第四章 电化学传感器

《第四章 电化学传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章 电化学传感器（67页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、课堂作业 1、化学电源的组成部分及各部分的作用？ 2、写出中性、碱性锌锰电池的表达式。第七章第七章 电化学传感器电化学传感器什么是传感器？什么是传感器？传感器是一种传感器是一种物理装置物理装置或或生物器官生物器官，能够探，能够探测、感受测、感受外界的信号、物理条件外界的信号、物理条件（如光、热、（如光、热、湿度）湿度）或化学组成或化学组成（如烟雾），并将探知的（如烟雾），并将探知的信息信息传递传递给其他装置或器官。给其他装置或器官。v传感器是一种检测装置。传感器是一种检测装置。v能感受到被测量的信息。能感受到被测量的信息。v并能将检测感受到的信息，按一定规律变换并能将检测感受到的信息，按一定规

2、律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。制等要求。v它是实现自动检测和自动控制的首要环节。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。电冰箱、微波炉、空调机有温度传感器；电冰箱、微波炉、空调机有温度传感器；电视机有红外传感器；电视机有红外传感器；录像机、摄像机有湿度传感器；录像机、摄像机有湿度传感器；液化气灶有气体传感器；液化气灶有气体传感器；汽车有速度、压力、湿度、流量、氧气等多汽车有速度、压力、湿度、流量、氧气等多种传感器种传感器我们周围的传感器我们周围的传感器

3、传感器的分类传感器的分类原理原理工作工作物理传感器：物理传感器：物理效应物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，诸如压电效应，磁致伸缩现象化学传感器：化学传感器：化学物质化学物质，如化学吸附、电化学反应等现象，如化学吸附、电化学反应等现象用途用途压力传感器压力传感器 位置传感器位置传感器 液面传感器液面传感器 能耗传感器能耗传感器 速度传感器速度传感器 加速度传感器加速度传感器 射线辐射传感器射线辐射传感器 热敏传感器热敏传感器 等等振动传感器振动传感器 湿敏传感器湿敏传感器 磁敏传感器磁敏传感器 气敏传感器气敏传感器 真空度传感器真空度传感器 生物传感器等生物传感器等原理原理对象对象检测检测质

4、量式质量式化学传感器的分类化学传感器的分类离子传感器离子传感器气体传感器气体传感器生物传感器生物传感器原理原理检测检测电化学式电化学式光学式光学式热学式热学式电位型传感器电位型传感器电流型传感器电流型传感器电导型传感器电导型传感器电化学传感器的性能指标1、灵敏度、灵敏度2、选择性3、响应时间4、底电流和仪器噪声5、一些其他的性能指标：测量范围、寿命、重现性、稳定性和温度系数等。离子传感器：离子选择性电极离子传感器：离子选择性电极定义：离子选择性电极是一类利用定义：离子选择性电极是一类利用膜电势膜电势测定溶液中测定溶液中离子的活度或浓度离子的活度或浓度的电化学传感器。的电化学传感器。原理：当它和

5、含待测离子的溶液接触时，在它的敏感原理：当它和含待测离子的溶液接触时，在它的敏感膜和溶液的相界面上产生与该离子活度直接有关的膜和溶液的相界面上产生与该离子活度直接有关的膜电膜电势势。特点：这类电极由于具有选择性好、平衡时间短的特特点：这类电极由于具有选择性好、平衡时间短的特点，是点，是电位分析法电位分析法用得最多的指示电极。用得最多的指示电极。离子选择性电极离子选择性电极均相膜均相膜 晶体膜晶体膜 非均相膜非均相膜 如硅橡胶膜如硅橡胶膜 刚性基质刚性基质pH，pNa 带正电荷带正电荷 如如 NO3-,ClO4-,BF4- 带负电荷带负电荷如如 Ca2+, Mg2+ 基本传基本传感器感器 非晶体

6、膜非晶体膜 流动载体流动载体 中性中性 如如K+ 气敏传感器气敏传感器 如如 CO2, NH4+电极电极 ISE 敏化传敏化传感器感器 生物传感器生物传感器 如酶电极，生物组织电极如酶电极，生物组织电极 一、离子选择性电极分类一、离子选择性电极分类 按按ISE敏感膜组成和结构分类：敏感膜组成和结构分类： F-, Cl-, Cu2+从上述分类可见到所有膜电极的共性：从上述分类可见到所有膜电极的共性：1）低溶解性：低溶解性：膜在溶液介质膜在溶液介质(通常是水通常是水)的溶解度近似为的溶解度近似为0，因此，膜材料多为玻璃、高分，因此，膜材料多为玻璃、高分子树脂、低溶性的无机晶体等；子树脂、低溶性的无

7、机晶体等；2）导电性导电性(尽管很小尽管很小)：通常以荷电离子的在膜内的迁移形式传导；：通常以荷电离子的在膜内的迁移形式传导；3）高选择性：高选择性：膜或膜内的物质能选择性地和待测离子膜或膜内的物质能选择性地和待测离子“结合结合”。通常的。通常的“结合结合”方式有：方式有：离子交换、结晶离子交换、结晶 、络合。、络合。 二、膜电位及其产生二、膜电位及其产生膜电位膜电位=扩散电位扩散电位(膜内膜内) + Donnan电位电位(膜与溶液之间膜与溶液之间) 扩散电位：扩散电位： 液液界面或固体膜内，因不同离子之间或离子相同而浓度不同而发液液界面或固体膜内，因不同离子之间或离子相同而浓度不同而发生扩散

8、即扩散电位。其中，液液界面之间产生的扩散电位叫液接电位生扩散即扩散电位。其中，液液界面之间产生的扩散电位叫液接电位。 这类扩散是自由扩散，正负离子可自由通过界面，没有强制性和选这类扩散是自由扩散，正负离子可自由通过界面，没有强制性和选择性。择性。2. Donnan(唐南唐南)电位：电位： 选择性渗透膜或离子交换膜，它至少阻止一种离子从一个液相扩散选择性渗透膜或离子交换膜，它至少阻止一种离子从一个液相扩散至另一液相或与溶液中的离子发生交换。这样将使两相界面之间电荷至另一液相或与溶液中的离子发生交换。这样将使两相界面之间电荷分布不均匀分布不均匀形成双电层形成双电层产生电位差产生电位差Donnan

9、电位。电位。 这类扩散具强制性和选择性。这类扩散具强制性和选择性。三、离子选择性电极各论三、离子选择性电极各论1. pH 玻璃膜电极玻璃膜电极 玻璃电极是最早使用的膜电极。玻璃电极是最早使用的膜电极。1906年，年，M. Cremer(Z. Biol.,1906,47,562)首先发现玻璃电极首先发现玻璃电极可用于测定；可用于测定；1909年，年，F. Haber(Z. Phys. Chem., 1909, 67,385)对其系统的对其系统的实验研究；实验研究；1930年，玻璃电极测定年，玻璃电极测定pH的方法是成为最为方便的方法的方法是成为最为方便的方法(通通过测定分隔开的玻璃电极和参比电极

10、之间的电位差过测定分隔开的玻璃电极和参比电极之间的电位差)；1950年，由于真空管的发明，很容易测量阻抗为年，由于真空管的发明，很容易测量阻抗为100M 以上以上的电极电位，因此其应用开始普及；的电极电位，因此其应用开始普及；1960年，对年，对 pH 敏感膜进行了大量而系统的研究，发展了许敏感膜进行了大量而系统的研究，发展了许多对多对 K+、Na+、Ca2+、F-、NO3-响应的膜电极并市场化。响应的膜电极并市场化。 电位法测定溶液的电位法测定溶液的pHpH值值测定装置测定装置玻璃电极玻璃电极饱和甘汞电极饱和甘汞电极电电 极极 构构 造造 球状玻璃膜球状玻璃膜：组成组成(按摩尔百分比按摩尔百

11、分比):Na2O22、 CaO6、SiO272膜厚约膜厚约30100m 内参比溶液内参比溶液：0.1mol/LHCl 内参比电极内参比电极：Ag-AgCl电极电极其中，其中，Si与与O构成的骨架是带负构成的骨架是带负电荷的，与此抗衡的离子是碱金电荷的，与此抗衡的离子是碱金属离子属离子M+：SiOOOOM 当金属离子与水溶液接触时，其中当金属离子与水溶液接触时，其中的的M+为为H+所交换。所交换。膜电位产生机理膜电位产生机理外部试液外部试液a外外内部参比内部参比a内内水化层水化层水化层水化层干玻璃干玻璃Ag+AgCl玻璃膜的组成玻璃膜的组成由于晶格氧离子与由于晶格氧离子与H+所结合的键的强所结合