电化学传感器.ppt

1、现代电化学，第六章电化学传感器，6.1气体传感器6.2成分传感器6.3生物传感器6.4离子传感器，6.1.1固体电解质气体传感器6.1.2固定前卫电解传感器6.1.3加凡尼传感器，6.2.1辅助电极成分传感器6.2.2 3相固体电解质传感器6.2.3新固体电解质传感器6.3化学传感器巧妙地利用了电化学测量的原理，因此也可以称为电化学传感器。电化学传感器近年来受到越来越多的关注和关注，广泛应用于自动过程控制、环境保护和控制、生物医学等领域。电化学传感器一般具有生产成本低、操作简单、不需要维护和低功耗、与微电子技术兼容、低浓度下高灵敏度和选择性等优点和特点。根据原理，可分为三类茄子：电压传感器使用

2、最广泛，与通过能量斯特电压测量的物质浓度有关。2.极限电流传感器3。库仑传感器，6.1.1气体传感器，6 . 1 . 1固体电解质气体传感器1889年ZrO2掺杂Y2O3氧离子导体发现，氧离子具有高迁移率和低活化能，此后进行了氧浓度电池研究。1957年C. Wagner发表了用固体电解原电池测量高温下金属卤化物、氯化物、硫化物标准生成自由能的论文，引起了科学家们的极大关注。1961年，Weissbast成为第一个ZrO2氧气测量传感器，被选为当时世界钢铁冶金领域三大科学研究成果之一。用于制造氧传感器的固体电解质由多元氧化物组成，例如(ZrO2)0.2(Y2O3)0.1、(ZrO2)0.04(Y

3、2O3)0.04(Al2O3)0.02。目前，大量使用ZrO2Y2O3、ZrO2CaO、ZrO2MgO等。固体电解质传导机械氧离子固体电解质主要由空位缺陷传导。例如ZrO2CaO二元固体电解质，ZrO2常温下变成单斜晶系，高温下变成立方晶体，冷却时再变成单斜晶体。因此，纯ZrO2晶型不稳定。在ZrO2中参与少量稳定剂CaO时，ZrO2的立方晶体冷却时保持不变，钙离子取代锆离子的位置，在晶体中留下氧离子空穴。稳定的ZrO2由于晶胞中心空间大小，氧离子可以从氧化锆电解质的一侧顺利移动到另一侧。这些传感器的优点包括：固体使浓度电池的体积变小，易于集成电路化。电解质厚度减少，电池的内部电阻变小，电池的

4、工作温度降低。固体消除泄漏问题，不造成电解质损失，减少维修费用，降低成本。典型的氧浓度电池为Pt，PO2ZrO2CaOPO2。Pt反反应：1/2 O2 (PO2) VO.o02-2e-o02-1/2 O2 (PO2) vo2e-总反应：1/2 O2 (PO2) 1/自下而上E(mV)=0.04960t(log po 22)固体电解质氧传感器的应用，监测熔体或气相的氧含量，一般使用Cr，Cr2O3作为参考电极。测定惰性气体的氧含量。炉结算所传感器生化、医学、环境监测、汽车发动机空气燃烧比控制。6.1.2固定前卫电解传感器，原理：测量的气体通过隔膜扩散到电解质，测量电解发生，添加到电极的电位，就可

5、以确定测量的气体固有的电解电位。与产生的电流信号大小和测量的气体浓度成正比。特点：大小小，测量精度高，适合现场直击监测，可检测浓度范围宽度，10-910-2，适用范围。应用：目前商品化的电化学传感器能检测到的气体包括O2、CO、H2S、Cl2、HCN、NO、NO2、酒精、二甲基肼等，广泛用于煤矿、冶金、化工、环境保护等。，6.1.2固定前卫电解传感器，CO传感器，电路图如下：硫酸电解质，工作电极W，氧化反应3360 coh 2 oco 22 e对电极C，还原反应：O24H4 e 2H2O总电极反应：传感器电极和对中2COO2 2C2O电流传感器放大器4放大后，传记计量器为CCO 2 H2 e，

6、6.1.3加蜜蜂式传感器，原理：通过膜片扩散到电解质溶液中的经测试气体形成原电池电解，电解时形成的电流测量，气体浓度测量。阴极反应：O22H2O4e 4OH阳极反应：Pb4OH4e PbO22H2O总反应：PbO2 PbO2两个电极之间发生电位差，形成电流，电流与氧浓度成正比，因此可以测量电流以获得氧浓度。牙齿测量仪不需要外部电源供应装置，体积小，重量轻。安全性好，可以持续测量，广泛用于采煤工作面、瓦斯排水管道、火灾地区的氧气测量，也用于石油化工、隧道、船舶、仓库等工作环境的氧气监测。6.2分量传感器，在冶金过程中可以快速测量这些元素活动性或浓度，随着过程的变化，可以保证产品质量，节约能源。这

7、需要研究开发氧传感器以外的元素传感器。牙齿传感器传统上称为成分传感器。成分传感器可分为辅助电极型成分传感器三类茄子。三相固体电解质成分传感器。新型固体电解质成分传感器。6.2.1辅助电极型成分传感器，牙齿传感器是液体或固体合金组的活动也随着测量而发展的。阿尔伯特爱因斯坦，美国电视电视剧(Northern Exposure，Northern Exposure)方法是通过在固体电解质部分表面涂上涂层，包含元素和电解质导电元素化合物，形成辅助电极，构成电池时需要元素参与的化学反应，来测量金属熔体中的元素测量活动。电池形成可以采用以下形式：MA、基于AOErO2的电解质(B C)、材料清单(BOM)，

8、例如不锈钢熔炼时Cr含量的测定，Cr2O3独立附着在固体电解质表面，形成以下形式的电极：MoCr、Cr2O3或Mo，moo 2 ZrO 2(MgO 2)可以从2Cr 3O=Cr2O3(s)(副电极)反应G中获得K，ao可以计算ACR。NiO制作参考电极，PbO制作辅助电极，原电池：Pt Ni，NiOZrO2(CaO)(Ag-Pb，PbOIr电池反应：PbAg-Pb 0.5O2=PbO(s)传输到电池6配置电池时，要在固体电解质中测试的元素氧化物可以参与参与参与要测试的元素参与的化学反应，计算要测试的元素活动。a .像Melean一样，将SiO2混合在ZrO2(MgO)中，形成立方型ZrO2-M

9、gO固体熔体，正ZrO2和Mg2SiO4的三相平衡配置由三相固体电解质成分构成。传感器的电池形态是以MoMo，MoO2三相ZrO2为基础的固体电解质SiFeMo电解质的三组分活性，在一定温度下赋值。三相固体电解质铁熔化界面平衡如下。2MgO(三相电解质)SiFe 2OFe=2MgOSiO2 2MgOSiO2是纯物质，活性度为1，因此：K用反应求出，a o用电池电动势，氧的溶解自由能求出。如果AMgO知道的话，可以拯救aSi。6.2.3新型固体电解质传感器，牙齿传感器分为两个茄子：电解质中含有元素中的导电离子。例如，La - Al2O3可以用作La传感器的电解质，CuZr(PO4)3可以用作Cu

10、传感器的电解质。另一种是电解质中不含元素离子，但在一定的气氛下可以生产SrCe0.95Yb0.05O3-、BaCe0.90Nb0.10O3-等元素导电离子。等钙钛矿氧化物能在水蒸气和H2存在的条件下产生质子传导性，用固体电解质制造氢传感器或水蒸气传感器。6.3生物传感器，特征：良好的选择性；操作简单，样品少，可以直接测量。固定化后可以长期保持活性。可以连续测量，容易实现测试自动化。电化学传感器的重要特征是选择性。使用生物体提高传感器的选择性是最有效的方法。利用生物体选择性地识别特定物质的化学传感器称为生物传感器。6.3.1酶传感器，测量原理如下。含溶解氧的葡萄糖测定值和葡萄糖氧化酶GOD膜接触

11、，发生以下反应，氧生产葡萄糖酸：D葡萄糖O2H2O葡萄糖酸H2O2酶膜附近的氧减少，达到铂阴极的氧含量也减少，氧还原电流变小。氧还原电流减少的量与溶液中葡萄糖浓度的测量成正比。酶对某些物质(气质)产生酶催化反应。酶的基质选择性称为反应特异性，利用酶的这种特性制作的传感器是酶传感器。用于测量葡萄糖的酶传感器的结构如下。酶在电极表面硬化的方法：直接方法：通过化学修饰方法将酶直接固定在电极表面。间接法：首先将酶固定在载体上，然后组装在电极上。固定在离子选择电极表面选择性反应的酶层。目的：6.3.2微生物传感器，将微生物固定在膜上，结合电化学装置，可以配置微生物传感器。利用微生物的两种茄子功能：测量微

12、生物生活中消耗的有机物质，即与呼吸相关的氧气、二氧化碳等。测定微生物代谢生成传记活性物质。这些传感器对环境监测非常有用。6.3.3免疫传感器，免疫传感器是临床用于多种抗原和抗体检查的灵敏度高的分析方法。固定化抗原膜和固定化抗体膜将抗体抗原反应直接转换为传记信号。这些膜分别与抗原抗体结合，改变了膜电位，前卫变化量与抗原抗体结合量相关，可以用于血型判断、酶检测等。免疫传感器应用于酶抗体血清测定、蛋白质代谢异常检测、妊娠检测、肝病诊断等。6.3.4细菌或组织传感器，组织传感器是利用天然组织的酶催化作用的特殊酶传感器。与此不同，酶是从细菌和动物组织中分离提取出来的，自原始自然环境以来，连续不稳定，容易失去生物活性，因此酶传感器的寿命较短。(威廉莎士比亚，哈姆雷特，动物名言)酶存在于天然动植物组织中，相对稳定，制造的传感器寿命长，价钱价格便宜，适合推广。氨基酸测量，原理是，下一个： R-CH-NH2细菌或组织的R-C=O NH3 COOH氨基酸氧化酶COOH氨基酸扩散到电极表面的细菌膜或组织，由氨基酸氧化酶催化分解，产生氨，氨分子