分析化学中分第四章化学与生物传感器

分析化学中分第四章化学与生物传感器第1页，课件共95页，创作于2023年2月第四章

化学与生物传感器

ChemicalSensorsandBiosensors4.1 导言4.2 化学传感器的定义4.3 化学传感器的分类4.4 化学传感器的原理4.5 生物传感器第2页，课件共95页，创作于2023年2月许多分析问题需要实时检测，特别是依赖于测量来做出快速决定的情况（例如过程控制或环境监控），另外，许多情况下需要的分析信息是现场、在线或遥测。传感器能够很好地满足这些要求。传感器是一种信息获取与处理的装置。人体的感觉器官就是一套完美的传感系统，通过眼、耳、皮肤来感知外界的光、声、温度、压力等物理信息。通过鼻、舌感知气味和味道这样的化学刺激。4.1 导言第3页，课件共95页，创作于2023年2月图4.1人体的感觉器官与物理、化学/生物传感器第4页，课件共95页，创作于2023年2月例如，人的鼻子就是一个很好的传感器：肺是样品导入泵，上皮传感细胞作为“化学传感器”，大脑作为微处理器和数据储存器，整个过程（功能）同时进行。其中最重要的组分是传感元件，它通过复杂的识别过程，达到识别不同味道的作用。第5页，课件共95页，创作于2023年2月化学传感器是一门由材料科学、超分子化学(分子识别)、光电子学、微电子学和信号处理技术等多种学科相互渗透成长起来的高新技术。具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续监测的特点；可以高度自动化、微型化与集成化，减少了对使用者环境和技术的要求，适合野外现场分析的需求，在生物、医学、环境监测、食品、医药及国家安全等利用有着重要的应用价值！第6页，课件共95页，创作于2023年2月化学传感器具有宽广的市场，例如，葡萄糖传感器（糖尿病）在美国每年有上百亿美元的市场！显然，没有单一的化学传感器能够满足所有的分析测试要求，但是，可以根据要求设计和制备不同类型的传感器及阵列传感器。第7页，课件共95页，创作于2023年2月4.2 化学传感器的定义IUPAC的定义：化学传感器是一种将化学信息(例如化学组成与浓度)转换为有用的分析信号的装置。转换过程可以是电化学的、光学的、热的或质量型的。在此我们主要介绍电化学型和光学型化学传感器。第8页，课件共95页，创作于2023年2月化学信息可能源于涉及到被分析物的化学反应或体系的一种物理性质。化学信息可能是定量的，例如，样品特定组分(可能是原子、分子、离子或生物分子)的浓度、活度或分压等；所涉及的样品可以是固态、液态或气态。当然，化学信息也可能是定性的，例如，某种化合物是否存在？或存在时是否超过一定的量值。例如，烟道报警器。第9页，课件共95页，创作于2023年2月化学传感器中基本的功能单元如下：分子识别元件(感受器，receptor)是发生选择性识别的区域，可以引起能够被transducer(转换器)检测的化学或物理变化。识别过程可以基于不同的原理，例如，化学原理，被分析物涉及到一个化学反应；物理原理，无化学反应，但被分析物可以产生吸光度、温度、质量或电导等的变化，这些量与被分析物的浓度有特定的关系；生化原理，涉及到生化反应，称为生物传感器。第10页，课件共95页，创作于2023年2月(b)信号转换器(换能器，Transducer)是将被分析物有关的化学信息转换为可测量的分析有用的信号，然后记录和进一步处理。主要有电化学电极(如电势、电流的测量)，光学检测元件，热敏电阻，场效应晶体管，压电石英体及表面等离子共振器件等。有些传感器还包括一个分离器，一种膜，目的是增强选择性。一个理想的化学传感器应该具有高选择性、高灵敏度，稳定性好和耐用，并且响应时间短！第11页，课件共95页，创作于2023年2月分子功能性膜图4.2化学传感器的传感原理第12页，课件共95页，创作于2023年2月4.3化学传感器的分类通常可根据识别元件和转换器来进行分类。4.3.1识别元件化学或合成的感受器。例如，基于各种平衡反应(酸碱、络合、氧化还原)的识别过程；基于形状和大小的识别过程(各种冠醚、杯芳烃、抗菌素)以及分子印迹高分子和Aptamers。B.生物感受器。主要应用于生物传感器中的识别元件。酶、DNA、各种活体组织、细胞等。第13页，课件共95页，创作于2023年2月4.3.2转换器在化学传感器中主要采用的转换技术如下：电化学转换器：将被分析物与电极相互作用的信号转换为电信号。电势型传感器：基于测量在零电流下电池的电势。伏安(安培)型传感器：测量被分析物发生氧化还原时所产生电流。电导型传感器：测量由被分析物所引起的电导的变化。(4)电容型传感器：测量由被分析物所引起的电容的变化。第14页，课件共95页，创作于2023年2月B.光学转换器：将由被分析物所引起的光学现象转换为电信号。光导纤维广泛地应用于这方面，基于光导纤维所发展的传感器又称为光极(optode)。吸收型传感器：反射型传感器：发光型传感器：光散射传感器：

C.热转换器：将由涉及到被分析物所引起的化学 反应所产生的热转换为电信号。催化型：热导型：第15页，课件共95页，创作于2023年2月D.质量转换器：将由被分析物在选择性修饰表面上累计所引起的质量的变化转换为该表面某一性质的变化。压电型传感器：表面声波型传感器：

E.基于新型原理：例如，纳米技术，SPMs(Scanningprobemicroscopes)等。

第16页，课件共95页，创作于2023年2月4.4化学传感器的原理下面我们主要介绍电化学传感器和光学传感器的原理。4.4.1电化学传感器(Electrochemicalsensors)电化学传感器大多数是基于电化学原理来进行传感的，在此，我们主要介绍电势型传感器和安培型传感器。第17页，课件共95页，创作于2023年2月电化学传感的优点电势型安培型电导型第18页，课件共95页，创作于2023年2月葡萄糖传感器第19页，课件共95页，创作于2023年2月第20页，课件共95页，创作于2023年2月.电势型传感器(potentiometricsensor)电势型传感器也称为离子选择性电极(Ionselectiveelectrode,ISE)。选择性界面假设可以在两电解质溶液相之间产生一个界面，仅一种离子可穿过，一个选择性的可透过膜可能作为一个分离器来完成此目的。描述两相中离子平衡的公式是能斯特(Nernst)公式:这里离子i是可透过的离子。

(4.1)第21页，课件共95页，创作于2023年2月如果物质i活度在一相中保持恒定，则两相间的电势差(常称为膜电势，membranepotential,Em)与另一相中离子活度的关系符合Nernst形式。这种思想是离子选择性电极的本质。采用这些装置进行测量本质上是测量膜电势，其本身包括电解质溶液相之间的液接界电势。任何一个单一体系的性质在很大程度上取决于感兴趣的离子在膜部分电荷转移中占主导地位的程度。我们在下面将看到真实装置是相当复杂的，电荷通过膜迁移的选择性很难达到，且实际上不需要。已经研究过许多离子选择性界面，一些不同类型的电极已被商品化。我们将通过它们中的几种来考察导入选择性的基本策略。玻璃膜是我们讨论的出发点，因为它提供了一个相当完整的考察基本概念和实际装置中常见的复杂问题的平台。

第22页，课件共95页，创作于2023年2月零电流第23页，课件共95页，创作于2023年2月参比电极第24页，课件共95页，创作于2023年2月图4.3二电极系统第25页，课件共95页，创作于2023年2月(2)玻璃电极在20世纪早期人们已经认识到玻璃/电解质溶液界面的离子选择性行为，从那时起，玻璃电极已被应用于pH值和碱金属离子活度的测量。（1936年ArnoldBeckman,Caltech)

图4.4典型的玻璃电极示意图

银丝内充溶液薄玻璃膜Ag/AgCl第26页，课件共95页，创作于2023年2月进行测量时，薄膜整个浸在被测试溶液中，记录相对于一个如SCE(饱和甘汞电极)的参比电极的电极电势。电池结构如下：测试溶液的性质在两个方面影响电解池的总电势差。一是SCE电极和被测试溶液之间的液接界问题。希望此电势差很小并且恒定。另一个则来自于被测试溶液对玻璃膜电势差的影响。既然电池中其它的界面均有恒定的组成，电池电势的变化可全部归结为玻璃膜和被测试溶液之间的液接界变化。如果此界面仅对单个物质i有选择性，该电解池电势是：

第27页，课件共95页，创作于2023年2月式中常数项是其它的界面上电势差的总和。此项可通过“标准化”电极而得到，即用已知i活度的标准溶液取代电解池中被测试溶液，从而测量E值。现在商品化的玻璃电极将玻璃电极和参比电极组装在一起。Tips:测量pH值的通用步骤如下：(1)将玻璃电极浸泡在水溶液中；(2)采用两个标准pH溶液(pH值已知)进行校对，两者的选择应该是使被测溶液pH值落在期间。 (4.2)第28页，课件共95页，创作于2023年2月实际上，玻璃相的行为是相当复杂的。膜的本体厚度大约为50

m，它是干燥的玻璃，通过内部存在的阳离子专一地进行电荷转移。通常，玻璃内部存在的阳离子为碱金属离子，如Na+或Li+。溶液中的氢离子对该区域的导电并不做出贡献。与溶液相接触的膜的表面与本体不同，因为玻璃的硅酸盐结构是水合的。

图4.5玻璃膜的剖面图

内充液干玻璃待测液水合层水合层第29页，课件共95页，创作于2023年2月水合层很薄，仅在该水合层中发生的玻璃和邻近溶液之间的相互作用。膜电势的出现是因为硅酸盐网络对特定阳离子有亲和力，它们被吸附在此结构上(可能在固定的阴离子位点)。这种作用产生电荷分离从而改变界面电势差。此电势差反过来将改变吸附和脱附的速率。显然，玻璃膜与一个选择性可透过膜那样的简化思想相悖。事实上，对于最感兴趣的一些离子，如质子，它可能根本没有穿透玻璃膜。那么，这种离子迁移数在整个膜中就并非是1，准确地讲在特定区域内可能为零。我们仍能理解所观察到的选择性响应吗？如果所感兴趣的离子主导了膜界面区域的电荷转移，答案是肯定的。

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图4.6

研究玻璃隔膜膜电势的模型

干玻璃层吸附平衡吸附平衡扩散电势待测液内充液水合层对于上图所示的一个关于玻璃膜的模型，玻璃将被认为由三部分组成。在界面区域m′和m″与溶液中成分很快达到平衡，这样每一个吸附的阳离子有一个活度，它反映了邻近溶液中对应的活度。玻璃的本体由m代表，我们假设传导由单个物质进行，为了讨论的方便，假设为Na+。因此整个体系由五个相组成，穿过膜的总的电势差是由本体区域的四部分液接界构成：

第31页，课件共95页，创作于2023年2月第一项和最后一项是由该界面上选择性电荷交换平衡所产生的界面电势差。这种情况被称为Donnan平衡(Donnanequilibrium)。第二和三项是玻璃膜内的液接界电势。在特定的文献中，它们称为扩散电势(diffusionpotential)。

通过一系列的推导(详细推导见“电化学方法－原理和应用”第二版，邵元华等译，p53-55)，可得到如下公式：称为电势法选择性系数。此表达式告诉我们，电池的电势与测试溶液中的Na+和H+的活度有关，对这些离子的选择性定义为。如果比小的多，那么此膜本质上将仅对H+有具有选择性响应。在此条件下，在和m′相之间的电荷交换由H+主导。

(4.4)(4.3)第32页，课件共95页，创作于2023年2月在仅考虑Na+和H+作为活性物质的情况下，我们已系统地阐明了此问题。玻璃膜也对其它的离子有响应，如Li+，K+，Ag+和NH4+。相关的响应可以通过相应的电势法选择性系数来表述，玻璃组分对此有较大的影响。基于不同组分的玻璃的不同类型的电极已商品化。它们广义上可分为：(a)具有选择性顺序为H+>>>Na+>K+、Rb+、Cs＋>>Ca2+的pH电极，(b)具有选择性顺序为Ag+>H+>Na+>>K+、Li＋>>Ca2+的钠离子选择性电极，(c)具有较窄选择性范围，选择性顺序为H+>K+>Na+>NH4+，Li＋>>Ca2+的通用阳离子选择性电极。更加通用的公式称为Nikolsky-Eisenman方程：(4.5)第33页，课件共95页，创作于2023年2月图4.7第34页，课件共95页，创作于2023年2月图4.8第35页，课件共95页，创作于2023年2月图4.9离子选择性电极举例

第36页，课件共95页，创作于2023年2月(3)其它类型的离子选择性电极我们刚才所阐述的原理也适用于其它类型的选择性膜，它们通常可分为如下两类：固态膜：与玻璃膜类似(玻璃膜是固态膜的一种)，其它常见的固态膜是这样的电解质，在其表面对确定的离子有特性吸附。

例如，单晶LaF3膜，掺杂EuF2可使产生氟离子传导的空穴。除OH－以外，它的表面仅选择性地富积F-。其它的装置是由不溶盐的沉淀物所制备的，如AgCl、AgBr、AgI、Ag2S、CuS、CdS和PbS。这些沉淀物通常被压制成片或分散在高聚物基底中。B.液体和高分子膜：另外一种可供选择的结构是利用疏水的液体膜作为传感元件。在内充水溶液和测试溶液之间该液膜在物理上是稳定的，并且它可以渗透一个多孔的亲油隔膜。与此隔膜外部相接触的容器装有这种液体。这种液体中溶入了对所研究的离子具有选择性的鳌合剂，它们提供电荷跨越膜边界的选择性机理。

第37页，课件共95页，创作于2023年2月基于这些原理的装置之一是钙离子选择性电极。疏水溶剂可以是磷酸二辛基苯酯，鳌合剂可以是烷基磷酸脂钠盐，这里R是一个有8-18个碳的脂肪族链。此膜对于Ca2+、Zn2+、Fe2+、Pb2+、Cu2+、四烷基铵离子敏感，对其它的物质也有较弱的敏感性。“水硬度”电极基于类似的试剂，但被设计为本质上对Ca2+和Mg2+有同等的响应。在商品化的电极中，液体离子交换剂是以这样的形式存在的，将鳌合剂固定在疏水高分子膜如聚氯乙稀中。基于这种设计的电极(称为高分子或塑料膜离子选择性电极，polymerorplasticmembraneelectrodes,ISEs)更加耐用，通常具有更好的性能。另外，可用中性载体加入到高分子膜，实现选择性识别。例如，钾离子选择性电极可由溶于二苯醚中的中性大环颉氨霉素作为中性载体制备而成。第38页，课件共95页，创作于2023年2月图4.10应用于离子选择性电极的中性载体的结构(阳离子)第39页，课件共95页，创作于2023年2月图4.11应用于离子选择性电极的中性载体的结构(阴离子)J.AM.Chem.Soc.,2008,130,14364Y.Shaoetal第40页，课件共95页，创作于2023年2月

图4.12一种典型的塑料膜离子选择性电极(由OrionResearch,Inc.提供)

第41页，课件共95页，创作于2023年2月第42页，课件共95页，创作于2023年2月由上表可知，离子选择性电极的测量下限通常为10−6到10−7M。该极限主要由离子从内部溶液到样品溶液的渗漏所决定的。T.Sokalski,A.Ceresa,T.Zwicki,andE.Pretsch,J.Am.Chem.Soc.,119,11347(1997).

他们可使测量极限降为5×10-12M。第43页，课件共95页，创作于2023年2月(4)气敏电极下图给出了一个典型的电势法气敏电极的结构。通常，这样的装置是由一个高分子隔膜保护与测试溶液隔开的玻璃pH电极组成。在玻璃膜和隔膜之间有小体积的电解质溶液。诸如SO2、NH3和CO2这样的小分子可穿透此隔膜与两膜之间的电解质溶液发生反应，从而使pH发生变化。玻璃电极则对酸性的变化产生响应。采用氧化钇掺杂的二氧化锆(钇锆氧化物)作为固体电解质的电化学池，可以在高温下测量气体中氧的含量。事实上，这种类型的传感器被广泛地应用于监测汽车发动机所产生的尾气，这样，通过控制空气与燃料的混合比来减少所排放的污染物如CO和NOx。

(5)酶偶合装置酶催化反应的天然特性可被作为选择性检测分析物的基础。一个有成效的方法类似于下图所示的电势法传感器，不同点是在离子选择性电极和高分子隔膜之间填充有固定化酶的基质。第44页，课件共95页，创作于2023年2月图4.13一种气敏电极的结构第45页，课件共95页，创作于2023年2月Thedetectionlimitfortheanalyteionisdefinedby:第46页，课件共95页，创作于2023年2月.安培型传感器(amperometricsensor)电化学中通过控制外加电势(电位)，记录电流与电势的关系曲线，称为伏安法(voltammetry)。基于该原理所制备的传感器称为伏安型或安培型传感器(voltammetricoramperometricsensors)（或电流型）。由于外加电势的模式可以多种多样，加上有多种电极材料可供选择，以及根据需要可设计电解池和采用不同类型的微加工技术，因此安培型电化学传感器是非常有用的分析化学工具。主要用于检测电活性物质（可以进行氧化还原反应的物质）。第47页，课件共95页，创作于2023年2月图4.14三－电极系统Why?安培型传感器的测量示意图恒电势仪第48页，课件共95页，创作于2023年2月图4.15商品化的恒电势仪及其线路图第49页，课件共95页，创作于2023年2月可用于制备安培型传感器的材料碳材料：石墨碳、碳糊、碳纤维、玻碳、碳纳米管、C60、石墨烯、金刚石第50页，课件共95页，创作于2023年2月一次性印刷电极一次性印刷电极Why在电化学应用中常常要采用一次性电极？第51页，课件共95页，创作于2023年2月电极的大小：mmmmnm100

10-310-610-9电极的形状：第52页，课件共95页，创作于2023年2月TheSEMdiagramsofNano-andMicropipettesMicropipettesNanopipettes我们group可以制备内径从几个nm到十几个m的玻璃纳、微米管微、纳米－液/液界面第53页，课件共95页，创作于2023年2月双微米玻璃管在制备各种微、纳米电极、探头和传感器方面，我们已经在JACS,Angewdt.Chem.Int.Ed.,Anal.Chem.,JPCB.等发表了的三十余篇论文。第54页，课件共95页，创作于2023年2月Anal.Chem.2001,73,5346-5351.Y.Shaoetal.,第55页，课件共95页，创作于2023年2月IntroductionofCarbonNanotubesIn1991,S.Iijimadiscoveredcarbonnanotubes(multi-walledcarbonnanotubesMWNTs).

In1993,single-walledcarbonnanotubes(SWNTs)werefound.现为北京大学名誉教授第56页，课件共95页，创作于2023年2月图4.16碳纳米管的结构(M.S.Dresselhausetal.TopicsAppl.Phys.80,391-425(2001))第57页，课件共95页，创作于2023年2月纳米科技在尺度上的定义在0.1–100nm尺度进行的研究纳米电化学传感的思考第58页，课件共95页，创作于2023年2月中国科学家第一次上ScienceWatch的HotPaper榜

Anal.Chem.,2002,74,1993-1997.(引用436)NanqiangLietal.北大分析所李南强教授等第59页，课件共95页，创作于2023年2月VariousChemicalApproachestoFabricatingAlignedCarbonNanotubesonSolidSurfaceSHSHSHSHSHSHThiolizationAu-SBondonAgorAlSurfaceCondensationonNH2SurfaceSurfaceCondensationonOHSurfaceElectro-staticH-BondingCOO–COO–COO–COO–O=C-OHO=C-OHO=C-OHO=C-OHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHH2SO4/HNO3Cutting第60页，课件共95页，创作于2023年2月外加电势信号的种类例如，三角波循环伏安法第61页，课件共95页，创作于2023年2月外加电势信号的种类例如，方波C第62页，课件共95页，创作于2023年2月外加电势信号的种类第63页，课件共95页，创作于2023年2月提高选择性和灵敏度的策略：提高选择性的方法：电极表面修饰，化学修饰电极(chemicallymodifiedelectrode,CME)。可以采用各种导电高分子、纳米颗粒、碳纳米管、酶、Aptamers、抗体和抗原等进行修饰。该领域是目前电分析化学最活跃的研究领域之一。具体可参考董绍俊先生“化学修饰电极”(2003，科学出版社)。提高灵敏度的方法：采用各种脉冲技术和溶出伏安法。第64页，课件共95页，创作于2023年2月沉积溶出该方法灵敏度高(10-12-10-10M)，简便！图4.17阳极溶出伏安法的示意图第65页，课件共95页，创作于2023年2月第66页，课件共95页，创作于2023年2月1956年Clark等发明了安培型氧传感器，这是许多气体安培型传感器的基础。气体样品扩散膜电解质对电极参比电极具有催化剂的多孔工作电极图4.18气体安培型传感器的示意图第67页，课件共95页，创作于2023年2月4.4.2光化学传感器(Opticalchemicalsensor)建立在光谱化学和光学波导技术基础上的将分析对象的化学信息以光学性质(吸收与发光等)表达的传感装置。主要参考杨荣华老师在分析化学专业研究生课“光谱与化学传感”第68页，课件共95页，创作于2023年2月光化学传感器荧光传感器磷光传感器化学发光传感器

光化学传感器的分类普通光学波导传感器化学修饰传感器生物修饰传感器光化学传感器吸光型传感器反射型传感器折射型传感器发光型传感器光化学传感器第69页，课件共95页，创作于2023年2月光化学传感器1968年：Bergman：氧荧光测量装置(蒽)1975年：Lubbers：“Optode”（光极）的提出1975年：Hardy：光导纤维传感器1980年：Peterson：

光纤生理pH传感器1935年：Kautsky：氧磷光测量装置(荧光素)ETHsensorcenterMeyerhoffgroupWolfbeisgroup湖南大学，北京大学杨荣华博士课题组陕西师范大学中科院化学所

发展历史第70页，课件共95页，创作于2023年2月探测光信号光波导吸收荧光反射折射……普通探头化学修饰探头生物修饰探头光源波导检测器样品光化学传感器(二)光化学传感器的测量体系第71页，课件共95页，创作于2023年2月探测光纤信号光纤样品溶液敏感膜（层）光源检测器图4.19光纤传感的示意图第72页，课件共95页，创作于2023年2月光化学传感器(传感器探头的制备

敏感探针的设计与合成光导纤维的制作敏感材料的固定第73页，课件共95页，创作于2023年2月第74页，课件共95页，创作于2023年2月J.AM.Chem.Soc,2003,125,2884-2885.杨荣华等

第75页，课件共95页，创作于2023年2月MicrophotographofaNFObiochemicalsensor.Itispreparedbyphoto-nanofabrication.Brighttipareashowsthatsensingmoleculesareattachedtothetipendsurface.TanWHetal

Science1992,258,778第76页，课件共95页，创作于2023年2月Aconvenienttoolmaybeathandtomeetthechallengesofcharacterizingcomplexmixturesinwater.Asimpleandeasy-to-usesensorarrayhasbeendevelopedbychemistryprofessorKennethS.Suslick

andgradstudentChenZhangattheUniversityofIllinois,Urbana-Champaign,forvariousapplicationssuchasqualitycontrolofbeverages(J.Am.Chem.Soc.2005,127,11548).Sensorarrayusessimplecomponentstogeneratefingerprintsfororganicsincomplexbevera