第14章离子敏传感器与生物传感器.ppt

第14章 离子敏传感器与生物传感器 如图所示是ELIT双电极组合系统，是由插入式全固态离子选择电极、8mm参比电极和双极组合插座组成，完全可以代替传统的复合电极，有效地达到了高率益、低成本和实用性的最佳化。 第14章 离子敏传感器与生物传感器 图示为英飞凌科技与德国马克思浦朗克研究所合作研发的具有活神经细胞的生物传感器芯片，可读取细胞所发出的电子讯号。 第14章 离子敏传感器与生物传感器 这种被英飞凌称为“神经芯片”的突破技术，将有助于研究人员在神经元、神经组织及有机神经网络方面获得新发现。在药物发展领域中，此种神经芯片将有助于测试活神经元新药物配方的功效。 第14章 离子敏传感器与生物传感器 SBA-40型生物传感分析仪如图所示，是快速、精确测定葡萄糖、L-乳酸和谷氨酸的双指标智能化仪表，国家级重点新产品，通过更换不同的酶膜，可以同时得到上述任两种成分的定量分析结果。 第14章 离子敏传感器与生物传感器 14.1 离子敏传感器 14.2 生物传感器 14.1 离子敏传感器 离子敏传感器是一种电化学敏感器件，是最早研究开发应用的一类化学传感器，它能在复杂的被测物质中迅速、灵敏、定量地测出离子或中性分子的浓度。其中，离子选择电极(ISE)已在化学、环保、医药、食品及生物工程等工业领域取得了广泛的应用。随着半导体技术及微电子技术与微机械加工技术的发展，离子敏场效应管等也得到了迅速发展和应用。 14.1 离子敏传感器 离子敏传感器的原理框图如图所示。 14.1 离子敏传感器 离子传感器技术的进步取决于敏感膜与换能器，因此离子传感器的分类通常是根据敏感膜的种类或换能器的类型来划分的。 ①根据敏感膜的种类，可划分为玻璃膜式、固态膜式、液态膜式、以离子传感器为基本体的隔膜式等。 ②根据换能器的类型，可划分为电极型、场效应晶体管型、光导纤维型、声表面波型等。 14.1 离子敏传感器 14.1.1 离子选择电极 14.1.2 离子敏场效应管 14.1.3 离子敏传感器的应用 14.1.1 离子选择电极 离子选择电极法是指使用离子选择电极作指示电极的电位分析方法，是电化学分析的重要分支。它具有快捷、准确、精密度高、操作简单、仪器体积小、适于连续操作等特点，且电极不受样品颜色、浊度、悬浮物或粘度的干扰。已被广泛应用于实验室痕量分析、常规离子分析及环境监测等领域。 现代离子电极定量分析方法的理论基础是描述电极电势与溶液组分关系的表达式——Nernst方程。 14.1.1 离子选择电极 1.离子电极结构 内参比电极封入一个塑料或玻璃材质的无反应性容器中，并浸在容器中的内参比溶液里。在容器的下端用一块离子选择性膜封闭，使离子选择电极的溶液与外界隔离。 14.1.1 离子选择电极 2.离子选择电极工作原理 当把离子选择电极浸入溶液时，若溶液中含有能透过离子选择性膜的离子，且内参比溶液中该离子的浓度与样品溶液中的浓度不相等时，该种离子从高浓度一侧向低浓度一侧扩散，就在离子选择性膜两侧产生了电位差，该电位差依赖于样品溶液中离子活度及内参比溶液中离子的活度，为 14.1.1 离子选择电极 式中，n为被测离子上的基本电荷数，即相当于n个质子的电荷；ai为样品中的离子活度，aj为内参比溶液中的离子活度；T为温度；R为气体常数；F为法拉弟常数。 14.1.1 离子选择电极 3.离子的活度 电解质溶液中某种离子的体积浓度是化学计量浓度，以Ci表示，活度是指有效体积浓度，以ai表示。二者是有区别的，例如浓度为0.1mol/L的NaCl溶液其活度却为0.078mol/L。活度与体积浓度的关系为 14.1.1 离子选择电极 如图所示，通过一个高输入阻抗的电位测量装置测量离子选择电极和参比电极之间的电位差即可知道离子浓度。 14.1 离子敏传感器 14.1.1 离子选择电极 14.1.2 离子敏场效应管 14.1.3 离子敏传感器的应用 14.1.2 离子敏场效应管 离子敏场效应管ISFET传感器是在金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)基础上制成的对特定离子敏感的离子检测器件，是集半导体制造工艺和普通离子电极特性于一体的传感器，其结构与普通的MOSFET类似。在ISFET中由特定的离子敏感膜、被测电解液及参比电极代替了MOSFET的金属栅极。 14.1.2 离子敏场效应管 1.ISFET传感器的结构与原理 离子选择电极是利用离子感应膜产生的膜电位(也称为界面电位)来进行检测的。用离子感应膜来取代MOSFET的金属