电化学传感器.ppt

* * 第八章 电化学传感器 传感器技术—实现“五官感觉的人工化”. “光电效应”、“压电效应”等——物理传感器. 化学传感器(chemical sensor)：可用来提供被检测体系（液相或气相）中化学组分实时信息的一类器件。 化学传感器的发展： 1906年，Cremer首次发现了玻璃膜电极的氢离子选择性应答现象； 1930年，使用玻璃薄膜的pH值传感器进入了实用化阶段； 1961年，Pungor发现了卤化银薄膜的离子选择性应答现象； 1962年，日本学者清山发现了氧化锌对可燃性气体的选择性应答现象； 1967年以后，电化学传感器的研究进入了新的时代，特别是近十多年来的迅速发展令人瞩目。 化学传感器的作用: (1)、丰富了分析化学并简化了某些分析测试方法； (2)、促进了自动检测仪表和分析仪器的发展； 化学传感器的分类： ? 按检测物质种类可以分为：以pH传感器为代表的各种离子传感器，检测气体的气体传感器以及利用生物特性制成的生物传感器等等。 依据其原理可分为：① 电化学式；② 光学式；③ 热学式；④质量式等。 电化学传感器是利用电化学原理，将被测组份的浓度变化与电信号联系起来，从而提供被检测体系中化学组份实时信息的一类器件。 主要介绍： 一、?电位型传感器简介 主要为离子传感器，研究最早的是PH传感器； 离子传感器也称为离子选择性电极； 主要组成部分：离子选择性膜； 离子选择性膜：响应于特定的离子，而且膜电位随被测定离子的浓度而变化。 pH玻璃电极—对H+有响应的氢离子选择性电极，其敏感膜就是玻璃膜； 与pH玻璃电极相似，其他各类离子选择性电极在其敏感膜上同样也不发生电子转移，而只是在膜表面上发生离子交换而形成膜电位。 构成： 离子传感器研究较多的是玻璃电极，除测量PH的电极外，引进玻璃的成分，已制成 Na+、K+、NH4+、Ag+、Tl+、Li+、Rb+、Cs+等一系列一价阳离子的选择性电极； 利用Ag2S压片可制成S2-离子选择性电极，已制成F-、Cl-、Br-、I-、CN-、NO3-等阴离子选择电极 二、控制电位电解型（电流型）气体传感器 监测和控制大气环境中污染物的排放关系到人类社会的可持续发展； 目前的气体检测手段：热导分析、磁式氧分析、电子捕获分析、紫外吸收分析、光纤传感器、半导体气敏传感器、化学发光式气体分析仪、电化学式传感器、化学分析法。 化学发光式气体分析仪：检测灵敏度高、准确性强，但仪器体积大，不能用于现场检测，且价格昂贵； 半导体气敏传感器：灵敏度低，重现性差，一般仅用作报警器。 电化学式传感器优点：体积小，测量精度高，可检测的气体浓度范围宽（由10-9数量级直至百分浓度），适用于现场直接监测等。 ? 目前商品化的电化学传感器：O2，CO，H2S，Cl2，HCN，PH3，NO，NO2，酒精、肼、偏二甲肼等十几种。 ? 主要应用领域：安全检测，环境监测，以及其他特殊用途。 如利用NO气体传感器测水利窑温度，用O2，CO气体传感器监测锅炉燃烧效率。 交警用酒精传感器检测司机是否酗酒，煤矿工业中的CO气体报警器等。 目前电解型气体传感器的研究重点： 1、扩大传感器的检测范围 快速、准确和方便的水质检测（As、Hg等）； 复杂环境的监测（碳氢化合物催化热解后检测）； 2、延长传感器的使用寿命及实现小型化 使用高聚物固体电解质（SPE，Nafion膜）； 3、新技术在电化学传感器中的应用 化学修饰电极和微电极技术与传感器结合，降低噪声、提高信号灵敏度，提高检测下限（1-2个数量级） 控制电位电解型气体传感器的结构原理（以CO气体传感器为例） ⑴ 被测气体进入传感受器的气室 ⑵ 反应物从气室到达工作电极前面的多孔膜，并向电极电解液界面扩散 ⑶ 电活性物质在电解液中的溶解 ⑷ 电活性物质在电极表面吸附 ⑸ 扩散控制下的电化学反应 ⑹ 产物的脱附 ⑺ 产物离开电极表面的扩散 ⑻产物的排除 气体扩散电极在气体传感器中的应用 制备：由催化剂粉末和憎水性微粒混合后碾压或喷涂并经过适当的热处理后制成； 憎水性材料：聚乙烯、聚四氟乙烯； 特点：具有高效的气、固、液三相界面 由于有足够的气孔，被测气体容易传递到电极内部各处，溶解于覆盖在催化剂表面并与整体溶液相连通的薄液膜中，因而气体很容易在电催化剂表面产生电化学氧化或还原。 电流型气体传感器的性能指标： ? 灵敏度、准确性、选择性、测量范围、响应时间、温度系数、底电流和噪声、使用寿命以及对工作环境的要求等。对于低浓度气体的检测，灵敏度、选择性、底电流和