信号转换器讲稿

1、关于信号转换器第一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 电化学信号转换器 离子敏场效应晶体管 热敏电阻 压电晶体信号转换器 光电换能器2第二张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月一、电化学型信号转换器 电化学电极作为生物传感器信号转换器，一般可分为两种类型：电位型和电流型。 电化学电极(固体电极、离子选择性电极、气敏电极、修饰电极等)作为信号转换器已广泛用于酶传感器、微生物传感器及其它类型的生物传感器中。 3第三张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月1.1 电化学测量基础1.测量系统 根据转变方式和输出电信号的不同，可将电化学传感器分为： 4第四张，PPT共一百一十五

2、页，创作于2022年6月图2-1 原电池构成5第五张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 电位型测量系统在电极/溶液界面上自发地发生化学反应，将被测化学量转变为电位信号的测定装置。 被测的化学量与电位之间的关系，符合能斯特方程： 6第六张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月图2-2 电解电池构成7第七张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 电流型测量系统外加电压下，在电极/溶液界面上发生化学反应，将被测化学量转变为电流信号的测定装置。 在一定条件下，其电流大小与离子浓度成比例。8第八张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 电导型测量系统在外加电压下，将化学量转变

3、成电导信号的测定装置。 在离子浓度不大时，溶液的电导与离子浓度成正比。9第九张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月1.2 基本概念 1. 电离常数 Ionization constant 电离常数表示电解质电离能力的强弱。 AB表示平衡时未电离的分子浓度，A-和B+表示平衡时A-和B+离子的浓度。 10第十张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月2. 活度和活度系数 Activity and activity coefficient 活度指电解质溶液的有效浓度。 溶液浓度与活度之间的关系表示为： 为活度系数，表示电解质溶液的浓度与活度的偏差程度，即表示浓度有百分之几是有效的。通常

4、 0 1，当溶液无限稀释 。 11第十一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 如0.1mol/L的盐酸溶液中，H+的活度就等于0.0799mol/L，意思是说，H+在化学反应起作用的浓度是0.0799mol/L。12第十二张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月1.3 电极种类 电极是传感器非常重要的信号转换器，可分为：13第十三张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月1. 参比电极Reference electrode 参比电极测量电极电位时用作基准电位的电极。 常用参比电极：标准氢电极、甘汞电极、 电极。14第十四张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月（1）标

5、准氢电极 氢电极作基准测量电极电位，精度一般可高达10v，但实验室中不用，因其容易爆炸。图2-2 标准氢电极15第十五张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月（2）甘汞电极 电极由Hg和 Hg2Cl2的糊状物浸入含有Cl-的溶液中，插入Pt导线构成。放置在KCl溶液中。图2-3 甘汞电极16第十六张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月25时甘汞电极的电极电位17第十七张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月（3） 电极一种性能较好的参比电极。它结构简单，只需在Ag丝上，镀上一薄层AgCl，并浸入一定浓度的KCl溶液中便制成电极。 图2-4 银/氯化银电极18第十八张，PPT

6、共一百一十五页，创作于2022年6月2. 指示电极 Indicating electrode 指示电极根据电极电位的大小指示出物质浓度的电极。 包括离子选择性电极、气敏电极、金属或非金属电极(Au、Cu、Pt，石墨电极等)。19第十九张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 图2-5 pH玻璃电极 20第二十张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月3. 工作电极和辅助电极 Working electrode auxiliary electrode 工作电极在外加电压下电解时，根据其电解电流的大小测定物质含量的电极。 辅助电极电解时为测定电流构成回路所用的电极（对电极）。 21第二十

7、一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月图2-6 测量系统22第二十二张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 三电极系统：包括工作电极、辅助电极和参比电极（用于确定或控制工作电极的电极电位的大小）。 二电极系统：参比电极兼作辅助电极时的构成方式。23第二十三张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月1.4 电位型换能器 电位型换能器是由指示电极和参比电极构成的测量系统，在零电流条件下通过测量两个电极之间的电位差，实现待测物质含量测量。24第二十四张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月（一）离子选择性电极 Ion selective electrode (ISE) 离

8、子选择性电极用特殊敏感薄膜制作的对特定阳离子或阴离子呈选择性响应的电极。 离子选择性电极具有快速、灵敏、可靠、价廉等优点，因此应用范围很广。 25第二十五张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月1. pH电极 氢离子活度对化学反应和生物化学反应有重要的决定作用。有一些酶反应，涉及到氢离子的生成和消耗，因此可用pH玻璃电极作为某些生物传感器的信号转换器。26第二十六张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 图2-7 pH电极测量系统27第二十七张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 （1）ISE的特点 ISE的电极电位与特定离子活度的对数呈线性关系； ISE结构简单、测定快速

9、、灵敏度高、重复性好。28第二十八张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月（2）ISE的组成29第二十九张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月（3）ISE的特性 30第三十张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 检测极限 指电极所能检测离子的最低浓度。 图2-8 电极校准曲线及检测极限的确定31第三十一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 在一定活度范围内（CD段）电极电位与被测离子活度的对数成正比，当被测离子活度逐渐减小时，曲线由CD直线段逐渐弯曲成EF段，电极电位不为零，说明离子选择电极存在检测极限。 极限值的确定是根据CD与EF延长线相交点对应的离子活度作

10、为其检测极限。 钠电极：10-6 mol/L ； 氯电极: 510-6 mol/L。32第三十二张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 电位选择系数 指同一支电极对不同离子的选择性响应，表征ISE选择性的优劣。电极对各种离子的选择性可用电位选择系数表示。在 中，A表示被测离子，X表示干扰离子。33第三十三张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 钙电极用于测Ca2+，但其对Ba2+也有响应，因此是测量时的干扰离子，若其对Ca2+的响应为Ba2+的100倍，则Ba2+对Ca2+的干扰为1/100倍，所以: 越小，表明干扰越小，电极的选择性越好。 34第三十四张，PPT共一百一十五页

11、，创作于2022年6月 响应时间 响应时间指电极达到平衡电位时所需要的时间。 它与电极的种类及被测离子的活度、溶液的搅拌速度、敏感膜的组成及性质、膜的厚度、参比电极的稳定性等有关。 35第三十五张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 电极寿命 电极寿命是指电极保持Nernst响应的时间。主要取决于膜的结构与性质。当实测电势与理论电势之比小于0.9时，电极不宜再使用。36第三十六张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月2. 碘电极 碘离子选择电极常用于有 生成的酶反应中，碘离子与 相遇，在过氧化物酶催化下，可快速发生如下反应：37第三十七张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6

12、月（二）气敏电极 电位型气敏电极作为各种生物传感器的信号转换器，使用较多的是氨气敏电极和 气敏电极。 38第三十八张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 1. 氨气敏电极 氨是酶反应中最常见的产物和反应物，因此氨电极是常用的信号转换器之一。 39第三十九张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 氨电极浸入碱性待测液时，待测液中的铵盐转化成挥发性氨，经透气膜渗入内充液薄层发生如下反应： 电位与待测溶液中氨的浓度符合能斯特方程。 40第四十张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月2.二氧化碳电极 CO2气敏电极的结构由pH玻璃电极和Ag/AgCl 参比电极组成电池，用透气膜将中

13、间溶液与被测溶液隔离开来。 图2-9 CO2气敏电极41第四十一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月测定时溶液中的CO2通过透气膜进入溶液，而发生下列反应：42第四十二张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月二氧化碳气敏电极在医学上的应用43第四十三张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月44第四十四张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月1.5 电流型换能器 输出直接与被测物浓度呈线性关系； 电极输出值的读数误差较电位型电极小； 灵敏度比电位型电极高。 常用的电流型电极有O2 电极电极、H2O2 电极及燃料电池型电极等。45第四十五张，PPT共一百一十五页，创作于

14、2022年6月（一） 氧电极 各种氧化酶和加氧酶在催化底物反应时，要用溶解氧为辅助试剂，反应中所消耗的氧量可用氧电极来测定。此外，在微生物电极、免疫电极等生物传感器中也常用氧电极作为信号转换器，因此氧电极在生物传感器中使用很广。46第四十六张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 氧电极是一个通过测定电解电流来测定溶液中氧含量的电解池。 有两种：开放式和封闭式。47第四十七张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月1. 开放式氧电极开放式氧电极测定氧的装置如图所示。 48第四十八张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 外加电解电压，当铂电极电位相对参比电极低0.2V时，氧在铂

15、丝上开始电解，此时电流计中有电流指示。49第四十九张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 当铂电极相对参比电极低0.60.8V时，电流趋于恒定，此时的电流与溶液中氧含量成正比。50第五十张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 Clark氧电极是一种较为稳定的封闭式氧电极。铂电极与 电极组合在一起置于参比溶液中，与被测溶液之间用透氧膜隔开。 此膜将被测溶液中溶解的氧气通过膜扩散到膜内电解质溶液薄层，再扩散到铂电极表面进行还原产生电流。 2.封闭式氧电极(Clark氧电极)51第五十一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月Clark氧电极结构见图。52第五十二张，PPT共一

16、百一十五页，创作于2022年6月3.氧电极在医学中的应用 53第五十三张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月54第五十四张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 二、H2O2电极 H2O2电极是根据电解氧化时所产生的电流输出来测定浓度的复合式电极。 电极包括阳极、阴极、电解液和渗透膜，阳极一般用金、白金，阴极一般用Ag/AgCl，渗透膜可用醋酸纤维素膜，电解液是氯化钾与磷酸缓冲液及氯化钾与醋酸缓冲液等。55第五十五张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月两极间外加一定电压，实际测量时，外加电压控制在电压-电流曲线的平滑部分，即0.7-0.9V，此时输出电流就与浓度成比例。阳

17、极反应阴极放应 56第五十六张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月H2O2电极基本测量电路和电压-电流曲线 57第五十七张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 电化学信号转换器 离子敏场效应晶体管 热敏电阻 压电晶体信号转换器 光电换能器58第五十八张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月59二、离子敏场效应晶体管（ISFET） ISFET是把离子选择性敏感膜和 FET相结合，将离子活度的化学信息转化为电流或电压的变化。P-Sip-SinnSDGFET结构2.1 结构与原理ISFET结构P-Sip-SinnSD参比电极敏感膜被测溶液59第五十九张，PPT共一百一十五页，创

18、作于2022年6月FET工作原理P-Sip-SinnSDGVGSVDSIDFET工作原理:60第六十张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月61 反型层的形成 在栅极与源极之间施加电压，会导致栅源极之间的电荷流动，并在栅极绝缘层下的P型半导体材料的表面大量积累负电荷而形成反型层。 N型沟道的形成 栅源电压若大于阈值电压，栅极绝缘层下面将形成强反型层，源漏极之间形成N型沟道。 漏电流的形成 在源漏极之间施加电压，则带电粒子沿着该沟道流通，电子便从源极流向漏极，形成漏源极之间的沟道电流，称作漏电流，用ID表示。 61第六十一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月62ISFET工作原理

19、P-Sip-SinnSDVGSVDSID参比电极敏感膜被测溶液 2.2 ISFET工作原理 ISFET正是利用场效应管的上述特性而实现对离子浓度测量的。62第六十二张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月63 敏感膜与溶液界面产生膜电位，该电位叠加在栅压上，引起场效应管漏电流的变化。根据能斯特方程，膜电位的大小与溶液中的离子活度有关，即：63第六十三张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月64 实际施加于场效应管绝缘膜和半导体表面上的电压为 因此，只要设法利用生化反应过程所产生的物质变化来影响栅极电压，便可设计出以离子敏场效应管为转换器件的半导体生物传感器。 64第六十四张，PPT

20、共一百一十五页，创作于2022年6月652.3 特点 构造简单，体积小，便于批量制作，成本低； 易微型化和多功能化； FET制作的敏感器件响应快，适用于自控监测 和流程分析等。65第六十五张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月662.4 应用尿素的测定： +66第六十六张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月67双栅极酶-FET传感器67第六十七张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月68葡萄糖的测定：氟离子的测定68第六十八张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 电化学信号转换器 离子敏场效应晶体管 热敏电阻 压电晶体信号转换器 光电换能器69第六十九张，PPT共

21、一百一十五页，创作于2022年6月70三、热敏电阻型信号转换器 热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的特性实现温度测量的阻抗元件。 热敏电阻不仅在生物医学的温度测量、电路元件的温度补偿等方面有着广泛的应用，而且可作为生物传感器的信号转换器，构成量热型生物传感器。 70第七十张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月713.1 结构与种类 71第七十一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月72 半导体热敏电阻按其材料、性质的不同可分为三种类型： PTC型由钛酸钡和钛酸锶的混合物高温烧结而成，具有正的温度系数。 单晶硅型温度系数为正。 NTC型由某些金属氧化物的混合物高温烧

22、结而成，具有负的温度系数。通常用氧化钴、氧化镍、氧化锰及其它氧化物构成的陶瓷半导体。 72第七十二张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月733.2 热敏电阻的性能和参数 电阻温度特性 Resistance-temperature characteristic 对NTC型热敏电阻，在一定的温度范围内，其电阻温度特性为 其中 RT 温度为T时的电阻值 R0温度为T0 时的电阻值 B热敏电阻常数 73第七十三张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月74温度系数 （相对灵敏度）Temperature coefficient 热敏电阻的温度系数指单位温度变化引起的电阻值的相对变化量。 （单

23、位为K-1） 温度系数是温度的函数，实质上反应热敏电阻的灵敏度的大小, 愈大，灵敏度愈高。74第七十四张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月75伏安特性 Volt-ampere characteristic 伏安特性指热敏电阻在达到热平衡后其端电压与电流之间的关系。表征热敏电阻工作状态的重要特性，可帮助正确选择热敏电阻的正常工作范围（工作电压）。 图2-7 NTC型热敏电阻的伏安特性75第七十五张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月76耗散常数 Dissipation constant 指热敏电阻在规定的环境温度下，由于自热而 每上升1所消耗的功率，单位为mw/ 热时间常数 H

24、eat time constant 表示在零功耗条件下，环境温度发生阶跃变化时，热敏电阻的温度变化达到终止温度的63.2%所需要的时间。它是描述热敏电阻热惰性的重要参数，也可以说是描述热敏电阻动态特性的物理量。最高工作温度 Highest working temperature 指热敏电阻在保证其性能符合技术条件规定情况下能长期连续工作的最高温度。76第七十六张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月773.3 热敏电阻的线性化 Linearization of thermistor 在恒流源激励下，以热敏电阻两端的电压作为温度指示，可用一个经适当选择的电阻RP与热敏电阻RT并联进行线性化

25、。77第七十七张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月78使并联组合的拐点与测温中点温度相吻合，所需并联电阻值可由下式求出其中 温度为 处的电阻值 78第七十八张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月79 在恒压源激励下，以流过热敏电阻的电流作为温度指示，可用适当选择的电导Gs与GT串联,实现电导与温度的非线性特性的补偿。79第七十九张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月80 其中 温度为 处 的电导值 使串联组合的拐点与测温中点温度相吻合，所需串联电导（阻）值可由下式求出 80第八十张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月813.4 热敏电阻型生物传感器 凡有生物体

26、反应的地方，大都可以观察到放热或吸热反应的热量变化(焓变化)。热敏电阻生物传感器就是以测定生化反应焓变化作为测定基础。 若测量系统是一个绝热系统，借助于热敏电阻，可根据对系统温度变化的测量实现试样中待测成分的测定。 81第八十一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月82图2-8 酶热敏电阻的测量系统 82第八十二张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 电化学信号转换器 离子敏场效应晶体管 热敏电阻 压电晶体信号转换器 光电换能器83第八十三张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月四、压电晶体型信号转换器4.1压电效应与逆压电效应 压电效应某些电介质当沿一定方向施加作用力时

27、，内部会产生极化状态的变化，同时在电介质的两个端面上出现符号相反的，与外力成比例的束缚电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。具有压电效应的材料称其为压电体。 84第八十四张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 逆压电效应指压电体在外加电场的作用下，其内部极化状态发生相应的变化，导致电介质出现与外加电场强度成正比的应变现象。85第八十五张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 常用的压电体材料有四种： 压电晶体 压电陶瓷 压电高分子聚合物 复合压电材料 其中压电晶体以石英晶体为代表，是生物传感器信号转换器常用的材料。86第八十六张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6

28、月4.2 压电效应的产生机理 1.石英晶体的压电效应 石英晶体(SiO2)之所以存在压电效应，与它的结构有关，石英晶体属六方晶系，为一正六面体结构。石英晶体有三个晶轴。垂直于晶胞平面的Z轴光轴（中性轴）；穿过晶胞平面六边形对角顶的X轴电轴；垂直于六边形对边的Y轴机械轴。87第八十七张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 (a)石英晶体的外形 XY(b)坐标系ZYZX 石英晶体88第八十八张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月+-YXXY+(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影硅氧离子的排列示意图 石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。图中“”代表Si

29、4+，“”代表2O2-。 89第八十九张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月Y+-X(a) FX=0P1P2P3 当作用力FX=0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1P2P30 。（1）FX=090第九十张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 晶体沿X 方向产生收缩，正、负电荷中心不再重合。 (P1+P2+P3)X0， (P1+P2+P3)Y=0, (P1+P2+P3)Z=0， X 轴的正向出现正电荷，在Y、Z 轴方向则不出现电荷。F

30、XXY+FX (b) FX 0+-P1P2P3（2）FX091第九十一张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。（P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+（3）FX 092第九十二张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0Y+-X-+FXFXP2P3P1+石英晶体产生压电效应原理图93第九十三张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 石英晶体受到沿X轴方向的力Fx作用时，在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向不产生压电效应。94第九十四张，PPT共一百

31、一十五页，创作于2022年6月 晶体沿Y 轴方向受力FY作用下的情况与FX相似。当FY0时，晶体的形变与图（b）相似；当FY0时，则与图（c）相似。 95第九十五张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 由此可见，晶体沿Y 轴方向受力作用时，同样在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应，这就是为什么称 X 轴为电轴，称 Y 轴为机械轴。 96第九十六张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 晶体沿Z 轴方向受力FZ的作用下，因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，石英晶体沿Z (即光轴)方向受力FZ作

32、用时，晶体不产生压电效应，这就是为什么称Z 轴为光轴。 97第九十七张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月FXFX+(a)(b)XX+(c)(d)FYFYXX 石英晶体压电效应效果图(a)、(b)为纵向压电效应效果(c)、(d)为横向压电效应效果98第九十八张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月 从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉积法得到电极面，接上引线即构成压电传感器。zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)99第九十九张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月4.3 压电晶体谐振频率变化公式 压电石英晶体谐振频率变化量与晶体表面均匀沉积的极薄层刚性物质质量之间成正比，即 是晶体吸附外来物质后谐振频率变化量（Hz）； f0为压电晶体的固有频率(MHz)； 为石英晶体的密度（2.468g/cm2）； 为AT切割石英晶体的切变模量（2.94710-11）；A为被吸附物所覆盖的面积（cm2）； 为附着层物质的质量变化 100第一百张，PPT共一百一十五页，创作于2022年6月4.4 压电石英晶体传感器1.