第一节　电化学传感器概述

化学传感器研究的先驱者是Cremer。1906年,Cremer首次发现了玻璃膜电极的氢离子选择性响应现象。随着研究的不断深入,1930年,使用玻璃薄膜的pH传感器进入了实用化阶段。在此以后直至1960年,化学传感器的研究进展十分缓慢。1961年,Pungor发现了卤化银薄膜的离子选择性响应现象,1962年,日本学者清山发现了氧化锌对可燃性气体的选择性响应现象,这一切都为气体传感器的应用研究开辟了道路。1967年以后,电化学传感器的研究进入了新的时代,特别是近十多年来的迅速发展令人瞩目。

化学传感器的发展,丰富了分析化学并简化了某些分析测试方法,同时,也促进了自动检测仪表和分析仪器的发展。使某些实际分析测试得以用廉价设备解决某些领域的复杂问题,可节省大量的设备及其维护成本和培训费用。因此,化学传感器的技术是适合我国国情的一种有效的分析手段。

化学传感器的检测对象为化学物质,如按检测物质种类可以分为:以pH传感器为代表的各种离子传感器,检测气体的气体传感器以及利用生物特性制成的生物传感器等。如图2⁃1列出了化学传感器的种类。

图2⁃1　化学传感器的种类

依据其原理化学传感器可分为:电化学式、光学式、热学式、质量式等。电化学式传感器又可以分为电位型传感器、电流型传感器和电导型传感器三类。

一、电位型化学传感器

电位型化学传感器(potentiometric chemical sensor)是在电极和溶液界面上自发地发生化学反应,将被测化学量转变为电势信号的测定装置。在平衡条件下,被测的化学物质量与电势之间的关系符合能斯特(Nernst)方程:

E=A±BlnC

式中,E为电极电势;A,B是与物质种类、温度有关的常数;C为离子浓度。

pH玻璃电极和其他离子选择性电极均属于此种类型。电位型化学传感器测定离子浓度需将其与参比电极组成电池,通过测定电池电动势来测定离子浓度。测量电路如图2⁃2(a)所示。

图2⁃2　电化学测量系统

(a)电位型;(b)电流型;(c)电导型

当开关K接上标准电池E,电势差计触点在D点位置,调节可变电阻R,使U_AD=E,此时检流计G指零。当开关K接电极时,由于电化学反应产生的电势E_x不等于E,因此通过移动电势差计触点到D',使检流计G再指零,此时得到:

E_x=E

二、电流型化学传感器

电流型化学传感器(amperometric chemical sensor)是在外加电压下,在电极/溶液界面上发生化学反应将被测化学量转变为电流信号的测定装置。在一定条件下,其电流的大小与离子浓度呈线性关系。

在外加电压下,电极上发生电化学反应的电池称为电解电池。该电解电池测量溶液中的离子浓度有两种方法:测量电流的称伏安法测量系统,其中测量扩散电流的称为极谱法;另一种是测量电量的, 称为库仑法测量系统。测量电路如图2⁃2(b)所示。

三、电导型化学传感器

电导型化学传感器(conductimetric chemical sensor)是在外加电压下,将化学量转变成电导信号的测定装置。在离子浓度不太大时,溶液的电导与离子浓度成正比。

由于电解质溶液中的离子均参与导电,故电导型化学传感器特异性不高,这从一定程度上限制了它的广泛使用。测定溶液电导时,为避免电极的双电层充电,以及其他与直流电有关现象的产生,通常采用交流电桥测量溶液的电导,见图2⁃2(c)。

化学传感器的检测对象为化学物质,如按检测物质种类可以分为:以pH传感器为代表的各种离子传感器、检测气体的气体传感器以及利用生物特性制成的生物传感器等。