1、第10章 化学传感器 与医用电极,由三部分组成：电解质溶液，电极，测量电路。电解质溶液是被测对象，是离子导体。 电极是敏感器件，它由金属或其它材料做成，是进行电化学反应的地方。,在外加电压下，将化学量转变成电流信号的测量装置。 如图为电解电池电路，Ve为电源，它提供能量，在电池内产生电极反应。此时阳极产生氧化反应，称为氧化极，而阴极产生还原反应，称为还原极。,在外加电压下，将化学量转变成电导信号的测量装置。 如图为电导池测量电路。它是惠斯登平衡电桥，两电极放置在被测溶液中，两电极之间的阻抗 Zx 作为桥路的一臂。 为了清除极化现象，电源采用交流供电。 通过调节电位器R的触点B，使桥路输出为零，
2、此时B点位置表示输出大小。,K值越大，达到平衡时的离子浓度也越大，也就是电解质电离数目增多。,假设BA类型的电解质在溶液中电离成A-和B+离子，在平衡时有,设BA表示平衡时未电离的分子浓度，A-和B+表示平衡时A- 和B+离子的浓度，由质量作用定律可求出电离常数为:,在弱电解质溶液中，未电离的分子与电离后生成的离子之间存在动态平衡，称为电离平衡。,活度系数。大小表示电解质溶液浓度与有效浓度的偏差程度。只有溶液无限稀释时，活度才与浓度相等，此时1。,在电解质溶液中，由于离子之间以及离子与溶剂分子之间的相互作用，溶液中的浓度并不能代表“有效浓度”，为此引用活度。这个概念表示电解质溶液中的有效浓度。
3、 当溶液无限稀释时，离子活度就是其浓度。 在溶液中正负离子总是同时存在，因此在电解质溶液中单个离子活度无法测出，而只能测出两种离子的平均活度。,3.电极电位的产生,若固相锌离子化学势大于液相中锌离子化学势，那么固相中的锌离子便离开晶格，水化进入溶液成为液相的锌离子。 这时在电极上电子过剩带负电，溶液锌离子过剩带正电，因此在两相之间形成一个双电层，产生一个电势差，进一步阻止锌离子迁移，平衡后将在界面上建立一个很窄的电位差区域，此电势差就称为平衡相界电势，或平衡电极电势。,当金属浸没在电解质溶液中时，将在固相（电极）液相（电解质溶液）界面上发生反应。,如将锌电极浸没在一定浓度的硫酸锌水溶液中，在单
4、位时间内，一定数量的锌离子由金属迁向溶液，同时也有一定数量的锌离子由溶液迁向金属。,电极电位用单个电极是无法测量出这个电位的绝对值的。必须与另一电极(参比电极)组成一个化学电池，测量出两电极之间的电位差。若参比电极电位可以确定为零，则被测电极电位便可确定。（国际上规定标准氢电极的电位为零）,E0相对于标准氢电极的标准电位 R气体常数,F法拉第常数 Z参加电极反应的电子转移数 T绝对温度,设一电极反应为可逆电极反应：,在标准状态下参加反应的各物质活度为1，如果有气体参加反应，其分压为1个大气压。那么在25时相对标准氢电极得到的电位差即为该电极的标准电极电位 E0 。 实际应用状态往往不是标准状态
5、。由于溶液离子活度不同，电极电位将偏离标准电极电位。,则能斯特方程表达的电极电位为：,氧化态Ze 还原态,5.电化学电池的电动势,左边为锌电极（负极），右边为铜电极（正极）,电池表示方法为： - ZnZnSO4CuSO4 Cu + 符号“|”表示两相边界，“|”表示盐桥。整个电池电动势为：,E+铜电极电位；E-锌电极电位；,对一般化学反应,锌电极上,铜电极上,整个电极反应为：,6.液接电位和盐桥,此时高浓度的溶液向低浓度的溶液扩散，因为氢离子与氯离子淌度(即单位梯度下正负离子的移动速度)不同，移动快的氢离子在右边的累计量大于移动慢的氯离子，因此右边呈正电荷。而左边则剩余氯离子，呈负电荷。,C1
6、、C2为同一溶液的不同浓度， U+、U-为阳离子和阴离子的淌度,当两边出现正负电位时，氢离子移动速度减慢而氯离子移动速度加快，最后两边电荷量达到一定值，处于平衡状态。此时液接电位可用下式表示：,液接电位就是隔膜两边溶液离子不断的越过界面向另一面扩散而形成的。由于各离子扩散速度不一样，因而在界面上产生相反电荷，即存在液接电位。,浓度相同而电解质溶液不同，但有一共同离子。 由于两边电解质浓度相同，氯离子可认为不扩散，而氢离子向左扩散，钾离子向右扩散。但氢离子扩散速度比钾离子快，故界面左边带正电荷，右边带负电荷 。,实验表明液接电位数量在0.3V左右，为了减小此电位，通常在两溶液之间插入一个盐桥。
7、盐桥一般采用饱和氯化钾溶液。 由于盐桥浓度很高，因此盐桥溶液的离子向两边溶液扩散。又因为盐桥溶液的钾离子,和氯离子运动速度差不多，所以液接电位很小，只有几个mV。 对盐桥溶液的要求是：正负离子运动速度大体相同，浓度较高，不能与电池中的溶液起反应。,在测量电极电势时，用作基准电势的电极称为参比电极。,电极是化学传感器最重要的敏感元件，根据其在化学传感器中所起的作用，可分为：,1、参比电极,标准氢电极,结构如图所示。在电极瓶内装有H，其活度等于1 的盐酸溶液，插入镀铂黑的铂片,通入压力等于1大气压的氢气。在这种条件下构成的氢电极称为标准氢电极。 它的电极电位人为规定为零。镀铂黑可增大氢气吸附面积。
8、吸附了氢气的镀铂黑的铂片可视为一个“氢气棒”。,电极反应,氢电极电位,甘汞电极,是将Hg和Hg2Cl2的糊状物浸入含有Cl-溶液中，插入铂导线所构成。结构如图。,电极反应,电极电位E,当温度不变而Cl-离子固定时，甘汞电极电位不变，因此可作为参比电极。 甘汞电极电位只随电极内装的KCl溶液浓度（实质上是Cl-离子浓度）而改变，不随待测溶液的PH值不同而变化。,银-氯化银电极,是一种性能较好的参比电极。它的结构简单，只需在银丝（或银薄膜）上镀上一薄层AgCl，并浸在一定浓度的KCl溶液中便可做成，其结构如图。,电极反应,电极电位E,银-氯化银电极的电极电势与溶液中Cl-浓度有关。,3、工作电极和
9、辅助电极,根据电极电势的大小指示出物质浓度的电极称为指示电极。从材料上分为两种：金属电极和非金属电极，可作为指示电极（与参比电极构成电化学电池），可指示电动势大小。,2、指示电极,当电极通过一定电流时，会产生一定量的氧化或还原物质，根据其电解电流的大小测定物质含量，此电极称为工作电极。 辅助电极随工作电极起氧化或还原作用，它只能传递工作电极电荷，是为测定电流构成回路所用的电极，常用铂丝作成。,敏感膜在被测溶液和内参比溶液之间，在两相界面上进行离子交换和扩散作用，达到平衡时便产生恒定的相界电位。此时膜内和膜外两个相界电位之差就是膜电位。膜电位的大小与膜内外的离子活度有关。,离子选择性电极利用特殊
10、的敏感膜对溶液中某种特定离子产生一定的选择响应。 这类电极对特定离子活度的对数成线性关系。 主要有：固体膜电极，液体膜电极，气敏电极。,以MZ+为敏感膜的选择性离子来说明膜电位与离子活度的关系。当相界面上交换和扩散达到平衡时，此时膜内外电位和离子分布如图所示。,由此看出，膜电位与被测溶液离子活度存在一定关系，离子活度越大，膜电位越高。,对于指定离子选择电极，不对称电位是个常数，内部溶液浓度恒定已知。所以,膜电位为两个相界电位之差,当离子选择性电极和外参比电极组成电池时，外参比电极为正极，离子选择性电极为负极，则电池电极为测出电池电动势就可以确定被测溶液离子的活度。,当膜对阴离子有选择性响应时，
11、膜电势可写成,由曲线看出，在一定活度范围内(CD段)，膜电位与活度对数成线性关系。当被测离子活度趋向坐标原点时，趋向逐渐弯曲成EF段，膜电位不等于零。 因此离子选择性电极存在检测极限，此检测极限的确定一般根据CD延长线与EF延长线相交点对应的离子活度A为电极检测极限。,数值越小，电极对待测离子A的选择性愈好，干扰离子对电极干扰的影响越小。是个经验值，只能从实验测得。,同一种敏感膜，可以对不同离子有不同程度的响应，因此存在干扰离子问题。电极对各种离子的选择性，应采用电位选择性系数来表示。当存在干扰离子（或叫共存离子）时，膜电位与被测离子和干扰离子的活度之间存在如下关系：,分别测定被测离子A与干扰
12、离子X在不同活度时的电位，并画出两条E与log的关系曲线，然后用相等活度法或相等电位法求出电位选择性系数。,将被测离子与干扰离子混合起来，观察电极对它们的混合响应。有固定干扰法和固定活度法两种。,用同一支电极分别测定被测离子A与干扰离子X在不同活度时的电位，并画出两条E与log的关系曲线，然后用等活度法或等电位法求出电位选择性系数。,等活度法,等电位法,当两者电位相等时，可推导出：,将图中E1和E2数值代入后，便可求出 。,就是将被测离子与干扰离子混合起来，观察电极对它们的混合响应。有固定干扰法和固定活度法两种。,固定干扰法,在混合溶液中含有恒定活度的干扰离子，设其活度为 ，改变被测离子活度，
13、测定离子选择电极在相应的离子活度溶液中的电极电位，则可得到如图中DCEF曲线。 当被测离子活度减小到曲线 C 点时，逐渐出现干扰，曲线上弯，一直到F点呈现完全干扰，形成 EF 段水平区。将CD与EF二线分别延长，两线相交于A点。,A点的电位EA，可视为无干扰离子存在下被测离子活度为 时的电位，同时，这一点的电位也可视为无被测离子存在下干扰离子活度为 时的电位。 因此被测离子活度为 时的电位与干扰离子活度为 时的电位相等，故可按等电位法公式计算 。,阻抗特性,离子选择性电极的直流电阻与电极材料有关，如玻璃膜电极可达几百兆欧，而晶体膜电极只有数十千欧。 由离子选择性电极溶液参比溶液组成的电池，其内
14、阻应为三者电阻之和，但大多数离子选择电极的电阻比另两者的大得多，因此电池内阻大体可用离子选择性电极电阻表示。 测量时，可先测电池两端的电位差Ex，然后再并联一个与电池内阻相近的电阻Re，测出两端电压V，则内阻为：,响应时间,响应时间是指电极达到平衡时所需要的时间。响应时间与离子电极的种类及被测浓度大小和实验条件有关。 一般用实验方法确定响应时间，其方法是离子选择电极与参比电极同时接触试液，开始计时，一直到电极电位稳定在1mV以内。 一支好的电极响应时间常小于1s。,离子选择性电极的分类,根据膜电极响应机理，膜的结构、组分对离子选择性电极进行了分类：,基本电极,晶体膜电极,均相膜电极,非均相膜电
15、极,非晶体膜电极,带负电荷载体电极,流动载体电极,带正电荷载体电极,带中性载体电极,玻璃电极,晶体膜电极,晶体膜电极，它的膜材料物质为晶体。 晶体膜电极由电极管、内参比电极、内充液和敏感膜四部分组成 三种常见结构：带内参比溶液电极，无内参比溶液电极，复合电极,图（a）是一种由内参比电极和内参比溶液组成的选择性电极，内参比电极是一根Ag|AgCl电极，内参比溶液一般由电极种类所决定，如氟电极，一般用3.0m mol/LNaF作为内参比溶液.,电极管,1.带内参比溶液电极,图（b）与图（a）比较，它没有内参比溶液，是一种全固态电极，它的内参比电极一般使用一根导体银丝直接与固态膜焊接，固态压片膜的一
16、个表面加一层银粉，再将银丝焊接上去组成一个离子选择性电极。,导电固态接触层,2.无内参比溶液电极,图（c）是一种复合电极，它与外参比电极组合成一个测量电池，测量时免去了常用分开的参比电极，结构更加紧凑。,复合电极的外参比电极,3.复合电极,晶体膜电极,分类: 均相膜电极：它的膜材料由一种纯固体材料单晶或单种化合物或集中化合物均匀混合压片制成。 非均相膜电极：除了晶体敏感膜外，还加入了高混合惰性载体，如聚氯乙烯、硅橡胶、石蜡等，以改善电极传感性能。,玻璃电极是一种固体膜电极。此电极玻璃膜由不同玻璃组分构成，分别对氢、钠、钾等离子敏感。 H+响应的玻璃膜电极：敏感膜是在SiO2基质中加入Na2O、
17、Li2O和CaO烧结而成的特殊玻璃膜。厚度约为0.05mm。,水浸泡时，表面的Na+与水中的H+交换，表面形成水合硅胶层 。玻璃电极使用前，必须在水溶液中浸泡。,玻璃膜敏感作用一般以离子交换过程说明。玻璃膜可分成几个隔开的区域和界面：,E膜 = K + 0.059 lg a1 = K - 0.059 pH试液,实验证明，氢离子虽然在溶液与水化层界面起离子交换作用，但氢离子不能穿透玻璃膜。ED是一个常数，由于内部溶液离子活度是已知的，故EA电位也是常数。所以玻璃膜电位只取决于EB 。,由上式可看出，电极对钠的灵敏度是对钾的200倍。因此，当测量哺乳动物细胞外液（ K+浓度为510-3mol/L，
18、 Na+浓度为15310-3mol/L， pH7）时， H+和K+对电极电位的响应可完全忽略。,例如钠玻璃NAS11-18对各种离子选择性大小的次序为,在存在Na+、H+和K+时，电极电位为：,产生不对称电位的原因是因为玻璃膜内外表面的性质不同。,对球泡形，其值一般在1500兆欧。玻璃膜内阻与玻璃组分、表面性质及温度有关，还与膜厚及面积有关。 可以从图看出，电阻对温度的变化十分敏感。,选择性电极和参比电极组成的电池等效电路图。Ex为测量电池产生的电动势，Rx为内阻，并与等效电容Cx并联，Ri为后级测量电路输入阻抗，,当Ri/Rx1000时，N0.1%，故必须RiRx，一般不小于1000倍。,液
19、膜电极,不同于固态膜电极，敏感膜为液态。 钙离子电极是液膜电极的代表。,内参比溶液: Ca2+水溶液。液膜(内外管之间)：0.1mol/L二癸基磷酸钙(液体离子交换剂)的苯基磷酸二辛酯溶液。 其极易扩散进入微孔膜，但不溶于水，故不能进入试液溶液。,二癸基磷酸根可以在液膜-试液两相界面间来回迁移，传递钙离子，直至达到平衡。,钙电极适宜的pH范围是511，可测出10-5 mol/L的Ca2+ 。,在薄膜两面的界面发生离子交换反应：CaR2 = Ca2+ + 2R- 由于Ca2+在水相（试液和内参比溶液）中的活度与有机相中的活度差异，在两相之间产生相界电位。在25时为：,受体本身构成离子通道。当其结
20、合域与配体结合后，受体变构使通道开放或关闭，引起或切断阳离子、阴离子的流动，从而传递信息。,受体 receptor ：是细胞膜上或细胞内能识别生物活性分子并与之结合的成分，它能把识别和接受的信号正确无误地放大并传递到细胞内部。,配体 ligand ：能与受体呈特异性结合的生物活性分子。,生物体内的分子事件大都在细胞内进行的，因此细胞内环境的监测，日益受到人们的重视。细胞内环境的监测包括离子的监测(Ca2+、H+、K+、Na+等)，小分子的监测(O2、CO2、NH3等)与各种大分子的监测。,微电极要求尖端直径达到lm或更小，钙离子选择性微电极所用敏感材料为一种液体钙离子载体(ETHl29)。,为
21、了探讨Ca2+对心肌动作电位的影响，在实验溶液中加人了DM一硝基酚钙络合物，此络合物可在上述光脉冲的作用下释放出钙来。 再以紫外脉冲光经光导纤维从生理实验池的背侧照射到蛙心肌纤维上。,是一种测量电解质溶液中离子活度的微型固态电化学敏感器件。,由两部分构成，具有离子选择性的敏感膜和半导体场效应管。结构如图，它与半导体场效应管的结构差不多，只不过把栅极金属部分M用具有离子选择性的敏感膜代替。,敏感器件工作时浸在被测电解液中，敏感膜直接与溶液相接触，产生电化学反应，即产生电极电位。此电位与参比电极固定电位之差，作为栅电压加到场效应管栅源极上。,在测量回路中，使Va不变，而使被测溶液浓度变化。改变离子
22、活度，电池电势E就发生变化，于是调制了离子敏场效应管沟道电导，从而使漏源电流ID变化。不管敏感器件工作在哪个区域，漏源电流大小都与被测pH值成正比。,在电化学电池中，其相界电位分布如下：,其中E1为参比电极电位，E2为离子敏感膜电位，它取决于被测溶液离子活度。,用微型钾离子选择性场效应晶体管与钾离子选择性微电极同时监测细胞内外环境中钾离子的浓度。所得结果见图6.1.31A与图6.1.31B。,胞外微电极阵列提供了一种长期无损监测生物电活动的方法，典型的是1664个记录电极。 传统的细胞胞内记录技术在细胞生理研究中，但是，大部分电生理实验室所依赖的玻璃微吸管无法实现胞间传播信号的测量(例如，神经
23、元的突触传递，或者心肌细胞之间的间隙连接进行的信号传播)。 此外，细胞内记录和电压敏感染料是有损的测量方法，限制了标准电生理测量和光学方法的应用。,扩展门电极阵列的检测原理如图所示。 将金属电极阵列直接连到FET的栅极上，就好像金属电极是场效应管的扩展栅极，当培养在金电极上的细胞出现电活动时，细胞的动作电位通过导线传到JFET的栅极上，通过细胞的动作电位调节JFET的漏源电流，再通过后面的I-V转换电路，将电流信号转换为电压信号，通过后面的二级放大电路进行放大，从而检测出细胞动作电位 。,电极阵列有两个主要的不足，使它们对于研究神经网络功能和特定神经细胞对之间的变化并非十分理想： （1）细胞培
24、养时，CNS神经元的细胞体和生长是可移动的，至少在培养的第一星期可移动，测得的信号不能完全确定就是某个特定的细胞。 （2）既然神经细胞不能限制在电极中，记录信号和刺激信号可能发生于未知细胞的未知地方。 针对这些不足，研究工作者们做了改进，神经芯片本质上是一个集成微电极阵列，每个电极附近有一个小笼，细胞可以放置在小笼中。 神经细胞和电极之间是一一对应的，每个神经细胞位置是确定且孤立的。 对细胞信号的刺激和记录是无损且高度专一性的，因此记录的细胞特性不是相互干扰的。,根据几何光学来看，若发生全反射，光完全不会传递到折射面內。但是若是以电磁波的观点來看，在发生全反射的介面，电磁场会透入一小段距离，我
25、们叫这个波为渐逝波(evanescent wave)。 渐逝波是一个不会传播的波，他的强度是成指数衰減的，但是如果在非常靠近介面的地方，有会吸收光的物质，例如荧光分子，渐逝波仍然是有能力去激发这个荧光分子，因而产生荧光。,渐逝波光纤传感器,光纤传感器是利用光波作为换能媒体的传感器，换言之，光纤传感器是将待测对象的各种参数的变化转换成光学信号的变化。,渐逝波免疫光纤传感器,在去掉外壳的光纤表面附着一层抗体，如图，然后加入一种已知其量的荧光标记抗原和一种未知量的被分析物，由消耗波产生的荧光总量就显示出标记抗原与带入样品试验中的未标记物之比率。,许多化学反应都是以发热的形式释放能量，也有一些化学反应主要是以光的形式释放能量。 化学发光系指在没有吸入或放出热量也没有以电磁辐射形式输入能量的条件下，由放能化学反应产生的光辐射。这种放能化学反应就其性质而言是氧化反应。,它在催化剂(铁氰化物或铜离子或过氧化物酶)存在下受到强亲核试剂H2O2攻击后，通过一系列的中间体变成激发态的氨基酞酸根辐射体（具有发光的电子激发中间体）。 鲁米诺的化学发光反应见图。,作业：P209 2、4,
