第四章电化学传感器

1、课堂作业 1、化学电源的组成部分及各部分的作用？ 2、写出中性、碱性锌锰电池的表达式。第七章第七章 电化学传感器电化学传感器什么是传感器？什么是传感器？传感器是一种传感器是一种物理装置物理装置或或生物器官生物器官，能够探，能够探测、感受测、感受外界的信号、物理条件外界的信号、物理条件（如光、热、（如光、热、湿度）湿度）或化学组成或化学组成（如烟雾），并将探知的（如烟雾），并将探知的信息信息传递传递给其他装置或器官。给其他装置或器官。v传感器是一种检测装置。传感器是一种检测装置。v能感受到被测量的信息。能感受到被测量的信息。v并能将检测感受到的信息，按一定规律变换并能将检测感受到的信息，按一定规

2、律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。制等要求。v它是实现自动检测和自动控制的首要环节。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。电冰箱、微波炉、空调机有温度传感器；电冰箱、微波炉、空调机有温度传感器；电视机有红外传感器；电视机有红外传感器；录像机、摄像机有湿度传感器；录像机、摄像机有湿度传感器；液化气灶有气体传感器；液化气灶有气体传感器；汽车有速度、压力、湿度、流量、氧气等多汽车有速度、压力、湿度、流量、氧气等多种传感器种传感器我们周围的传感器我们周围的传感器

3、传感器的分类传感器的分类原理原理工作工作物理传感器：物理传感器：物理效应物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，诸如压电效应，磁致伸缩现象化学传感器：化学传感器：化学物质化学物质，如化学吸附、电化学反应等现象，如化学吸附、电化学反应等现象用途用途压力传感器压力传感器 位置传感器位置传感器 液面传感器液面传感器 能耗传感器能耗传感器 速度传感器速度传感器 加速度传感器加速度传感器 射线辐射传感器射线辐射传感器 热敏传感器热敏传感器 等等振动传感器振动传感器 湿敏传感器湿敏传感器 磁敏传感器磁敏传感器 气敏传感器气敏传感器 真空度传感器真空度传感器 生物传感器等生物传感器等原理原理对象对象检测检测质

4、量式质量式化学传感器的分类化学传感器的分类离子传感器离子传感器气体传感器气体传感器生物传感器生物传感器原理原理检测检测电化学式电化学式光学式光学式热学式热学式电位型传感器电位型传感器电流型传感器电流型传感器电导型传感器电导型传感器电化学传感器的性能指标1、灵敏度、灵敏度2、选择性3、响应时间4、底电流和仪器噪声5、一些其他的性能指标：测量范围、寿命、重现性、稳定性和温度系数等。离子传感器：离子选择性电极离子传感器：离子选择性电极定义：离子选择性电极是一类利用定义：离子选择性电极是一类利用膜电势膜电势测定溶液中测定溶液中离子的活度或浓度离子的活度或浓度的电化学传感器。的电化学传感器。原理：当它和

5、含待测离子的溶液接触时，在它的敏感原理：当它和含待测离子的溶液接触时，在它的敏感膜和溶液的相界面上产生与该离子活度直接有关的膜和溶液的相界面上产生与该离子活度直接有关的膜电膜电势势。特点：这类电极由于具有选择性好、平衡时间短的特特点：这类电极由于具有选择性好、平衡时间短的特点，是点，是电位分析法电位分析法用得最多的指示电极。用得最多的指示电极。离子选择性电极离子选择性电极均相膜均相膜 晶体膜晶体膜 非均相膜非均相膜 如硅橡胶膜如硅橡胶膜 刚性基质刚性基质pH，pNa 带正电荷带正电荷 如如 NO3-,ClO4-,BF4- 带负电荷带负电荷如如 Ca2+, Mg2+ 基本传基本传感器感器 非晶体

6、膜非晶体膜 流动载体流动载体 中性中性 如如K+ 气敏传感器气敏传感器 如如 CO2, NH4+电极电极 ISE 敏化传敏化传感器感器 生物传感器生物传感器 如酶电极，生物组织电极如酶电极，生物组织电极 一、离子选择性电极分类一、离子选择性电极分类 按按ISE敏感膜组成和结构分类：敏感膜组成和结构分类： F-, Cl-, Cu2+从上述分类可见到所有膜电极的共性：从上述分类可见到所有膜电极的共性：1）低溶解性：低溶解性：膜在溶液介质膜在溶液介质(通常是水通常是水)的溶解度近似为的溶解度近似为0，因此，膜材料多为玻璃、高分，因此，膜材料多为玻璃、高分子树脂、低溶性的无机晶体等；子树脂、低溶性的无

7、机晶体等；2）导电性导电性(尽管很小尽管很小)：通常以荷电离子的在膜内的迁移形式传导；：通常以荷电离子的在膜内的迁移形式传导；3）高选择性：高选择性：膜或膜内的物质能选择性地和待测离子膜或膜内的物质能选择性地和待测离子“结合结合”。通常的。通常的“结合结合”方式有：方式有：离子交换、结晶离子交换、结晶 、络合。、络合。 二、膜电位及其产生二、膜电位及其产生膜电位膜电位=扩散电位扩散电位(膜内膜内) + Donnan电位电位(膜与溶液之间膜与溶液之间) 扩散电位：扩散电位： 液液界面或固体膜内，因不同离子之间或离子相同而浓度不同而液液界面或固体膜内，因不同离子之间或离子相同而浓度不同而发生扩散即

8、扩散电位。其中，液液界面之间产生的扩散电位叫液接电发生扩散即扩散电位。其中，液液界面之间产生的扩散电位叫液接电位。位。 这类扩散是自由扩散，正负离子可自由通过界面，没有强制性和选这类扩散是自由扩散，正负离子可自由通过界面，没有强制性和选择性。择性。2. Donnan(唐南唐南)电位：电位： 选择性渗透膜或离子交换膜，它至少阻止一种离子从一个液相扩散选择性渗透膜或离子交换膜，它至少阻止一种离子从一个液相扩散至另一液相或与溶液中的离子发生交换。这样将使两相界面之间电荷至另一液相或与溶液中的离子发生交换。这样将使两相界面之间电荷分布不均匀分布不均匀形成双电层形成双电层产生电位差产生电位差Donnan

9、 电位。电位。 这类扩散具强制性和选择性。这类扩散具强制性和选择性。三、离子选择性电极各论三、离子选择性电极各论1. pH 玻璃膜电极玻璃膜电极 玻璃电极是最早使用的膜电极。玻璃电极是最早使用的膜电极。1906年，年，M. Cremer(Z. Biol.,1906,47,562)首先发现玻璃电极首先发现玻璃电极可用于测定；可用于测定；1909年，年，F. Haber(Z. Phys. Chem., 1909, 67,385)对其系统的对其系统的实验研究；实验研究；1930年，玻璃电极测定年，玻璃电极测定pH的方法是成为最为方便的方法的方法是成为最为方便的方法(通通过测定分隔开的玻璃电极和参比电

10、极之间的电位差过测定分隔开的玻璃电极和参比电极之间的电位差)；1950年，由于真空管的发明，很容易测量阻抗为年，由于真空管的发明，很容易测量阻抗为100M 以上以上的电极电位，因此其应用开始普及；的电极电位，因此其应用开始普及；1960年，对年，对 pH 敏感膜进行了大量而系统的研究，发展了许敏感膜进行了大量而系统的研究，发展了许多对多对 K+、Na+、Ca2+、F-、NO3-响应的膜电极并市场化。响应的膜电极并市场化。 电位法测定溶液的电位法测定溶液的pHpH值值测定装置测定装置玻璃电极玻璃电极饱和甘汞电极饱和甘汞电极电电 极极 构构 造造 球状玻璃膜球状玻璃膜：组成组成(按摩尔百分比按摩尔

11、百分比):Na2O22、 CaO6、SiO272膜厚约膜厚约30100m 内参比溶液内参比溶液：0.1mol/LHCl 内参比电极内参比电极：Ag-AgCl电极电极其中，其中，Si与与O构成的骨架是带负构成的骨架是带负电荷的，与此抗衡的离子是碱金电荷的，与此抗衡的离子是碱金属离子属离子M+：SiOOOOM 当金属离子与水溶液接触时，其中当金属离子与水溶液接触时，其中的的M+为为H+所交换。所交换。膜电位产生机理膜电位产生机理外部试液外部试液a外外内部参比内部参比a内内水化层水化层水化层水化层干玻璃干玻璃Ag+AgCl玻璃膜的组成玻璃膜的组成由于晶格氧离子与由于晶格氧离子与H+所结合的键的强所结

12、合的键的强度远大于与度远大于与M+的强的强度，因而膜表面的度，因而膜表面的点位几乎全为点位几乎全为H+所所占据，形成占据，形成SiO-H+。 膜内表面与内参比溶液接触时，同样形成膜内表面与内参比溶液接触时，同样形成水化层。水化层。 内参比电极的电位是恒定的，与被测内参比电极的电位是恒定的，与被测溶液的溶液的pH值无关；玻璃电极作为指示电值无关；玻璃电极作为指示电极，其作用主要在玻璃膜上。极，其作用主要在玻璃膜上。 玻璃电极在使用前，要将玻璃泡在蒸玻璃电极在使用前，要将玻璃泡在蒸馏水中浸泡馏水中浸泡24h以上，称为活化。以上，称为活化。 此时，形成一层很薄此时，形成一层很薄(104105mm)的

13、硅酸水化层的硅酸水化层(水合硅胶层水合硅胶层)。外部试液外部试液a外外内部参比内部参比a内内水化层水化层水化层水化层干玻璃干玻璃Ag+AgCl 当将浸泡后的电极浸入待测溶液时，膜外层当将浸泡后的电极浸入待测溶液时，膜外层的水化层与试液接触，由于溶液中的的水化层与试液接触，由于溶液中的H+活度不活度不同，将使同，将使SiO-H+的离解平衡发生移动。的离解平衡发生移动。H自发的从活度大的一方自发的从活度大的一方迁移至活度小的一方。迁移至活度小的一方。)()(溶溶液液表表面面OHHSiO2)()(溶溶液液表表面面OHSiO3 因此，在膜内外的固因此，在膜内外的固- -液界面上电荷分布是不同的，液界面

14、上电荷分布是不同的，这样就使这样就使跨越膜的两侧具有一定的电位差，这个电位跨越膜的两侧具有一定的电位差，这个电位差称为膜电位差称为膜电位。玻璃膜玻璃膜=水化层水化层+干玻璃层干玻璃层+水化层水化层电极的相电极的相=内参比液相内参比液相+内水化层内水化层+干玻璃相干玻璃相+外水化层外水化层+试液相试液相膜电位膜电位 M= 外外(外部试液与外水化层之间外部试液与外水化层之间) + g(外水化层与干玻璃之间外水化层与干玻璃之间) - g(干玻璃与内水化层之间干玻璃与内水化层之间) - 内内(内水化层与内部试液之间内水化层与内部试液之间)外部溶外部溶液液a(H+) = xE 膜膜内部溶液a(H+) =

15、 定值水化层水化层干玻璃层干玻璃层10-4 mm10-4 mm0.1 mma(Na+) a(H+) a(H+) 硅酸盐玻璃 Na+外内a(Na+) 设膜内外表面结构相同设膜内外表面结构相同( g= g)，即，即上式为上式为pH 值溶液的膜电位表达式或采用玻璃电极值溶液的膜电位表达式或采用玻璃电极进行进行pH 测定的理论依据！测定的理论依据！ 测定测定pH 值的电池组成表达式为：值的电池组成表达式为：Ag AgCl,Cl-=1.0M H3O+ =ax 玻璃膜玻璃膜 H3O+ =a,Cl-=1.0M, AgCl AgpH059. 0Kalg059. 0K)HHlg059. 0K()HHlg059.

16、 0K(H21M 内内表表面面内内外外表表面面外外内内外外 玻璃电极玻璃电极(含内参比液）含内参比液）待测液待测液外参比电极外参比电极玻璃电极特点：玻璃电极特点：v 不对称电位：不对称电位：当玻璃膜内外溶液当玻璃膜内外溶液 H+ 浓度或浓度或 pH 值相等时，从前值相等时，从前述公式可知，述公式可知， M=0，但实际上，但实际上 M 不为不为 0，由此引起的电位差称为，由此引起的电位差称为不对称电位。这说明玻膜内外表面性质是有差异的，如表面的几何不对称电位。这说明玻膜内外表面性质是有差异的，如表面的几何形状不同、结构上的微小差异、水化作用的不同等。其对形状不同、结构上的微小差异、水化作用的不同

17、等。其对 pH 测定测定的影响可通过充分浸泡电极和用标准的影响可通过充分浸泡电极和用标准 pH 缓冲溶液校正的方法加以缓冲溶液校正的方法加以消除。消除。 *pH测定前，为什么测定前，为什么 pH 玻璃电极要充分浸泡？玻璃电极要充分浸泡？v 酸差：酸差：当用当用 pH 玻璃电极测定玻璃电极测定pH1 的强酸性溶液或高盐度溶液的强酸性溶液或高盐度溶液时，电极电位与时，电极电位与 pH 之间不呈线性关系，所测定的值比实际的偏高之间不呈线性关系，所测定的值比实际的偏高：因为：因为H+ 浓度或盐份高，即溶液离子强度增加，导致浓度或盐份高，即溶液离子强度增加，导致 H2O 分子活分子活度下降，即度下降，即

18、 H3O+ 活度下降，从而使活度下降，从而使 pH 测定值增加。测定值增加。玻璃电极特点：玻璃电极特点：v碱差或钠差：碱差或钠差：当测定较强碱性溶液当测定较强碱性溶液pH值时，玻璃膜除对值时，玻璃膜除对H+响应响应，也同时对其它离子如，也同时对其它离子如 Na+ 响应。因此响应。因此pH测定结果偏低。当用测定结果偏低。当用Li 玻璃代替玻璃代替Na 玻璃吹制玻璃膜时，玻璃吹制玻璃膜时，pH 测定范围可在测定范围可在114之间。之间。v 对对H+有高度选择性的指示电极，使用范围广，不受氧化剂还原有高度选择性的指示电极，使用范围广，不受氧化剂还原剂、有色、浑浊或胶态溶液的剂、有色、浑浊或胶态溶液的

19、 pH 测定；响应快测定；响应快(达到平衡快达到平衡快)、不、不沾污试液。沾污试液。v 膜太薄，易破损，且不能用于含膜太薄，易破损，且不能用于含F- 的溶液；电极阻抗高，须配用的溶液；电极阻抗高，须配用高阻抗的测量仪表。高阻抗的测量仪表。v 通过改变玻璃膜的结构可制成对通过改变玻璃膜的结构可制成对K+、Na+、Ag+、Li+ 等响应的电等响应的电极。极。测定方法测定方法( (两次测量法两次测量法) ) 两种溶液两种溶液:pH已知的标准缓冲溶液已知的标准缓冲溶液s和和pH待测的试液待测的试液x ,测定各自的电动势为：测定各自的电动势为：若测定条件完全一致，则若测定条件完全一致，则XSpH3032

20、pH3032FRTKFRTKXXSS. XSKK 式中式中pHs已知，实验测出已知，实验测出s和和x 后，即可计后，即可计算出试液的算出试液的pHx ，上式为，上式为pH的实用定义。的实用定义。使使用时，尽量使温度保持恒定并选用与待测溶用时，尽量使温度保持恒定并选用与待测溶液液pH接近的标准缓冲溶液。接近的标准缓冲溶液。FRTSX/.3032pHpHSX 测量仪器测量仪器注意注意: : 温度补偿旋钮温度补偿旋钮 定位旋钮定位旋钮结构结构: :（氟电极）（氟电极）敏感膜敏感膜：（氟化镧单晶）：（氟化镧单晶）：掺有掺有EuFEuF2 2 的的LaFLaF3 3单晶切片；单晶切片；内参比电极：内参比

21、电极：Ag-AgClAg-AgCl电极（管内）电极（管内）内参比溶液内参比溶液： 0.1 mol/L NaCl + 0.1 mol/L NaF 混合溶液混合溶液F用来控制膜内表面的电位，用来控制膜内表面的电位，Cl用以固定内参比电极的电位。用以固定内参比电极的电位。2. 晶体膜电极晶体膜电极原理原理: : LaF3的晶格中有空穴，在晶格上的的晶格中有空穴，在晶格上的F-可以可以移入晶格邻近的空穴而导电。对于一定的晶移入晶格邻近的空穴而导电。对于一定的晶体膜，离子的大小、形状和电荷决定其是否体膜，离子的大小、形状和电荷决定其是否能够进入晶体膜内，故膜电极一般都具有较能够进入晶体膜内，故膜电极一般

22、都具有较高的离子选择性。高的离子选择性。 当氟电极插入到当氟电极插入到F-溶液中时，溶液中时，F-在晶体膜在晶体膜表面进行交换。表面进行交换。25时：时： = K - 0.059 lgaF- = K + 0.059 pF M 干扰及消除方法干扰及消除方法 酸度影响：酸度影响：OH-与与LaF3反应释放反应释放F-，使测定结果偏高；，使测定结果偏高；H+与与F-反应生成反应生成HF或或HF2-降低降低F-活度，使测定偏低。控制活度，使测定偏低。控制pH5-7可减小这种干扰。可减小这种干扰。 阳离子干扰：阳离子干扰：Be2+, Al3+, Fe3+, Th4+, Zr4+ 等可与等可与F-络合，使

23、络合，使测定结果偏低，可通过加络合掩蔽剂测定结果偏低，可通过加络合掩蔽剂(如柠檬酸钠、如柠檬酸钠、EDTA、钛铁试剂、磺基水杨酸等钛铁试剂、磺基水杨酸等)消除其干扰。消除其干扰。 基体干扰基体干扰(以活度代替浓度以活度代替浓度)消除：标准和待测样品中同时消除：标准和待测样品中同时加入惰性电解质。加入惰性电解质。 通常加入的惰性电解质是通常加入的惰性电解质是总离子强度调节剂总离子强度调节剂(Total ion strength adjustment buffer, TISAB)，可同时控制，可同时控制pH、消除、消除阳离子干扰、控制离子强度。如通常使用的阳离子干扰、控制离子强度。如通常使用的TI

24、SAB组成为：组成为：KNO3+NaAc-HAc+柠檬酸钾。柠檬酸钾。7.2 控制电位电解型气体传感器控制电位电解型气体传感器 电化学式气体传感器，主要利用两个电极之间的电化学式气体传感器，主要利用两个电极之间的化学电位差，一个在气体中测量气体浓度，另一个是化学电位差，一个在气体中测量气体浓度，另一个是固定的参比电极。固定的参比电极。 电化学式传感器采用恒电位电解方式和伽伐尼电电化学式传感器采用恒电位电解方式和伽伐尼电池方式工作。池方式工作。 有液体电解质和固体电解质，而液体电解质又分有液体电解质和固体电解质，而液体电解质又分为电位型和电流型。为电位型和电流型。 电位型是利用电极电势和气体浓度

25、之间的关系进行电位型是利用电极电势和气体浓度之间的关系进行测量；测量； 电流型采用极限电流原理，利用气体通过薄层透电流型采用极限电流原理，利用气体通过薄层透气膜或毛细孔扩散作为限流措施，获得稳定的传质条气膜或毛细孔扩散作为限流措施，获得稳定的传质条件，产生正比于气体浓度或分压的极限扩散电流。件，产生正比于气体浓度或分压的极限扩散电流。电流型指示电极电流型指示电极（Clark电极）电极）外加极化电压时，外加极化电压时，在阴极上产生与氧在阴极上产生与氧浓度成正比的稳态浓度成正比的稳态扩散电流。扩散电流。氧电极氧电极恒电位电解式气体传感器恒电位电解式气体传感器 使电极与电解质溶液的界面保持一定电位进

26、使电极与电解质溶液的界面保持一定电位进行电解，通过改变其设定电位，有选择的使气体行电解，通过改变其设定电位，有选择的使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体。进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体。特点：特点：1. 都有供气体进入的气室或薄膜。都有供气体进入的气室或薄膜。2. 一般有三个电极。一般有三个电极。3. 有离子导电性的电解质溶液有离子导电性的电解质溶液。工作过工作过程程（1）被测气体进入传感器的气室：通过气体扩散或机械）被测气体进入传感器的气室：通过气体扩散或机械泵；先经过一个过滤器泵；先经过一个过滤器提高选择性。提高选择性。（2）反应物从气室到达工作电极前面的多孔膜，并向）反应

27、物从气室到达工作电极前面的多孔膜，并向电极电极-电解液界面扩散电解液界面扩散:工作电极一般不暴露在外，所以工作电极一般不暴露在外，所以气体先经过多孔膜；多孔膜的作用：防止漏液，给气体先经过多孔膜；多孔膜的作用：防止漏液，给电极提供结构支持，再次提高选择性。电极提供结构支持，再次提高选择性。（3）电活性物质在电解液中的溶解：气体在电解液中）电活性物质在电解液中的溶解：气体在电解液中的溶解速率在很大程度上决定了传感器的灵敏度和响的溶解速率在很大程度上决定了传感器的灵敏度和响应时间。应时间。（4）电活性物质在电极表面吸附：待检测气体扩散）电活性物质在电极表面吸附：待检测气体扩散到催化剂电极表面发生氧

28、化或还原反应，氧化或还原到催化剂电极表面发生氧化或还原反应，氧化或还原反应速率的大小与气体在电极表面的吸附密切相关。反应速率的大小与气体在电极表面的吸附密切相关。（5）扩散控制下的电化学反应：当扩散步骤为速率）扩散控制下的电化学反应：当扩散步骤为速率控制步骤时，整个反应可以由控制步骤时，整个反应可以由Cottrell方程描述：方程描述：I和和C成正比。成正比。（6 6）产物的脱附：如果产物的解吸附速率慢，电极）产物的脱附：如果产物的解吸附速率慢，电极可能被反应产物污染，电流信号会逐步下降，造成电可能被反应产物污染，电流信号会逐步下降，造成电极中毒。极中毒。工作过工作过程程（7）产物离开电极表面

29、的扩散：净化电极，使电）产物离开电极表面的扩散：净化电极，使电极回到初始的清洁状态。极回到初始的清洁状态。（8 8）产物的排除：净化传感器内部空间。如果）产物的排除：净化传感器内部空间。如果产物不是气体或易溶于电解液，使传感器内部成产物不是气体或易溶于电解液，使传感器内部成份改变，从而改变传感器的信号响应。份改变，从而改变传感器的信号响应。工作过工作过程程新一代新一代SPE控制电位电解型气体传感器的研制控制电位电解型气体传感器的研制高温陶瓷固体电解质高温陶瓷固体电解质快离子导体类固体电解质快离子导体类固体电解质指在一定条件指在一定条件(温度、压力温度、压力)下具有电子下具有电子(或空穴或空穴)

30、电导电导或离子电导特性的陶瓷或离子电导特性的陶瓷固体高聚物电解质固体高聚物电解质7.3 生物电化学传感器生物电化学传感器信号转换器信号转换器分子识分子识别元件别元件待测物待测物 一、生物传感器的定义一、生物传感器的定义是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。应用领域：环境监测、食品分析、生物医学利用生物体可以对待定物质进行选择性识别的化学传感器叫利用生物体可以对待定物质进行选择性识别的化学传感器叫做生物传感器。做生物传感器。二、生物传感器的特点二、生物传感器的特点 高选择性。生物传感器是由选择性好的主高选择性。生物传感器是由选择性好的主体材料构成的分子体材

31、料构成的分子识别元件，因此，一般识别元件，因此，一般不需进行样品的预处理。测定时一般不需另加不需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其它试剂。其它试剂。 体积小、可以实现连续在位监测。体积小、可以实现连续在位监测。 响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。多次使用。 传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。广普及。灵敏度高灵敏度高选择性好选择性好性能稳定性能稳定范围广范围广易微型化易微型化三、生物传感器的分类三、生物传感器的分类酶酶 (Enz

32、yme)抗体抗体(Antibody)DNA1. 酶传感器酶传感器酶是生物体内产生并具有催化活性的一类蛋白质。酶是生物体内产生并具有催化活性的一类蛋白质。酶与一般催化剂的不同点如下：酶与一般催化剂的不同点如下：(1)(1)酶的催化效率比一般的催化剂高酶的催化效率比一般的催化剂高10106 6-1O-1O1313倍。倍。(2)(2)酶催化反应条件较为温和，在常温常压近中性酶催化反应条件较为温和，在常温常压近中性条条 件下即可进行件下即可进行. .(3)(3)酶的催化具有高度的专一性酶的催化具有高度的专一性. .酶传感器的发展的阶段酶传感器的发展的阶段缺点：溶解氧的变化会引缺点：溶解氧的变化会引起电

33、极响应的波动；氧的起电极响应的波动；氧的溶解度有限，当溶解氧贫溶解度有限，当溶解氧贫乏时，响应电流明显下降，乏时，响应电流明显下降，从而影响检出限；电极的从而影响检出限；电极的响应受溶液响应受溶液pH值及温度值及温度影响很大。影响很大。可提高检测的灵敏度，可提高检测的灵敏度，但媒介体易污染电极，但媒介体易污染电极，影响电极的性能。影响电极的性能。酶电极的响应速度更快，酶电极的响应速度更快，灵敏度更高，还降低了灵敏度更高，还降低了系统非特异性倾向，成系统非特异性倾向，成为真正的为真正的“无试剂分析无试剂分析”。酶的直接电化学研究已成为生物电化学研究最重要的发展方向之一。酶的直接电化学研究已成为生

34、物电化学研究最重要的发展方向之一。电化学酶传感器发展方向电化学酶传感器发展方向 发展生物传感器最初的目的是为了利用生化反应的专一发展生物传感器最初的目的是为了利用生化反应的专一性，高选择性地分析目标物。但是，由于生物单元的引入，性，高选择性地分析目标物。但是，由于生物单元的引入，生物结构固有的不稳定性、易变性使得生物传感器的实用化生物结构固有的不稳定性、易变性使得生物传感器的实用化还存在不少问题。例如生物传感器的稳定性、灵敏度和选择还存在不少问题。例如生物传感器的稳定性、灵敏度和选择性等都有待进一步提高。性等都有待进一步提高。 生物传感器的选择性主要取决于生物敏感材料，而灵敏生物传感器的选择性

35、主要取决于生物敏感材料，而灵敏度的高低则与信号转换器的类型、生物材料的固定化技术等度的高低则与信号转换器的类型、生物材料的固定化技术等有很大的关系。因此生物材料的有很大的关系。因此生物材料的固定化技术固定化技术是提高传感器性是提高传感器性能的关键因素之一。而能的关键因素之一。而灵敏度和选择性灵敏度和选择性的提高则可以通过改的提高则可以通过改善生物单元与信号转换器之间的联系以减少干扰，选择、设善生物单元与信号转换器之间的联系以减少干扰，选择、设计新的活性单元以增加其对目标分子的亲和力。计新的活性单元以增加其对目标分子的亲和力。 通常的生物组分固化技术应满足以下条件：通常的生物组分固化技术应满足以

36、下条件： 1 1、固化后的生物组分仍能保持良好的生物活性；、固化后的生物组分仍能保持良好的生物活性； 2 2、生物膜与转化器需紧密接触，且能适应多种测、生物膜与转化器需紧密接触，且能适应多种测试环境；试环境； 3 3、固定化层要有良好的稳定性和耐用性；、固定化层要有良好的稳定性和耐用性； 4 4、减少生物膜中生物组分的相互作用以保持其原、减少生物膜中生物组分的相互作用以保持其原有的高度选择性。有的高度选择性。1）酶的固定化）酶的固定化物理吸附法：物理吸附法：使酶直接吸附在载体上的方法使酶直接吸附在载体上的方法称为物理吸附法。称为物理吸附法。吸附法操作简便、条件温和，不足之处是生吸附法操作简便、

37、条件温和，不足之处是生物分子与固体表面结合力弱，制得的生物传物分子与固体表面结合力弱，制得的生物传感器易发生生物分子的泄漏或解脱，灵敏度感器易发生生物分子的泄漏或解脱，灵敏度低，重现性差；低，重现性差；包埋法：包埋法：将酶分子包埋在凝胶的细微格子里将酶分子包埋在凝胶的细微格子里制成固定化制成固定化. 包埋法具有可操作性强、对酶活性影响包埋法具有可操作性强、对酶活性影响小、包埋的生物组分浓度高以及包埋的酶小、包埋的生物组分浓度高以及包埋的酶不容易泄露等特点，不容易泄露等特点， 但其制备过程比较复杂，影响因素比较但其制备过程比较复杂，影响因素比较多；多；共价键固定法：共价键固定法：通过特殊键的形成

38、而将生物通过特殊键的形成而将生物分子固定于固体表面分子固定于固体表面 共价键固定法不易发生分子的泄漏，并且共价键固定法不易发生分子的泄漏，并且改善了分子在表面的定向、均匀分布状况，改善了分子在表面的定向、均匀分布状况，但生物分子易失活、操作复杂、耗时、成但生物分子易失活、操作复杂、耗时、成本高；本高；交联法：交联法：通过多官能团试剂通过多官能团试剂(如戊二醛如戊二醛)，使吸，使吸附的生物分子以共价结合的方式结合至固体附的生物分子以共价结合的方式结合至固体表面表面 交联法固定量大，但其缺点主要是反应交联法固定量大，但其缺点主要是反应难以控制，形成的酶难以控制，形成的酶/蛋白质层蓬松、坚固蛋白质层

39、蓬松、坚固性差，所需生物样品量多，且由于交联反性差，所需生物样品量多，且由于交联反应较激烈，酶分子的多个基团被交联，酶应较激烈，酶分子的多个基团被交联，酶活力损失较大。活力损失较大。2 2）生物传感器的灵敏度和选择性）生物传感器的灵敏度和选择性 实现氧化还原酶的直接电子转移可能是增强酶实现氧化还原酶的直接电子转移可能是增强酶传感器响应的最好手段。传感器响应的最好手段。 理论上，蛋白质（酶）与电极之间的直接电子理论上，蛋白质（酶）与电极之间的直接电子传递过程更接近生物氧化还原系统的原始模型，为传递过程更接近生物氧化还原系统的原始模型，为揭示生物氧化还原过程的机理奠定了基础，而且可揭示生物氧化还原

40、过程的机理奠定了基础，而且可以促进电极物质与具有高催化和传感特性的生物大以促进电极物质与具有高催化和传感特性的生物大分子间结合，这对于了解生命体内的能量转换和物分子间结合，这对于了解生命体内的能量转换和物质代谢，了解生物分子结构和各种物理化学性质，质代谢，了解生物分子结构和各种物理化学性质，探索其在生命体内的生理作用及作用机制，开发新探索其在生命体内的生理作用及作用机制，开发新型生物传感器等均具有重要的意义。型生物传感器等均具有重要的意义。葡萄糖酶传感器是研究最早、最成熟的电流型酶电极传感器。由葡萄糖氧化是研究最早、最成熟的电流型酶电极传感器。由葡萄糖氧化酶膜和电化学传感器组成。酶膜和电化学传

41、感器组成。 依据反应中消耗的氧气、生成的葡萄糖酸以及过氧化氢，依据反应中消耗的氧气、生成的葡萄糖酸以及过氧化氢，可用氧气传感器、可用氧气传感器、pHpH电极及过氧化氢传感器来测定葡萄糖的含电极及过氧化氢传感器来测定葡萄糖的含量。量。 pHpH电极电极通过测定葡萄糖酸通过测定葡萄糖酸测定葡萄糖，检测限：测定葡萄糖，检测限：1010-3-3M M。 氧电极氧电极耗氧量耗氧量测定葡萄糖，检测限：测定葡萄糖，检测限：1010-4-4M M。过氧化氢传感器过氧化氢传感器当酶促反应产物过氧化氢扩散到电极表面上时，在一定外当酶促反应产物过氧化氢扩散到电极表面上时，在一定外加电压下可以被氧化，放出电子产生电流

42、：加电压下可以被氧化，放出电子产生电流： H2O2 O2+2H+ +2e- 过氧化氢产生的分解电流和葡糖糖浓度成正比。该方法过氧化氢产生的分解电流和葡糖糖浓度成正比。该方法底电流低，灵敏度高，检测限为底电流低，灵敏度高，检测限为1010-8M M。2.2.电化学免疫分析法电化学免疫分析法 免疫分析方法的理论基础是免疫分析方法的理论基础是抗体（抗体（Antibody，Ab）抗抗原（原（Antigen，Ag）之间的特异性反应。之间的特异性反应。 电化学免疫分析法是将免疫技术与电化学检测相结合的电化学免疫分析法是将免疫技术与电化学检测相结合的一种免疫分析方法，它既具有电化学分析法的高灵敏度，又一种免

43、疫分析方法，它既具有电化学分析法的高灵敏度，又具有免疫分析的高选择性和专一性，近年来发展迅速，在临具有免疫分析的高选择性和专一性，近年来发展迅速，在临床检测、环境检测、食品分析等各个方面得到了广泛的应用。床检测、环境检测、食品分析等各个方面得到了广泛的应用。 测量肿瘤标志物测量肿瘤标志物对于检测、诊断疾病十分重要。一些重要对于检测、诊断疾病十分重要。一些重要的肿瘤标志物，例如癌胚抗原，糖类抗原的肿瘤标志物，例如癌胚抗原，糖类抗原19-9，糖类抗原，糖类抗原125，-甲胎蛋白和人绒毛膜促性腺激素等已经广泛应用于直肠癌、甲胎蛋白和人绒毛膜促性腺激素等已经广泛应用于直肠癌、胰腺癌、上皮卵巢癌和肝癌等

44、的临床检测中。胰腺癌、上皮卵巢癌和肝癌等的临床检测中。 免疫分析技术提供了一种简单、有效和价免疫分析技术提供了一种简单、有效和价廉的测定方法。廉的测定方法。 通常利用化学修饰电极结合传统的酶联免疫通常利用化学修饰电极结合传统的酶联免疫分析，直接检测酶标免疫结合物催化底物反应分析，直接检测酶标免疫结合物催化底物反应的产物，可检测血清中肿瘤标志物。的产物，可检测血清中肿瘤标志物。3. DNA生物传感器生物传感器 DNA生物传感器是分子生物学与微电子学、生物传感器是分子生物学与微电子学、电化学、光学等相结合的产物，它将在生命科电化学、光学等相结合的产物，它将在生命科学与信息科学之间架起一道桥梁，成为

45、学与信息科学之间架起一道桥梁，成为DNA信信息分析检测最重要的技术之一。息分析检测最重要的技术之一。因换能器和电极的因换能器和电极的ssDNA探针结构不同，分为：探针结构不同，分为：电化学电化学DNA生物传感器生物传感器压电石英晶体压电石英晶体DNA生物传感器生物传感器光学光学DNA生物传感器生物传感器DNA电化学传感器电化学传感器电化学电化学 DNA传感器传感器的原理的原理示意图示意图 利用固定在电极表面的某一特定序列的单链利用固定在电极表面的某一特定序列的单链DNA(ssDNA)与溶液与溶液中的互补序列中的互补序列DNA的特异识别作用的特异识别作用(分子杂交分子杂交)形成双链形成双链 DN

46、A(dsDNA)，同时借助一能识别，同时借助一能识别ssDNA和和dsDNA的杂交指示剂的的杂交指示剂的电化学响应信号的改变来达到检测基因是否存在，达到定性的目的。电化学响应信号的改变来达到检测基因是否存在，达到定性的目的。 同时，当互补序列同时，当互补序列DNA的浓度发生改变时，指示剂嵌入后的响的浓度发生改变时，指示剂嵌入后的响应信号也会发生响应变化。一定范围内指示剂的响应信号与待测应信号也会发生响应变化。一定范围内指示剂的响应信号与待测 DNA 物质的量浓度成线性关系，从而得以检测基因含量，达到定量物质的量浓度成线性关系，从而得以检测基因含量，达到定量的目的。的目的。 根据电化学活性标识元

47、素的不同根据电化学活性标识元素的不同 ,目前主要目前主要将电化学将电化学DNA生物传感器分为三类生物传感器分为三类:第一类是用具有电化学活性的杂交指示剂作为识第一类是用具有电化学活性的杂交指示剂作为识别元素。别元素。第二类是在寡聚核苷酸上标记电化学活性的官能第二类是在寡聚核苷酸上标记电化学活性的官能团作为识别元素。团作为识别元素。 第三类是利用酶的化学放大功能，在第三类是利用酶的化学放大功能，在DNA 分子上分子上标记酶作为识别元素。标记酶作为识别元素。 根据基底电极的类型不同，可以将电化学根据基底电极的类型不同，可以将电化学 DNA传感器分为以下两大类传感器分为以下两大类:第一类为第一类为D

48、NA修饰汞电极，主要是悬汞电极修饰汞电极，主要是悬汞电极(HMDE)第二类为第二类为DNA修饰固体电极，包括金电极，各修饰固体电极，包括金电极，各类碳电极类碳电极:玻碳电极玻碳电极(GCE)、碳糊电极、碳糊电极(CPE)、裂解石墨电极裂解石墨电极(PGE)、定向裂解石墨电极、定向裂解石墨电极(HOPGE)、碳条电极、碳条电极(CSE)等。等。应用应用 DNA 电化学传感器进行检测，主要包括以下电化学传感器进行检测，主要包括以下四个步骤四个步骤:(1)单链单链DNA 的固定，制成的固定，制成ssDNA探针探针; (2)分子杂交反应的完成，在最佳条件下形成分子杂交反应的完成，在最佳条件下形成 ds

49、DNA 杂交分子杂交分子; (3)选择合适的电化学指示剂完成选择合适的电化学指示剂完成 dsDNA 的表达的表达; (4)杂交信号的电化学测量方法优化，根据所选择杂交信号的电化学测量方法优化，根据所选择电化学指示剂的不同产生相应的电化学信号，可将电化学指示剂的不同产生相应的电化学信号，可将电流、电压或电导做为测定信号。电流、电压或电导做为测定信号。ssDNA的固定方法的固定方法(1)吸附法吸附法: 将将ssDNA直接滴涂或在一定电位富集吸附到电极表面。直接滴涂或在一定电位富集吸附到电极表面。(2)共价键合法共价键合法: DNA 分子固定的一种常用方法。将电极表面预处分子固定的一种常用方法。将电极表面预处理后产生各种功能的活性键合基团，再与理后产生各种功能的活性键合基团，