《生物信息与仿生材料测试技术》 课件 -第5章-第二节生物信息采集中的化学量测试方法

第二节生物信息采集中的化学量测试方法自然科学的学科是根据某一特定领域的研究对象进行划分的。化学是研究物质发生化学变化的科学。化学在研究化学变化中涉及电子转移的氧化还原反应时，主要是讨论化学能与热能的相互转化(反应热效应)而很少涉及电能。如果进行的氧化还原反应消耗外部电能或直接对外提供电能则称为电化学反应，是电化学研究的对象。为此，电化学定义为研究化学能与电能的相互转化以及这个转化过程中有关现象和规律的科学。在生物信息采集中，电化学方法是一种重要的化学量测试手段，尤其在生物传感器和生物电子学领域有着广泛的应用。本节将详细介绍电化学的基本原理，并探讨其在生物信息采集中的应用。1电化学的基本原理1.1电化学基本概念电化学体系由电极、电解质和外部电路组成。电极是电化学反应发生的地方，电解质则是离子导电的介质。在外部电路中，电子流动形成电流，而在电解质中，离子流动形成电解流。下面先来看看实际生活中常见的三种导电回路，分析一下这三种回路的导电机理。1电化学的基本原理电子导电回路在图5.106中,E是电源,R是负载(如灯泡)。这是大家熟悉的最简单的导电回路。暂且不考虑电源内部的导电机理。在外线路中,电流I从电源E的正极流向负极。电流经过负载时，一部分电能转化为热能，使灯丝加热而发光。回路中形成电流的载流子是自由电子。凡是依靠物体内部自由电子的定向运动而导电的物体，即载流子为自由电子(或空穴)的导体，叫做电子导体，也称为第一类导体，如金属、合金、石墨及某些固态金属化合物。所以，图5.106中的外线路是由第一类导体(导线、灯丝)串联组成的，称为电子导电回路。1电化学的基本原理电解池回路在图5.107中E仍为电源,负载则为电解池R(如电镀槽)。同样,在外线路中,电流从电源E的正极经电解池流向电源E的负极。已知在金属导线内，载流子是自由电子。但在电解池中电荷是怎样传递的呢?仍然依靠自由电子的流动吗：实验表明，溶液中不可能有独立存在的自由电子,因而来自金属导体的自由电子是不能从电解池的溶液中直接流过的。在电解质溶液中，是依靠正、负离子的定向运动传递电荷的，即载流子是正、负离子而不是电子。凡是依靠物体内的离子运动而导电的导体叫做离子导体，也称为第二类导体，例如各种电解质溶液、熔融态电解质和固体电解质。由此可见，图5.107中的外线路是由第一类导体和第一类导体串联组成的，可称之为电解池回路。1电化学的基本原理电解池回路现在，又有了一个新的问题：既然存在着两类导体,有不同的载流子，那么不同载流子之间又是怎样传递电荷的呢：也就是说，两类导体的导电方式是怎样相互转化的呢?如果仔细观察电解池通电时，如电镀时的现象，就容易发现:在导电的同时，电解池的两个极板上有气体析出或金属沉积，也就是在极板上有化学反应发生。这样，从外电源E的负极流出的电子，到了电解池的负极,经过还原反应,将负电荷传递给溶液(电子与正离子复合,等于溶液中负电荷增加)。在溶液中依靠正离子向负极运动,负离子向正极运动,将负电荷传递到了正极。又经过氧化反应,将负电荷以电子形式传递给电极，极板上积累的自由电子经过导线流回电源E的正极。由此可见,两类导体导电方式的转化是通过电极上的氧化还原反应实现的。1电化学的基本原理电解池回路在电化学中，通常把发生氧化反应(失电子反应)的电极叫做阳极；把发生还原反应(得电子反应)的电极叫做阴极。因此,电解池中的正极通常叫做阳极，负极称为阴极，氧化反应是指物质失去电子，还原反应是指物质获得电子。在生物信息采集中，电极反应通常涉及到生物分子（如DNA、蛋白质、酶等）的氧化还原。1电化学的基本原理原电池回路在图5.108中，R为负载，E为电源,称作原电池。原电池和电解池类似，也是由两个极板和电解质溶液组成的，在原电池内部是离子导电，同时在阳极上发生氧化反应，在阴极上发生还原反应。不同的是,电解池中的氧化还原反应是由电源E供给电流(电能)而引发的；原电池中的氧化还原反应则是自发产生的。因此，原电池中化学反应的结果是在外线路中产生电流供负载使用，即原电池本身是一种电源。原电池的阳极上，因氧化反应而有了电子的积累，故电位较负，是负极；阴极上则因还原反应而缺乏电子，故电位较正，是正极。在外线路中，电子就由阳极流向阴极,即电流从阴极(正极)流出，A经外线路流入阳极(负极)。整个原电池回路也是由第一类导体和第二类导体串联组成的。通过对上述三个回路的分析,可以得出以下结论：1电化学的基本原理原电池回路这三个回路都是导电的回路，但是导电的机理因组成回路的导体类型不同而异。在电子导电回路中，回路的各部分(除E外)都是由第一类导体组成，因此只有一种载流子--自由电子。自由电子可以从一个相跨越相界面进入另一相而进行定向运动，在相界面上不发生任何化学变化。在电解池和原电池回路中，有两类不同导体串联，第一类导体的载流子是自由电子，第二类导体的载流子是离子。导电时,电荷的连续流动是依靠在两类导体界面上，两种不同载流子之问的电荷转移来实现的。而这个电荷转移过程,就是在界面上发生的得失电子的化学反应。所以，在这类回路中导电过程必定伴随有物质的化学变化。第一种回路(见图5.106)是电工和电子学研究的对象。而电解池和原电池具有共同的特征，即都是由两类不同导体组成的，是一种在电荷转移时不可避免地伴随有物质变化的体系。这种体系叫做电化学体系，是电化学科学研究的对象。两类导体界面上发生的氧化反应或还原反应称为电极反应。也常常把电化学体系中发生的、伴随有电荷转移的化学反应统称为电化学反应。1电化学的基本原理原电池回路所以，可以将电化学科学定义为研究电子导电相(金属和半导体)和离子导电相(溶液、熔盐和固体电解质)之间的界面上所发生的各种界面效应,即伴有电现象发生的化学反应的科学。这些界面效应所具有的内在特殊矛盾性就是化学现象和电现象的对立统一。具体地讲，电化学的研究对象包括三部分：第一类导体、第二类导体、两类导体的界面及其效应。第一类导体已属于物理学研究范畴，在电化学中只需引用它们所得出的结论：电解质溶液理论则是第二类导体研究中的最重要的组成部分，也是经典电化学的重要领域；而两类导体的界面性质及其效应，则是现代电化学的主要内容。1电化学的基本原理电化学发光法电化学发光法（Electrochemiluminescence,ECL）是一种将电化学反应与发光反应结合的高灵敏度检测技术。它利用生物分子在电极表面的氧化还原反应产生的能量来激发发光物质，从而产生可检测的发光信号。这种技术在生物信息采集中，尤其是在低浓度生物分子的检测中，显示出了极高的灵敏度和特异性。ECL的基本原理涉及两个主要步骤：电化学氧化还原反应和发光反应。(1)电化学氧化还原反应：在这一步骤中，生物分子（如抗体、酶、DNA等）在电极表面发生氧化还原反应。这些生物分子通常通过特定的标记（如电化学发光标记物）与电极表面连接。氧化还原反应导致电子的转移，并可能产生能量。(2)发光反应：在电化学氧化还原反应的基础上，发光物质被激发并发出光信号。这个过程可以是通过电化学氧化还原反应直接激发发光物质，也可以是通过电化学产生的物种与发光物质反应产生发光。1电化学的基本原理电化学发光法ECL技术的关键在于选择合适的发光标记物。常用的发光标记物包括三联吡啶钌（Ru(bpy)3）配合物及其衍生物。这些标记物在电化学反应中被氧化还原，然后在电极表面或附近区域产生光信号。ECL能够检测极低浓度的生物分子，其检测限通常在皮摩尔（pM）到飞摩尔（fM）级别。通过特定的生物分子识别过程（如抗体-抗原反应），ECL可以实现高度特异性的检测。ECL的信号强度与电化学反应中产生的发光物质的量成正比，因此具有较宽的检测范围。与放射性同位素标记相比，ECL使用的是非放射性的发光标记物，因此更加安全。1电化学的基本原理电化学发光法在生物信息采集中，ECL技术已经被广泛应用于各种生物分子的检测，包括DNA、RNA、蛋白质、酶、细胞等。例如，在临床诊断中，ECL技术可以用于检测病原体、肿瘤标志物、激素等。在科研领域，ECL技术也被用于研究生物分子的相互作用、酶活性、细胞信号传导等。1电化学的基本原理电化学阻抗谱法电化学阻抗谱法（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy,EIS）是一种强大的非破坏性电化学技术，用于分析电子传输过程和界面现象。在生物信息采集中，EIS通过测量生物分子与电极表面相互作用引起的电化学阻抗变化，可以提供关于生物分子与电极表面结合的动力学信息，从而分析生物分子的结构和功能。EIS的基本原理是基于对电化学系统施加一个小幅度正弦波电压或电流扰动，并测量由此产生的电流或电压的响应。通过这种方式，可以获得系统的阻抗谱，即阻抗随频率的变化关系。阻抗谱中包含了关于电极过程和界面现象的丰富信息，如电荷转移电阻、双电层电容、扩散阻抗等。1电化学的基本原理电化学阻抗谱法在生物信息采集中，EIS主要应用于研究和优化生物传感器的性能，例如，通过测量电极表面与生物分子（如抗体、酶、DNA等）相互作用的阻抗变化，可以实现对目标分子的定量检测。EIS提供的信息有助于理解生物分子与电极表面之间的相互作用机制，从而提高传感器的灵敏度和选择性。EIS还可以用于研究生物分子之间的相互作用，如蛋白质-蛋白质、蛋白质-核酸、蛋白质-小分子等。通过监测这些相互作用引起的阻抗变化，可以获得关于生物分子结合的动力学参数，如结合常数、解离速率等。同时EIS可以用于研究生物膜的性质和细胞的行为。例如，通过测量细胞与电极表面相互作用的阻抗变化，可以研究细胞的生长、附着和死亡等过程。此外，EIS还可以用于研究生物膜的电导性和渗透性。其优势在于，EIS测量过程中对样品的影响非常小，可以实现对样品的实时、原位监测：EIS可以检测到微小的阻抗变化，从而获得关于生物分子与电极表面相互作用的详细信息。EIS提供的是阻抗谱，包含了多个参数的信息，可以同时获得关于电子传输、物质传输和界面现象的综合信息。1电化学的基本原理电位法电位法（Potentiometry）是一种电化学分析方法，它通过测量电极系统中的电位变化来定量分析溶液中的生物分子浓度。这种方法基于生物分子与电极表面结合时产生的电位变化，因此适用于检测生物分子的浓度，尤其是离子和分子的检测。电位法的基本原理是利用电极与溶液之间的电荷作用。当一个生物分子与电极表面结合时，它会影响电极表面的电荷分布，从而导致电位的变化。这种电位变化可以通过电位计或电势计进行测量，并且与生物分子的浓度成正比。电位法的测量系统通常由一个指示电极和一个参比电极组成。指示电极对溶液中的生物分子浓度变化敏感，而参比电极提供一个稳定的电位参考点。当指示电极与溶液中的生物分子发生作用时，电位计会测量指示电极与参比电极之间的电位差。1电化学的基本原理电位法电位法广泛用于检测溶液中的离子浓度，如pH值、离子强度等。例如，pH电极是一种常见的电位法应用，它利用氢离子与电极表面结合时产生的电位变化来测量溶液的酸碱性。电位法还可以用于检测生物分子（如蛋白质、核酸、抗体等）的浓度。通过特定的识别元素（如抗体、酶、受体等）与电极表面结合，可以实现对目标生物分子的定量检测。电位法还可以用于检测细胞和微生物的存在和活性。例如，通过测量细胞膜电位的变化，可以评估细胞的状态和功能。1电化学的基本原理安培法安培法（Amperometry）是一种电化学分析方法，它通过测量生物分子氧化还原反应产生的电流来定量分析生物分子的浓度。这种方法具有较高的灵敏度和准确度，适用于生物分子的高精度检测。安培法的基本原理是利用生物分子在电极表面的氧化还原反应。当一个生物分子在电极表面发生氧化还原反应时，它会释放或吸收电子，从而在电路中产生电流。通过测量这个电流的大小，可以定量分析生物分子的浓度。安培法的测量系统通常由一个工作电极、一个辅助电极和一个参比电极组成。工作电极是生物分子氧化还原反应发生的地方，辅助电极用于提供电子，而参比电极提供一个稳定的电位参考点。当生物分子在工作电极表面发生氧化还原反应时，电流计会测量通过电路的电流。1电化学的基本原理安培法安培法可以用于检测生物分子（如葡萄糖、乳酸、尿酸等）的浓度。通过特定的识别元素（如酶、抗体等）与电极表面结合，可以实现对目标生物分子的定量检测。培法还可以用于检测细胞和微生物的存在和活性。例如，通过测量细胞代谢产生的氧化还原物质的电流，可以评估细胞的状态和功能。安培法可以用于药物和毒素的检测。通过特定的识别元素与电极表面结合，可以实现对目标药物或毒素的定量检测。2离子传感器离子传感器是一种利用离子选择电极，将感受的离子量转换成可用输出信号的传感器，其组成包括传感膜、参比电极、工作电极以及电路和信号处理单元等关键部分。这些组件共同协作，使得离子传感器能够精确测量水溶液样本中选定离子的浓度。其发展至今已有几十年，在化学分析、环境监测、食品安全检测、医学诊断等领域中被广泛应用，日常生活中常使用玻璃膜式离子传感器（pH传感器）测量液体pH值，在火灾发生时使用离子烟雾传感器能够在火灾初期阶段就发出警报，有助于及时逃生和减少财产损失。近年来，由于半导体集成技术的发展，离子传感器也在朝着多元化、智能化遥测方向发展。2离子传感器2.1离子传感器的工作原理（1）离子选择性电极（ISE）：离子选择性电极是离子传感器的核心部件。离子选择性电极通常由电极体、离子选择性膜和参比电极组成。离子选择性膜是关键部分，其具有特定的选择性，只允许目标离子通过。当目标离子在离子选择性膜上发生反应时，会引起电位的变化。这个电位变化可以被测量并与标准曲线进行比较，从而确定溶液中目标离子的浓度。离子选择性电极通过离子选择性膜对目标离子的选择性反应，测量电位变化来间接测量样品中目标离子的浓度。这种传感器在分析化学领域中有着广泛的应用，并在实验室和工业现场中发挥着重要作用。例如：pH计就是一种常见的离子选择性电极。其中玻璃膜离子传感器就是一种pH计，利用玻璃膜对氢离子的选择性来测量溶液的pH值。2离子传感器2.1离子传感器的工作原理（2）参比电极：除了离子选择性电极外，离子传感器还包括一个参比电极。参比电极在离子传感器中的作用类似于标尺，在测量时提供一个稳定的基准电位，有助于准确测量待测样品中的电位变化，从而推断出目标离子浓度。例如：饱和甘汞电极，是一种常见的参比电极类型，利用饱和的汞汞齐溶液和汞汞齐电极反应提供稳定的基准电位；银/氯化银电极：是另一种常见的参比电极类型，其中银电极与氯化银电极反应提供基准电位。（3）电位测量：当目标离子浓度发生变化时，离子选择性电极的电位也会相应改变。通过测量离子选择性电极和参比电极之间的电位差，可以确定目标离子的浓度。通常使用电位计或其他电子仪器来测量电位差，通过测量样品与参比电极之间的电位差来确定目标离子的浓度。2离子传感器2.1离子传感器的工作原理（4）校准：为了确保准确性，离子传感器通常需要进行校准。根据标准曲线对测量结果进行校准，确保测量结果的准确性和可靠性。通过电位测量和校准，离子传感器可以准确测量样品中目标离子的浓度，为化学分析和其他实验提供重要数据支持。常见的校准方法有两种：标准曲线法：通过使用标准溶液制作标准曲线，将已知浓度的标准溶液与对应的电位变化关系建立起来，用于后续测量的参考；零点校准：在进行测量之前，对离子传感器进行零点校准，即在无离子存在的溶液中调零，确保测量的准确性。2离子传感器基于工作原理的分类2、离子交换膜电极：通过离子交换膜来实现离子浓度的测量。3、离子敏感场效应晶体管（ISFET）：基于场效应晶体管的离子传感器。1、离子选择性电极（ISE）：根据不同的选择性敏感膜可以选择特定类型的离子进行测量。2离子传感器基于测量离子种类的分类1、氢离子传感器（pH传感器）：用于测量溶液的pH值。012、金属离子传感器：用于测量金属离子（如铁离子、铜离子等）的浓度。023、氟离子传感器：用于检测氟离子浓度，常用于环境监测和水质检测等领域。032离子传感器基于测量范围的分类1、微型离子传感器：用于微流体系统中的离子浓度测量。2、大范围离子传感器：用于处理大体积样品或高浓度离子测量。这些分类方式并不是互斥的，离子传感器可能同时符合多种分类标准。不同类型的离子传感器适用于不同的应用领域和测量需求，选择适合的离子传感器对于确保准确的离子浓度测量至关重要。2离子传感器2.3离子选择性电极（ISE）离子选择性电极（ISE）是一种电化学传感器，专门设计用于测定溶液中特定离子的活度或浓度。离子选择性电极的工作原理主要是利用膜电势测定溶液中离子的活度或浓度。当离子选择性电极与含有待测离子的溶液接触时，在电极的敏感膜和溶液的相界面上会产生与该离子活度直接有关的膜电势。这种膜电势是一种相间电势，即不同两相（敏感膜和溶液）接触并发生带电粒子的转移，待达到平衡后产生的电势差。这个电势差与溶液中特定离子的活度的对数成线性关系，从而可以通过测量电势差来确定离子的活度或浓度。离子选择性电极由几个关键部分组成：电极腔体通常由玻璃或高分子聚合物材料制成；内参比电极，通常是Ag/AgCl电极；内参比溶液，由氯化物及响应离子的强电解质溶液组成；以及敏感膜，这是对离子具有高选择性的响应膜。2离子传感器离子选择性电极分类1、玻璃膜式离子传感器：这类传感器使用玻璃膜作为敏感元件，玻璃膜的成分变化可以使其对特定的离子具有选择性。pH玻璃电极是最早出现的离子选择电极，其关键部分是敏感玻璃膜。2、液态膜式离子传感器：这类传感器使用液态膜作为离子感应部分，其特性是对某些离子具有较高的选择性和灵敏度。液态膜式离子传感器基于离子在电场中的运动行为而工作。它通常由离子选择性电极和参比电极组成。当离子与敏感膜层发生化学反应时，会产生电位变化，这个电位变化可以通过参比电极和电桥电路来测量。例如：PVC（聚氯乙烯）膜电极。2离子传感器离子选择性电极分类3、固态膜式离子传感器：这类传感器使用固态膜来检测和测量离子浓度，固态膜具有较好的稳定性和耐用性。固态膜式离子传感器主要由固态敏感膜、参比电极、工作电极以及电荷转移层组成。其中，固态敏感膜是核心部分，负责与待测离子发生反应。例如：基于ZnS纳米粒子的固态膜传感器、固态膜电位传感器。4、隔膜式传感器：这类传感器以离子传感器为基本体，通过隔膜来感应和测量离子浓度。当外界压力或液位发生变化时，隔膜会产生相应的形变，这种形变进一步被转换成电信号输出，从而实现对压力或液位的精确测量。例如：隔膜压力传感器、隔膜式液位传感器。2离子传感器ISE的主要特点1、高选择性：能够选择性地测量溶液中的某一种离子，而不受其他离子的干扰。013、响应速度快：可以在短时间内给出准确的测量结果。035、应用广泛：ISE可用于水质监测、生物医学、环境监测等多个领054、操作简便：使用ISE进行测量相对简单，不需要复杂的样品前处理。042、灵敏度高：即使离子浓度很低，也能准确测量。022离子传感器2.4离子交换膜电极离子交换膜电极是一种基于离子交换膜技术的电化学传感器，用于测量和监控离子浓度或活度。这种传感器结合了离子交换膜的选择性离子传输特性和电化学检测技术，从而在多种应用领域中实现精确、快速的离子浓度测量。离子交换膜电极传感器的核心组成部分是离子交换膜，起到选择性地透过离子的作用。离子交换膜电极传感器的工作原理主要是利用离子交换膜的选择性透过性。膜的一侧与待测溶液接触，另一侧与内参比溶液接触。当待测溶液中的离子浓度发生变化时，这些离子会通过离子交换膜进行传输，从而在膜两侧产生电势差。这个电势差与待测离子的浓度或活度有着直接的关系。通过测量这个电势差，就可以确定待测离子的浓度或活度。2离子传感器离子交换膜电极分类离子交换膜电极主要分为两类：阳离子交换膜电极：能够选择性吸附阴离子。基于阳离子交换膜的离子交换能力和电极的电化学反应。当溶液中的阳离子与阳离子交换膜接触时，它们会通过膜的交换基团进行交换，从而进入膜内部。这个过程会导致膜两侧的电荷分布发生变化，进而产生电势差。通过测量这个电势差，可以推算出溶液中阳离子的浓度。这类传感器在药物传输和离子选择性传感器等领域有着广泛的应用。例如：电导率传感器、离子浓度传感器。阴离子交换膜电极：能够选择性吸附阳离子。基于阴离子交换膜的选择性透过性，只允许特定的阴离子通过。当溶液中的阴离子通过交换膜时，会引起膜两侧的电位变化。这个电位变化可以通过电极进行测量，并转换成相应的电信号输出，从而实现对阴离子浓度的检测。这类传感器适用于环境污染监测和离子传感器等领域。例如：水质监测传感器、生物传感器。2离子传感器离子交换膜电极主要特点1、选择性：离子交换膜能够选择性地透过特定类型的离子（如阳离子或阴离子），从而实现对特定离子的精确测量。012、灵敏度：传感器对离子浓度的变化非常敏感，能够检测到微小的浓度变化。023、稳定性：离子交换膜具有良好的化学稳定性和机械强度，能够在各种环境条件下保持性能稳定。032离子传感器2.5离子敏感场效应晶体管（ISFET）离子敏感场效应晶体管传感器，即IonSensitiveFieldEffectTransistor（ISFET）传感器，是一种微电子离子选择性敏感元件。它结合了电化学和晶体管的特性，具有高灵敏度、快速响应、小样品消耗、易于批量制造和低成本等优点。离子敏感场效应晶体管（ISFET）的工作原理主要是基于半导体场效应原理和离子选择性的敏感膜技术。基本结构与工作原理如下：1、核心结构：ISFET的核心部分是一个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），但与普通的MOSFET不同的是，ISFET在栅极上引入了一层特殊的灵敏膜。2、离子浓度转换：这层灵敏膜具有选择性地响应于特定离子，当被测液体中的离子与灵敏膜接触时，会引起膜表面的电势变化。灵敏膜将离子浓度的变化转换成膜表面的电荷密度变化。3、电信号输出：这个电荷密度的变化进而影响晶体管的导通电流或阻断电流，从而实现对离子浓度的测量。最终，ISFET会将这种变化以电信号的形式输出，供外部电路读取和处理。通过这种方式，ISFET能够高灵敏地检测液体中的离子浓度变化，因此在生物传感器、化学传感器等领域具有广泛的应用。2离子传感器离子敏感场效应晶体管分类根据敏感膜类型分类：1、无机ISFET：其敏感膜一般为无机绝缘栅、固态膜或有机高分子PVC膜。这类ISFET主要用于检测NH4+、H+、K+、Na+、F-、Cl-等无机离子。2、酶FET（EnzymeFET）：由一层含酶的物质与ISFET相结合所构成，在敏感栅表面固定一层酶膜。当待测底物与酶接触时，会反应生成新的物质，引起敏感膜附近局部的离子浓度变化，从而检测特定的生化反应。3、免疫FET（ImmunoFET）：由具有免疫反应的分子识别功能敏感膜与ISFET相结合所构成，包括非标记免疫FET和标记免疫FET两种，用于检测特定的生物分子。根据离子选择性分类：氢离子敏感场效应晶体管（pH-ISFET）对H+离子敏感；钾离子敏感场效应晶体管（K-ISFET）对K+离子敏感等。2离子传感器ISFET主要特点选择性：离子交换膜能够选择性地透过特定类型的离子（如阳离子或阴离子），从而实现对特定离子的精确测量。灵敏度：传感器对离子浓度的变化非常敏感，能够检测到微小的浓度变化。稳定性：离子交换膜具有良好的化学稳定性和机械强度，能够在各种环境条件下保持性能稳定。快速响应：传感器响应速度快，能够迅速反映离子浓度的变化。2离子传感器应用场景离子传感器的应用场景非常广泛，以下是一些主要的应用领域：1、环境监测：水质监测：离子传感器可以用于检测水体中的离子浓度，如河流、湖泊、海洋等自然水体的污染情况监测。通过测量水体中的离子浓度变化，及时发现和预测污染，保护水资源。空气质量监测：特定的离子传感器，如离子流氧传感器，可以实时监测空气中的氧气含量，为改善环境质量提供数据支持。2、工业和实验室分析：离子传感器在工业过程中可以用于监测和控制化学反应中的离子浓度，确保生产过程的稳定性和产品质量。在实验室分析中，离子传感器是研究离子之间的相互作用和化学反应的重要工具，帮助科学家更深入地了解离子行为。2离子传感器应用场景3、生物医学领域：离子选择性电极被广泛应用于测量生物体液（如血液）中的离子浓度，如钾、钠、氯等离子，对于指导临床治疗和药物使用具有重要意义。在生物医学研究中，离子传感器也用于实时监测生物体内的离子浓度变化，以研究生物体的生理功能。4、食品和饮料行业：离子传感器可以用于检测食品和饮料中的离子含量，如盐分、矿物质等，以确保产品的质量和安全。2离子传感器案例分析以离子式烟雾传感器在火灾报警中的应用为例：离子式烟雾传感器是一种特殊的离子传感器，用于火灾报警系统。其工作原理基于烟雾对电离室内正负离子的影响。常见的离子感烟传感器主要由内外两个电离室为主构成。外电离室（即检测室）有孔与外界相通，烟雾可以从该孔进入传感器内；内电离室（即补偿室）是密封的，烟雾不会进入。内外两个电离室是串联的。如图5.111(a)所示。当外电离室有燃烧生成物和烟雾进入时，部分正离子和负离子被吸附到燃烧生成物和烟雾颗粒上（燃烧生成物与烟雾颗粒比离子大1000倍左右），故其在电场中的移动速度就会比原来的速度慢，而且在移动过程中正负离子中和的机会也将增多，也就是离子电流会相应地减小。烟雾数量较多，离子电流也越小，相当于等效电阻增加。在另一方面，由于内电离室是密封的，无烟雾粒子进入，离子电流是恒定的。2离子传感器案例分析由于离子感烟传感器中的内外电离室是采用串联连接方式（如图5.111(a)所示）,外电离室的等效电阻是变化的（随烟雾而变），可等效为一只可调电阻RP，而外电离室等效，电阻R是不变的，故图5.111(a)电路又可以等效为图5.111(b)的形式.这两只等效电阻串联后将E分压提供给后级电路供控制电路使用。当无烟雾，图5.111(a)电路中的A点电压约为0.5V;当有烟雾时，外电离室的离子电流减少，等效电阻增加，由于RP的变化使A点电位降低。电位降低的大小与烟雾的数量成比例关系，有烟雾与无烟雾时，两者在A点的电位差可以达到1V以上。利用这个电压变化，就可以控制电子电路实现火灾报警。2离子传感器2.7离子传感器选型离子传感器的选型需要考虑多个因素，以下是一些关键的选型要点：1、测量目标：首先需要明确要测量的离子种类和浓度范围，例如是测量氢离子、钙离子还是其他离子。这将直接影响传感器的选择，因为不同的离子传感器对特定的离子具有选择性。2、传感器类型：根据测量原理和应用场景，可以选择不同类型的离子传感器，如电极型、场效应晶体管型、光导传感型和声表面波型等。电极型离子传感器通常用于测量水溶液中的离子浓度，而光导传感型则可能更适合于某些特殊环境或气体中的离子检测。2离子传感器2.7离子传感器选型3、技术指标：考虑传感器的灵敏度、响应时间、稳定性、分辨率等技术指标。例如，对于需要快速响应的应用，应选择响应时间短的传感器；对于需要高精度测量的场合，则应选择分辨率高、稳定性好的传感器。4、环境因素：考虑传感器的工作环境，如温度、湿度、压力以及可能存在的干扰物质等。这些因素可能影响传感器的性能和准确性，因此需要选择能够适应特定环境条件的传感器。5、成本和维护：根据预算和维护需求选择合适的传感器。不同类型的传感器在价格和维护成本上可能有所不同，因此需要在满足性能需求的前提下考虑成本效益。2离子传感器2.7离子传感器选型6、校准和验证：在选型过程中，还需要考虑传感器的校准和验证需求。定期校准可以确保传感器的准确性，而验证过程则有助于确认传感器在实际应用中的性能表现。综上所述，离子传感器的选型是一个综合考虑多个因素的过程，包括测量目标、传感器类型、技术指标、环境因素、成本和维护以及校准和验证等。通过仔细评估这些因素并咨询专业人士的意见，可以选择到最适合特定应用需求的离子传感器。3气体传感器3.1工作原理气体传感器基于不同的技术，包括但不限于化学感应、光学、电化学、半导体等。这些传感器通过特定的感应元件来检测空气中的气体成分，并将这些气体的浓度转换为电信号进行处理和显示。气体传感器是一种用于检测和测量空气中特定气体浓度的装置。其功能来自于不同气体与传感器内部材料之间的相互作用，这些相互作用会导致电学、光学或机械性质的变化。根据作用类型的不同可分为电化学传感器、红外气体传感器、气敏电阻传感器、热导式气体传感器、质谱传感器等。3气体传感器电化学气体传感器电化学气体传感器的工作原理基于离子导电，通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。这类传感器主要由传感电极（或工作电极）和反电级组成，并由一个薄电解质层隔开。气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是疏水屏障层，最终到达电极表面。这种结构允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度，如图所示。3气体传感器红外气体传感器这种传感器利用特定气体对红外光的吸收特性。传感器包含一个红外光源和一个检测器。气体会吸收特定波长的红外光，因此通过测量光线通过样品气体时的减弱程度，可以确定气体浓度。分子中的电子总是处在某一种运动状态中，每一种状态都具有一定的能量，属于一定的能级。电子由于受到光、热、电的激发，从一个能级转移到另一个能级，称为跃迁。当这些电子吸收了外来辐射的能量，就从一个能量较低的能级跃迁到另一个能量较高的能级。由于分子内部运动所牵涉到的能级变化比较复杂，分子吸收光谱也就比较复杂。在分子内部除了电子运动状态之外，还有核间的相对运动，即核的振动和分子绕重心的转动。而振动能和转动能，按量子力学计算是不连续的，即具有量子化的性质。所以，一个分子吸收了外来辐射之后，3气体传感器红外气体传感器它的能量变化△E为其振动能变化△Ev、转动能变化△Er以及电子运动能量变化△Ee的总和。物质对不同波长的光线具有不同的吸收能力，物质也只能选择性地吸收那些能量相当于该分子振动能变化△Ev、转动能变化△Er以及电子运动能量变化△Ee总和的辐射。由于各种物质分子内部结构的不同，分子的能级也千差万别，各种能级之间的间隔也互不相同，这样就决定了它们对不同波长光线的选择吸收。通过改变某一吸收物质的入射光的波长，并记录该物质在每一波长处的吸光度（A），然后以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作图，得到的谱图称为该物质的吸收光谱或吸收曲线。某物质的吸收光谱反映了它在不同的光谱区域内吸收能力的分布情况，可以从波形、波峰的强度和位置及其数目，研究物质的内部结构。分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，3气体传感器气敏电阻传感器这种传感器利用氧化物或半导体材料的电阻随气体浓度变化而变化的特性。当气体与敏感材料接触时，其电阻会发生变化，可以通过测量电阻的变化来确定气体浓度。。常见的气敏电阻电阻值(R)与气体浓度(C)之间的关系通常可以用如下的经验公式表示：R=R_0\timesf(C)(5.89)式中：R是气敏电阻的电阻值；R_0是气敏电阻在标准条件下（通常是空气中特定气体浓度为零时）的电阻值；f(C)是关于气体浓度(C)的某个函数，描述了电阻值随气体浓度变化的关系。通常情况下，f(C)的具体形式由气敏电阻的制造商根据实验数据和经验确定。例如，对于某些传感器，f(C)是一个线性函数，表示电阻与气体浓度成正比；而对于另一些传感器，则可能采用指数函数或对数函数来描述电阻与气体浓度之间的关系。3气体传感器热导式气体传感器热导式气体传感器的工作原理主要基于测量混合气体热导率的变化量来实现对被测气体浓度的分析。这种传感器通过电路将气体的热导率变化转化为电阻的变化，从而实现对气体浓度的检测。通常导热系数的差异通过电路转化为电阻的变化，传统的检测方法是将待测气体送入气室，气室的中心是热敏元件，如热敏电阻、铂丝或钨丝，加热到一定温度，把混合气体热导率的变化转化为热敏元件电阻的变化，电阻值的变化时比较容易精确测量出来的。工作原理如图所示（R1，R2，R3为桥臂电阻，r为热导传感器）3气体传感器电化学气体传感器1.呼吸疾病诊断：电化学气体传感器可以用来检测呼吸系统疾病患者的呼出气中的气体成分，如二氧化碳、一氧化氮和氧气等。这些数据可以帮助诊断和监测疾病如哮喘、慢性阻塞性肺病（COPD）等。3.细胞培养中的气体监测：电化学气体传感器可以用于监测细胞培养中产生的气体，如氧气和二氧化碳的浓度变化。这对于评估细胞的代谢活性、生长状态和健康状况非常有用。2.疾病状态监测：通过分析呼出气中的特定挥发性有机化合物，电化学传感器可以帮助检测和监测癌症、糖尿病、肾病等的生物标志物。4.药物活性评估：电化学气体传感器可以用于监测药物对细胞培养中氧气消耗率的影响，从而评估药物的活性和效果。23413气体传感器红外气体传感器1.呼吸行为监测：在动物研究中，红外气体传感器可以用来监测动物的呼吸行为。通过监测动物呼出气体中的二氧化碳浓度变化，可以评估动物的代谢状态和响应不同环境条件的能力。012.环境生物学研究：在研究生物体内外气体交换的过程中，红外气体传感器可以用于测量生物体或环境中的氧气和二氧化碳浓度。这对于理解植物光合作用、动物呼吸及环境生物活动的生物物理学和生态学研究非常重要。023.生物反应器监测：在生物工程和发酵过程中，红外气体传感器可以用来监测反应器中氧气和二氧化碳的浓度。这对于调节反应器条件、优化生物制造流程以及生物药物生产具有重要意义。033气体传感器气敏电阻传感器1.生物气体检测：在实验室环境中，气敏电阻传感器可用于检测生物体产生的气体，如氨气（NH3）、硫化氢（H2S）等。这些传感器可用于监测动植物的新陈代谢活动，研究其生理状态或行为模式。012.环境监测：在生态学研究中，气敏电阻传感器可用于监测环境中的气体浓度，如土壤中的氧气和二氧化碳浓度。这有助于理解土壤微生物活动、植物根系呼吸等生态过程。013.动物行为研究：气敏电阻传感器可以集成到动物笼中，用于监测动物的呼吸活动或排放的气体。这些传感器可用于研究动物的代谢活动、行为模式以及对环境变化的响应。013气体传感器热导式气体传感器1.动物代谢研究：在研究动物的代谢活动中，热导式气体传感器可以用于测量动物的氧气消耗和二氧化碳产生。这些数据可以帮助研究者了解动物的能量代谢过程、行为模式以及对不同环境刺激的生理响应。2.环境生物学：在生态学研究中，热导式气体传感器可以用于监测土壤中的氧气和二氧化碳浓度。这对于理解土壤中的微生物活动、植物根系呼吸以及土壤碳循环过程非常有帮助。3.植物生理学研究：热导式气体传感器可以用于测量植物叶片的气体交换，如叶片的氧气吸收和二氧化碳释放。这些传感器对于研究植物的光合作用、呼吸作用以及应对环境胁迫的生理响应非常重要。3气体传感器质谱传感器1.肿瘤诊断和治疗：质谱检测可以用来诊断肿瘤类型、监测肿瘤治疗的进展和评估治疗的效果。2.药物代谢和毒性：质谱检测可以用来测定药物在人体内代谢的速度和途径以及药物所产生的毒性。3.生化标志物鉴定：质谱检测可以用来鉴定生化标志物，比如蛋白质、糖类、脂质等，这些标志物可以用于疾病的诊断和治疗。4、培养基分析：质谱检测可以用来分析细菌培养基中的成分，从而帮助医生诊断细菌感染。5.毒物检测：质谱检测可以用来检测身体内的毒物、药物或化学物质，从而确定中毒原因并采取相应的治疗措施。4湿度传感器湿度传感器是指能将湿度量转换为容易被测量处理的电信号的装置。传感器的主要构成为湿度传感器和加湿器两大部分，即一个测量元件和一个信号处理原件。湿度传感器作为湿敏元件，其主要分为电阻式与电容式两大类。其特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。温湿度传感器的种类很多，例如氧化铝湿度传感器，氯化锂湿度传感器、硅湿度传感器、陶瓷湿度传感器等。4湿度传感器4.1湿度的特点湿度是重要的环境参数，其监测和控制在农业、工业、医疗、食品保鲜及制造业等领域扮演着重要的角色。为了满足智能化社会对湿度传感器日益增长的高需求，亟待研制出灵敏度高、稳定性和重复性好、响应-恢复速率快及成本低的高性能湿度传感器。湿敏材料是影响湿度传感器性能的关键因素，现已经开发出电解质、有机聚合物及金属氧化物等多种湿敏材料。其中，金属氧化物以其强抗化学侵蚀性、高热稳定性、体积小和比表面积大等优势而备受关注。①绝对湿度:空气中的水蒸汽的多少不但会影响空气的湿度，而且使空气出现潮湿或干燥现象。空气的干湿程度，通常是用空气中水蒸汽的密度来表示的。即每立方米大气所含水汽的克数来表示，及g/m3它称为大气的绝对湿度。4湿度传感器4.1湿度的特点②相对湿度:要想直接测量出空气中水蒸汽的密度，方法比较复杂。而理论计算表明，在一般的气温条件下，空气的水汽密度，与空气中水汽的压强数值十分接近。所以空气的水蒸汽密度又可以规定为空气中所含水蒸汽的压强，又把它称为天气的绝对湿度，用符号D表示，常用的单位是mmHg。通常把大气的绝对湿度跟当时气温下饱和水汽压的百分比称为大气的相对湿度用%RH表示，若大气中所含水汽的压强等于当时气温下的饱和水汽压时，这时大气的相对湿度等于100%RH。③结露：如果绝对湿度不变，则温度增加，RH减小；反之温度降低，RH增加；如图5.115的例子：30℃，RH=50%，到10℃左右结露，若升高到60℃，RH降到10%。4湿度传感器4.1湿度的特点④露点：将温度为T1的气体冷却，开始结露的温度T2显然，温度T1时的水蒸汽压=温度T2的饱和水蒸汽压。⑤湿度测量：全量程为0％～100％RH。但对一种具体的传感器一般是无法覆盖全量程的，所以湿度传感器的标称量称越大，使用的价值就越大。例如木材干燥0-40%；空调30-70%；气象0-100%。⑥温度系数C的计算：特征量温度系数：感湿温度系数：湿滞量：4湿度传感器呼吸监测在医学研究案例中，有必要监测小型实验动物的呼吸，以便于更好地研究生理和药理学。严海龙及其合作者以超分子离子材料（SIM）为湿敏材料，制作了超灵敏的呼出式湿度传感器，成功地监测到麻醉后大鼠的呼吸信号。如图5.116(a)所示，将湿度传感器与麻醉后大鼠的口腔保持1cm的固定距离，记录呼吸频率。从图中可以看到，利用基于SIM的湿度传感器能监测出与麻醉状态下大鼠的呼吸模式相对应的明显且重复的电流信号。此外，该湿度传感器还具有在不同生理过程中实时监测呼吸频率的能力。如图5.116(b)所示，根据大鼠麻醉后直至醒来的呼吸频率监测，观察到麻醉剂代谢期间发生的不同生理状态，证明了基于SIM的湿度传感器能够实时地记录麻醉剂治疗引起的生理状态变化。4湿度传感器呼吸监测呼吸是人类的一种正常生理活动，它不仅能反应人们的运动状态，也是重要的健康指标之一。很多疾病的外部症状都有呼吸异常的表现，这引导着湿度传感器的应用逐步向呼吸监测领域发展。Tseng及其合作者制备了基于Li-C3N4复合材料的湿度传感器，应用于人体呼吸监测。该湿度传感器可实时监测三种不同模式（快速、正常和慢速）的呼吸频率（图5.117(a)），还可以用于检测睡眠呼吸暂停症状（图5.117(b)）。4湿度传感器语音识别基于声学传感器的语音识别技术已经相当成熟，然而许多人由于声带损伤不能说话，很难进行口头交流。因此，帮助不进行口头交流的人“说话”引起了人们的注意。通过柔性压力传感器可进行语音识别，但是需要连接到喉部，这种接触检测方式会带来身体的不适。近年来，研究人员尝试使用湿度传感器以非接触方式来实现语音识别。Solanki及其合作者提出了一种通过脱合金来生长多孔金属氧化物的新方法，开发了基于多孔SnO2的电阻式湿度传感器。该湿度传感器不仅具有识别单词的功能，还可以通过单个哨子生成相同的模式来识别哨子之间的差异，这表明其具有独特的电子监听能力，如图5.118(a)所示。此外，该团队还研究了不同的人说出相同单词的传感器响应，如图5.118(b)所示。验证了该湿度传感器具有电子监听的能力，未来可用作电子耳。4湿度传感器语音识别以可调聚多巴胺-石墨烯(GNCP)为湿敏材料，制作了高灵敏度的湿度传感器。如下图5.119所示，基于GNCP的湿度传感器能够通过说话或唱歌实时测定此人讲话期间的水分变化，捕捉声调的细微特征，证明了该湿度传感器具有记录人类生物信息特征的卓越能力。4湿度传感器非接触开关人与机器之间的信息交换和命令传输通常是靠接触按钮完成，但是这种方式可能会导致按钮的机械磨损或用户之间因病毒/细菌的存在而产生交叉感染。尤其在新型冠状病毒肆虐的今天，这种非接触式湿度传感器开关的研制显得意义重大。研究表明，当手指靠近湿度传感器时，湿度传感器的输出信号会发生显著变化，显示出非接触开关的特性。因此，利用人体皮肤表面水分与湿度传感器之间的关系，开发非接触开关能够有效解决接触控制所引起的问题。周岚娟及其合作者以石墨碳氮化物/聚氧化乙烯（g-C3N4/PEO）杂化薄膜为湿敏材料，制作了一个4×4阵列式湿度传感器。如图abc所示，该湿度传感器可识别出有特定形状（如“4”、“T”、“U”和“L”）的湿物体接近，证明了其在非接触传感中的潜在应用。陆立军及其合作者设计了一个带有透明电极的3×3阵列式湿度传感器，成功实现了其多点检测和动态滑动监测的能力。如图x所示，该湿度传感器可作为非接触开关，控制机器人小车沿手指滑动轨迹运输药丸。4湿度传感器皮肤监测人体皮肤的含水量是评价人体健康和皮肤状况的重要生理参数，湿度传感器可以通过非接触的方式识别到水分，因此湿度传感器开始向皮肤湿度检测方向发展。Kano及其合作者制备了基于硅纳米晶膜的湿度传感器，将其放置在塑料箱中，交替用手和带橡胶手套的手盖住箱子，测试箱内湿度的变化（图5.121）。该湿度传感器仅在徒手盖住外壳时才做出响应，证实了其具有监测皮肤水分蒸发的能力。使用石墨烯/聚合物异质结构材料开发了可监测皮肤的湿度传感器（图5.122）。该湿度传感器以非接触的方式监测皮肤状况，比接触式皮肤电阻测试的结果更快更好。该湿度传感器还可以直接检测额头上微弱而动态的皮肤汗腺活动，识别出因说谎或压力过大导致的紧张状态。4湿度传感器湿度传感器的分类湿度传感器的工作原理主要基于材料吸湿性的变化。常见的湿度传感器原理有电阻式、电容式和纳米级传感器原理。①电阻式湿度传感器使用一种湿度敏感材料，常见的是聚合物或陶瓷材料。这种材料能够根据湿度的变化而产生电阻的变化。当湿度升高时，材料吸湿膨胀，电阻值变小；而当湿度下降时，材料排湿收缩，电阻值变大。通过测量电阻值的变化，就能够得到空气中的湿度信息。②电容式湿度传感器的工作原理是利用一种含水介质（如聚合物或陶瓷）的电容器。电容器的电容值与介质的湿度成正比，而与介质的温度无关。通过测量电容的变化，就能够得到空气中的湿度信息。4湿度传感器湿度传感器的分类③纳米级湿度传感器是利用纳米材料的吸湿性能来测量湿度。纳米材料具有较大的表面积，能够吸附水分，并造成电阻、电容或电感的变化。纳米级湿度传感器的灵敏度较高，可以精确地测量微小的湿度变化。4湿度传感器湿度传感器传感器的工作原理湿度传感器的工作方式主要分为两种：电阻式和电容式。①电阻式湿度传感器的工作原理。电阻式湿度传感器通常由湿度感测元件和测量电路组成。感测元件通过吸湿材料的形变与电阻值的变化来测量湿度。测量电路将湿度感测元件的电阻值转换为电压或电流信号，并输出给显示器或控制系统。电阻式湿度传感器具有响应速度较快、适应温度范围广等优点。分压:放大：②电容式湿度传感器的工作原理。电容式湿度传感器通过测量感测元件中的湿度变化来测量湿度。感测元件通常由一层导电材料和一层吸湿介质构成，两层之间形成了一个电容器。当湿度变化时，吸湿介质的电容值会发生变化，通过测量电容值的变化就能够得到湿度信息。4湿度传感器湿度传感器传感器的工作原理电容式湿度传感器具有响应速度较快、能耗低等优点。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：𝐶=𝜀/𝑆(5.95)式中：ε为电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr,其中ε0为真空介电常数,εr为极板间介质相对介电常数；S为两平行板所覆盖的面积；d为两平行板之间的距离。因此电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。改变电容C的方法有三种，其一为改变介质的介电常数ε；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变两个极板间的距离,而得到电参数的输出为电容值的增量ΔC，这就成了电容式传感器。4湿度传感器湿度传感器传感器的工作原理③总结：湿度传感器是一种重要的仪器设备，通过测量空气中的湿度水分含量，帮助人们了解并控制环境湿度，使其适应不同的需求。传感器的工作原理主要基于材料吸湿性的变化，包括电阻式、电容式和纳米级传感器原理。电阻式传感器通过测量电阻值的变化来测量湿度，而电容式传感器则通过测量电容值的变化来测量湿度。不同类型的传感器具有各自的特点和适用范围，可以选择适合自己需求的传感器进行使用。4湿度传感器4.4湿度传感器中湿敏元件的结构及案例分析湿度传感器，基本形式都为利用湿敏材料对水分子的吸附能力或对水分子产生物理效应的方法测量湿度。现代工业技术要求高精度、高可靠和连续地测量湿度，因而陆续出现了种类繁多的湿敏元件。湿敏元件主要分为二大类：水分子亲和力型湿敏元件和非水分子亲和力型湿敏元件。利用水分子有较大的偶极矩，易于附着并渗透入固体表面的特性制成的湿敏元件称为水分子亲和力型湿敏元件。例如，利用水分子附着或浸入某些物质后，其电气性能（电阻值、介电常数等）发生变化的特性可制成电阻式湿敏元件、电容式湿敏元件；利用水分子附着后引起材料长度变化，可制成尺寸变化式湿敏元件，如毛发湿度计。金属氧化物是离子型结合物质，有较强的吸水性能，不仅有物理吸附，而且有化学吸附，可制成金属氧化物湿敏元件。这类元件在应用时附着或浸入被测的水蒸气分子，与材料发生化学反应生成氢氧化物，或一经浸入就有一部分残留在元件上而难以全部脱出，使重复使用时元件的特性不稳定，测量时有较大的滞后误差和较慢的反应速度。目前应用较多的均属于这类湿敏元件。另一类非亲和力型湿敏元件利用其与水分子接触产生的物理效应来测量湿度。例如，利用热力学方法测量的热敏电阻式湿度传感器，利用水蒸气能吸收某波长段的红外线的特性制成的红外线吸收式湿度传感器等。4湿度传感器电解质湿敏元件利用潮解性盐类受潮后电阻发生变化制成的湿敏元件。最常用的是电解质氯化锂（LiCl）。氯化锂湿敏元件的工作原理是基于湿度变化能引起电介质离子导电状态的改变，使电阻值发生变化。结构形式有顿蒙式和含浸式。顿蒙式氯化锂湿敏元件是在聚苯乙烯圆筒上平行地绕上钯丝电极，然后把皂化聚乙烯醋酸酯与氯化锂水溶液混合液均匀地涂在圆筒表面上制成，测湿范围约为相对湿度30%。含浸式氯化锂湿敏元件是由天然树皮基板用氯化锂水溶液浸泡制成的。植物的髓脉具有细密的网状结构，有利于水分子的吸入和放出。70年代研制成功玻璃基板含浸式湿敏元件，采用两种不同浓度的氯化锂水溶液浸泡多孔无碱玻璃基板（孔径平均500埃），可制成测湿范围为相对湿度20～80%的元件。氯化锂元件具有滞后误差较小，不受测试环境的风速影响，不影响和破坏被测湿度环境等优点，但因其基本原理是利用潮解盐的湿敏特性，经反复吸湿、脱湿后，会引起电解质膜变形和性能变劣，尤其遇到高湿及结露环境时，会造成电解质潮解而流失，导致元件损坏。4湿度传感器高分子材料湿敏元件利用有机高分子材料的吸湿性能与膨润性能制成的湿敏元件。吸湿后，介电常数发生明显变化的高分子电介质，可做成电容式湿敏元件。吸湿后电阻值改变的高分子材料，可做成电阻变化式湿敏元件。常用的高分子材料是醋酸纤维素、尼龙和硝酸纤维素等。高分子湿敏元件的薄膜做得极薄，一般约5000埃，使元件易于很快的吸湿与脱湿,减少了滞后误差，响应速度快。这种湿敏元件的缺点是不宜用于含有机溶媒气体的环境，元件也不能耐80℃以上的高温。4湿度传感器金属氧化物膜湿敏元件许多金属氧化物如氧化铝、四氧化三铁、钽氧化物等都有较强的吸脱水性能，将它们制成烧结薄膜或涂布薄膜可制作多种湿敏元件。把铝基片置于草酸、硫酸或铬酸电解槽中进行阳极氧化，形成氧化铝多孔薄膜，通过真空蒸发或溅射工艺，在薄膜上形成透气性电极。这种多孔质的氧化铝湿敏元件互换性好，低湿范围测湿的时间响应速度较快，滞后误差小，常用于高空气球上测湿。四氧化三铁胶体的优点是固有电阻低，长期置于大气环境表面状态不会变化，胶体粒子间相互吸引粘结紧密等。它是一种价廉物美，较早投入批量生产的湿敏元件，在湿度测量和湿度控制方面都有大量应用。4湿度传感器金属氧化物陶瓷湿敏元件将极其微细的金属氧化物颗粒在高温1300℃下烧结，可制成多孔体的金属氧化物陶瓷，在这种多孔体表面加上电极，引出接线端子就可做成陶瓷湿敏元件。湿敏元件使用时必须裸露于测试环境中，故油垢、尘土和有害于元件的物质（气、固体）都会使其物理吸附和化学吸附性能发生变化，引起元件特性变坏。而金属氧化物陶瓷湿敏元件的陶瓷烧结体物理和化学状态稳定，可以用加热去污方法恢复元件的湿敏特性，而且烧结体的表面结构极大地扩展元件表面与水蒸气的接触面积，使水蒸气易于吸着和脱去，还可通过控制元件的细微构造使物理性吸附占主导地位，获得最佳的湿敏特性。因此陶瓷湿敏元件的使用寿命长、元件特性稳定，是目前最有可能成为工程应用的主要湿敏元件之一。陶瓷湿敏元件的使用温度为0～160℃。或一经浸入就有一部分残留在元件上而难以全部脱出，使重复使用时元件的特性不稳定，测量时有较大的滞后误差和较慢的反应速度。目前应用较多的均属于这类湿敏元件。另一类非亲和力型湿敏元件利用其与水分子接触产生的物理效应来测量湿度。例如，利用热力学方法测量的热敏电阻式湿度传感器，利用水蒸气能吸收某波长段的红外线的特性制成的红外线吸收式湿度传感器等。4湿度传感器热敏电阻式湿度传感器利用热敏电阻作湿敏元件。传感器中有组成桥式电路的珠状热敏电阻R1和R2,电源供给的电流使R1、R2保持在200℃左右的温度。其中R2装在密封的金属盒内，内部封装着干燥空气，R1置于与大气相接触的开孔金属盒内。将R1先置于干燥空气中，调节电桥平衡，使输出端A、B间电压为零，当R1接触待测含湿空气时，含湿空气与干燥空气产生热传导差，使R1受冷却，电阻值增高，A、B间产生输出电压，其值与湿度变化有关。热敏电阻式湿敏传感器的输出电压与绝对湿度成比例，因而可用于测量大气的绝对湿度。传感器是利用湿度与大气导热率之间的关系作为测量原理的，当大气中混入其他特种气体或气压变化时，测量结果会有程度不同的影响。此外，热敏电阻的位置对测量也有很大影响。但这种传感器从可靠性、稳定性和不必特殊维护等方面来看，很有特色，现已用于空调机湿度控制，或制成便携式绝对湿度表、直读式露点计、相对湿度计、水分计等。4湿度传感器红外线吸收式湿度传感器利用水蒸气能吸收某波段的红外线制成的湿度传感器。60年代中期，美国气象局以波长为1.37微米和1.25微米的红外光分别作敏感光束和参考光束，研制成红外线吸收式湿度传感器。这种传感器采用装有λ0滤光片和λ滤光片的旋转滤光片，当光源通过旋转滤光片时，轮流地选择波长为λ0和λ的红外光束,两条光束通过被测湿度的样气抵达光敏元件,由于波长为λ0的光束不被水蒸气吸收，其光强仍为I0，波长为λ的光束被水蒸气部分吸收，光强衰减为I。采用朗伯－贝尔法测量：式中I0为光源光强度，I为光敏元件处的光强度，ε为吸收系数,c为待测含水蒸气的浓度,l为光路长度。根据光强度的变化，将光敏元件上的信号处理后可获得正比于水蒸气浓度c的电信号。红外线吸收式湿度传感器属非水分子亲和力型湿敏元件，测量精度和灵敏度较高，能够测量高温或密封场所的气体湿度，也能解决其他湿度传感器不能解决的大风速或通风孔道环境中的湿度测量问题。缺点是结构复杂，光路系统存在温度漂移现象。4湿度传感器微波式湿度传感器利用微波电介质共振系统的品质因数随湿度变化的机理制成的传感器。微波共振器采用氧化镁-氧化钙-二氧化钛陶瓷体，共振器与耦合环构成共振系统，含水蒸气的气体进入传感器腔体后改变原共振系统的品质因数，其微波损失量与湿度成线性关系。这种传感器的测湿范围为相对湿度40～95%，在温度0～50℃时，精度可达±2%。微波式湿度传感器具有非水分子亲和力型湿敏元件的优点，又由于采用陶瓷材料作共振系统，故可加热清洗，且坚固耐用。缺点是对微波电路稳定性要求甚高。4湿度传感器超声波式湿度传感器超声波在空气中的传播速度与温度、湿度有关，利用这一特性可制成超声波式湿度传感器。传感器由超声波气温计和铂丝电阻测温计组成，前者的测量数据与湿度有关，后者的测量数据只与温度有关，按照超声波在干燥空气和含湿空气中的传播速度可计算出空气的绝对湿度。超声波湿度传感器有很多优点，它的测湿数据比较准确，响应速度快，可以测出某一极小范围的绝对湿度而不受辐射热的影响。这种传感器尚处于研制阶段。4湿度传感器4.5湿度传感器的选型国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一，质量价格都相差较大，用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度，需要在这方面作深入的了解。湿度传感器具有如下特点：精度和长期稳定性。湿度传感器的精度应达到±2%~±5%RH，达不到这个水平很难作为计量器具使用，湿度传感器要达到±2%~±3%RH的精度是比较困难的，通常产品资料中给出的特性是在常温（20℃±10℃）和洁净的气体中测量的。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1%RH水平的产品很少，一般都在±2%左右，甚至更高。4湿度传感器4.5湿度传感器的选型湿度传感器的温度系数。湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在0.2~0.8%RH/℃范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。多数湿敏元件难以在40℃以上正常工作。湿度传感器的供电。金属氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化锂等湿敏材料施加直流电压时，会导致性能变化，甚至失效，所以这类湿度传感器不能用直流电压或有直流成份的交流电压。必须是交流电供电。4湿度传感器4.5湿度传感器的选型互换性。目前，湿度传感器普遍存在着互换性差的现象，同一型号的传感器不能互换，严重影响了使用效果，给维修、调试增加了困难，有些厂家在这方面作出了种种努力，取得了较好效果。湿度校正。校正湿度要比校正温度困难得多。温度标定往往用一根标准温度计作标准即可，而湿度的标定标准较难实现，干湿球温度计和一些常见的指针式湿度计是不能用来作标定的，精度无法保证，因其要求环境条件非常严格，一般情况，（最好在湿度环境适合的条件下）在缺乏完善的检定设备时，通常用简单的饱和盐溶液检定法，并测量其温度。4湿度传感器产品名称:湿度传感器（电容型）产品型号:VHM10简单介绍：V-HM10V系列湿度模块，电压（0.8～3.9VDC）输出线性主要参数：（Ta=25C，Vs=5VDC）；湿度测量范围5～99%RH；精度(40to60%RH)±3%RH；温度系数(10~50C)0.2%RH/C；供电电压5VDC；产品厂商:深圳市矢量科技有限公司4湿度传感器产品名称:湿度传感器（电容型）恢复时间（在>90%RH环境中存放150小时后）10s；储存温度范围-30～70C；输出（0--100%RH线性对应0.8V--3.9V）；响应时间(33to76%RH,慢流动的空气中)30s；长期稳定性<1%RH/年；消耗电流1.1mA(5VDC)；工作温度范围-10～60C；4湿度传感器产品名称:湿度传感器（电阻型）产品型号:CHR-01产品厂商:广州西博臣科技有限公司简单介绍：采用功能高分子膜涂敷在带有导电电极陶瓷衬底上,形成阻抗相对湿度变化成对数变化的敏感部件,导电机理为水分子的存影响高分子膜内部导电离子的迁移率。特征参数：工作温度范围0℃～＋85℃；检测范围20～95%RH；检测精度±5%RH；工作电压AC1V（50～2KHz）；特征阻抗范围30(21～45)KΩ(60%RH,25℃)；5微流控分析芯片微流控分析芯片，又称为微流控芯片或微全分析系统（MicroTotalAnalysisSystem，μTAS），是一种将化学分析实验室的功能集成到几平方厘米大小的芯片上的技术。微流控分析芯片利用微加工技术，在玻璃、硅或塑料等材料上制作微米级通道，以实现液体的流动、混合、反应和检测等功能。这种技术具有体积小、速度快、样品和试剂消耗少、易于自动化和集成化等优点，在生物信息采集、药物筛选、环境监测和临床诊断等领域具有广泛的应用前景。微流控分析芯片的基本组成包括微通道、微泵、微阀、混合器、反应室、检测器和控制系统等。微通道用于传输液体，微泵和微阀用于控制液体的流动，混合器用于实现不同液体的混合，反应室用于进行化学反应，检测器用于检测反应结果，控制系统用于实现整个芯片的操作和控制。5微流控分析芯片微流控分析芯片的工作原理基于流体力学和化学分析原理。在微流控芯片中，液体通过微通道流动，通道尺寸一般在几十到几百微米之间。这种小尺寸导致流体速度增加，从而使液体中的成分能够迅速混合。由于微通道的高表面积与体积比，混合效率大大提高。在传统实验室规模的实验中，可能需要数分钟甚至数小时才能达到的混合效果，在微流控芯片上只需几秒钟。微通道的高表面积与体积比不仅有利于混合，也有利于传质和传热。当反应需要催化剂或需要温度控制时，这种高效的传质和传热能力尤为重要。例如，在酶促反应中，微流控芯片可以快速地将底物和酶混合，同时保持反应温度的稳定，从而提高反应速率和效率。由于微流控芯片的快速混合和高效的传质传热，反应物之间的相互作用可以迅速发生，从而提高反应速率。此外，由于反应发生在接近芯片表面的微通道中，检测器可以更接近反应区域，从而提高检测灵敏度。在某些情况下，微流控芯片可以集成多个检测点，实现多步反应的连续监测，进一步提高了检测的灵敏度和精确性。5微流控分析芯片5.1生化反应芯片生物化学，作为研究生物体内部化学过程的学科，主要包括三大领域：新陈代谢、蛋白质科学和分子遗传学。随着科学技术的进步，微流控芯片技术逐渐成为生物化学领域的重要研究工具。这种技术将生物、化学分析过程集成到一块小小的芯片上，因其操作简单、分析速度快、样品用量少、灵敏度高以及成本低廉等特点，受到了科研工作者的广泛关注。微流控芯片技术在生化反应和分析方面的应用非常广泛。一些典型的生化反应，如浓度定量、分离、纯化、酶反应动力学、毒理学和药物筛选等，都可以在微流控芯片上高效、快速地进行。此外，微流控芯片还可以用于研究生物分子之间的相互作用，为生物科学研究提供了一种全新的视角。无细胞体系，是一种不依赖于活细胞，但包含所有功能酶、DNA模板以及可以进行基因表达的核糖体等物质的细菌裂解物。这种体系为研究者提供了一种验证合成生物电路的理想平台。在无细胞体系中，研究者可以自由地操控各种生物分子，从而深入研究生物电路的工作原理和调控机制。5微流控分析芯片5.1生化反应芯片微流控芯片技术为生物化学领域提供了一种高效、快速、低成本的实验手段，使得许多复杂的生化反应和分析过程变得简单易行。无细胞体系的引入，更是为合成生物学的研究提供了强大的工具。随着科学技术的不断发展，我们有理由相信，微流控芯片技术和无细胞体系将在生物化学领域发挥越来越重要的作用。5微流控分析芯片聚合酶链式反应聚合酶链式反应(PCR)是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术。基于经典PCR的实时检测技术是应用得最广泛的快速有效检测方法，但其仍然存在反应时间长、反应体积大、能量消耗多、易产生副产物和不便于集成与携带等问题。因此，科学家们逐渐将对该检测技术的创新转向微流控技术。与传统的PCR相比，微流控PCR芯片反应所需的样品和试剂量少可大大降低成本，而且微流控芯片传热速率快、内部温度均匀、反应过程易于控制，不仅能显著缩短检测时间，还能提高检测的准确度和灵敏度，因此样品消耗少、污染少、效率高，有望提供绿色分析技术。目前，微流控PCR芯片在病毒检测、传染性疾病、食品和水质检测、致病菌鉴定及微生物重要基因检测、农作物病菌、畜禽病毒的检测及农作物基因研究方面都有广泛应用。PCR的过程包括3个步骤--变性、退火、延伸，需要在高低3个不同温度区间下进行。5微流控分析芯片聚合酶链式反应根据芯片的结构差异，可以将PCR芯片分为静止式PCR、连续流动式PCR。静止式(或称微池式)PCR的特点在于，反应体系不流动，通过芯片整体升温、降温的循环来实现反应;连续流动式PCR则由反应液体循环流过不同温度区域进行扩增。微池式PCR的优势在于小型化，更有利于实现小型化。微池式PCR的关键在于微通道(或微池内)扩增体系温度升高(或降低)的快速、准确切换，需要优化仪器的温度控制，进而缩短循环时间，如采用近红外激光加热器以及新型的环境控制装置和策略，以实现精准控温。连续流动式PCR芯片的优点是温度控制简单，但其尺寸较大，不利于集成，受到微流控结构的限制。其中，蛇形式、辐射式和螺旋式的反应循环的次数受芯片通道结构设计的限制，而振荡式和闭环式可以随意调整。1999年，有研究者提出了数字PCR(dPCR)的概念，5微流控分析芯片聚合酶链式反