第二章信号转换器1课件.ppt

1、 第二章第二章 生物传感器生物传感器 的信号转换器的信号转换器 信号转换器作为生物传感器的重要组成部分，信号转换器作为生物传感器的重要组成部分，它的作用是将生物敏感元件拾取的生物化学信息它的作用是将生物敏感元件拾取的生物化学信息转换为容易进行处理测量的、与被测量有对应关转换为容易进行处理测量的、与被测量有对应关系的电信息。系的电信息。电化学信号转换器电化学信号转换器 离子敏场效应晶体管离子敏场效应晶体管 热敏电阻热敏电阻 压电晶体信号转换器压电晶体信号转换器 光电换能器光电换能器 表面等离子体共振型信号转换器表面等离子体共振型信号转换器一、电化学型信号转换器电化学型信号转换器 电化学电极作为生

2、物传感器信号转换器，电化学电极作为生物传感器信号转换器，一般可分为两种类型：电位型和电流型。一般可分为两种类型：电位型和电流型。电化学电极电化学电极(固体电极、离子选择性电极、固体电极、离子选择性电极、气敏电极、修饰电极等气敏电极、修饰电极等)作为信号转换器已广作为信号转换器已广泛用于酶传感器、微生物传感器及其它类型泛用于酶传感器、微生物传感器及其它类型的生物传感器中。的生物传感器中。(一一)电化学测量基础电化学测量基础1.1.测量系统测量系统 根据转变方式和输出电信号的不同，根据转变方式和输出电信号的不同，可将化学传感器分为：可将化学传感器分为：电位型（原电池）三种类型 电流型（电解电池）电

3、导型（电导池）图图10-1 原电池构成原电池构成图图10-2 电解电池构成电解电池构成 电位型测量系统电位型测量系统在电极在电极/溶液界溶液界面上自发地发生化学反应，将被测化学量面上自发地发生化学反应，将被测化学量转变为电位信号的测定装置。转变为电位信号的测定装置。被测的化学量与电位之间的关系，符被测的化学量与电位之间的关系，符合能斯特方程：合能斯特方程：lnEC 电流型测量系统电流型测量系统外加电压下，外加电压下，在电极在电极/溶液界面上发生化学反应，将被溶液界面上发生化学反应，将被测化学量转变为电流信号的测定装置。测化学量转变为电流信号的测定装置。在一定条件下，其电流大小与离子在一定条件下

4、，其电流大小与离子浓度成比例。浓度成比例。IC 电导型测量系统电导型测量系统在外加电压下，在外加电压下，将化学量转变成电导信号的测定装置。将化学量转变成电导信号的测定装置。在离子浓度不大时，溶液的电导与离在离子浓度不大时，溶液的电导与离子浓度成正比。子浓度成正比。GC（二）基本概念（二）基本概念 1.电离常数电离常数 Ionization constant 电离常数表示电解质电离能力的强弱电离常数表示电解质电离能力的强弱。AB表示平衡时未电离的分子浓度，表示平衡时未电离的分子浓度，A-和和B+表示平衡时表示平衡时A-和和B+离子的浓度。离子的浓度。ABKAB2.2.活度和活度系数活度和活度系数

5、 Activity and activity coefficient 活度指电解质溶液的有效浓度。活度指电解质溶液的有效浓度。溶液浓度与活度之间的关系表示为：溶液浓度与活度之间的关系表示为：为活度系数，表示电解质溶液的浓度与活为活度系数，表示电解质溶液的浓度与活度的偏差程度，即表示浓度有百分之几是有效的。度的偏差程度，即表示浓度有百分之几是有效的。通常通常 0 1 012pH12的情况下工作。的情况下工作。4NH Cl 气敏电极气敏电极二氧化碳气敏电极的结构与氨电极相似二氧化碳气敏电极的结构与氨电极相似 ，也，也是一是一种复合电极。种复合电极。2CO溶液中的溶液中的COCO2 2通过透气膜进入

6、溶液，而发生下列反应通过透气膜进入溶液，而发生下列反应导致中间溶液的酸度发生变化，达到平衡时有导致中间溶液的酸度发生变化，达到平衡时有223COH OHCOH 23 COHCOHKP2330.01/0.01/COHCOmol LHCOmol L22(100)COCOHHak PPkK22.3032.303lglgCOHRTRTEaPFF玻常数常数pHpH玻璃电极的电位与溶液中的二氧化碳分压（浓度）玻璃电极的电位与溶液中的二氧化碳分压（浓度）的对数成比例。的对数成比例。氧化还原电极氧化还原电极 氧化还原电极是不同于离子选择型电极的另氧化还原电极是不同于离子选择型电极的另一类电位型电极。这两类电极

7、的区别在于，离子一类电位型电极。这两类电极的区别在于，离子选择性电极是一种膜电极，它的功能是基于敏感选择性电极是一种膜电极，它的功能是基于敏感膜与溶液界面上的离子交换，而氧化还原电极则膜与溶液界面上的离子交换，而氧化还原电极则是一个惰性金属电极，它所呈现的能斯特响应取是一个惰性金属电极，它所呈现的能斯特响应取决于它所在溶液中电对的氧化态物质和还原态物决于它所在溶液中电对的氧化态物质和还原态物质的浓度比。质的浓度比。这种电极的代表如铂电极，将铂丝或铂片密这种电极的代表如铂电极，将铂丝或铂片密封于玻璃管末端，工作时侵入含氧化还原电对的封于玻璃管末端，工作时侵入含氧化还原电对的溶液中，电极电位决定于

8、氧化还原电对的种类及溶液中，电极电位决定于氧化还原电对的种类及两种物质的浓度比。两种物质的浓度比。它的电极电位为它的电极电位为02 303lgaRTEEnFa氧化态还原态.1.31.3电流型换能器电流型换能器 生物传感器采用电流型电极为信号转换器的趋生物传感器采用电流型电极为信号转换器的趋势日益增加，这是因为电流型电极具有以下优点：势日益增加，这是因为电流型电极具有以下优点：电极输出直接与被测物浓度呈线性关系，不电极输出直接与被测物浓度呈线性关系，不像电位型电极和被测物浓度的对数呈线性关系；像电位型电极和被测物浓度的对数呈线性关系；电极输出值的读数误差较电位型电极小；电极输出值的读数误差较电位

9、型电极小；灵敏度比电位型电极高。灵敏度比电位型电极高。常用的电流型电极有氧电极、常用的电流型电极有氧电极、H2O2 电极及燃料电极及燃料电池型电极等。电池型电极等。氧电极氧电极 各种氧化酶和加氧酶在催化底物反应时，各种氧化酶和加氧酶在催化底物反应时，要用溶解氧为辅助试剂，反应中所消耗的氧量要用溶解氧为辅助试剂，反应中所消耗的氧量可用氧电极来测定。此外，在微生物电极、免可用氧电极来测定。此外，在微生物电极、免疫电极等生物传感器中也常用氧电极作为信号疫电极等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器，因此氧电极在生物传感器中使用很广。转换器，因此氧电极在生物传感器中使用很广。氧电极实际是一个通过测定电

10、解电流来测定氧电极实际是一个通过测定电解电流来测定溶液中氧含量的电解池。使用最多的是封闭式的溶液中氧含量的电解池。使用最多的是封闭式的ClarkClark氧电极。氧电极。铂电极与铂电极与Ag/AgCl电极组合在一起置于参比电极组合在一起置于参比溶液中，与被测溶液之间用透氧膜隔开。被测溶溶液中，与被测溶液之间用透氧膜隔开。被测溶液中的溶解氧通过膜扩散到电解质溶液薄层，再液中的溶解氧通过膜扩散到电解质溶液薄层，再扩散到铂电极表面进行还原产生电流。扩散到铂电极表面进行还原产生电流。工作时，在铂阴极和工作时，在铂阴极和Ag/AgCl阳极之间施加阳极之间施加0.6V0.6V的电压。当的电压。当E=-0.

11、2VE=-0.2V时电极开始电解，产生时电极开始电解，产生还原电流，其还原反应式为：还原电流，其还原反应式为：22244OH OeOH 电流的大小决定于膜上的扩散。电流的大小决定于膜上的扩散。当电压加到足当电压加到足够负时，电极表面氧浓度趋于零够负时，电极表面氧浓度趋于零，一般电解质溶，一般电解质溶液薄层很薄氧在其中的扩散远大于透气膜中的扩液薄层很薄氧在其中的扩散远大于透气膜中的扩散速度，电解电流近似表示：散速度，电解电流近似表示：F法拉第常数；法拉第常数；A铂电极的有效面积；铂电极的有效面积；Xm 透氧层的厚度；透氧层的厚度；am电解质的溶度系数电解质的溶度系数 Dm电解质溶液的扩散系数电解

12、质溶液的扩散系数当传感器一定时当传感器一定时 224()mmOmFAD aIPXX2OIP H H2 2O O2 2电极电极 H H2 2O O2 2电极是根据电解氧化时所产生的电流电极是根据电解氧化时所产生的电流输出来测定浓度的复合式电极。输出来测定浓度的复合式电极。电极包括阳极、阴极、电解液和渗透膜，电极包括阳极、阴极、电解液和渗透膜，阳极一般用金、白金，阴极一般用阳极一般用金、白金，阴极一般用Ag/AgClAg/AgCl，渗透膜可用醋酸纤维素膜，电解液是氯化钾与渗透膜可用醋酸纤维素膜，电解液是氯化钾与磷酸缓冲液及氯化钾与醋酸缓冲液等。磷酸缓冲液及氯化钾与醋酸缓冲液等。两极间外加一定电压，

13、实际测量时，外加电压控制两极间外加一定电压，实际测量时，外加电压控制在电压在电压-电流曲线的平滑部分，即电流曲线的平滑部分，即0.7-0.9V0.7-0.9V，此时，此时输出电流就与浓度成比例。输出电流就与浓度成比例。阳极反应阳极反应阴极放应阴极放应 22222H OOHe 221222eHOH O H2O2电极基本测量电路和电压电极基本测量电路和电压-电流曲线电流曲线 三、气敏电极三、气敏电极 Gas-sensing electrode 用于测定溶液中气体含量的电极。用于测定溶液中气体含量的电极。常用的有：常用的有：O2电极和电极和CO2电极。电极。1.1.氧电极（电流型电极）氧电极（电流型

14、电极）氧电极是一个通过测定电解电流来测氧电极是一个通过测定电解电流来测定溶液中氧含量的电解池。定溶液中氧含量的电解池。有两种：开放式和封闭式。有两种：开放式和封闭式。(1)(1)开放式氧电极开放式氧电极开放式氧电极测定氧的装置如图所示。开放式氧电极测定氧的装置如图所示。外加电解电压，当铂电极电位相对参比电外加电解电压，当铂电极电位相对参比电极低极低0.2V时，氧在铂丝上开始电解，此时电流时，氧在铂丝上开始电解，此时电流计中有电流指示。计中有电流指示。当铂电极相对参比电极低当铂电极相对参比电极低0.60.8V时，电流趋于时，电流趋于恒定，此时的电流与溶液中氧含量成正比。恒定，此时的电流与溶液中氧

15、含量成正比。Clark氧电极是一种较为稳定的封闭式氧电氧电极是一种较为稳定的封闭式氧电极。极。铂电极与铂电极与 电极组合在一起置于参比溶电极组合在一起置于参比溶液中，与被测溶液之间用透氧膜隔开。液中，与被测溶液之间用透氧膜隔开。此膜将被测溶液中溶解的氧气通过膜扩散到此膜将被测溶液中溶解的氧气通过膜扩散到膜内电解质溶液薄层，再扩散到铂电极表面进行膜内电解质溶液薄层，再扩散到铂电极表面进行还原产生电流。还原产生电流。(2)(2)封闭式氧电极封闭式氧电极(Clark(Clark氧电极氧电极)/Ag AgClClarkClark氧电极氧电极结构见图。结构见图。3.3.氧电极在医学中的应用氧电极在医学中的应用 二、二氧化碳电极（电位型电极）二、二氧化碳电极（电位型电极）CO2气敏电极的结构由气敏电极的结构由pH玻璃电极和玻璃电极和Ag/AgCl 参比电极组成电池，用透气膜将中间参比电极组成电池，用透气膜将中间溶液与被测溶液隔离开来。溶液与被测溶液隔离开来。223COH OHCOH 测定时溶液中的测定时溶液中的CO2通过透气膜进入溶液，而通过透气膜进入溶液，而发生下列反应：发生下列反应：二氧化碳气敏电极在医学上的应用二氧化碳气敏电极在医学上的应用