应用电化学电化学传感器

膜

膜

2.303RT zF
lg
aM n
对于阴离子Rn-有选择性的电极,则有如下的关系:
膜
膜
-
2.303RT zF
lg
aRn
离子选择性电极与甘汞电百度文库组成电池后，
E
参
-膜

'
2.303RT zF
lg
aM n
配制一系列已知浓度的标准溶液，并以测得的电动 势E值与相应的lgaMn+值绘制校正曲线，即可按相同 步骤求得未知溶液中欲测离子的浓度。
CO报警器：煤矿工业中，为保护矿工的健康和生 命安全，检测浓度范围在0~250uL·L-1
O2和CO2气体传感器：检测血液中O和O2气体的分 压及血液的酸性环境状况。也能用于非气体物质蛋 白质、铁含量和NO3-浓度等的检测。
例：氟离子传感器是以LaF3单晶片作为薄膜，内部 标准溶液为0.lmol·kg-1 KF和0.1mol·kg-1 NaCl，可以 写成：
玻璃膜和氢离子浓度分别为aH+/aH+Ө的水溶液接触时，
产生的膜电位为：



2.303RT zF
lg
aH
未知
298K时，E/ V＝常数一0.05916pH
9.2.1 控制电位电解型气体传感器的发展
目前检测气体的主要方法：
(1)热导分析（常用于气相色谱分析）；
(2)磁式氧分析； (3)电子捕获分析；
(4)紫外吸收分析法； (5)光纤传感器；
(6)半导体器；
(7)化学发光式气体分析仪；
(8)电化学式传感器； (9)化学分析法。
不同传感器比较比较：
a.化学发光式气体分析仪： 优点——检测灵敏度高、准确性能强等， 缺点——仪器体积大，不能实时监测，价格昂贵
第九章 电化学传感器
主要内容
1 概述 2 控制电位电解型气体传感器 3 生物电化学传感器
基本概念 人体与机器的对应
外 人体
界
刺 激
机器
人的感官 传感器
人脑 计算机
机体 执行器
传感器：信息采集和处理链中的一个逻辑元件
化学传感器：可用以提供被检测体系(液相或气相) 中化学组分实时信息的那一类器件
物理传感器：利用光电效应、压电效应等将物理现 象转化为各种信息的器件
定义：将溶解于电解质溶液中的离子作用于离子电 极而产生的电动势作为传感器的输出而实现离子的 检测，通过平衡电位来确定物质浓度。其中研究最 多的是离子传感器，而离子传感器中最多的是pH 传感器
离子传感器也叫做离子选择性电极（ion-selective electrode, ISE)，它响应于特定的离子，其构造的 主要部分是离子选择性膜。因为膜电位随着被测定 离子的浓度而变化，所以通过离子选择性膜的膜电 位可以测定出离子的浓度。
b. 苯酚、苯胺及其衍生物电化学聚合修饰电极
c. 4, 4’-二氨基联苯、8-羟基喹啉及一些含羟基、 氮原子的芳香化合物修饰电极
B. 阴离子和钾离子电位传感器
掺杂有Cl- , Br-,ClO4- , NO3-等阴离子的导电高分 子 —聚吡咯（PPy）修饰电极对所掺杂离子
例：对于Cl-掺杂的PPy薄膜电极，浸人含有Cl-的 溶液中活化一段时间，对Cl-显示了稳定的电位响 应。在10-4~ 0.1 mol·kg-1浓度范围内呈现能斯特响 应，斜率为-58~60mV/pCl，检测下限为3.510-5 mol·kg-1
C.采用共价键合的二茂铁修饰电极能用作L-抗坏血 酸的电位传感器
电位响应与pH =2.2氨基乙酸缓冲溶液中的L-抗坏血 酸浓度在10-3~10-6 mol·kg-1之间呈线性关系，电极 电势响应斜率为51.5mV，线性相关系数为0.9997
1 概述 2 控制电位电解型气体传感器 3 生物电化学传感器
b. 半导体气敏传感器： 灵敏度较低，重现性较差，只能用作一般报警器。
c. 电化学式传感器： 灵敏度高，准确性好，体积小，操作简单，携带方 便，可用于现场监测且价格低廉
控制电位电解型(即电流型)气体传感器特点： a. 体积小，测量精度高，适用于现场直接监测 b. 可检测的气体种类多：达数百种 c. 可检测的气体浓度范围宽：由10-9至百分浓度级
较高的Na+存在时，还必须考虑Na+带来的影响， 公式变为：
E

常数
2.303RT F
lg
aH
未知

K H ,Na
aNa
式中，KH,Na叫做离子选择常数，KH,Na愈小，对H+ 的选择性越好。
除测量PH 的电极外，引进玻璃的成分，已制成了
Na+, K+, NH4+, Ag+, Tl+, Li+, Rb+, Cs+ 等一列一价阳 离子的选择性电极。此外还种膜电极出现，例如
电流型电化学气体传感器种类： 可以检测的气体有：O2, CO, H2S, Cl2, HCN, PH3, NO, NO2，酒精、肼、偏二甲肼等十几种气体
应用：安全检测，环境监测，以及其他特殊用途。 如利用NO气体传感器测水泥窑温度，用O2和CO气 体传感器监测锅炉燃烧效率。
酒精传感器：据呼吸中所含酒精气体的分压与传 感器的极限扩散电流成线性关系的原理而研制的。
用Ag2S压片可制成S2-离子选择性电极，已制成了 F+, Cl-, Br-, I-, CN-, NO3-等阴离子选择电极。
化学修饰电极电位传感器
A. pH电位传感器
a. 聚(1, 2-二氨基苯)修饰电极 pH = 4~10之间几乎呈能斯特响应，斜率为53mV /pH，线性相关系数为0.991。由于电极表面聚合 物中胺链的质子化所引起
9.1.1 化学传感器分类
按检测物质种类分： 液膜型
固体膜型 离子传感器 选择性FET
半导体
化学传感器
接触燃烧性 气体传感器 生物传感器 免疫传感器
固体电解质 电解型 微生物 酶传感器
依据原理分：
热学式
光学式
化学传感器
电位型
电化学式
电导型
质量式 电流型
9.1.2 电位型传感器(potentiometric sensors)
膜电位：内部参比电极和外部参比电极之间的电位 差。也有把外部参比电极组合成一体化的传感器。 有的传感器还带有温度补偿用的热敏电阻。
离子传感器主要构造：
参比电极 (SCE或Ag-AgCl)
内部基准液 (0.1mol/kg,强)
玻璃薄膜
液膜及载体
固体膜
离子传感器膜电位原理：
膜电位与溶液中离子Mn+活度aMn+的关系，可用能 斯特方程来表示：