第六章2：传感器件-93801499

有机器件2：传感器件Sensors

碳氢化合物传感器

醇传感器

二氧化碳传感器

湿度传感器件

味道传感器

1.塑料光纤传感器件SSTI基本原理afterprobingbeforeprobingrefractiveindexofcladrefractiveindexofcoreSSTI光纤传感器的优点半导体传感器光纤传感器件需要电驱动非电驱动需要防爆装置不需要受电磁场干扰不受电磁场干扰温度和湿度有影响抗气候和湿度变化不能检测液体气体和液体都可以检测恢复速度慢快响应慢快远程检测困难可以结构改变困难容易SSTI

实物照片SSTI

特殊用途

桶里样品的检测SSTI

平面样品的检测

管式样品的深度检测ToPumpPCEOCChamber传感器的结构SSTI电化学识别Advancedphysicalorganicchemistry,editedbyD.Bethell,AcademicPress,1998,Chapter1偶合反应体系

一种具有响应或信号官能团作为主体与离子型或中性客体结合，从而测出响应或信号的变化如果主体（H)与客体（G)形成1：1的配合物。则配合物的稳定性常数用下面的表达式表示：K+0,2:1,1:1CH2Cl2ElectrochemicalbehaviorofheminandPEO-hemininion-conductivepolymermatricesByGaoquanShi,HiroyukiOhnoJ.Electroanal.Chem.,314(1991)59ElectrochemicaldetectionofdioxygenandhydrogenperoxidebyheminimmobilizedonchemicallyconvertedgrapheneUV-visiblespectraofhemin,CCGandCCG-hemindissolvedordispersedin52.8mmolL

1ammoniasolution.TheconcentrationsofheminandCCGare5×10−3mmolL

1and10.00mgL

1,respectively.TheCCG-heminmixturecontains5×10−3mmolL

1heminand10.00mgL

1CCG.AFMimagesofCCG(left)andCCG-hemin(right)complexsheetsonmicaCyclicvoltammogramsof(A)CCG,heminandCCG-heminmodifiedelectrodes,thefirstand100thcyclesof(B)heminand(C)CCG-heminmodifiedelectrodesin0.5molL−1H2SO4solutionssaturatedwithN2.Scanrate=100mVs

1.CyclicvoltammogramsofCCG,heminandCCG-heminmodifiedelectrodesin0.5molL−1H2SO4solutionssaturatedwithO2.Scanrate=100mVs

1.RDEvoltammogramsofCCG,heminandCCG-heminmodifiedelectrodesatascanrateof50mVs−1andarotationrateof900rpminO2saturated0.5molL−1H2SO4solutions.(A)TheRDEvoltammogramsofCCG-heminmodifiedelectrodeatdifferentrotatingratesinO2saturated0.5mol.L−1H2SO4solutions.Scanrate=50mVs

1.(B)Koutecký-Levichplotofj−1vs.ω−1/2obtainedfromtheRDEdataof(a)at0.40Vand

0.50V.Thedashedlinesarecalculatedforthediffusion-convectioncontrolledreductionofO2

via2(n=2)or4(n=4)electrons.CyclicvoltammogramsofCCG-heminmodifiedelectrodein0.5molL−1H2SO4solutionbubbledwithO2fordifferenttime.Scanrate=100mVs

1.CyclicvoltammogramsofCCG,heminandCCG-heminmodifiedelectrodesin0.5molL−1H2SO4solutionscontaining1.44mmolL

1H2O2.Scanrate=100mVs

1.(A)CyclicvoltammogramsofCCG-heminmodifiedelectrodeinN2-saturated0.5molL−1H2SO4before(a)andafter(btoo)theadditionofdifferentamountsofH2O2atascanrateof100mVs

1.TheconcentrationincrementofH2O2foreachstepis0.096mmolL

1.(B)LinearfitofpeakcurrenttotheconcentrationofH2O2.HydrogensensorandswitchesfromelectrodepositedpalladiummesowirearraysByF.Favier,E.C.Walter,etal,Scienec293(2001)2227

0.2V.5ms成核

NanowirenanosensorsforhighlysensitiveandselectivedetectionofbiologicalandchemicalspeciesByYiCui,QingqiaoWei,HingkunPark,CharlesM.Lieber,Science293(2001)1289抗生素检测维生素抗体检测抗生素钙调素钙离子SubmicrometermetallicbarcodesbyS.R.Nicewarner-pena,R.G.freeman,B.D.Reiss,etal;Science294(2001)137430nm520nm600nmSEM,Opticalpicture0000000,0000001,0000010,0000100,0001000,0001010,0011100,0100010,0101010Smartsingle-chipgassensormicrosystemByC.Hagleitner,A.Hierlemmanetal,Nature414(2001)3931、芯片框2、参比电容器3、感应电容器4、量热传感和参比。5、温度传感器6、质量感应天平7、数据化界面基于导电高分子的气体传感器件化学电阻器Configurationofchemresistor.插齿电极.Thedarkpatternisconductingelectrodeandthewhitepartisinsulatingsubstrate.薄膜晶体管thinfilmtransistor(TFT)隔离门电极场效应晶体管

Isolatedgatefield-effecttransistor(IGFET)二极管器件diodedevice利用光纤的光学传感器件opticalsensorsusingopticalfibers表面等离子共振传感器件surface-plasmonresonancesensordevice石英晶体天平传感器件quartzcrystalmicrobalancesensordevice

电化学池传感器件：electrolyticcellforgassensingAdsorptionDesorptionchargetransferringPdimprovesthesensingofmethanolacid/basereactions生物传感器件

生物传感器是一类化学感应器件。在这一器件中生物识别单元被复合到感应型号转换器中，从而可以定量检测一些复杂的生物化学参数。生物传感器可以粗略地分成三类。第一类是将化学反应的产物扩散到转换器从而引起电学响应；第二类器件在化学反应物与转换器之间涉及到中介分子以提高响应信号。这类器件的制作有两个步骤：首先酶与基底之间通过中介分子的再氧化发生氧化还原反应，然后中介分子被电极氧化（例如葡萄糖氧化酶与葡萄糖生成过氧化氢（中介分子），然后再通过检测过氧化氢来反映葡萄糖的浓度）；第三类器件中化学反应本身产生响应信号，检测体系中没有反应产物和中介分子。在这种器件中酶和中介分子直接组装到电极上从无须在检测体系中添加酶和中介分子，这种设计有利于反复检测。

信号转换器:是生物传感器的重要组成部分。其功能是将生物化学信号转换成电子型号，光学型号或其他可以数字化的物理型号。转换器的信号可以用电子方式放大，存储和显示。信号转换技术主要包括：电化学技术，光谱技术，量热技术，压电技术等。因此，生物传感器件的种类包括安培型生物传感器；电位型生物传感器；电导型生物传感器；光学生物传感器，量热式生物传感器；压电式生物传感器等。

导电高分子生物传感器件：制备这类生物传感器件的最关键步骤是将生物分子固定到导电高分子修饰电极的上。导电高分子修饰电极的制备方法是通过在电化学惰性电极的表面镀上导电高分子膜。固定生物小分子的方法主要包括物理吸附，化学键合和电化学固定。物理吸附：在聚合物与生物分子溶液的界面发生静电吸附作用。导电高分子主链在氧化态时带有正电荷，而当生物酶在溶液的PH值高于其等电点时带有负电荷，因此在这一条件下生物酶可以吸附到导电高分子基底上。这一方法有其缺陷性。主要包括：酶只能单分子层吸附到聚合物表面，从而吸附量较低；物理吸附的生物材料作用力叫弱，在检测的过程中易于电解质溶液中，从而检测传感器的稳定性不好；另外，物理吸附依赖于体系的PH值，从而也影响到传感器件的稳定性。为了提高物理吸附的效率可以用微米/纳米结构化的导电高分子膜作为基底以增加聚合物电极的比表面积。例如：利用多孔氧化铝膜作为模板电化学制备聚吡咯微管阵列膜，然后将酶溶液罐装到管中，最后用环氧树脂封住微米管的开口，就可以将酶稳定地固定到微管中形成大量的微型催化反应容器。这样既提高了酶的附载量也防止了其在溶液中的洗脱。化学键合：为了提高传感器的稳定性可以将生物分子用化学键固定在导电高分子基底上。这一技术设计两个化学步骤，一是合成带有反应活性基团的导电高分子，二是将酶分子反应键合到导电高分子上。因为酶只被固定在聚合物膜的最外层，因此，可以对每一个反应步骤进行优化。

例如：在石墨电极表面电化学聚合聚（羧基三噻吩）然后用酯化反应将葡萄糖氧化酶键合到聚合物膜上，所制备的传感器件具有良好的稳定性。且在1-100

M葡萄塘浓度范围内有线性响应，其检测极限达到0.3M。将葡萄糖氧化酶与N-(羧乙基)吡咯进行酯化键合得到带有酶的吡咯分子。然后将该吡咯分子进行电化学聚合沉积到电极的表面得到稳定的葡萄糖检测电极。电化学固定：电化学固定是在含有生物分子的电解液中电解沉积导电聚合物。在聚合物生长的过程中生物分子被同时包埋其中。这一方法直接而实用，可以增加酶的负载量，也可以减缓其脱附。例如：含有葡萄糖氧化酶的电解液中电解聚合N-取代的吡咯衍生物可以生成含有酶的聚合物膜。然后将该膜用水溶性卡巴酰亚胺处理可以将葡萄糖氧化酶与聚合物进行键合，从而能改善检测响应的稳定性。利用导电高分子生物活性电极被用于检测一系列小分子。固定不同的生物酶和生物分子可以检测不同的对象。例如：用胆碱脂酶可以检测农药，维生素氧化酶检测维生素，尿素酶检测尿素，乳酸氧化酶检测乳酸，胆固醇氧化酶检测胆固醇，酪氨酸酶检测酚，等等。不同的导电高分子与不同的生物分子组合以及不同的电极制备方法从而可以制得种类繁多的传感器。小分子共轭聚合物有机共轭材料芘苝酰亚胺聚吡咯聚芘Leucoemeraldineemeraldine

baseemeraldine

saltpernigraniline聚苯胺C.Nylander,M.ArmgrathandI.Lundstrom,ProceedingsoftheInternationalMeetingonChemicalSensors,Fukuoka,Japan,1983.利用颜色变化检测气体A.L.Kukla,Y.M.ShirshovandS.A.Piletsky,Sens.ActuatorsB,1996,37,135-140.检测氨气聚吡咯B.Dong,M.Krutschke,X.Zhang,etal.,Small,2005,1,520-524.B.Vercelli,S.Zecchin,N.Comisso,etal.,Chem.Mater.,2002,

14,4768-4774.检测氯仿Y.Che,A.Datar,K.Balakrishnan,etal.,J.Am.Chem.Soc.,2007,129,7234-7235.Y.Che,X.Yang,S.Loser,etal.,NanoLett.,2008,8,2219-2223.淬灭剂J.S.YangandT.M.Swager,J.Am.Chem.Soc.,1998,120,11864-11873.荧光分子光学传感器：铁离子的检测DNAsensorA:聚合物B:单链DNAC:双链DNAD:双链DNA有两碱基不配对E:双链DNA有一碱基不配对NH3andHCCl3:Chemoresistorsbased