的种类亦有局限. 比如人的嗅觉不能识别有毒的一氧化碳,因而常常在不知不觉 中中毒。
根据信号转换技术的不同，可将化学传感器分为 电化学传感器、光化学传感器、质量化学传感器和 热化学传感器。
三、电化学分析法原理