第四章 化学与生物传感器

被测试溶液的性质在两个方面影响电池的总电势差。一是SCE 电极和被测试溶液之间的液接界问题。希望此电势差很小并且 恒定。另一个则来自于被测试溶液对玻璃膜电势差的影响。既 然电池中其它的界面均有恒定的组成，电池电势的变化可全部 归结为玻璃膜和被测试溶液之间的液接界变化。如果此界面仅 对单个物质i有选择性，电池电势是：
零电流
参比电极
图4.3 二－电极系统
(2) 玻璃电极
在20世纪早期人们已经认识到玻璃/电解质溶液界面的离子选择 性行为，从那时起，玻璃电极已被应用于pH值和碱金属离子活度 的测量。 银丝 Ag/AgCl
内充溶液
薄玻璃膜 图4.4 典型的玻璃电极示意图
进行测量时，薄膜整个浸在被测试溶液中，记录相对于一个如 SCE(饱和甘汞电极)的参比电极的电极电势。电池结构如下：
电化学传感器大多数是基于电化学原理来进行传感的， 在此，我们主要介绍电势型传感器和安培型传感器。
葡萄糖传感器
4.4.1.1. 电势型传感器(potentiometric sensor)
电势型传感器也称为离子选择性电极(Ion selective electrode, ISE)。 (1) 选择性界面 假设可以在两电解质溶液相之间产生一个界面，仅一 种离子可穿过，一个选择性的可透过膜可能作为一个 分离器来完成此目的。描述 两相中离子平衡的公式是 能斯特(Nernst)公式:
在仅考虑Na+和H+作为活性物质的情况下，我们已系统地阐明了 此问题。玻璃膜也对其它的离子有响应，如Li+，K+，Ag+和NH4+。 相关的响应可以通过相应的电势法选择性系数来表述，玻璃组分 对此有较大的影响。基于不同组分的玻璃的不同类型的电极已商 品化。它们广义上可分为：(a)具有选择性顺序为H+ >>> Na+ > K+、Rb+、Cs＋ >> Ca2+的pH电极，(b)具有选择性顺序为Ag+ >H+ >Na+ >> K+、Li＋ >> Ca2+的钠离子选择性电极，(c)具有较窄选 择性范围，选择性顺序为H+ > K+ > Na+ > NH4+，Li＋ >> Ca2+的通 用阳离子选择性电极。 更加通用的公式称为Nikolsky - Eisenman 方程：
RT pot E 常数 + ln(aH+ kH+ ,Na+ a + ) Na F
pot kH+ ,Na+
(4.4)
称为电势法选择性系数此表达式告诉我们，电池的电势与测试溶液 中的Na+和H+的活度有关，对这些离子的选择性定义为。如果比小 的多，那么此膜本质上将仅对H+有具有选择性响应。在此条件下， 在和m′相之间的电荷交换由H+主导。
James W. Jorgenson and Krynn DeArman Lukacs, Anal.Chem., 1981, 53, 1298-1302
4.2 化学传感器的定义
IUPAC的定义：化学传感器是一种将化学信息(例 如化学组成与浓度)转换为有用分析信号的装置。 转换过程可以是电化学的、光学的、热的和质 量型的。 在此我们主要讨论电化学型和光学型化学传感 器。
干玻璃
待测液 内充液
图4.5
玻璃膜的剖面图
水合层很薄，仅在该水合层中发生的玻璃和邻近溶液 之间的相互作用。膜电势的出现是因为硅酸盐网络对 特定阳离子有亲和力，它们被吸附在此结构上(可能在 固定的阴离子位点)。这种作用产生电荷分离从而改变 界面电势差。此电势差反过来将改变吸附和脱附的速 率。显然，玻璃膜与一个选择性可透过膜那样的简化 思想相悖。事实上，对于最感兴趣的一些离子，如质 子，它可能根本没有穿透玻璃膜。那么，这种离子迁 移数在整个膜中就并非是1，准确地讲在特定区域内可 能为零。我们仍能理解所观察到的选择性响应吗？如 果所感兴趣的离子主导了膜界面区域的电荷转移，答 案是肯定的。
B. 光学转换器：将由被分析物所引起的光学现象 转换为电信号。光导纤维广泛地应用于这方面，基 于光导纤维所发展的传感器又称为光极(optode)。 (1) 吸收型传感器： (2) 反射型传感器： (3) 发光型传感器： (4) 光散射传感器：
C. 热转换器：将由涉及到被分析物所引起的化学 反应所产生的热转换为电信号。 (1) 催化型： (2) 热导型：
化学传感器具有宽广的市场，例如，葡萄糖传感器（ 糖尿病）在美国每年有上百亿美元的市场！ 显然，没有单一的化学传感器能够满足所有的分析测 试要求，但是，可以根据要求设计和制备不同类型的 传感器及阵列传感器。
作业5：
1. 对于一个混合物的分离得到三个峰，分别为阳离子(t =78s)、 中性化合物(t=132.8s)和阴离子(t=264.6s)。所 用毛细管总 长度为48.5 cm，有效长度为40 cm，施加 电压为10 kV。 试求算电渗淌度以及不同离子的表观 淌度和有效淌度。 2. 在毛细管区带电泳分离苯胺、甲苯和苯甲酸，缓冲液的pH 为7，请判断出峰顺序。 3. 对于人尿样中重金属Pb2+的分析，试根据你所学的知识，设 计从采样到数据报告的全分析过程。 4. 举出你在日常生活中见到的化学或生物传感器。
(4.1) 这里离子i是可透过的离子。
如果物质i活度在一相中保持恒定，则两相间的电势差(常称为膜 电势，membrane potential, Em)与另一相中离子活度的关系符合 Nernst形式。 这种思想是离子选择性电极的本质。采用这些装置进行测量本质 上是测量膜电势，其本身包括电解质溶液相之间的液接界电势。 任何一个单一体系的性质在很大程度上取决于感兴趣的离子在膜 部分电荷转移中占主导地位的程度。我们在下面将看到真实装置 是相当复杂的，电荷通过膜迁移的选择性很难达到，且实际上不 需要。 已经研究过许多离子选择性界面，一些不同类型的电极已被商品 化。我们将通过它们中的几种来考察导入选择性的基本策略。玻 璃膜是我们讨论的出发点，因为它提供了一个相当完整的考察基 本概念和实际装置中常见的复杂问题的平台。
第四章
化学与生物传感器 Chemical Sensors and Biosensors
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 导言 化学传感器的定义 化学传感器的分类 化学传感器的原理 生物传感器
4.1 导言
许多分析问题需要实时检测，特别是依赖于测量来 做出快速决定的情况（例如过程控制或环境监控）， 另外，许多情况下需要的分析信息是现场、在线或遥 测。传感器能够很好地满足这些要求。 传感器是一种信息获取与处理的装置。人体的感觉器 官就是一套完美的传感系统，通过眼、耳、皮肤来感 知外界的光、声、温度、压力等物理信息。通过鼻、 舌感知气味和味道这样的化学刺激。
4.3.2 转换器
在化学传感器中主要采用的转换技术如下： A. 电化学转换器：将被分析物与电极相互作用的 信号转换为电信号。 (1) 电势型传感器：基于测量在零电流下电池的电势。 (2) 伏安(安培)型传感器：测量被分析物发生氧化还 原时所产生电流。 (3) 电导型传感器：测量由被分析物所引起的电导的 变化。 (4) 电容型传感器：测量由被分析物所引起的电容的 变化。
Em ( m") ( m" m ) ( m m' ) ( m' )
(4.3)
第一项和最后一项是由该界面上选择性电荷交换平衡所产生的界面电势差。这 种情况被称为Donnan平衡(Donnan equilibrium)。第二和三项是玻璃膜内的液 接界电势。在特定的文献中，它们称为扩散电势(diffusion potential)。 通过一系列的推导(详细推导见“电化学方法－原理和应用”第二版，邵元华 等译，p53-55)，可得到如下公式：
(b) 信号转换器(换能器，Transducer)是将被分析物有 关的化学信息转换为可测量的分析有用的信号，然后 记录和进一步处理。 主要有电化学电极(如电势、电流的测量)，光学检测元 件，热敏电阻，场效应晶体管，压电石英体及表面等离 子共振器件等。 有些传感器还包括一个分离器，一种膜，目的是增强 选择性。 一个理想的化学传感器应该具有高选择性、高灵敏度， 稳定性好和耐用，并且响应时间短！
D. 质量转换器：将由被分析物在选择性修饰表面上 累计所引起的质量的变化转换为该表面某一性质的 变化。 (1) 压电型传感器： (2) 表面声波型传感器： E. 基于新型原理：例如，纳米技术，SPMs ( Scanning probe microscopes)等。
4.4 化学传感器的原理
下面我们主要介绍电化学传感器和光学传感器的 原理。 4.4.1 电化学传感器(Electrochemical sensors)
化学传感器中基本的功能单元如下：
(a) 分子识别元件(感受器，receptor)是发生选择性 识别的区域，可以引起能够被transducer(转换器) 检测的化学或物理变化。识别过程可以基于不同 的原理，例如，化学原理，被分析物涉及到一个 化学反应；物理原理，无化学反应，但被分析物 可以产生吸光度、温度、质量或电导等的变化， 这些量与被分析物的浓度有特定的关系；生化原 理，涉及到生化反应，称为生物传感器。
图4.1 人体的感觉器官与化学/生物传感器
例如，人的鼻子就是一个很好的传感器： 肺是样品导入泵，上皮传感细胞作为“化 学传感器”，大脑作为微处理器和数据储 存器，整个过程（功能）同时进行。其 中最重要的组分是传感元件，它通过复 杂的识别过程，达到识别不同味道的作用。
化学传感器是一门由材料科学、超分子化学(分子识别 )、光电子学、微电子学和信号处理技术等多种学科相 互渗透成长起来的高新技术。具有选择性好、灵敏度 高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在 线连续监测的特点；可以高度自动化、微型化与集成 化，减少了对使用者环境和技术的要求，适合野外现 场分析的需求，在生物、医学、环境监测、食品、医 药及国家安全等利用有着重要的应用价值！
(4.2) 式中常数项是其它的界面上电势差的总和。此项可通过“标准化” 电极而得到，即用已知i活度的标准溶液取代电池中被测试溶液， 从而测量E值。
现在商品化的玻璃电极将玻璃电极和参比电极组装在一起。
Tips: 测量pH值的通用步骤如下： (1)将玻璃电极浸泡在水溶液 中；(2)采用两个标准pH溶液(pH值已知)进行校对，两者的选择应 该是使被测溶液pH值落在期间。
实际上，玻璃相的行为是相当复杂的。膜的本体厚度大约为50 m，它是干燥的玻璃，通过内部存在的阳离子专一地进行电荷 转移。通常，玻璃内部存在的阳离子为碱金属离子，如Na+或Li+。 溶液中的氢离子对该区域的导电并不做出贡献。与溶液相接触的 膜的表面与本体不同，因为玻璃的硅酸盐结构是水合的。
水合层 水合层
待测液
பைடு நூலகம்水合层
内充液
干玻璃层
吸附平衡
扩散电势
吸附平衡
图4.6 研究玻璃隔膜膜电势的模型
对于上图所示的一个关于玻璃膜的模型，玻璃将被认为由三部分组成。 在界面区域m′和m″与溶液中成分很快达到平衡，这样每一个吸附的 阳离子有一个活度，它反映了邻近溶液中对应的活度。玻璃的本体由m 代表，我们假设传导由单个物质进行，为了讨论的方便，假设为Na+。 因此整个体系由五个相组成，穿过膜的总的电势差是由本体区域的四部 分液接界构成：
化学信息可能源于涉及到被分析物的化学反应或 体系的一种物理性质。化学信息可能是定量的， 例如，样品特定组分(可能是原子、分子、离子或 生物分子)的浓度、活度或分压等；所涉及的样品 可以是固态、液态或气态。当然，化学信息也可能 是定性的，例如，某种化合物是否存在？或存在时 是否超过一定的量值。例如，烟道报警器。
分子功能性膜
图4.2 化学传感器的传感原理
4.3 化学传感器的分类
通常可根据识别元件和转换器来进行分类。
4.3.1 识别元件 A. 化学或合成的感受器。例如，基于各种平衡反应 (酸碱、络合、氧化还原)的识别过程；基于形状和大 小的识别过程(各种冠醚、杯芳烃、抗菌素)以及分子 印迹高分子。
B. 生物感受器。主要应用于生物传感器中的识别元 件。酶、DNA、各种活体组织、细胞等。