第10章 化学传感器和电极
第10章 第41讲 新型化学电源分类突破2025年高考化学一轮复习讲义(新人教版)
第41讲新型化学电源分类突破[复习目标] 1.熟悉常考新型化学电源的类型及考查方式。
2.会分析新型化学电源的工作原理，能正确书写新型化学电源的电极反应式。
类型一固体电解质电池1．以硝酸盐为离子导体的Na-O2电池装置与其某一电极M附近的反应机理如图所示。
下列说法错误的是()A．镍电极上发生还原反应B．M的电极反应为4Na＋＋O2＋2NO－3＋2e－===4NaNO2C．Na2O是该过程中的中间产物D．固体电解质能起到隔绝空气的作用2．(2023·四川乐山高三统考)固体电解质是具有与强电解质水溶液相当的导电性的一类无机物，一种以RbAg4I5晶体为固体电解质的气体含量测定传感器如图所示，固体电解质内迁移的离子为Ag＋，氧气流通过该传感器时，O2可以透过聚四氟乙烯膜进入体系，通过电位计的变化可知O2的含量。
下列说法正确的是()A．银电极为正极，多孔石墨电极为负极B．O2透过聚四氟乙烯膜后与AlI3反应生成I2C．银电极的电极反应为Ag＋＋e－===AgD．当传感器内迁移2 mol Ag＋时，有标准状况下22.4 L O2参与反应类型二打破思维定势的浓差电池3．(2023·山东，11改编)利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生。
电池装置如图所示，甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液，向甲室加入足量氨水后电池开始工作。
下列说法正确的是()A．甲室Cu电极为正极B．隔膜为阳离子膜C．电池总反应：Cu2＋＋4NH3===[Cu(NH3)4]2＋D．NH3扩散到乙室不会对电池电动势产生影响4．(2022·浙江1月选考，21)pH计是一种采用原电池原理测量溶液pH的仪器。
如图所示，以玻璃电极(在特制玻璃薄膜球内放置已知浓度的HCl溶液，并插入Ag-AgCl电极)和另一Ag-AgCl电极插入待测溶液中组成电池，pH与电池的电动势E存在关系：pH＝E－常数0.059。
下列说法正确的是()A．如果玻璃薄膜球内电极的电势低，则该电极反应式为：AgCl(s)＋e－===Ag(s)＋Cl－(0.1 mol·L－1)B．玻璃膜内外氢离子浓度的差异不会引起电动势的变化C．分别测定含已知pH的标准溶液和未知溶液的电池的电动势，可得出未知溶液的pH D．pH计工作时，电能转化为化学能(1)浓差电池是仅由一种物质由高浓度向低浓度扩散而引发的一类电池。
化学传感器的原理与应用
化学传感器的原理与应用化学传感器是一种能够检测、分析和监测化学物质的装置，它通过测量目标物质与传感器之间的化学反应或相互作用来实现。
化学传感器的原理与应用广泛，涉及到多个领域，如环境监测、医学诊断、食品安全等。
本文将从传感器的工作原理、常见的传感器类型以及其应用进行探讨。
一、传感器的工作原理化学传感器的工作原理基于化学反应或相互作用，通过测量目标物质与传感器之间的变化来实现检测和分析。
传感器通常由两部分组成：识别元件和转换元件。
识别元件是传感器的核心部分，它能够与目标物质发生特定的化学反应或相互作用。
常见的识别元件包括化学试剂、生物分子或材料。
当目标物质与识别元件发生反应后，会引起一系列的变化，如颜色、电流、电压等。
转换元件负责将识别元件与目标物质的反应转化为可以测量的信号。
常见的转换元件有电化学传感器、光学传感器、电子传感器等。
其中，电化学传感器是最常见的一种，它利用电化学反应将化学反应转化为电信号，通过测量电信号的变化来实现目标物质的检测。
二、常见的传感器类型根据传感器的工作原理和应用领域的不同，化学传感器可以分为多种类型。
以下是几种常见的传感器类型：1. pH传感器：pH传感器用于测量溶液的酸碱度。
它通常使用玻璃电极和参比电极来测量溶液中的氢离子浓度，从而确定溶液的pH值。
2. 气体传感器：气体传感器用于检测空气中的气体成分。
它可以通过化学反应或吸附作用来与目标气体发生反应，并通过测量反应后的变化来确定气体的浓度。
3. 生物传感器：生物传感器利用生物分子与目标物质的特异性相互作用来实现检测。
常见的生物传感器包括酶传感器、抗体传感器等，它们可以用于医学诊断、生物学研究等领域。
4. 光学传感器：光学传感器利用光的吸收、发射、散射等特性来实现目标物质的检测。
它可以通过测量光的强度、颜色等参数来确定目标物质的浓度或性质。
三、化学传感器的应用化学传感器在各个领域都有广泛的应用。
以下是几个典型的应用案例：1. 环境监测：化学传感器可以用于监测大气中的污染物、水体中的重金属离子等。
生物传感器-讲义(学生完整版)
52 52 53 53 57 62 66 67
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第一章 第一节
绪论
传感器的定义和组成
传感器的定义：能感受或响应规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。 传感器的典 型结构如图 1-1 所示。
图 1-1 传感器的典型结构
医用传感器（medical sensors）感知非电量的生物信息并将其转换成电学量的器件或装置。
第二节
传感器的作用
医用传感器作为拾取生命体征信息的“感官” ，延伸了医生的感觉器官，把定性的感觉扩展为定量的检测， 是医用仪器、设备的关键器件。常用的生物信号检测类仪器结构框图如图 1-2 所示。
图 1-2 检测类仪器结构框图
传感器将微弱的生物信号转化成微弱的电信号，再经过放大后进行 A/D 转换，将模拟信号转换成数字信号 输人计算机。在计算机中可以进行分析、计算以及各种处理，然后输出到显示器、打印机等输出设备。 一种新的传感器可以引领一类医用仪器设备的发展， 甚至带来根本性的变革。 由于精密光电传感器和电生化 传感器技术的发展，使原来必须到医院检测的血糖可以自己在家里完成， 从而导致微型快速血糖仪在糖尿病患者 家庭的普及和在医院的广泛应用。
医用传感器应具有以下特性：
（1） （2） （3） （4） （5） （6） 足够高的灵敏度。能够检测出微弱的生物信号。 尽可能高的信噪比。以便在干扰和噪声背景中提取有用的信息。 良好的精确性。以保证检测出的信息准确、可靠。 足够快的响应速度。能够跟随生物体信息量的变化。 良好的稳定性。保持长时间检测漂移很小，输出稳定。 较好的互换性，调试、维修方便。
1
医用传感器的主要用途有：
1．提供信息 如心音、血压、脉搏、体温、血流等，作为重要的生理参数供临床诊断和基础研究用。 2．监护 长时间连续检测某些生理参数，监视其是否超出正常范围，以便随时掌握患者的状况，出现异常 及时报警。 3．生化检验 利用传感器的分子识别能力，检测各种体液、溶液中的成分和含量。 4．自动控制 根据传感器提供的生理信息，调节执行机构做出反应，实现自动控制。例如：注射泵根据流 量传感器的信息调节推进量，实现单位时间注射量的自动控制。 5．参与治疗 医用电极经常既用于检测信号，又用于实施治疗。例如：按需型体内起搏器的电极既作为自 主心电的检测电极，又作为无自主心电时起搏器发放脉冲的刺激电极，此时所起的就是治疗作用。
第十章电位分析
玻璃电极
待测液┇┇KCl(饱和)│Hg2Cl2│Hg (+) 甘汞电极
25℃，电池电动势ECell为: ECell = SCE- 玻 = SCE – ( AgCl/Ag+ 膜)
在测定条件下， SCE及 AgCl/Ag，可视为常数，合并 为K，于是上式写为:
，
实际 位电 Ox/极 Red电 为纵
坐标，则得到一 ，条 其直 斜S线 率 RT，当aOx 1时， nF aRed
截距 Ox/Red O x/Red。
三、实验中电极性质和名称
1. 指示电极和工作电极
在零电流条件下，能反映溶液中待测离子的活度或 浓度的电极，在测试过程中，溶液主体浓度不发生变化 的电极称为指示电极。
玻璃膜内、外表面的性质基本相同，则k1=k2 ， a’1 = a’2
膜 = 外 - 内 = 0.059 lg( a1 / a2）
由式可知，如果a1= a2 ，则理论上膜=0，但实际上 膜≠0，此时的电位称为不对称电位不对称。
产生的原因: 玻璃膜内、外表面含钠量、表面张力及 机械 和化学损伤的细微差异所引起的(玻璃膜内、外表面 的性质不完全相同)。长时间浸泡后恒定(1～30mV)。
水化层表面可视作阳离子交换剂。溶液中H+经水化层扩 散至干玻璃层，干玻璃层的阳离子向外扩散以补偿溶出的离 子，离子的相对移动产生扩散电位。 两者之和构成膜电位。
放入待测溶液，玻璃膜两侧电解质的浓度或组成不同， 因此在膜与溶液的界面上，离子选择性和强制性的扩散，膜 两边交换、扩散离子数目不同，破坏电荷分布的均匀性，形 成双电层，在膜的两侧产生两个相界电位： 外、内，产生 电位差 。
电化学传感器结构
电化学传感器结构
电化学传感器一般由电极、传感层和电解质组成。
1. 电极：电化学传感器通常由贵金属电极和反应电极组成。
贵金属电极一般使用铂、金、银等材料，具有良好的电导性和化学稳定性，用于传递电流和测量电位。
反应电极用于与待测物质发生化学反应，一般可以选择合适的材料和膜层来增强其选择性和灵敏度。
2. 传感层：传感层是电化学传感器中的重要部分，其功能是实现待测物质与电极之间的反应。
传感层可以是固体或液体，通常包括催化剂、膜层、生物分子或化学物质等。
传感层的选择取决于待测物质的性质和检测要求。
3. 电解质：电荷转移过程是电化学传感器工作的基础，需要在传感层和电极之间提供离子传导的介质。
电解质可以是液体、凝胶或固体电解质，其选择与传感层和电极材料密切相关。
综上所述，电化学传感器的结构设计要考虑电极材料的选择、传感层的设计和电解质的配合，以实现对待测物质的高灵敏度和高选择性测量。
化学传感器原理与应用
化学传感器原理与应用化学传感器是一种能够检测、识别和测量特定化学物质的装置。
它们基于化学反应原理，将目标物质与特定试剂反应，并通过测量反应过程中产生的信号来间接或直接检测目标物质的存在和浓度。
化学传感器的工作原理可以分为吸附型传感器、电化学传感器、光学传感器和生物传感器等多种类型。
这些传感器在不同的应用场景中发挥着重要作用。
吸附型传感器利用目标物质与传感材料表面的物质吸附作用，实现目标物质的检测。
以气体传感器为例，当目标气体与传感材料接触时，会在传感材料表面吸附形成物理或化学吸附层，由此改变传感材料的导电性、阻抗等性质，通过测量这些性质的变化来检测目标气体的存在和浓度。
电化学传感器利用目标物质在电极表面发生的氧化还原反应，通过测量电流、电势等电化学参数的变化来检测目标物质。
典型的电化学传感器包括pH传感器、离子选择性电极和生物传感器中的酶电极等。
光学传感器利用目标物质与特定光源之间的相互作用来检测目标物质。
常见的光学传感器包括吸收光谱传感器、荧光传感器和表面增强拉曼散射传感器等。
通过测量光源经过或与目标物质交互后的光的强度、波长等参数的变化，可以实现目标物质的检测和定量分析。
生物传感器是一类基于生物体或生物分子与目标物质相互作用的传感器。
例如，酶传感器通过测量酶与底物反应产生的电流、光信号等来检测目标物质，抗体传感器则利用抗体与特定抗原结合来实现目标物质的检测。
化学传感器在环境监测、食品安全、医学诊断和工业过程控制等领域具有广泛的应用。
例如，气体传感器可用于监测空气中的有害气体浓度，水质传感器可用于检测水中的污染物浓度，生物传感器可应用于临床诊断和药物筛选等。
总之，化学传感器利用化学反应原理和各种检测方法，能够快速、准确地检测目标物质的存在和浓度，具有重要的科研和实际应用价值。
10电位分析法
电位分析法
复合式pH玻璃电极 玻璃电极 复合式
为简化测定操作，推出了复合式pH玻璃电极：将pH玻 璃电极与外参比电极结合在一起。 结构特点：内外两个参比电极间的电位差恒定；外参比 电极通过多孔的陶瓷塞与未知pH的待测液相接触，构 成一个化学电池。 使用后清洗完毕，应浸在以AgCl饱和的KCl溶液中。
Θ H＋ 0 0
＋ M
电位分析法
误差
′ ϕ =ϕ ＋ .0592lg(α ＋ α 0 K
Θ 0 0 H＋ H＋
＋ M
)
表 ： 试 中α 低 α 高 ， 明 当 液 且 时
＋ M
ϕ受 影 变 而 可 略 α 响 大 不 忽 ，
0
＋ M
使 表 的pH明 偏 ， 入 误 称 碱 差 得 征 显 低 引 的 差 为 误 。 在 酸 件 ， 于 分 的 度 小 α也 小 高 条 下 由 水 子 活 变 ， 减 ，
ϕOx
Re d
=ϕ
O Ox/Red
R T + ln aOx nF
电位分析法
电极电位目前无法测量一个单独电极的绝对电位。 电位分析中，由两个电极组成电池。
指示电极：被测试液中某种离子的活度 指示电极 参比电极：提供电位标准 参比电极 极化电极：电位随外加电压的改变而改变 极化电极 去极化电极：电极电位完全保持恒定。 去极化电极
电位分析法
玻璃电极使用前，必须在水溶液 中浸泡至少24h以进行活化。 水浸泡后，表面的Na+与水中的 H+ 交换， 表面形成水合硅胶 层。 水合硅胶层与溶液的界面间由于 离子交换产生电位差。
电位分析法
玻璃膜电位
玻璃电极使用前，必须在水溶液中浸泡活化 活化， 玻璃电极使用前 ， 必须在水溶液中浸泡 活化 ， 生成 三层结构 结构， 三层结构，即中间的干玻璃层和两边的水化硅胶层
化学传感器
5.微型化学传感器及其阵列的研究是高性能化学传感器进入 新世纪的一个重要标志
随着固态技术和微电子技术的进步，以高精度、低驱动、 低功耗、小尺寸和快响应为主要目标的微型电子机械系统 传感器（MEMS Sensors）的出现，定将使化学传感器进入 前所未有的“微观世界”，出现新的飞跃。
THANKS
一、化学传感器的定义
识别系统
转换系统
与动物的感官相比
嗅觉：气体传感器 味觉：离子传感器 触觉：压力传感器
听觉：声波传感器 视觉：红外线传感器
物理传感器与化学传感器
在人类的感觉中，视觉、听觉和触觉获取的是物理信息 （光，力），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（化学物质的浓度，组成 ），称为化学传感器。
v
各种化学工业，能源工业，原材料工业，食品工业
v
环境监铡，污染环境 (大气、水、土壤)监控与处理，
卫生防疫及食品卫生检测；
v
临床医学和基础医学；
v
农业土壤，水产养殖，家畜、家禽养殖，植保、生
态学研究；
v
军事应用 (化学战争中检测与防护 )。
四、化学传感器的发展前景
环境保护和监控、疾病的预防和治疗以及不断提高人们的生活质 量和工农业活力等三方面仍然是化学传感器在相当长时间内重点 发展的主要领域。当今时代，面临新的挑战和新的机遇，化学传 感器的发展趋势可以从下列几方面予以说明:
4.嗅敏（电子鼻）和味敏（电子舌）等新一代仿生传感器是新世纪化学 传感器的新的生长点。这种模拟人体五官功能（five human senses） 对各种物质和所处的环境进行有效识别，是人工智能研究的重要方面 。
味觉传感器自 90 年代获得突破性进展以来，利用多通道技术已 能定量检测具有甜、酸、苦、辣、咸等五种主要味觉的物质。在 选择性、重复性和耐久性等得到进一步提高后，将广泛用于食品 工业。以提高各种饮料、水果和蔬菜等的质量以及生产控制能力， 创造巨大的经济效益。电子鼻是一种多通道的气体传感器阵列， 它能对有毒气体、爆炸性气体以及毒品、炸药掺放的气味以及食 品的气味和新鲜程度，进行有效的检测。对鱼的新鲜度检测已在 日本、美国和欧洲列为重点项目。近几年，嗅觉和味觉传感器的 研制已在我国启动，在新世纪必将取得更大的进展。
化学传感器技术
化学传感器技术在现代科技发展的浪潮下，化学传感器技术作为一项重要的研究领域，在各行各业得到了广泛应用。
化学传感器技术以其灵敏度高、响应速度快、操作简便等特点，为我们解决许多实际问题提供了有效的手段。
本文将介绍化学传感器技术的原理、分类以及其应用领域。
一、化学传感器技术的原理化学传感器技术是利用感光材料对目标物质的选择性敏感性实现对目标物质的检测和测量。
它主要依靠感光材料与目标物质发生化学反应或物理变化，并利用这些变化导致的光学、电学、热学等信号来实现目标物质的检测和测量。
化学传感器技术的实现离不开传感层和转换器两个组成部分。
传感层是化学传感器技术的核心部分，其材料特性决定了化学传感器的灵敏度和选择性。
常见的传感层材料包括阻抗传感层、荧光传感层、电化学传感层等。
这些传感层材料对于目标物质有一定的选择性，能够与目标物质发生特定的相互作用。
转换器是化学传感器技术的关键部分，能够将感光材料与目标物质发生的相互作用转化为可测量的信号。
常见的转换器包括光电转换器、电化学转换器、热学转换器等。
这些转换器能够将感光材料与目标物质的反应转化为光学信号、电学信号或热学信号，进而实现目标物质的检测和测量。
二、化学传感器技术的分类根据检测原理的不同，化学传感器技术可以分为光学传感器、电化学传感器、电导传感器等多种类型。
以下将对这三种类型进行简要介绍。
1. 光学传感器光学传感器是利用感光材料的吸收、荧光、散射等光学特性来实现目标物质的检测和测量。
常见的光学传感器包括吸收光谱传感器、荧光光谱传感器等。
吸收光谱传感器通过测量被测物质在特定波长的光线的吸收程度来判断其浓度；荧光光谱传感器则通过测量被测物质发出的荧光强度来判断其浓度。
2. 电化学传感器电化学传感器是利用感光材料与目标物质的电化学反应来实现目标物质的检测和测量。
常见的电化学传感器包括离子选择性电极、氧气传感器等。
离子选择性电极通过感光材料与目标物质之间的离子交换反应来实现目标物质的测量；氧气传感器则通过感光材料与氧气之间的氧化还原反应来实现氧气的测量。
化学实验知识：电化学传感器的制备和性能研究方法探究
化学实验知识：“电化学传感器的制备和性能研究方法探究”电化学传感器的制备和性能研究方法探究电化学传感器是一种能够将化学反应转化为电信号的传感器，可以用于检测和分析各种物质。
其广泛应用于医药、环境监测、食品安全等领域，已成为现代生产、科研和生活中不可缺少的工具之一。
本文将重点介绍电化学传感器的制备方法和性能研究方法。
一、电化学传感器的制备方法1.构建电极电化学传感器的核心是电极，因此电极的构建是电化学传感器制备中最重要的一步。
电极有多种类型，格式也不尽相同。
一般而言，电极的制备需要先选择合适的电极材料，并在其表面进行修饰或与其他物质相结合，以提高其敏感性、选择性和稳定性。
常见的电极材料有碳材料、金属材料、半导体材料等。
2.选择电解质电化学传感器在测量过程中需要一种适当的电解质来提供离子交换，以促进电化学反应的发生。
选择电解质时需要考虑其缓冲能力、稳定性和对电极的影响等因素。
常用的电解质有磷酸盐缓冲溶液、硝酸钠缓冲溶液等。
3.分析电化学反应在制备电化学传感器时，需要对电化学反应进行分析，以确定电化学反应的类型和产物。
常见的分析方法有循环伏安法、恒电位法、交流阻抗法等。
4.电化学传感器的组装电化学传感器的组装需要将构建好的电极与选择好的电解质和分析设备相结合。
通常，将电极浸泡在电解质中进行测量，可以通过连接外部电路控制电位或电流进行测量。
同时，还可以通过控制测量条件，如温度、光照等来改变电化学反应的速率和类型，从而达到更精确的检测效果。
二、电化学传感器的性能研究方法1.性能参数的测量为了对电化学传感器的性能进行研究，需要确定其性能参数，如检测范围、灵敏度、选择性、响应时间等。
这些性能参数的测量需要建立完善的检测方法，并严格控制实验条件，以确保测量结果的准确性和可重复性。
2.对干扰物的抑制和选择性的提高电化学传感器在实际应用中常常会受到其他物质的干扰，因此需要对干扰物进行抑制，以提高检测的选择性。
这可以通过在电极表面选择合适的修饰剂，根据不同物质的特性和化学反应选择合适的电解质等来实现。
化学传感器的原理及其应用
化学传感器的原理及其应用化学传感器是一种能够检测特定化学物质的设备，其原理是利用化学反应产生的电信号来识别和测量化学物质的浓度。
通过这种方式可以快速、准确地检测和分析各种化学物质，从而广泛应用于医疗、环保、食品安全等领域。
一、化学传感器的原理化学传感器的原理可以用一个简单的例子来说明：利用酸碱指示剂检测酸碱度。
酸碱指示剂通常是一种可溶于水的有机分子，它会因为在不同的 pH 值下化学结构的变化而导致颜色的变化。
在实际应用中，酸碱指示剂通常与传感器中的电极相连，可以通过电位的变化来测量溶液的 pH 值。
化学传感器实际上就是将这种原理进一步融合和发展，将具有特定响应的材料与电子元件相结合，通过化学反应引起电信号的变化，从而对化学物质进行检测和分析。
常见的化学传感器包括离子选择性电极、气敏传感器、化学荧光传感器等。
其中，离子选择性电极是最为常见的一种传感器，被广泛应用于检测食品、饮用水中的污染物等领域。
二、化学传感器的应用1. 食品安全化学传感器可以在短时间内检测出食品中的污染物，提高食品质量和安全性。
例如，气敏传感器可以检测出面包、奶酪、葡萄酒等食品中产生的挥发性有机物；荧光传感器可以检测出加工食品中添加的人造色素或添加剂等。
2. 医疗化学传感器可以用于临床诊断和治疗。
例如，血糖仪、血氧仪等设备就是化学传感器的一种，目前已经广泛应用于医院、家庭等场合。
此外，化学传感器还可以检测出身体中的某些代谢产物等信息，为医生提供参考。
3. 环保化学传感器可以快速、准确地检测出海水、湖泊、河流等水域中的某些有害化学物质，有着广泛的环保应用。
例如，离子选择性电极可以检测出水中的铅、汞等重金属离子，气敏传感器可以检测出空气中的 VOC 等有害气体，为环境保护提供帮助。
总结：化学传感器作为一种重要的仪器设备，已经成为当今科技进步的重要产物。
它的应用范围十分广泛，可以用于食品安全、医疗、环保等多个领域。
在未来，化学传感器还有着更广阔的应用前景。
电化学传感器的基本原理
电化学传感器的基本原理电化学传感器是一种能够通过电化学反应来检测和测量目标物质的浓度或者其他性质的传感器。
它利用电化学反应产生的电流或电势变化与待测物质的浓度或性质之间的关系来进行测量。
电化学传感器具有高灵敏度、快速响应、广泛的测量范围以及良好的选择性和重复性等优点，已广泛应用于环境监测、生物医学、食品安全等领域。
电化学传感器的基本原理可以分为两个方面：电极过程和信号转换过程。
一、电极过程电化学传感器的关键部分是电极。
电极分为工作电极、参比电极和计量电极。
工作电极是用于与待测物质进行反应的电极，参比电极用于提供一个稳定的电势参考，以确保测量的准确性，而计量电极用于测量电势变化。
电化学传感器中常用的工作电极有玻碳电极、金属电极和导电聚合物电极等。
电化学传感器通常利用氧化还原反应进行测量。
当待测物质与电极表面发生氧化还原反应时，可以触发电子的转移，产生电流或电势变化。
这个电极过程可以用三个主要的反应步骤来描述：吸附、转移和反应。
在吸附步骤中，待测物质会在电极表面吸附。
这个吸附过程可能是物理吸附（范得华力）或化学吸附。
物理吸附是由于静电吸引力或由于尺寸和形状之间的相互作用所致。
而化学吸附是由于化学键的形成或解离所致。
当物质吸附在电极表面后，会发生转移过程，也就是物质与电极之间的电子转移。
在这个过程中，待测物质的电子会通过电荷传递步骤从电极上的吸附物质转移到电解质中。
此外，也可以通过以电化学方式对待测物质供电，从而使其进行自发的电子转移。
在转移过程中，物质的电子会在电解质中传输，形成电流或电势。
这个电流或电势的大小与待测物质的浓度或性质有关。
最后，在反应步骤中，物质发生氧化还原反应，进一步改变电极表面的电位。
这个反应可以是断裂电子转移，也可以是通过催化剂或化学反应进行的。
二、信号转换过程电化学传感器的信号转换是将电极过程产生的电流或电势变化转化为可测量的信号。
信号转换的方法主要有电流测量、电势测量和电导率测量等。
电化学传感器中的电极材料研究与应用
电化学传感器中的电极材料研究与应用电化学传感器是一类使用电化学反应来检测分析或测量化学物质的传感器。
电化学传感器具有灵敏度高、响应速度快、专业度高、反应稳定等特点，因此在许多领域都得到了广泛应用。
其中电极材料作为电化学传感器的核心部分，对电化学传感器的性能和应用具有至关重要的作用。
因此，研究和探索电化学传感器中的电极材料是电化学传感器应用研究中的重要内容。
一、电极材料的分类电极材料是电化学传感器中的核心材料，其种类繁多，可以根据其类型进行分类，如下：1.金属电极材料：金属电极材料是一种常见的电极材料，包括铂、金、银、铜、铝等。
金属电极材料一般具有良好的化学活性，能够与被测物质发生电化学反应，因此广泛应用于电化学传感器中。
2.导电聚合物电极材料：导电聚合物电极材料是指具有导电性质的聚合物材料，包括聚苯胺、聚咔唑、聚吡咯等。
导电聚合物电极材料具有良好的稳定性，因此被广泛应用于电化学传感器中。
3.碳电极材料：碳电极材料是一类重要的电极材料，包括玻碳电极、金刚石电极、纳米碳管电极等。
碳电极材料具有良好的化学稳定性、导电性和生物相容性，因此在生物传感、环境监测等领域得到广泛应用。
二、电极材料的应用电极材料以其独特的性能被广泛应用于电化学传感器中，下面介绍几种电极材料的应用：1. 导电聚合物电极材料的应用导电聚合物电极材料具有良好的化学稳定性和生物相容性，是一种重要的电极材料，被广泛应用于生物传感领域，如基于聚苯胺电极的葡萄糖传感器、基于聚吡咯电极的乳酸传感器等。
2. 碳电极材料的应用碳电极材料具有良好的化学稳定性、导电性和生物相容性，被广泛用于生物传感、环境监测等领域。
例如，纳米碳管电极可以用于检测DNA、蛋白质等生物分子，具有高灵敏度、高选择性等优点。
3. 金属电极材料的应用金属电极材料广泛应用于电化学传感器中，如基于铂电极的氧化还原反应传感器、基于银电极的离子传感器等。
金属电极材料具有良好的化学活性和稳定性，能够与被测物质发生电化学反应，因此具有高灵敏度、高选择性等优点。
化学传感器的原理及应用
化学传感器的原理及应用化学传感器是一种能够检测化学物质或物理量的仪器，广泛应用于环境监测、医学诊断、食品安全等领域。
化学传感器具有快速、灵敏、准确、简便等特点，因此备受关注。
本文将介绍化学传感器的原理及应用。
一、化学传感器的原理化学传感器是一种可靠的化学探测器，它依靠化学反应产生的电信号来检测目标分子浓度。
它的工作原理基于电化学技术。
电化学传感器是将化学反应（通常是氧化还原反应）和电化学技术组合起来实现了分析化学的任务。
其测量信号通常是电位差和电流。
化学传感器通常由三部分组成：传感元件、电极和信号转换器。
传感元件是感受物质的关键部分，可以根据感受物质的特性选择不同的元件。
例如，其中一个常用的传感元件是金属氧化物（MOX）半导体。
MOX的电阻会随着气体（例如空气中的挥发性有机化合物）的浓度变化而变化。
电极是传感器中用来测量电位差和电流的部分。
信号转换器则负责将电位差和电流转换为可以读取的数字信号。
二、化学传感器的应用化学传感器广泛应用于环境监测、医学诊断、食品安全等领域。
以下是几个重要应用：1.污染物监测化学传感器可以监测有害气体、水质和土壤的污染物。
例如，一些化学传感器可以检测二氧化硫、氮氧化物、臭氧、挥发性有机化合物等有害气体。
水质传感器则可以测量水中的水质指标，如pH值、溶解氧、温度等，以检测水质是否达到安全标准。
土壤传感器则可以监测土壤pH值、含水量、温度等。
2.医学诊断化学传感器在医学诊断中有着广泛的应用。
例如，氧传感器可以监测人体血液中的氧气浓度，有助于诊断呼吸系统疾病。
其他化学传感器可以检测血糖、胆固醇、尿素等指标，有助于进行疾病的早期诊断。
3.食品安全化学传感器可以检测食品中的有害化学物质，如农药残留、重金属、防腐剂等。
例如，挥发性有机化合物气敏传感器可以检测有害挥发性化合物，有助于保证食品安全。
三、发展趋势目前，化学传感器已经广泛应用于环境监测、医学诊断、食品安全等领域。
随着技术的不断进步，化学传感器的灵敏度、选择性和响应时间将不断提高，将产生更广泛的应用。
化学传感器的原理
化学传感器的原理
化学传感器的原理是利用化学反应或物理现象来检测目标化合物的存在和浓度。
化学传感器通常由两个主要部分组成：传感元件和信号转换元件。
传感元件是化学传感器的核心部分，它可以与目标化合物发生特定的化学反应，产生可测量的信号。
根据不同的应用和目标化合物，传感元件可以采用不同的原理来实现。
常见的传感元件包括电极、光学传感单元、灵敏膜等。
信号转换元件用于将传感元件产生的信号转换成可读取或记录的电信号、光信号等形式。
根据传感元件的性质和应用需求，可以采用不同的信号转换方法，如电流测量、电压测量、光强测量等。
化学传感器的工作原理可以通过以下步骤来理解：首先，传感元件与目标化合物发生特定的化学反应，这可能是物质的氧化、还原、配位等过程。
其次，这种化学反应会引发传感元件的物理或化学性质的变化，如电阻、光强等。
然后，信号转换元件将这种变化转换成可测量的信号。
最后，通过测量信号的大小或性质，可以确定目标化合物的存在和浓度。
化学传感器的原理多种多样，具体的原理取决于传感元件的选择和设计。
常见的化学传感器包括pH传感器、氧气传感器、
温度传感器等。
每种传感器所采用的原理都有其特定的优点和限制，因此在选择和设计化学传感器时需要考虑实际应用需求和目标化合物的特性。
化学传感器的原理和类型
化学传感器的原理和类型化学传感器是一种利用化学反应过程将环境信息转化为电学信号的设备。
它可以响应光、电、热、气味、压力、力、振动等多种输入信号，并将这些信号转变成相应的电学信号。
化学传感器可以应用于环境监测、医学、食品加工、安全检测以及农业等领域。
本文将从原理和类型两个方面来讨论化学传感器的基本知识。
一、化学传感器的工作原理化学传感器一般由感受器、转换器、显示器和控制器四个部分组成。
感受器是化学传感器的核心组成部分，是接受外部信号并将其转化为电学信号的部分。
同时，感受器中的感光器、感温器、感压器、感湿度器等传感元件能够对多种环境参数进行检测，它们通过感受环境中的某些成分或参数，将这些成分的化学、物理量转化为电学信号来反映环境。
神经网络或模糊逻辑算法可以对多种参数进行判断，进而控制器输出信号控制化学传感器；化学传感器的工作基本原理为：感受元件需要与检测对象接触，在于检测对象进行化学反应，检测过程会产生变化，感受元件则会将变化信息传输到转换器中，通过转化便可得出目标参数；化学传感器的检测能力受它所采用的感受元件的灵敏性及选择性等因素调节。
在环境检测、生物监测等领域中，化学传感器已经得到了广泛的应用。
二、化学传感器的类型根据感受元件与作用原理的不同，化学传感器可分为电化学传感器、气体传感器、生物传感器和光学传感器等几种类型。
（一）电化学传感器电化学传感器是将电化学技术和传感学结合起来的一类传感器。
电化学传感器的特点是灵敏、快速、易于制造、易于处理和直观。
它由电极、电化学电源、传感膜及定位等部分组成。
其中，电极材料普遍采用金属或半导体材料。
生物检测方面的电化学传感器多采用酶电极或抗体电极。
电化学传感器在饮用水检测、废水处理、海洋水质监测等方面得到了广泛的应用。
（二）气体传感器气体传感器可以检测包括二氧化碳、氧气、氮气、甲烷等多种气体。
其工作原理是检测器中的感受元件能够感应环境中的特定气体成分，它们将这些宿主物分子与相应的化学分子接触，并产生与化学物质作用有关的变化，从而形成对目标气体成分的检测结果。
第10章 化学传感器和电极讲解
外 人体 界 刺 机器 激
人的感官 传感器
人脑 计算机
机体 执行器
例如，人的鼻子就是一个很好的传感器：肺是样品 导入泵，上皮传感细胞作为“化学传感器”，大脑 作为微处理器和数据储存器，整个过程（功能）同 时进行。其中最重要的组分是传感元件，它通过复 杂的识别过程，达到识别不同味道的作用。
目前，有些传感器的功能已远远超过人类器官，如：光 传感器；有些尚不及人类的感官，如：离子传感器
第十章 化学传感器和医用电极
• 化学传感器是对化学物质敏感，并将其转 换为电学信号的器件
• 医用电极用于生物电势测量和对生物体施 加电刺激，是测量系统与生物体进行耦合 的重要器件
第一节 化学传感器
定义：
检测对象
特点
若气体接触到加热的金属
氧 化 物 ( SnO2、Fe2O3、ZnO2 等 ) ， 电阻值会增大或减小
还原性气体、城市排 放气体、丙烷气等
可燃性气体接触到氧气就会 燃烧，使得作为气敏材料的铂 丝温度升高，电阻值相应增大
燃烧气体
灵敏度高，构造与电路简 单，但输出与气体浓度不 成比例
输出与气体浓度成比例， 但灵敏度较低
离子敏感场效应晶体管
ISFET (Ion Sensitive Field Effective Transistor) • 在金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）基础上构成的，
ISFET结构基本上与MOSFET一样，只不过没有金属栅极 • 由离子敏感膜和转换器两部分构成，敏感膜用以识别离子的种
第十章 电位法及双指示电极电流滴定法解读
3．电解池： （阳）Cu ︱Cu2+(1mol/L)‖ Zn2+(1mol/L)︱Zn （阴） 电极反应——外加电压 （阴极）Zn极 Zn2+ + 2e Zn （还原反应）
（阳极）Cu极
电池反应 Zn2+ + Cu
Cu - 2e
Cu 2+ （氧化反应）
Zn + Cu2+ （被动氧化还原反应）
（三）几个概念
应用：测定配体阴离子 例： Hg│HgY2－（a1），Y4－（a2）， HgY2－＋2e = Hg＋Y4－ E＝E0HgY2－／Hg＋0.059/2 lgaHgY2-
3. 第三类电极
当金属 - 金属配合物电极体系中同时存在另一能与 EDTA 形成配合物的金属离子，且该配合物的稳定性 小于 HgY2 － ，则此电极体系就成为该金属离子的指 示电极。 应用：测定金属离子 例： Hg│HgY2－（a1），CaY2－（a2），Ca2＋（a3） 该电极体系涉及三步反应：
I为通过电池的电流强度，I· r为在 电池内阻（r）产生的电压降
E＋表示原电池正极（阴极）的电极电位， E－表示原电池负极（阳极）的电极电位
** 由于电池内阻的存在，要求测量电池电动势在零电流
或仅有微弱电流通过的条件下进行，即I→0，则I·r→0。 在此条件下，电池电动势的大小只与指示电极、参比 电极的电极电位及液接电位有关。
E＝K±
2.303RT lg a nF
特点（区别以上四种）： （1）无电子转移，靠离子扩散和离子交换产生膜电位 （2）对特定离子具有响应，选择性好
** 对指示电极的要求： 电极电位与待测离子浓度或活度关系符合Nernst方程。
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外 人体 界 刺 机器 激
人的感官 传感器
人脑 计算机
机体 执行器
例如，人的鼻子就是一个很好的传感器：肺是样品 导入泵，上皮传感细胞作为“化学传感器”，大脑 作为微处理器和数据储存器，整个过程（功能）同 时进行。其中最重要的组分是传感元件，它通过复 杂的识别过程，达到识别不同味道的作用。
工作原理
MOSFET场效应管是利用金属栅上所加电压大小来控制漏源 电流的；ISFET则是利用其对溶液中离子有选择作用而改 变栅极电位，以此来控制漏源电流变化的。 待测溶液直接与绝缘膜或敏感膜接触，并在敏感膜界面上 产生依赖于特定离子活度的界面电势，进而使绝缘膜下的 半导体沟道的电导率发生变化，从而得出被测离子活度。
• ISE主要由敏感膜、内参比溶液、内参比电 极组成，敏感膜是其关键部件。
性能指标
• （1）选择性系数 –选择性能好坏，干扰离子和被测离子造成相同的电势变化 时，需要的离子活度的比值。
• （2）温度效应和等电势点 –影响电极响应曲线的截距和斜率。
–解决：温度补偿、调节内参比液组成来实现等电势点
• （3）响应时间 –由ISE与参比电极接触试液开始到电动势达到稳定值（变化 <1mV）需要的时间。
• 可靠性与稳定性不理想 • 器件寿命短
气敏传感器
• 气敏传感器的定义：
–是能够感知环境中某种气体及其浓度的 一种敏感器件，它将气体种类及其浓度有 关的信息转换成电信号，根据这些电信号 的强弱便可获得与待测气体在环境中存在 情况有关的信息。
气敏传感器的主要参数及特性
• 灵敏度：对气体的敏感程度 • 响应时间 ：对被测气体浓度的响应速度 • 选择性：指在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力 • 稳定性：当被测气体浓度不变时，若其他条件发生改变，在规定的时
化学传感器通常指基于化学原理的，以化学物质成分为检测 对象，能将各种化学物质特性的变化定性或定量地转化为其 他有用信号的传感器。
化• 学原信理息可能是定量的，例如，样品特定组分(可能是原子、 分子这、类离传子感或器生主物要分是子利)用的敏浓感度材、料活与度被或测分物压质等中；的所离涉子及、的分样子 品可或以生是物固物态质、相液互态接或触气而态产。生的电极电位变化、表面化学反应 化学或信引息起也材可料能表是面定电性势的变，化例，如并，将某这种些化反合应物或是变否化存直在接？或或间存接 在时地是转否换超为过电一信定号的。量值。例如，烟道报警器。
间内气敏元件输出特性保持不变的能力 • 温度特性：气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性 • 湿度特性：气敏元件灵敏度随环境湿度变化而变化的特性 • 电源电压特性：指气敏元件灵敏度随电源电压变化而变化的特性 • 时效性与互换性：反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性；
同一型号元件之间气敏特性的一致性，反映了其互换性
• 在金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）基础上构成的， ISFET结构基本上与MOSFET一样，只不过没有金属栅极
• 由离子敏感膜和转换器两部分构成，敏感膜用以识别离子的种 类和浓度，转换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号。
• 既具有离子选择电极对敏感离子响应的特性又保留场效应晶体 管的性能。
参比电极稳定性、液接电势稳定性、被测离子浓度、溶液搅拌速度、敏 感膜的组成和性质、膜厚、膜面光洁度 共存离子：干扰 / 不干扰 离子
• （4）电极内阻 膜内阻、内充溶液和内参比电极的内阻
• （5）电极寿命
离子敏感场效应晶体管
ISFET (Ion Sensitive Field Effective Transistor)
目前，有些传感器的功能已远远超过人类器官，如：光 传感器；有些尚不及人类的感官，如：离子传感器
第十章 化学传感器和医用电极
• 化学传感器是对化学物质敏感，并将其转 换为电学信号的器件
• 医用电极用于生物电势测量和对生物体施 加电刺激，是测量系统与生物体进行耦合 的重要器件
第一节 化学传感器
定义：
气敏传感器的性能要求
• 对被测气体具有较高的灵敏度 • 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 • 性能稳定，重复性好 • 动态特性好，对检测信号响应迅速 • 使用寿命长 • 制造成本低，使用与维护方便等
气敏传感器的分类
类型
半导体式
接触燃烧 式
化学反应 式 光干涉式
热传导式 红外线吸 收散射式
原理
离子传感器
离子传感器
离子选择 性电极
离子敏感 场效应晶 体管
离子选择性电极
• Ion Sensitive Electrode，ISE
• 离子选择性电极属于电化学传感器，它的 电位对溶液中给定的离子的活度的对数呈 线性关系。
• ISE与另一合适的参比电极插入被测溶液构 成化学电池，通过在零电流条件下测量两 电极间的电势差求得被测物质含量。
检测对象
特点
若气体接触到加热的金属
氧 化 物 ( SnO2、Fe2O3、ZnO2 等 ) ， 电阻值会增大或减小
还原性气体、城市排 放气体、丙烷气等
可燃性气体接触到氧气就会 燃烧，使得作为气敏材料的铂 丝温度升高，电阻值相应增大
应用 测量溶液PH值：当敏感膜与溶液接触时， 在敏感膜 与溶液界面上感应出对H+的能斯特响应电位。
特点： • 输入阻抗高、输出阻抗低、频带范围宽 • 全固态结构，体积小，重量轻，机械强度大 • 水化时间短，响应速度快，一般小于1s • 可实现多功能化、集成化，并可实现批量生产 • 无须考虑敏感材料的导电性
分类
按分子识别类型分：离子敏、气敏、湿敏、光敏
应用 医学上主要用于生化参数的检测，如血液中的pH值、
氧分压、二氧化碳分压、血红蛋白总数（Hb）、血氧饱和 度；血液中的电解质（钠、钾、钙、氯等离子）；代谢产 物（葡萄糖、肌酐、尿素）。
生物传感器信号换能器的组成部分。
主要内容
离子传感器（离子选择性电极、离子敏感场效 应管） 气敏传感器（电化学气敏传感器、半导体气敏 传感器、光导纤维气敏传感器） 湿敏传感器简介 化学传感器在医学中的应用