电化学与化学传感器.ppt

图为各种液体离子交换剂微电极的结构图。 在这些电极中，液体离子交换剂介质都放在硼硅酸玻璃细管的尖部。在图(a)中．电极的内参比液充满内玻璃管，电极的电阻可因此减小很多；在图(b)中Ag／AgCl电极与液体交换剂直接接触；在图(c)中的电极为组合型的微电极。 a b c 非损伤微测技术 Non-invasive Micro-test Technique 该技术起源于产生了众多诺贝尔奖获得者的美国MBL实验室。 1990年MBL的科学家Kühtreiber和Jaffe利用非损伤微电极检测单细胞Ca2+的运动方向和流速，开创了从静态测量到动态测量转变的先河。 1995年MBL的科学家进一步在《Nature》发表文章阐明了非损伤微测技术的数学物理学基础及应用方式。 液膜电极——中性载体膜电极 结构：中性载体膜电极与液体离子交换剂膜电极在结构上是相同的。所不同的是液体离子交换剂膜的离子迁移载体是带电荷的离子，它与被测阳离子作用生成盐，而中性载体膜的离子迁移载体是不带电的中性有机分子，它与阳离子发生络合产生络离子。这种不带电的中性分子可起阳离子载体作用，因此称之为中性载体。 不带电的中性有机分子：大环抗菌素和环状结构的聚醚等。 液膜电极——中性载体膜电极 常用的中性载体膜电极为钾电极。中性载体为缬氨霉素。 液体敏感膜是将缬氨霉素溶于氯苯溴苯或硝基苯中制成。内参比电极用Ag/AgCl电极，内参比液用0.01 mol/L KCl。其测量范围为l～10-5mol/L，最佳pH范围为2～10，内阻为30×106 Ω，对Na+的选择性系数为2×10-4，而玻璃膜钾电极对Na+的选择性系数只有5×10-2。 离子敏感场效应晶体管(ISFET) ISFET是一种新型离子敏感器件 优点：输入阻抗高、输出阻抗低、频带宽、全固态结构、体积小、机械强度大、响应速度快、可实现集成化和多功能化，是很有发展潜力的一类新型化学传感器。 ISFET工作原理 ISFET的绝缘膜是裸露的或在晶体材料上面有一层敏感膜覆盖，其电解质溶液直接与绝缘膜或敏感膜接触，并在敏感膜界面上产生依赖于特定离子活度的界面电势，进而使绝缘膜下的半导体沟道的电导率发生变化，从而得出被测离子活度。 ISFET上所用的离子敏感膜和用在ISE上的相同。不同的只是在测定溶液/膜的界面电位时采用的线路不同而已。膜及其产生电位的机理相同。 ISFET的结构和分类 ISFET的封装结构对它的工作稳定性和可靠性等可产生重要的影响，因而有必要了解一下ISFET的结构设计，这主要包括： 探头式结构 探针式结构 导管复合式结构 背面引线ISFET结构 SOS型结构。 (1) 探头式结构 结构特点：有软线式和硬杆式两种，基本是将芯片粘在绝缘材料或敷铜板上，与电极引线连接好后，用硅橡胶或环氧树脂包封制造，此结构由于采用的是印刷电路制作工艺，比较易于实现并有利于集成化。 (2) 探针式结构 结构特点： 采用Si的各向异性腐蚀技术，将ISFET器件制成针状，将芯片装在探针前端，在敏感膜以外区域用无机钝化膜包封，这样可做成端部宽度只有30~50μm的ISFET； 另外用等离子蚀刻技术还可制成端部达10μm的ISFET。所以探针式结构的ISFET对微量试液如胃液、淋巴液、婴儿血样等的分析较为适用 。 (3) 导管复合式结构 结构特点：是将微型参比电极与ISFET芯片共同封装在一个导管中，使得测量可以一次性完成，特别适用于体内液的测量。 (4) 背面引线ISFET结构 结构特点：此工艺是为避免采用平面工艺设计中容易引起的封装困难、敏感膜容易被极化失效等缺点而设计的：将电极与敏感膜分别作在硅片两面，使器件的化学敏感部分和电测量部分隔离。此结构性能较好，发展潜力较大，但还不太成熟。 (5) SOS型结构 结构特点：是为了保证液体与晶体材料之间有良好的绝缘性而设计的，是以蓝宝石为基底并在其上生成场效应管FET，然后在它们的表面覆盖绝缘层的制作方法。此结构包封简单，性能稳定且较为可靠。 目前对传感器的研究方向有： 对多功能传感器的研究，它们可以被集成到一起，同时检测多路信号； 对智能传感器的研究，它是传感器技术与计算机技术相结合的产物，目前正在开发的智能传感器不仅能完成基本的传感和信号处理任务，还有自诊断、自恢复及自适应的功能。 电极构造： 球状玻璃膜 (Na2SiO3，厚 0.1mm)+[ 内参比电极 (Ag/AgCl)+ 缓冲液 ] 膜电位产生机理： 　　当内外玻璃膜与水溶液接触时， Na2SiO3晶体骨架中的 Na+与水中的 H+发生交换：G-Na++H+=G-H++Na+ 因为平衡常数很大，因此，玻璃膜内外表层中的 Na+ 的位置几乎全部被 H+ 所占据，从而形成所谓的“水化层”。 pH