第10章 化学传感器和电极
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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
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
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
接触源自文库烧 式
化学反应 式 光干涉式
热传导式 红外线吸 收散射式
原理
传感器是一种信息获取与处理的装置。人体的感觉器 官就是一套完美的传感系统，通过眼、耳、皮肤来感 知外界的光、声、温度、压力等物理信息。通过鼻、 舌感知气味和味道这样的化学刺激。
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。
• 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、调节内参比溶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。
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
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。
• 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
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。
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)
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。
• 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。
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
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：
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
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
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
接触源自文库烧 式
化学反应 式 光干涉式
热传导式 红外线吸 收散射式
原理
传感器是一种信息获取与处理的装置。人体的感觉器 官就是一套完美的传感系统，通过眼、耳、皮肤来感 知外界的光、声、温度、压力等物理信息。通过鼻、 舌感知气味和味道这样的化学刺激。
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。
• 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、调节内参比溶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。
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
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。
• 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
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。
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)
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。
• 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。
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
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：