傳感器技術(shù) 課件 第10章 化學(xué)及生物傳感器

第10章

化學(xué)與生物傳感器10.1化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器是對(duì)各種化學(xué)物質(zhì)敏感并能將化學(xué)物質(zhì)的特性（如氣體、離子或電解質(zhì)濃度，空氣濕度等）的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器。10.1.1氣體傳感器性能要求：①傳感器必須對(duì)待測(cè)氣體具有足夠的。②傳感器應(yīng)具有特異性，以區(qū)分目標(biāo)氣體與其他氣體的混合物。③傳感器應(yīng)該具有快速的響應(yīng)時(shí)間。④傳感器的性能應(yīng)該在長(zhǎng)時(shí)間使用中保持穩(wěn)定。⑤傳感器需要能夠抵抗環(huán)境因素。⑥在需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行或使用電池供電的應(yīng)用中，低功耗是重要的性能要求。氣體傳感器是一種用于檢測(cè)、測(cè)量和監(jiān)測(cè)氣體成分、濃度和其他相關(guān)氣體參數(shù)的設(shè)備或裝置。氣體傳感器靈敏度

氣體傳感器特異性:

特異性表示氣體傳感器專門對(duì)某一種氣體的響應(yīng)能力，高特異性的傳感器僅對(duì)特定氣體產(chǎn)生響應(yīng)，而對(duì)其他氣體的響應(yīng)非常低甚至沒(méi)有響應(yīng)。響應(yīng)時(shí)間:

響應(yīng)時(shí)間是傳感器從檢測(cè)到氣體變化到發(fā)出響應(yīng)信號(hào)所需的時(shí)間。它表示氣敏元件對(duì)被測(cè)氣體濃度的響應(yīng)速度，在某些應(yīng)用中，短響應(yīng)時(shí)間至關(guān)重要。氣體傳感器穩(wěn)定性:

穩(wěn)定性指的是傳感器在整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定程度，主要受到零點(diǎn)漂移和區(qū)間漂移的影響。區(qū)間漂移則是指?jìng)鞲衅髟谶B續(xù)置于目標(biāo)氣體中時(shí)輸出響應(yīng)的變化，通常表現(xiàn)為傳感器輸出信號(hào)在工作時(shí)間內(nèi)的降低。在理想情況下，一個(gè)傳感器在連續(xù)工作條件下，每年的零點(diǎn)漂移應(yīng)該小于10%。穩(wěn)定性的好壞反映了氣敏元件對(duì)外界干擾的抵抗能力。因此，高穩(wěn)定性的傳感器在實(shí)際應(yīng)用中更為可靠，能夠提供準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。工作范圍:工作范圍指的是傳感器可以測(cè)量的氣體濃度范圍，這需要考慮應(yīng)用中的預(yù)期氣體濃度范圍。氣體傳感器零點(diǎn)漂移:零點(diǎn)漂移表示傳感器在沒(méi)有目標(biāo)氣體存在時(shí)，整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)傳感器輸出響應(yīng)的變化，通常應(yīng)該盡量減小零點(diǎn)漂移。

線性性:線性性表示傳感器的響應(yīng)與氣體濃度之間是否呈線性關(guān)系，這有助于準(zhǔn)確測(cè)量氣體濃度。選擇性:在存在多種氣體的環(huán)境中，選擇性表示傳感器能夠排除其他氣體的干擾，從而準(zhǔn)確檢測(cè)目標(biāo)氣體。對(duì)某種氣體的選擇性好，表明氣敏元件對(duì)其靈敏度較高等氣體傳感器氣體傳感器的分類濕度傳感器是一種能感受外界濕度變化，并通過(guò)器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置。濕度通常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)來(lái)表示。10.1.2濕度傳感器絕對(duì)濕度（absolutehumidity，AH）表示在一定溫度和壓力條件下，單位空間內(nèi)所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為??/??3。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為相對(duì)濕度（relativehumidity，RH）表示被測(cè)氣體中水蒸氣壓與該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣分壓的百分比，通常以%RH表示。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為濕度傳感器濕度傳感器的分類工作原理探測(cè)功能感濕材料電阻式電容式絕對(duì)濕度型相對(duì)濕度型陶瓷式半導(dǎo)體式結(jié)露型高分子式電解質(zhì)式濕度傳感器常用的濕度傳感器元件：氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻是一種利用吸濕性鹽類“潮解”導(dǎo)致離子電導(dǎo)率發(fā)生變化而制成的測(cè)濕元件。濕度傳感器常用的濕度傳感器元件：半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻，又稱半導(dǎo)瓷，是利用感濕材料表面吸附所引起的電導(dǎo)率變化來(lái)獲得有用信號(hào)從而進(jìn)行濕度檢測(cè)的一種電子元件。它由兩種以上的金屬、氧化物和半導(dǎo)體材料燒結(jié)成多孔陶瓷而成。根據(jù)電阻率隨濕度的變化，半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻可分為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷和正特性濕敏半導(dǎo)瓷。半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻具有靈敏度高、響應(yīng)速度快和可靠性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于濕度檢測(cè)領(lǐng)域。10.1.3離子傳感器離子傳感器是一種能夠?qū)μ囟x子選擇性響應(yīng)的離子選擇性電極，它能夠?qū)⒏惺艿降碾x子濃度轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號(hào)。水質(zhì)檢測(cè)10.1.4化學(xué)傳感器的應(yīng)用便攜式礦井瓦斯超限報(bào)警器是一種簡(jiǎn)單、可靠的設(shè)備，它能夠及時(shí)檢測(cè)到瓦斯?jié)舛瘸^(guò)安全標(biāo)準(zhǔn)的情況，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，化學(xué)傳感器的應(yīng)用如圖為汽車后窗玻璃自動(dòng)去濕裝置電路圖。這個(gè)電路設(shè)計(jì)用于控制汽車后窗玻璃的防霧功能。主要元件包括濕度傳感器RH和嵌入玻璃的加熱電阻絲RL以及繼電器K和晶體管VT1、VT2組成的施密特觸發(fā)器電路?；瘜W(xué)傳感器的應(yīng)用如圖是一個(gè)很簡(jiǎn)單的土壤濕度測(cè)量電路，該電路由檢測(cè)、放大、穩(wěn)壓源組成。RH是硅濕敏電阻，為三極管VT提供偏流，當(dāng)濕敏電阻插入土壤中時(shí)濕度不同，傳感器的阻值不同，基極的電流不同，基極電流變化使Ie在R2上換為不同電壓，經(jīng)過(guò)同向放大器放大，輸出電壓。濕度不同，輸出的電壓不同，以此來(lái)達(dá)到濕度測(cè)量的目的。10.2生物傳感器生物傳感器技術(shù)是一項(xiàng)跨學(xué)科的高新技術(shù)，融合了生物學(xué)、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)和電子技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)。其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜體系中可實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測(cè)。生物傳感器的分類按分子識(shí)別部分命名

生物傳感器的分類按信號(hào)轉(zhuǎn)換部分命名生物傳感器工作原理特點(diǎn)：①專一性強(qiáng)；②準(zhǔn)確度和靈敏度高；③無(wú)需樣品預(yù)處理；④快速響應(yīng)；⑤多功能性；⑥成本效益；⑦多樣性；⑧明確性；⑨生物相容性生物傳感器的分類酶?jìng)鞲衅髅競(jìng)鞲衅髅傅墓袒敲競(jìng)鞲衅餮芯康年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，能保持生物活性單元的固有特性，避免自由活性單元應(yīng)用上的缺陷。目前已有的固化技術(shù)如圖所示，有吸附法、交聯(lián)法、共價(jià)鍵合法、包埋法。生物傳感器的分類免疫傳感器免疫傳感器是一種利用抗原（抗體）的識(shí)別特性開(kāi)發(fā)的生物傳感器。當(dāng)病原體或其他異種蛋白（抗原）侵入動(dòng)物體內(nèi)時(shí)，該動(dòng)物體會(huì)產(chǎn)生能夠識(shí)別并清除這些異物的抗體。微生物傳感器生物傳感器的分類生物傳感器的應(yīng)用Clark氧電極是一種廣泛應(yīng)用于液相氧傳感器的設(shè)備，其原理是利用溶液中的溶解氧與電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生可測(cè)量的電流信號(hào)。其工作原理如圖所示，在電極結(jié)構(gòu)中，陽(yáng)極和陰極浸入溶液中，通過(guò)一個(gè)通透膜，氧分子可以擴(kuò)散到電極表面。在陰極，氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，導(dǎo)致電流的產(chǎn)生，而這個(gè)電流的大小與溶液中的氧含量成正比。生物傳感器的應(yīng)用如圖所示是梅毒抗體傳感器的工作原理，參考膜是不含抗原的乙酰纖維素膜，抗原膜表面覆蓋著梅毒抗原，容器1和容器3用于容納基準(zhǔn)電極和測(cè)量電極，而容器2則用于注入待測(cè)血清樣本。當(dāng)待測(cè)血清樣本進(jìn)入容器2時(shí)，如果樣本中存在梅毒抗體，這些抗體會(huì)與抗原形成復(fù)合體。由于抗體帶有正電荷，這些復(fù)合體會(huì)導(dǎo)致抗原膜表面的負(fù)電荷減少，從而引起膜的電位變化。這種電位變化可以通過(guò)測(cè)量連接在抗原膜和參考膜上的電極之間的電位差來(lái)檢測(cè)。如果存在梅毒抗體，電位差將隨之變化，以此檢測(cè)血清中梅毒抗體的存在。生物傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用:a