传感器技术 课件 第10章 化学及生物传感器

第10章

化学与生物传感器10.1化学传感器化学传感器是对各种化学物质敏感并能将化学物质的特性（如气体、离子或电解质浓度，空气湿度等）的变化转化为电信号进行检测的传感器。10.1.1气体传感器性能要求：①传感器必须对待测气体具有足够的。②传感器应具有特异性，以区分目标气体与其他气体的混合物。③传感器应该具有快速的响应时间。④传感器的性能应该在长时间使用中保持稳定。⑤传感器需要能够抵抗环境因素。⑥在需要长时间运行或使用电池供电的应用中，低功耗是重要的性能要求。气体传感器是一种用于检测、测量和监测气体成分、浓度和其他相关气体参数的设备或装置。气体传感器灵敏度

气体传感器特异性:

特异性表示气体传感器专门对某一种气体的响应能力，高特异性的传感器仅对特定气体产生响应，而对其他气体的响应非常低甚至没有响应。响应时间:

响应时间是传感器从检测到气体变化到发出响应信号所需的时间。它表示气敏元件对被测气体浓度的响应速度，在某些应用中，短响应时间至关重要。气体传感器稳定性:

稳定性指的是传感器在整个工作时间内基本响应的稳定程度，主要受到零点漂移和区间漂移的影响。区间漂移则是指传感器在连续置于目标气体中时输出响应的变化，通常表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。在理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年的零点漂移应该小于10%。稳定性的好坏反映了气敏元件对外界干扰的抵抗能力。因此，高稳定性的传感器在实际应用中更为可靠，能够提供准确的测量结果。工作范围:工作范围指的是传感器可以测量的气体浓度范围，这需要考虑应用中的预期气体浓度范围。气体传感器零点漂移:零点漂移表示传感器在没有目标气体存在时，整个工作时间内传感器输出响应的变化，通常应该尽量减小零点漂移。

线性性:线性性表示传感器的响应与气体浓度之间是否呈线性关系，这有助于准确测量气体浓度。选择性:在存在多种气体的环境中，选择性表示传感器能够排除其他气体的干扰，从而准确检测目标气体。对某种气体的选择性好，表明气敏元件对其灵敏度较高等气体传感器气体传感器的分类湿度传感器是一种能感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转换成可用信号的器件或装置。湿度通常用绝对湿度、相对湿度和露点来表示。10.1.2湿度传感器绝对湿度（absolutehumidity，AH）表示在一定温度和压力条件下，单位空间内所含水蒸气的质量，单位为𝑔/𝑚3。其数学表达式为相对湿度（relativehumidity，RH）表示被测气体中水蒸气压与该气体在相同温度下饱和水蒸气分压的百分比，通常以%RH表示。其数学表达式为湿度传感器湿度传感器的分类工作原理探测功能感湿材料电阻式电容式绝对湿度型相对湿度型陶瓷式半导体式结露型高分子式电解质式湿度传感器常用的湿度传感器元件：氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻是一种利用吸湿性盐类“潮解”导致离子电导率发生变化而制成的测湿元件。湿度传感器常用的湿度传感器元件：半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻，又称半导瓷，是利用感湿材料表面吸附所引起的电导率变化来获得有用信号从而进行湿度检测的一种电子元件。它由两种以上的金属、氧化物和半导体材料烧结成多孔陶瓷而成。根据电阻率随湿度的变化，半导体陶瓷湿敏电阻可分为负特性湿敏半导瓷和正特性湿敏半导瓷。半导体陶瓷湿敏电阻具有灵敏度高、响应速度快和可靠性好等特点，广泛应用于湿度检测领域。10.1.3离子传感器离子传感器是一种能够对特定离子选择性响应的离子选择性电极，它能够将感受到的离子浓度转换成可用的输出信号。水质检测10.1.4化学传感器的应用便携式矿井瓦斯超限报警器是一种简单、可靠的设备，它能够及时检测到瓦斯浓度超过安全标准的情况，并发出报警信号，化学传感器的应用如图为汽车后窗玻璃自动去湿装置电路图。这个电路设计用于控制汽车后窗玻璃的防雾功能。主要元件包括湿度传感器RH和嵌入玻璃的加热电阻丝RL以及继电器K和晶体管VT1、VT2组成的施密特触发器电路。化学传感器的应用如图是一个很简单的土壤湿度测量电路，该电路由检测、放大、稳压源组成。RH是硅湿敏电阻，为三极管VT提供偏流，当湿敏电阻插入土壤中时湿度不同，传感器的阻值不同，基极的电流不同，基极电流变化使Ie在R2上换为不同电压，经过同向放大器放大，输出电压。湿度不同，输出的电压不同，以此来达到湿度测量的目的。10.2生物传感器生物传感器技术是一项跨学科的高新技术，融合了生物学、化学、物理、医学和电子技术等多个领域的知识。其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低等优点，在复杂体系中可实现在线连续监测。生物传感器的分类按分子识别部分命名

生物传感器的分类按信号转换部分命名生物传感器工作原理特点：①专一性强；②准确度和灵敏度高；③无需样品预处理；④快速响应；⑤多功能性；⑥成本效益；⑦多样性；⑧明确性；⑨生物相容性生物传感器的分类酶传感器酶传感器酶的固化是酶传感器研究的关键环节，能保持生物活性单元的固有特性，避免自由活性单元应用上的缺陷。目前已有的固化技术如图所示，有吸附法、交联法、共价键合法、包埋法。生物传感器的分类免疫传感器免疫传感器是一种利用抗原（抗体）的识别特性开发的生物传感器。当病原体或其他异种蛋白（抗原）侵入动物体内时，该动物体会产生能够识别并清除这些异物的抗体。微生物传感器生物传感器的分类生物传感器的应用Clark氧电极是一种广泛应用于液相氧传感器的设备，其原理是利用溶液中的溶解氧与电极表面发生氧化还原反应，产生可测量的电流信号。其工作原理如图所示，在电极结构中，阳极和阴极浸入溶液中，通过一个通透膜，氧分子可以扩散到电极表面。在阴极，氧气发生还原反应，导致电流的产生，而这个电流的大小与溶液中的氧含量成正比。生物传感器的应用如图所示是梅毒抗体传感器的工作原理，参考膜是不含抗原的乙酰纤维素膜，抗原膜表面覆盖着梅毒抗原，容器1和容器3用于容纳基准电极和测量电极，而容器2则用于注入待测血清样本。当待测血清样本进入容器2时，如果样本中存在梅毒抗体，这些抗体会与抗原形成复合体。由于抗体带有正电荷，这些复合体会导致抗原膜表面的负电荷减少，从而引起膜的电位变化。这种电位变化可以通过测量连接在抗原膜和参考膜上的电极之间的电位差来检测。如果存在梅毒抗体，电位差将随之变化，以此检测血清中梅毒抗体的存在。生物传感器的应用领域在医学领域的应用:a