《医用传感器：10.1.化学传感器2.气敏电极3.生物电极》由会员分享，可在线阅读，更多相关《医用传感器：10.1.化学传感器2.气敏电极3.生物电极（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十一章第十一章 化学传感器与生物医用电极化学传感器与生物医用电极第一节第一节 化学传感器化学传感器Chemical sensor 化学传感器是生物医学测量中最化学传感器是生物医学测量中最常用也是最基本的测量装置之一。常用也是最基本的测量装置之一。 化学传感器是一种对化学物质敏化学传感器是一种对化学物质敏感并能将其转换成电信号的测定装置。感并能将其转换成电信号的测定装置。 化学传感器的特点：化学传感器的特点： 结构简单结构简单 取样少、测定速度快取样少、测定速度快 灵敏度高灵敏度高 半导体集成技术的发展可实现化半导体集成技术的发展可实现化学传感器的微型化，小到可以插入细学传感器的微型化，小到可
2、以插入细胞内进行测定；与计算机的结合可实胞内进行测定；与计算机的结合可实现传感器的智能化。现传感器的智能化。 化学传感器是化学传感器是酶、免疫、微生酶、免疫、微生物传感器物传感器重要的信号转换器，因此重要的信号转换器，因此在医用传感器中占有十分重要的地在医用传感器中占有十分重要的地位。位。 血气分析仪血气分析仪 电解质分析仪电解质分析仪 各种型号的血糖仪各种型号的血糖仪 主要内容：主要内容： 电化学测量基础电化学测量基础 参比电极参比电极 离子选择性电极离子选择性电极 气敏电极气敏电极 离子敏场效应晶体管离子敏场效应晶体管一、电化学测量基础一、电化学测量基础 （一）（一）测量系统测量系统 Me
3、asurement system 根据转变方式和输出电信号的不同，可将化根据转变方式和输出电信号的不同，可将化学传感器分为：学传感器分为： 图图10-1 原电池构成原电池构成图图10-2 电解电池构成电解电池构成 电位型测量系统电位型测量系统在电极在电极/ /溶液界溶液界面上自发地发生化学反应，将被测化学量面上自发地发生化学反应，将被测化学量转变为电位信号的测定装置。转变为电位信号的测定装置。 被测的化学量与电位之间的关系，符被测的化学量与电位之间的关系，符合能斯特方程：合能斯特方程： 电流型测量系统电流型测量系统外加电压下，外加电压下，在电极在电极/ /溶液界面上发生化学反应，将被溶液界面上
4、发生化学反应，将被测化学量转变为电流信号的测定装置。测化学量转变为电流信号的测定装置。 在一定条件下，其电流大小与离子在一定条件下，其电流大小与离子浓度成比例。浓度成比例。 电导型测量系统电导型测量系统在外加电压下，在外加电压下，将化学量转变成电导信号的测定装置。将化学量转变成电导信号的测定装置。 在离子浓度不大时，溶液的电导与离在离子浓度不大时，溶液的电导与离子浓度成正比。子浓度成正比。（二）基本概念（二）基本概念 1. 电离常数电离常数 Ionization constant 电离常数表示电解质电离能力的强弱电离常数表示电解质电离能力的强弱。 AB表示平衡时未电离的分子浓度，表示平衡时未电
5、离的分子浓度，A-和和B+表示平衡时表示平衡时A-和和B+离子的浓度。离子的浓度。 2 .活度和活度系数活度和活度系数 Activity and activity coefficient 活度指电解质溶液的有效浓度。活度指电解质溶液的有效浓度。 溶液浓度与活度之间的关系表示为：溶液浓度与活度之间的关系表示为： 为活度系数，表示电解质溶液的浓度与活为活度系数，表示电解质溶液的浓度与活度的偏差程度，即表示浓度有百分之几是有效的度的偏差程度，即表示浓度有百分之几是有效的 。通常。通常 0 1，当溶液无限稀释时，当溶液无限稀释时 。 如如0.1mol/L的盐酸溶液中，的盐酸溶液中，H+的活度就等于的活
6、度就等于0.0799mol/L，意思是说，意思是说，H+在化学反应起作在化学反应起作用的浓度是用的浓度是0.0799mol/L。（三）电极种类（三）电极种类 电极是化学传感器最重要的敏感元件，电极是化学传感器最重要的敏感元件，根据在化学传感器中所起的作用不同，可分根据在化学传感器中所起的作用不同，可分为：为：1.1.参比电极参比电极Reference electrodeReference electrode 参比电极参比电极测量电极电位时用作测量电极电位时用作基准电位的电极。基准电位的电极。 常用参比电极：标准氢电极、甘汞常用参比电极：标准氢电极、甘汞电极、电极、 电极。电极。（1 1）标准氢
7、电极标准氢电极 氢电极作基准氢电极作基准测量电极电位，测量电极电位，精度一般可高精度一般可高达达10v，但，但实验室中不用，实验室中不用，因其容易爆炸。因其容易爆炸。图图10-3 标准氢电极标准氢电极（2）甘汞电极）甘汞电极 电极由电极由Hg和和 Hg2Cl2的糊状物浸入含有的糊状物浸入含有Cl-的溶液中，插入的溶液中，插入Pt导导线构成。放置在线构成。放置在KCl溶液中。溶液中。图图10-4 甘汞电极甘汞电极25时甘汞电极的电极电位时甘汞电极的电极电位（3） 电极电极一种性能较好的一种性能较好的参比电极。它结参比电极。它结构简单，只需在构简单，只需在Ag丝上，镀上丝上，镀上一薄层一薄层AgC
8、l，并浸入一定浓度并浸入一定浓度的的KCl溶液中便溶液中便制成电极。制成电极。 图图10-5 银银/氯化银电极氯化银电极2.指示电极指示电极 Indicating electrode 指示电极指示电极根据电极电位的大小指根据电极电位的大小指示出物质浓度的电极。示出物质浓度的电极。 包括离子选择性电极、气敏电极、金包括离子选择性电极、气敏电极、金属或非金属电极属或非金属电极(Au、Cu、Pt，石墨电极，石墨电极等等)。3.3.工作电极和辅助电极工作电极和辅助电极 Working electrode auxiliary electrode 工作电极工作电极在外加电压下电解时，在外加电压下电解时，根
9、据其电解电流的大小测定物质含量的电根据其电解电流的大小测定物质含量的电极。极。 辅助电极辅助电极电解时为测定电流构成电解时为测定电流构成回路所用的电极（对电极）。回路所用的电极（对电极）。 图图10-6 测量系统测量系统 三电极系统：三电极系统：包括工作电极、辅助包括工作电极、辅助电极和参比电极（用于确定或控制工作电极和参比电极（用于确定或控制工作电极的电极电位的大小）。电极的电极电位的大小）。 二电极系统：二电极系统：参比电极兼作辅助电参比电极兼作辅助电极时的构成方式。极时的构成方式。二、离子选择性电极二、离子选择性电极 Ion selective electrode (ISE)Ion se
10、lective electrode (ISE)（一）（一）概述概述 离子选择性电极离子选择性电极用特殊敏感薄膜用特殊敏感薄膜制作的对制作的对溶液中特定离子有选择性响应的溶液中特定离子有选择性响应的电极。电极。 pH玻璃电极是离子选择性电极的典型玻璃电极是离子选择性电极的典型代表，对代表，对H+有选择性响应。有选择性响应。 1. ISE的特点的特点 (1)ISE的电极电位与特定离子活的电极电位与特定离子活度的对数呈线性关系，可作为指示电度的对数呈线性关系，可作为指示电极测定溶液中的离子活度；极测定溶液中的离子活度； (2)ISE结构简单、测定快速、灵结构简单、测定快速、灵敏度高、重复性好。敏度高
11、、重复性好。2.ISE的组成的组成3.ISE的特性的特性 （1 1）检测极限）检测极限 指电极所能检测离子的最低浓度。指电极所能检测离子的最低浓度。图图10-7 电极校准曲线及检测极限的确定电极校准曲线及检测极限的确定 在在一一定定活活度度范范围围内内（CDCD段段）电电极极电电位位与与被被测测离离子子活活度度的的对对数数成成正正比比，当当被被测测离离子子活活度度逐逐渐渐减减小小时时，曲曲线线由由CDCD直直线线段段逐逐渐渐弯弯曲曲成成EFEF段段，电电极极电电位位不不为为零零，说说明明离离子子选选择择电电极极存在检测极限。存在检测极限。 极极限限值值的的确确定定是是根根据据CDCD与与EFE
12、F延延长长线线相相交交点对应的离子活度作为其检测极限。点对应的离子活度作为其检测极限。 钠电极：钠电极：1010-6-6 mol/L mol/L ； 氯电极氯电极: : 510510-6-6 mol/L mol/L。（2 2）电位选择系数）电位选择系数 指同一支电极对不同离子的选择性响应，指同一支电极对不同离子的选择性响应，表征表征ISEISE选择性的优劣。选择性的优劣。电极对各种离子的选择电极对各种离子的选择性可用电位选择系数表示。在性可用电位选择系数表示。在 中，中，A A表示表示被测离子，被测离子，X X表示干扰离子。表示干扰离子。 钙钙电电极极用用于于测测Ca2+，但但其其对对Ba2+
13、也也有有响响应应，因因此此是是测测量量时时的的干干扰扰离离子子，若若其其对对Ca2+的的响响应应为为Ba2+的的100100倍倍，则则Ba2+对对Ca2+的的干干扰扰为为1/1001/100倍，所以倍，所以: : 越小，表明干扰越小，电极的选择性越好。越小，表明干扰越小，电极的选择性越好。 （3 3）响应时间）响应时间 响应时间指电极达到平衡电位时所需响应时间指电极达到平衡电位时所需要的时间。要的时间。 它与电极的种类及被测离子的活度、它与电极的种类及被测离子的活度、溶液的搅拌速度、敏感膜的组成及性质、溶液的搅拌速度、敏感膜的组成及性质、膜的厚度、参比电极的稳定性等有关。膜的厚度、参比电极的稳
14、定性等有关。 (4)(4)电极寿命电极寿命 电极寿命是指电极保持电极寿命是指电极保持NernstNernst响应的响应的时间。主要取决于膜的结构与性质。当时间。主要取决于膜的结构与性质。当实测电势与理论电势之比小于实测电势与理论电势之比小于0.90.9时，电时，电极不宜再使用。极不宜再使用。实验室常用的实验室常用的ISEISE球泡形球泡形 玻璃玻璃电极的极的结构构三、气敏电极三、气敏电极 Gas-sensing electrode 用于测定溶液中气体含量的电极。用于测定溶液中气体含量的电极。 常用的有：常用的有：O2电极和电极和CO2电极。电极。1. 氧电极（电流型电极）氧电极（电流型电极）
15、氧氧电极是一个通极是一个通过测定定电解解电流来流来测定溶液中氧含量的定溶液中氧含量的电解池。解池。 有两种：开放式和封闭式。有两种：开放式和封闭式。(1)(1)开放式氧电极开放式氧电极开放式氧电极测定氧的装置如图所示。开放式氧电极测定氧的装置如图所示。 外加电解电压，当铂电极电位相对参比电外加电解电压，当铂电极电位相对参比电极低极低0.2V0.2V时，氧在铂丝上开始电解，此时电流时，氧在铂丝上开始电解，此时电流计中有电流指示。计中有电流指示。 当铂电极相对参比电极低当铂电极相对参比电极低0.60.60.8V0.8V时，电流趋于时，电流趋于恒定，此时的电流与溶液中氧含量成正比。恒定，此时的电流与
16、溶液中氧含量成正比。 Clark氧电极是一种较为稳定的封闭式氧电极是一种较为稳定的封闭式氧电极。氧电极。铂电极与铂电极与 电极组合在一起电极组合在一起置于参比溶液中，与被测溶液之间用透氧膜置于参比溶液中，与被测溶液之间用透氧膜隔开。隔开。 此膜将被测溶液中溶解的氧气通过膜扩此膜将被测溶液中溶解的氧气通过膜扩散到膜内电解质溶液薄层，再扩散到铂电极散到膜内电解质溶液薄层，再扩散到铂电极表面进行还原产生电流。表面进行还原产生电流。 (2)(2)封闭式氧电极封闭式氧电极( (ClarkClark氧电极氧电极) )ClarkClark氧电极氧电极结构见图。结构见图。3.3.氧电极在医学中的应用氧电极在医
17、学中的应用 H H2 2O O2 2电极电极 H H2 2O O2 2电极是电极是通过测定电解电流来测定溶液中通过测定电解电流来测定溶液中H H2 2O O2 2含量的电解池。含量的电解池。H2O2电极电极 O2电极电极两极间外加一定电压，实际测量时，外加电压控制两极间外加一定电压，实际测量时，外加电压控制在电压在电压- -电流曲线的平滑部分，即电流曲线的平滑部分，即0.7-0.9V0.7-0.9V，此时，此时输出电流就与输出电流就与浓度成比例。浓度成比例。阳极反应阳极反应阴极放应阴极放应 二、二氧化碳电极（电位型电极）二、二氧化碳电极（电位型电极） CO2气敏气敏电极的极的结构由构由pH玻璃
18、玻璃电极和极和Ag/AgCl 参比参比电极极组成成电池，用透气膜将中池，用透气膜将中间溶液与被溶液与被测溶液隔离开来。溶液隔离开来。 测定时溶液中的测定时溶液中的CO2通过透气膜进入溶液，而通过透气膜进入溶液，而发生下列反应：发生下列反应：二氧化碳二氧化碳气敏电极在医学上的应用气敏电极在医学上的应用57 ISFETISFET是把离子选择性敏感膜和是把离子选择性敏感膜和FETFET相结合，将相结合，将离子活度的化学信息转化为电流或电压的变化。离子活度的化学信息转化为电流或电压的变化。P-Sip-SinnSDGFET结构结构1 1 结构与原理结构与原理ISFET结构结构P-Sip-SinnSD参比
19、电极参比电极敏感膜敏感膜被测溶液被测溶液四、离子敏感场效应晶体管四、离子敏感场效应晶体管 Ion sensitive field effect transistor (ISFET)(ISFET)P-Sip-SinnSDGVGSVDSIDFETFET工作原理工作原理: :59 反型层的形成反型层的形成 在栅极与源极之间施加电压，会导致栅源极之间的在栅极与源极之间施加电压，会导致栅源极之间的电荷流动，并在栅极绝缘层下的电荷流动，并在栅极绝缘层下的P P型半导体材料的表面大型半导体材料的表面大量积累负电荷而形成反型层。量积累负电荷而形成反型层。 N N型沟道的形成型沟道的形成 栅源电压若大于阈值电压
20、，栅极绝缘层下面将形成栅源电压若大于阈值电压，栅极绝缘层下面将形成强反型层，源漏极之间形成强反型层，源漏极之间形成N N型沟道。型沟道。 漏电流的形成漏电流的形成 在源漏极之间施加电压，则带电粒子沿着该沟道流在源漏极之间施加电压，则带电粒子沿着该沟道流通，电子便从源极流向漏极，形成漏源极之间的沟道电通，电子便从源极流向漏极，形成漏源极之间的沟道电流，称作漏电流，用流，称作漏电流，用I ID D表示。表示。 60图图 ISFET工作原理工作原理P-Sip-SinnSDVGSVDSID参比电极参比电极敏感膜敏感膜被测溶液被测溶液 ISFETISFET工作原理工作原理: : ISFET正是利用场效应
21、管的上述特性而实现对离子正是利用场效应管的上述特性而实现对离子浓度测量的。浓度测量的。61 敏感膜与溶液界面产生膜电位，该电位叠加在栅敏感膜与溶液界面产生膜电位，该电位叠加在栅压压上，引起场效应管漏电流的变化。根据能斯特方上，引起场效应管漏电流的变化。根据能斯特方程，程，膜电位的大小与溶液中的离子活度有关膜电位的大小与溶液中的离子活度有关，即，即62 实际施加于场效应管绝缘膜和半导体表面上的电实际施加于场效应管绝缘膜和半导体表面上的电压为压为 因此，只要设法利用生化反应过程所产生的物质因此，只要设法利用生化反应过程所产生的物质变化来影响栅极电压，便可设计出以离子敏场效应管变化来影响栅极电压，便
22、可设计出以离子敏场效应管为转换器件的半导体生物传感器。为转换器件的半导体生物传感器。 632 2 特点特点 构造简单，体积小，便于批量制作，成本低；构造简单，体积小，便于批量制作，成本低； 易微型化和多功能化；易微型化和多功能化； FETFET制作的敏感器件响应快，适用于自控监测制作的敏感器件响应快，适用于自控监测 和流程分析等。和流程分析等。643 3 应用应用尿素的测定：尿素的测定： +65 图 双栅极酶-FET传感器第二节第二节 生物医用电极生物医用电极 生物电：生物电：指生物的器官、组织和细胞在生命指生物的器官、组织和细胞在生命活动过程中发生的电位和极性变化。活动过程中发生的电位和极性
23、变化。 它是正常生理活动的表现，也是生物活组织它是正常生理活动的表现，也是生物活组织的一个基本特征。的一个基本特征。 在生命活动过程中在生物体内产生的各种电在生命活动过程中在生物体内产生的各种电位或电流，包括细胞膜电位、动作电位、心电、位或电流，包括细胞膜电位、动作电位、心电、脑电等。脑电等。一、生物医用电极一、生物医用电极 将生物体内的离子电流转变成电子电将生物体内的离子电流转变成电子电流或将电子电流转变成离子电流的器件流或将电子电流转变成离子电流的器件称为称为生物医用电极生物医用电极。二、电极的分类二、电极的分类1. 按工作性质分：按工作性质分：n 检测电极检测电极n 刺激电极刺激电极 （
24、1）检测电极）检测电极 测量生物电位时把生物电位引导到测量测量生物电位时把生物电位引导到测量仪器上所用的电极仪器上所用的电极。是一种是一种敏感元件敏感元件。 如心脏各部分的电活动可通过心电图反如心脏各部分的电活动可通过心电图反映出来；人的神经系统及脑部的疾患在脑映出来；人的神经系统及脑部的疾患在脑电图必有所表现。电图必有所表现。（2）刺激电极）刺激电极 对生物体施加电流或电压所用的电极。是对生物体施加电流或电压所用的电极。是一种一种执行元件执行元件。 用于三个方面：用于三个方面： 1）研究可兴奋组织的传导和反应规律；）研究可兴奋组织的传导和反应规律； 2）电治疗；）电治疗； 3）控制或替代生物体的某些功能。）控制或替代生物体的某些功能。 如除颤器，傻瓜除颤仪如除颤器，傻瓜除颤仪AED（3）检测与刺激共用电极）检测与刺激共用电极 心脏起搏器心脏起搏器美国前副总统切尼美国前副总统切尼2. 按电极大小分类按电极大小分类n宏电极：外形较大的电极。宏电极：外形较大的电极。n微电极微电极：外形微小的电极。主要用于细胞外形微小的电极。主要用于细胞 内外电位差的测定，以便了解细胞内外电位差的测定，以便了解细胞 的电活动的电活动。3. 按所处位置分类按所处位置分类n体表电极体表电极n体内电极体内电极皮下电极皮下电极植入电极植入电极
