第十章化学传感器

D B
＇
第十章化学传感器
E
x=
E
s 在外加电压下在电极上发生
电化学反应的电池称为电解电池。 电解电池有两种方法测量溶
液中的离子浓度。一种是测量电 流的，则为伏安法测量系统，其 中测量扩散电流的称为极谱法； 另一种是测量电量。
第十章化学传感器
3、电导型电化学传感 电导(S)是电阻(R)的倒数，以西
(3)电化学电池的电动势：
在此所讲的电池是自发电池，就是由于电极上自发地发 生氧化还原反应产生电动势的电池。
产生电池电动势的原因是电极上的氧化还原反应，而氧
a=rc 式中r称为活度系数，它是表示浓度有百分之几是有 效的。通常0<r≤1。当溶液无限稀时r→1。对一一价或 二二价的电解质阳离子和阴离子的活度可分别表示为：
a+=r+·c a-=r-·c
第十章化学传感器
对电解质而言，正负离子总是同时存在的， 目前尚无法测定单个离子的活度系数，但从实验 可测定(r+·r-)1/2。 (r+·r-)1/2是正负离子活度系数的 几何平均，故将它定义为离子平均活度系数，以 r±表示，则
(3)工作电极和辅助电极：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 电极称为工作电极而另一个电极，是为测定电流构成回路 所用的电极，该电极称为辅助电极或对电极
第十章 化学传感器
第一节 电化学测量基础 第二节 离子选择电极 第三节 气敏电极 第四节 离子敏场效应管 第五节 半导体陶瓷气敏传感器 第六节 半导体陶瓷湿度传感器
第十章化学传感器
包括两部分内容：电化学传感器和半导体气、湿敏传感 器。
原理：化学传感器是对化学物质敏感而且能将其量转变 成电学信号的器件。
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有时需知道或控制工作电极电极电位的大小， 常在电解池中插入一支参比电极，此时这个系统含 有三个电极：参比电极，工作电极和辅助电极。传 感器这种构成方式称为三电极系统。有时把参比电 极既作辅助电极又作参比电极用，这种构成方式称 为二电极系统。
第十章化学传感器
二、电化学传感器有关的基础概念
(1)参比电极：在测量电极电位时用作基准电位 的电极称为参比电极。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。
第十章化学传感器
(2)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。
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。
r±= r •r
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2、电化学电池 (1)电极电位的产生：当将金属M浸于其离子M+
的溶液中时，在金属与溶液的界面上发生反应产生 电极电位。
第十章化学传感器
因为电极是良导体，所以在静电 力的作用下，在电极上剩余电荷总是 紧贴在电极与溶液的界面上，而在溶 液中，由于离子的热运动和静电力的 作用，靠近电极附近的离子分布得不 均匀，形成扩散双层。
① 开 关 K接 上 标 准 电 池 调节可变电阻器R 使 检 流 计 G指 零 则 U AD＝ Es
② 开 关 K接 上 电 极 移 动 电 位 器 触 点 D到 D＇ 再 次 使 检 流 计 G指 零 此 时 E x= U A D ＇
③ 计算:
{ E s= V
AB
A A
D B
E x=
V
AB
A A
电化学 传感器 的功能
能够监测那些在生物物质中作用的各种离子 能够测量溶解在生理溶液中各种气体（氧气、二氧化碳等）的含量 能够检测与人体生命攸关的各种气体（一氧化碳等）的含量
电化学传感器的特点
结构简单
主要应用
取样少
测量迅速
灵敏度高
血、血清、血浆分析 尿酸碱性分析 汗水氯化物分析 研究唾液成分与牙齿衰变速度的关系 分析骨骼结构和骨头长孔等疾病 药理实验等
门子(Siemens)为单位。在两个电极 之间电解质溶液的电导可用下式表 示：
S＝1／R＝AK／d 为避免电极的双电层充电、以 及其他与直流电流有关现象的产生， 通常采用交流电源测量溶液的电导。
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4、电极的种类 电化学传感器最重要的敏感器件是电化学电极。
根据电极在电化学传感器中所起的作用不同，可将 电极分为四类。
第十章化学传感器
第一节 电化学测量基础
一、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。
在平衡条件下，被测的化学物质量与电极电位的关 系符合能斯特(Nernst)方程：
e = a + blgC
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特点： 1、电化学传感器不仅能监测离子而且能测定溶解在生理 液体中各种气体的含量，如血液中氧和二氧化碳的含量。 2、传感器结构简单，取样少、测定快、灵敏度高。 3、随着半导体集成技术的发展，使传感器得以微型化， 能在体内或刺入细胞内进行测量。 4、在与计算机结合，可使传感器智能化。 5、电化学传感器的电极又是酶、免疫、微生物传感器等 的主要部件。气、湿敏传感第十器章化主学传要感用器 于环境监测。
扩散双层包括两部分，第一部分 是与电极紧密相连的紧密层d，其厚 度为水化离子半径，其电位为电极电 位E与电动电位φ之差；
第二部分是扩散层，其 电位是液 相中的电位差，通常称为电动电位φ。
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（2）能斯特方程 aA+bB+Ze↔gG+hH
电极电位
EE0ZRFTlnG gAaH B hb
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1、电解质溶液的性质 (1)电离常数 将电解质溶于水中所构成的溶液称为 电解质溶液。
以[BA]表示平衡时未电离的分子浓度，以[A-]和[B+] 分别表示平衡时A-和B+离子浓度，根据质量作用定律， 电离常数可写为：
电离常数的大小是表示电解质电离能力的一个主要
参数。
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(2)活度和活度系数 在电解质溶液中，由于离子、 离子与溶剂分子间的相互作用，溶液浓度不能真正代表 有效浓度，因此引入活度和活度系数这个概念，浓度c 和活度a之间有如下关系：