第八章 化学与生物传感器1.ppt

新型传感器技术 第八章 化学与生物传感器 8 化学与生物传感器 作为信息变换手段之一的化学传感器，是因化学反应产生的电化学现象及根据化学反应中产生的各种信息（如光效应、热效应、场效应和质量变化）来设计的各种精密而灵敏的探测装置。此类传感器用于检测及测量特定的某种或多种化学物质，因此化学传感器必须具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的功能（接受器功能）和将俘获的化学量有效转换为电信号的功能（转换器功能）。 用固定化生物成分或生物体作为敏感元件的传感器称为生物传感器。生物传感器实际上是化学传感器的子系统，但也常冠以其名单独作专题考虑。此类传感器检测及测量的待分析物质也可是纯化学物质(甚至是无机物)，尽管其生物组分是目标分析物，关键不同之处在于其识别元件在性质上是生物质。 本章对化学传感器主要介绍离子敏感器件和气敏传感器；对生物传感器将介绍酶、微生物、抗体等传感器。 8.1 化学传感器 化学传感器包括电化学传感器、光化学传感器、质量化学传感器和热化学传感器。 根据转换的电信号种类不同，可将电化学传感器分为电流型化学传感器、电位型化学传感器和电阻型化学传感器。本节只涉及到电位型化学传感器和电阻型化学传感器，在生物传感器一节中有关于光化学传感器、质量化学传感器的介绍。 8.1.1 电位型电化学传感器原理 有三种基本电化学过程适用于构成传感器： 1．电位法：测量零电流下的电池电位； 2. 伏安法(电流法)：在电池电位间设置氧化(或还原)电位来测量电池的电流； 3. 电导法：用一交流电桥方法来测量电池的电导。 这里只讨论电位法。将一金属条(例如银)置于一含离子的溶液(如银离子)中，沿着金属和溶液的界面会产生电荷分布(图 8-1)，这就产生了人们所说的电子压力，通常称为电位。此电位不能直接测量取得，需要两个这样的电极与电解质的组合，其中每一个称作半电池，这样一个组合称作电化学电池(图 8-2)。两组半电池内部通过一电导桥或膜将电路相连，然后，在两电极外端连接一测量电位的装置，该电路可用来测定电池的电动势(emf)，其值为两个半电池电极间的电位差。电动势数值大小取决于几个因素：①电极材料；②各个半电池内的溶液性质及浓度；③通过膜(或盐桥)的液体接界电位。 8.1.1 电位型电化学传感器原理 图8-1 将一金属电极浸在电解液中为一半电池 8.1.1 电位型电化学传感器原理 图8-2 两个半电池电极组合成一完整的电池 8.1.1 电位型电化学传感器原理 图 8-3 氢电极与其它半电池相连接 8.1.1 电位型电化学传感器原理 在标准状态，氢气分压为101325Pa，温度为298K(25℃)，定义氢的标准电极电位为零（电位E0=0V），可决定另一电极电位。由于氢电极不方便，常用饱和甘汞电极作参考电极（电位E0=0.24V）。溶液浓度与测量电极电位的关系由能斯特方程确定，基本能斯持方程是从基础热力学方程导出的对数关系式 式（8-1） 式中 E-测量电极电位，V； E0-参考电极电位，V； [Ox]-溶液中氧化性物质浓度（活度），mol/L； [R]- 溶液中还原性物质浓度（活度），mol/L，金属电 极[R]=1。 8.1.2 离子敏感器件 离子敏感器件是一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管。它是由离子选择性电极（ISE）与金属－氧化物－半导体场效应晶体管（MOSFET）组合而成，简称ISFET。IS－FET是用来测量溶液（或体液）中的离子活度的微型固态电化学敏感器件。 8.1.2.1 ISFET的结构与工作原理 为了介绍离子敏感器件的工作原理，必须对场效应晶体管的结构和特性有个基本了解。 一、MOFET的结构和特性 用半导体工艺制作的金属－氧化物－半导体场效应晶体管的典型结构如图8-4所示。它的衬底材料为P型硅。用扩散法做两个N＋区，分别称为源（S）和漏（D），在漏源之间的P型硅表面，生长一薄层SiO2，在SiO2上再蒸发一层金属Al，称为栅电极，用G所示。 在栅极不加偏压时，栅氧化层下面的硅是P型，而源漏是N型，故源漏之间不导通。 8.1.2.1 ISFET的结构与工作原理 图8－4 MOSFET 8.1.2.1 ISFET