第14章--離子敏傳感器與生物傳感器(已修改)
2025-08-27 23:19 本頁面
【正文】 傳感器原理與應(yīng)用 第 14章 離子敏傳感器與生物傳感器 第 14章 離子敏傳感器與生物傳感器 如圖所示是 ELIT雙電極組合系統(tǒng) ， 是由插入式全固態(tài)離子選擇電極 、 8mm參比電極和雙極組合插座組成 ，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的復(fù)合電極 ， 有效地達(dá)到了高率益 、低成本和實(shí)用性的最佳化 。 第 14章 離子敏傳感器與生物傳感器 圖示為英飛凌科技與德國馬克思浦朗克研究所合作研發(fā)的具有活神經(jīng)細(xì)胞的生物傳感器芯片 ， 可讀取細(xì)胞所發(fā)出的電子訊號 。 第 14章 離子敏傳感器與生物傳感器 這種被英飛凌稱為 “ 神經(jīng)芯片 ” 的突破技術(shù) ，將有助于研究人員在神經(jīng)元 、 神經(jīng)組織及有機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方面獲得新發(fā)現(xiàn) 。 在藥物發(fā)展領(lǐng)域中 ， 此種神經(jīng)芯片將有助于測試活神經(jīng)元新藥物配方的功效 。 第 14章 離子敏傳感器與生物傳感器 SBA40型生物傳感分析儀如圖所示 ， 是快速 、 精確測定葡萄糖 、 L乳酸和谷氨酸的雙指標(biāo)智能化儀表 ，國家級重點(diǎn)新產(chǎn)品 ， 通過更換不同的酶膜 ， 可以同時得到上述任兩種成分的定量分析結(jié)果 。 第 14章 離子敏傳感器與生物傳感器 離子敏傳感器 生物傳感器 離子敏傳感器 離子敏傳感器是一種電化學(xué)敏感器件 ， 是最早研究開發(fā)應(yīng)用的一類化學(xué)傳感器 ， 它能在復(fù)雜的被測物質(zhì)中迅速 、 靈敏 、 定量地測出離子或中性分子的濃度 。 其中 ， 離子選擇電極 (ISE)已在化學(xué) 、 環(huán)保 、 醫(yī)藥 、 食品及生物工程等工業(yè)領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用 。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)及微電子技術(shù)與微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展 ， 離子敏場效應(yīng)管等也得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用 。 離子敏傳感器 離子敏傳感器的原理框圖如圖所示 。 離子敏傳感器 離子傳感器技術(shù)的進(jìn)步取決于 敏感膜 與 換能器 ， 因此離子傳感器的分類通常是根據(jù)敏感膜的種類或換能器的類型來劃分的 。 ① 根據(jù)敏感膜的種類 ， 可劃分為 玻璃膜式 、 固態(tài)膜式 、 液態(tài)膜式 、 以離子傳感器為基本體的隔膜式 等 。 ② 根據(jù)換能器的類型 ， 可劃分為 電極型 、 場效應(yīng)晶體管型 、 光導(dǎo)纖維型 、 聲表面波型 等 。 離子敏傳感器 離子選擇電極 離子敏場效應(yīng)管 離子敏傳感器的應(yīng)用 離子選擇電極 離子選擇電極法是指使用離子選擇電極作指示電極的電位分析方法 ， 是電化學(xué)分析的重要分支 。 它具有快捷 、 準(zhǔn)確 、 精密度高 、 操作簡單 、 儀器體積小 、適于連續(xù)操作等特點(diǎn) ， 且電極不受樣品顏色 、 濁度 、懸浮物或粘度的干擾 。 已被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室痕量分析 、 常規(guī)離子分析及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域 。 現(xiàn)代離子電極定量分析方法的理論基礎(chǔ)是描述電極電勢與溶液組分關(guān)系的表達(dá)式 —— Nernst方程 。 離子選擇電極 內(nèi)參比電極封入一個塑料或玻璃材質(zhì)的無反應(yīng)性容器中 ， 并浸在容器中的內(nèi)參比溶液里 。在容器的下端用一塊 離子選擇性膜 封閉 ， 使離子選擇電極的溶液與外界隔離 。 不同的離子選擇電極其膜的物理性質(zhì)也不同，離子選擇電極的選擇性即源于離子選擇性膜 。 離子選擇電極 當(dāng)把離子選擇電極浸入溶液時 ， 若溶液中含有能透過離子選擇性膜的離子 ， 且內(nèi)參比溶液中該離子的濃度與樣品溶液中的濃度不相等時 ， 該種離子從高濃度一側(cè)向低濃度一側(cè)擴(kuò)散 ， 就在離子選擇性膜兩側(cè)產(chǎn)生了電位差 ， 該電位差依賴于樣品溶液中離子活度及內(nèi)參比溶液中離子的活度 ， 為 離子選擇電極 式中 ， n為被測離子上的基本電荷數(shù) ， 即相當(dāng)于 n個質(zhì)子的電荷； ai為樣品中的離子活度 ， aj為內(nèi)參比溶液中的離子活度； T為溫度； R為氣體常數(shù)； F為法拉弟常數(shù) 。 ijiji lnlnlnln aaaaanFRTnFRTnFRTnFRTE ????? 常數(shù) 離子選擇電極 電解質(zhì)溶液中某種離子的體積濃度是化學(xué)計(jì)量濃度 ， 以 Ci表示 ， 活度是指有效體積濃度 ， 以 ai表示 。二者是有區(qū)別的 ， 例如濃度為 其活度卻為 。 活度與體積濃度的關(guān)系為 iii C?a ?式中 ， ?i為離子的活度系數(shù) ， 一般 ?i1， 只有當(dāng) Ci趨于零時 ， ?i=1。 離子選擇電極 如圖所示 ， 通過一個高輸入阻抗的電位測量裝置測量離子選擇電極和參比電極之間的電位差即可知道離子濃度 。 前面公式是在電極僅對被測離子響應(yīng)的前提下得出的 。 然而離子選擇電極常常對其他離子也有響應(yīng) ， 則輸出將受其他離子的影響 。 離子敏傳感器 離子選擇電極 離子敏場效應(yīng)管 離子敏傳感器的應(yīng)用 √ 離子敏場效應(yīng)管 離子敏場效應(yīng)管 ISFET傳感器是在金屬氧化物場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)基礎(chǔ)上制成的對特定離子敏感的離子檢測器件 ， 是集半導(dǎo)體制造工藝和普通離子電 極 特 性 于 一 體 的 傳 感 器 ， 其 結(jié) 構(gòu) 與 普 通 的MOSFET類似 。 在 ISFET中 由特定的離子敏感膜 、 被測電解液及參比電極代替了 MOSFET的金屬柵極 。 離子敏場效應(yīng)管 離子選擇電極是利用離子感應(yīng)膜產(chǎn)生的膜電位(也稱為界面電位 )來進(jìn)行檢測的 。 用離子感應(yīng)膜來取代 MOSFET的金屬柵極 ， 得到 ISFET。 溶液中的特定離子能使膜兩側(cè)產(chǎn)生膜電位差 ， 此電位差又能引起溝道電流變化 。 所以 ISFET傳感器是集半導(dǎo)體制造工藝和普通離子電極特性于一體的新型傳感器 。 離子敏場效應(yīng)管 MOSFET的結(jié)構(gòu)如圖所示 。 離子敏場效應(yīng)管 ISFET的結(jié)構(gòu)如圖所示 ， 和 MOSFET相比 ， 用離子敏感膜代替了金屬柵極 。 離子敏場效應(yīng)管 電壓電流關(guān)系如圖所示 。 在飽和區(qū) ， Id與 Uds無關(guān) ， 僅取決于 Ugs。 若外加 Ugs不變 ， 因離子濃度改變導(dǎo)致膜兩側(cè)出現(xiàn)電勢差 ， Id將改變 。 離子敏傳感器 離子選擇電極 離子敏場效應(yīng)管 離子敏傳感器的應(yīng)用 √ √ 離子敏傳感器的應(yīng)用 主要應(yīng)用范圍分為下列三大類 ① 實(shí)驗(yàn)室的分析； ② 工業(yè)流程的分析； ③ 醫(yī)學(xué)上的分析 。 離子敏傳感器的應(yīng)用 離子選擇電極直接響應(yīng)溶
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