化學與生物傳感器

內(nèi)容概要

本書基于編者多年教學和科研的成果，結合近年來化學與生物傳感器的發(fā)展和應用，比較系統(tǒng)地闡述了化學與生物傳感器的基本原理、構造及應用。全書共9章，包括緒論、化學與生物傳感器中的換能器、敏感膜和敏感元件的制備技術、電化學傳感器、電化學生物傳感器、光化學與生物傳感器、其他化學與生物傳感器、化學與生物傳感器的應用、化學與生物傳感器的未來。本書內(nèi)容豐富，編排新穎，特別適合于教學和培訓使用。本書可供高等學校化學、應用化學、生物化學、環(huán)境化學以及相關專業(yè)本科生和研究生使用，還可供化學化工、生物技術、醫(yī)療衛(wèi)生、藥檢質(zhì)檢、環(huán)境監(jiān)測等部門的科研人員和分析檢驗人員參考。

書籍目錄

前言
主要符號說明
第1章 緒論
 1.1 傳感器和傳感器系統(tǒng)
 1.1.1 傳感器的概念及其系統(tǒng)的組成
 1.1.2 傳感器的作用與功能
 1.1.3 傳感器的種類和名稱
 1.2 分子識別與傳感器
 1.2.1 分子識別
 1.2.2感官與傳感器
 1.2.3 生物傳感器的響應機理和構造
 1.2.4 化學與生物傳感器的性能參數(shù)
 1.2.5 化學與生物傳感器的命名
第2章 化學與生物傳感器中的換能器
 2.1 電化學換能器
 2.1.1 電化學換能器的組成和相關理論
 2.1.2 電極、參比電極和輔助電極
 2.1.3 固體電極
 2.1.4 修飾電極
 2.1.5 pH電極
 2.2　半導體器件
 2.2.1 導體與半導體
 2.2.2 半導體器件的性質(zhì)
 2.3　光化學換能器
 2.3.1 光電器件
 2.3.2 光導纖維
 2.3.3 光化學換能器的類型與原理
 2.4 石英晶振
 2.4.l 壓電效應與逆壓電效應
 2.4.2 聲波質(zhì)量換能器及頻變原理
 2.5　其他換能器
 2.5.1 熱敏電阻
 2.5.2 場效應晶體管
 2.5.3 光電極
第3章 敏感膜和敏感元件的制備技術
　3.1 敏感元件的構成及材料
　3.2 敏感元件的制備方法和性能
 3.2.1 吸附法
 3.2.2　共價鍵合法
 3.2.3　聚合物包埋法
 3.2.4　交聯(lián)法
 3.2.5 微膠囊法
 3.2.6 夾心法
　3.3　化學修飾電極
 3.3.1 CME的分類
 3.3.2 CME中基底電極的表面處理
 3.3.3　CME的制備方法
　3.4　溶膠一凝膠技術
　3.5 光器件的化學修飾
 3.5.1 化學修飾玻璃材料
 3.5.2　化學修飾光纖
第4章 電化學傳感器
　4.1 半導體氣體傳感器
 4.1.1 半導體氣體傳感器的工作原理
 4.1.2 半導體氣敏傳感器的結構和主要性能
 4.1.3　燃氣報警器
　4.2 電勢型化學傳感器
 4.2.1 離子選擇性電極
 4.2.2 場效應管電化學傳感器
 4.2.3 基于化學修飾電極的電勢型傳感器
　4.3 電流型化學傳感器
 4.3.1 電流型氣體傳感器
 4.3.2　過氧化氫傳感器
 4.3.3　無酶葡萄糖傳感器
第5章 電化學生物傳感器
　5.1 電化學測試的基本原理
 5.1.1 電流型傳感器的測量系統(tǒng)
 5.1.2 電流的產(chǎn)生及測量
 5.1.3 常用的控制電勢技術
第6章　光化學與生物傳感器
第7章　其他化學與生物傳感器
第8章　化學與生物傳感器的應用
第9章　化學與生物傳感器的未來
參考文獻
附錄

章節(jié)摘錄

第1 章　緒　　論1.1　 傳感器和傳感器系統(tǒng)1.1.1　 傳感器的概念及其系統(tǒng)的組成人和動物是依靠感官與自然環(huán)境相聯(lián)系的。感官包括眼、鼻、耳、舌和皮膚等，人們通過這些感官感受自然，即感覺顏色、氣味、聲音、滋味和冷熱等自然現(xiàn)象。感官不僅使人們感覺到生活的美好，更重要的是把人同自然和環(huán)境聯(lián)系起來，使人類通過感知自然而認識自己所處的環(huán)境。所以，傳感器最早來自“感覺”一詞。人們用眼睛看，可以感覺到物體的形狀、大小和顏色；用耳朵聽，可以感覺到聲音；用鼻子嗅，可以感覺到氣味；用舌品嘗，可以感覺到滋味；用手撫摸，可以感覺到物體的溫度和硬度。這種視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺是人類感覺外界刺激所必須具備的感官，稱為“五官” ，它們就是天然的傳感器。同人的感官相似，傳感器是指一些能把光、聲、力、溫度、磁感應強度、化學作用和生物效應等非電學量轉化為電學量或轉換為具有調(diào)控功能的元器件。它們是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。傳感器是人類通過儀器探知自然界的觸角，它的作用與人的感官相類似（圖1-1） 。計算機相當于人的大腦，傳感器就相當于人的五官。人的五官如果出了毛病，大腦就不能得出正確的結論，行為就會陷入盲目性，由此可見傳感器的重要性。在科學技術高度發(fā)達的現(xiàn)代社會中，人類已進入瞬息萬變的信息時代，人們在從事工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗等活動中，主要依靠對信息資源的開發(fā)、獲取、傳輸和處理。傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，是感知、獲取與檢測信息的窗口，它提供系統(tǒng)賴以進行決策和處理所必需的原始數(shù)據(jù)。一切科學實驗和生產(chǎn)過程，特別是在自動監(jiān)測和自動控制系統(tǒng)中要獲取的信息，都要通過傳感器轉換為容易傳輸與處理的信號。如果沒有傳感器對原始參數(shù)進行精確可靠的測量，如果傳感器不能靈敏地感受被測量，或者不能把感受到的被測量精確地轉換成電信號，其他儀表和裝置的精確度再高也沒有意義，無論是信號轉換或信息處理，或者是數(shù)據(jù)的顯示與控制，都將成為一句空話。不難看出，傳感器是自動控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的關鍵基礎器件，其技術水平直接影響到自動化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的水平。自動化技術水平越高，測量環(huán)境越惡劣，對傳感器技術的依賴程度就越大。所以傳感器技術的日新月異必將對科學技術的迅猛發(fā)展、人類生存環(huán)境的監(jiān)控，以及未來空間的拓展起到舉足輕重的作用。從“傳感器”的字面來看，傳感器不但要對被測量敏感，即“感” ，而且要把它對被測量的信息傳送出去，即“傳” 。所以，通常傳感器在不同場合或行業(yè)又稱為變換器、轉換器、檢測器、探測器（探頭、探針）和敏感元（器）件等。傳感器的英文一般用sen-sor 、transducer 、detector 、probe 、sensing element 等表達。這些不同的提法反映出在不同的行業(yè)和領域中，它們是根據(jù)各自用途對同一類型的器件使用不同的技術術語。從儀器儀表學科的角度強調(diào)，它是一種感受信號的裝置，所以稱為“傳感器” ；從電子學的角度，則強調(diào)它是能感受信號的電子元件，稱為“敏感元件” ，如熱敏元件、磁敏元件、光敏元件及氣敏元件等；從環(huán)境監(jiān)測的角度，則強調(diào)的是對物質(zhì)成分和濃度的檢測器，可稱為“檢測器”或“監(jiān)測器” ，如一氧化碳氣體檢測器、水質(zhì)監(jiān)測器。這些不同的名稱在大多數(shù)情況下并不矛盾。例如，熱敏電阻既可以稱為“溫度傳感器” ，也可以稱為“熱敏元件” 。但有些情況下，則只能用“傳感器”一詞，如利用壓敏元件并具有質(zhì)量塊、彈簧和阻尼等結構的加速度傳感器很難用“敏感元件”等詞來稱謂，而只有用“傳感器” 才更為貼切。另外，某些提法在含義上比較狹窄，而傳感器是使用最為廣泛而概括的用詞。作為對外部環(huán)境及其變化具有某種響應的傳感器，無論其外形、結構、檢測對象如何，首先都要有選擇性地“捕捉”或“接受”信息，然后把已感應到的信息按一定規(guī)律轉換成某種可用信號而輸出，以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。應當指出，這里所謂的“可用信號”是指便于處理、傳輸?shù)男盘?，一般為電信號，如電壓、電流、電阻、電容、頻率等。雖然光導纖維使光信號的傳輸變得快捷，但信號的處理、顯示和控制還是電信號更方便。如今，人們使用著各種各樣的傳感器，電冰箱、微波爐、空調(diào)有溫度傳感器；電視機有紅外傳感器；錄像機、攝像機有濕度傳感器；液化氣灶有氣體傳感器；汽車有速度、壓力、濕度、流量、氧氣等多種傳感器。這些傳感器的共同特點是利用各種物理、化學、生物效應等實現(xiàn)對被檢測量的測量?？梢?，在傳感器中包含兩個必不可少的因素，其一是檢測信號；其二是能把檢測的信息變換成一種與被測量有確定函數(shù)關系的，而且便于傳輸和處理的量。例如，傳聲器（話筒）就是一種傳感器，它感受聲音的強弱，并轉換成相應的電信號。又如，煤氣報警器根據(jù)敏感元件能感受到氣體濃度的變化，并把它轉換成相應的電信號。傳感器是以敏感元件為主體，加上輸入、輸出及輔助單元而構成的，單獨的敏感元件未必是實用的傳感器。對物理型傳感器而言，一般可由敏感元件單獨構成，即可直接實現(xiàn)“被測非電量― 有用電量”的轉換；而對化學與生物傳感器來說，通常必須通過前置敏感元件（感受器）預轉換后，再由轉換元件（換能器）進行二次轉換才能完成，即只能間接實現(xiàn)“被測非電量― 有用非電量（或非有用電量） ― 有用電量”的轉換。此時，傳感器的構成就相對復雜，須由敏感元件、轉換元件和其他輔助器件等組成。實際上，傳感器的具體構成方法視被測對象、轉換原理、使用環(huán)境及性能要求等具體情況的不同而有較大差異，但最基本的傳感器構成形式可由圖1-2 表示。如圖1-2 所示，傳感器一般由感受器和換能器組成，信號放大器、數(shù)據(jù)處理和顯示輸出常由附屬或外部設備承擔，一般不算作傳感器的必需組成部分。感受器的作用是有選擇性地“捕捉”或“接受”信號，使自己產(chǎn)生“響應” ；換能器的作用則是把特定的“響應”按一定規(guī)律轉換成某種可用信號而輸出，以滿足下一步信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。所以，作為敏感器件使用的傳感器主要包括感受器和換能器，但要完成測量，一般還要有信號的放大和顯示記錄裝置才能構成一個傳感器系統(tǒng)。很多時候，傳感器都是由感受器、換能器以及初級放大部件一起構成一個獨立器件并作為測量控制系統(tǒng)的一部分而工作的。1.1.2　 傳感器的作用與功能1.測量與數(shù)據(jù)采集這是傳感器最基本的功能，絕大多數(shù)傳感器都能實現(xiàn)測量與數(shù)據(jù)采集。例如，科學研究中的實驗測量、生態(tài)環(huán)境中的數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品制造中的數(shù)量計測以及銷售中所需的計量統(tǒng)計等都需要傳感器來完成。2.監(jiān)測與控制作用傳感器能檢測系統(tǒng)中處于某種狀態(tài)的信息，并由此跟蹤和控制系統(tǒng)的狀態(tài)。例如，在企業(yè)的生產(chǎn)線上裝備著各種各樣的檢測、顯示與控制裝置，以保證產(chǎn)品的正常生產(chǎn)和質(zhì)量。在這些系統(tǒng)中，傳感器首先對各種設備的運行參數(shù)和工作狀態(tài)，原料、半成品和產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量加以檢測，顯示在各類顯示器上，提供給操作和監(jiān)控人員進行控制和調(diào)節(jié)，或者傳輸指令給各種自動控制系統(tǒng)，如配料加料、溫度調(diào)節(jié)、酸度控制、灌注包裝等，以實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化。高度自動化的工廠、設備、裝置或系統(tǒng)可以說是傳感器的大集成。從計算機集成制造系統(tǒng)、幾十萬千瓦的大型發(fā)電機組、連續(xù)生產(chǎn)的軋鋼生產(chǎn)線，到無人駕駛的自動化汽車操縱系統(tǒng)，直至宇宙飛船或星際、航海、深海探測器等，均需配置數(shù)以千計的傳感器，用以檢測各種各樣的工況參數(shù)，以達到運行監(jiān)控的目的。3.檢測與診斷作用傳感器對所關心的信號進行采集，然后判斷是否合乎指標，能否正確工作?，F(xiàn)在使用醫(yī)用傳感器可以對人體的表面和內(nèi)部溫度、血壓及腔內(nèi)壓力、血液及呼吸流量、腫瘤、血液的分析、脈波及心音、心腦電波等進行高準確度的診斷，還能實現(xiàn)對病患的自動監(jiān)測與監(jiān)護。在環(huán)境保護方面，傳感器可用于對大氣、水質(zhì)污染的檢測，以及放射性和噪聲的測量等。4.觀測與探測作用傳感器是科學研究和工業(yè)技術的“耳目” 。在基礎科學和尖端技術的研究中，大到上千光年的茫茫宇宙，小到10-13 cm 的粒子世界；長到數(shù)十億年的天體演變，短到10 - 24 s 的瞬間反應；高到5 × 104～108　 ℃ 的超高溫或3 × 108 Pa 的超高壓，低到0.01 K的超低溫或10-13 Pa 的超真空；強到25 T 以上的超強磁場，弱到10-11 T 的超弱磁場，要檢測如此極端巨微的信息，單靠人的感官或一般電子設備已無能為力，必須借助配有相應高精度的傳感器系統(tǒng)。因此，某些傳感器的發(fā)展是一些邊緣科學研究和高新技術開發(fā)的先驅。資源探測傳感器可用于陸地、海洋、氣象、太空資源以及空間環(huán)境等方面的測量，如測定農(nóng)田土地實際狀態(tài)、作物分布，預防判斷災情，掌握森林資源、海洋資源、漁業(yè)資源等。5.建設現(xiàn)代生活傳感器在家庭生活中已得到普遍應用，各種電子產(chǎn)品的遙控器，監(jiān)測煤氣泄漏的報警器，空調(diào)、電熱水器、電冰箱和電飯鍋中使用的溫度傳感器，糖尿病人使用的血糖儀，這些傳感器為家庭生活提供了方便，性能安全可靠且能夠節(jié)省能源。有統(tǒng)計資料表明，家用電器中所采用的熱敏傳感器占熱敏傳感器總產(chǎn)量的40 % 左右。傳感器在生活、生產(chǎn)和科技領域有著非常廣泛的應用。日本把傳感器技術列為20世紀80 年代十大技術之首，美國把傳感器技術列為20 世紀90 年代的關鍵技術，而我國有關傳感器的研究和應用方興未艾。1.1.3　 傳感器的種類和名稱對不同應用領域、不同行業(yè)的成千上萬種傳感器進行分類本身就是一門科學，正確、科學地分類取決于對傳感器認識的程度與水平。對傳感器進行分類將有助于從總體上認識和掌握傳感器，并且對傳感器的開發(fā)與應用都具有重要意義。傳感器的種類繁多，一種被測量可以用不同的傳感器來測量，而且傳感器的原理多種多樣，同一原理的傳感器可以應用于不同領域。因此，對傳感器的分類是仁者見仁，智者見智，分類的方法也是多種多樣。對比人的感官，從理論上傳感器可以按表1-1 來分類。但實際上，對傳感器這樣一個品種繁多、結構和功能多種多樣的大家庭，至今國內(nèi)外還沒有一個統(tǒng)一的被普遍接受的分類方法。傳感器可以按被測量、能源種類、工作機理（作用原理） 、使用要求、技術水平等進行分類。按被測量主要有位移、壓力、力、速度、溫度、流量、氣體成分等傳感器；按能量種類分為機、電、熱、光、聲、磁六種能量傳感器；按工作機理可分為結構型（空間型）和物性型（材料型）兩大類。結構型傳感器是依靠傳感器結構參數(shù)的變化實現(xiàn)信號變換，從而檢測出被測量，這是目前應用最多、最普遍的傳感器；物性型傳感器是利用某些材料本身的物性變化來實現(xiàn)被測量的變換，其主要是以半導體、電介質(zhì)、磁性體等作為敏感材料的固態(tài)器件。結構型傳感器常采用按能源種類再分類，如機械式、磁電式、電式等；物性型傳感器主要按其物性效應再分類，如壓電式、壓磁式、磁電式、熱電式、光電式、仿生式等。按所使用的材料可以將傳感器分為陶瓷傳感器、半導體傳感器、復合材料傳感器、金屬材料傳感器、高分子材料傳感器等；按技術水平傳感器又可分為普通型和先進型兩大類。1.物理傳感器物理傳感器（physical sensors）是利用某些變換元件的物理性質(zhì)或某些功能材料的特殊性能制成的傳感器。它是利用某些物理效應，把被測的物理量轉化為便于處理的能量形式信號的裝置，其輸出的信號和輸入的信號有確定的關系。主要的物理傳感器有光電式傳感器、壓電式傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導纖維傳感器等。物理傳感器一般是直接利用物理型元器件的性質(zhì)制備的，如光電效應、壓電效應、熱敏效應、壓敏效應、熱敏效應等。目前，人們的工業(yè)生產(chǎn)和日常生活都離不開物理傳感器，它在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中也逐漸發(fā)揮越來越重要的作用。例如，以前的海嘯報警系統(tǒng)的基礎是地震檢波儀，當檢測到海底出現(xiàn)大的、淺的地震時，就可能出現(xiàn)海嘯。但是這個方法并不是很準確，常會發(fā)出錯誤的警告，因為并不是每次地震都會引起海嘯。為了克服這個缺點，海嘯報警裝置被換成了安放在海底的壓力傳感器，這些傳感器可以檢測到在其上路過的輕微的海嘯。日本和美國都相繼在其海岸線下沿著電纜線放置了一系列海底壓力傳感器，當這些傳感器檢測到海嘯時，安放在旁邊的浮標就通過衛(wèi)星將信號傳到海岸上，使人們及時得到預警，避免可能發(fā)生的危險。另外，物理傳感器不僅本身是物理傳感器家族的重要成員，化學和生物傳感器的基體往往是物理傳感器或與物理傳感器相關的元件，靈活運用物理傳感器必然能夠創(chuàng)造出更多的產(chǎn)品，產(chǎn)生更好的效益，因此物理傳感器也是其他類型傳感器發(fā)展的基礎。2.化學與生物傳感器化學傳感器（chemical sensors）是能夠將各種化學物質(zhì)（電解質(zhì)、化合物、分子、離子等）在自然環(huán)境中的存在形式定性和定量地轉換成有用信號而輸出的裝置。它一般由感受器（receptor）與換能器（transducer）組成，感受器具有化學敏感層的分子識別結構，換能器是可以進行信號轉換的物理傳感裝置。待測物質(zhì)經(jīng)具有分子識別功能的感受器識別后，所產(chǎn)生的化學信號由換能器轉化為與分析物特性有關的電信號或者光信號輸出，再經(jīng)由電子線路，通過儀表進行信號的再加工，構成分析裝置和系統(tǒng)。因而，化學傳感器是應用化學反應中產(chǎn)生的各種信息及其變化（如光效應、熱效應、場效應和質(zhì)量變化等）而設計的各種精密而靈敏的檢測裝置，其工作原理如圖1-3 所示。在科學研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護等很多領域，化學量的檢測與控制技術正在得到越來越廣泛的應用，而化學傳感器是這個過程的首要環(huán)節(jié)。隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，新原理、新材料的不斷發(fā)現(xiàn)，以及加工工藝的不斷發(fā)展和完善，化學量傳感器的發(fā)展也異常迅速，品種越來越多，涉及的學科也越來越多，這就使得化學傳感器成為一個多學科交叉、綜合性很強的技術學科，同時是一門實用性很強的技術科學。生物傳感器（biosensors）是一種特殊的化學傳感器，它以生物活性單元（如酶、抗體、核酸、細胞等）作為敏感基元，能對被測物進行高選擇性地識別，通過各種理化換能器捕捉目標物與敏感基元之間的作用，然后將作用的程度用離散或連續(xù)的信號表達出來，從而得出被測物的種類和含量。生物傳感器具有選擇性高，響應速度較快，操作簡

編輯推薦

　　闡述化學與生物傳感的基本原理，敘述幾種典型的換能器　　介紹化學與生物敏感器件的制作方法和技術，以及各種化學與生物傳感器的原理、構造和應用　　適用于化學、化工及相關專業(yè)本科生及研究生教學

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