第10章 化学传感器和电极.ppt

化学传感器是对化学物质敏感，并将其转换为电学信号的器件 医用电极用于生物电势测量和对生物体施加电刺激，是测量系统与生物体进行耦合的重要器件 性能指标 气敏传感器的主要参数及特性 灵敏度：对气体的敏感程度 响应时间 ：对被测气体浓度的响应速度 选择性：指在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力 稳定性：当被测气体浓度不变时，若其他条件发生改变，在规定的时间内气敏元件输出特性保持不变的能力 温度特性：气敏元件灵敏度随温度变化而变化的特性 湿度特性：气敏元件灵敏度随环境湿度变化而变化的特性 电源电压特性：指气敏元件灵敏度随电源电压变化而变化的特性 时效性与互换性：反映元件气敏特性稳定程度的时间，就是时效性；同一型号元件之间气敏特性的一致性，反映了其互换性 气敏传感器的性能要求 对被测气体具有较高的灵敏度 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 性能稳定，重复性好 动态特性好，对检测信号响应迅速 使用寿命长 制造成本低，使用与维护方便等 气敏传感器的分类 生物医学中常用的气敏传感器 氧电极 参考电极为阳极，工作电极为阴极，两电极进入试液中，并在二者间加上0.6~0.8V左右的电压，经过一系列的氧化还原反应，电路中有电流产生，并且此电流值大小与PO2成线性关系，可以根据电流大小计算出PO2的值。 在Clark氧电极的基础上有人又设计了一种阳极加热型经皮氧电极。 它利用加热丝加热皮肤至42℃~44℃，引起皮下小动脉扩张，皮下血流量增加，使得真皮上层的血液状况接近于动脉血状况； 除了皮肤组织消耗的氧外，剩余的氧气通过组织扩散到皮肤表面，可在皮肤表面测得此氧分压来近似得到动脉血PO2。 此种电极多应用于新生儿、婴幼儿的氧监测。 （1）电阻式气敏传感器 基本原理 是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。 当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。 氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。 具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。 当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2, ZnO)上，还原型气体吸附到P型半导体(CrO3)上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。 当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。 规则总结： 氧化型气体＋N型半导体：载流子数下降，电阻增加 还原型气体＋N型半导体：载流子数增加，电阻减小 氧化型气体＋P型半导体：载流子数增加，电阻减小 还原型气体＋P型半导体：载流子数下降，电阻增加 (2)非电阻型半导体气敏器件 非电阻型气敏传感器，是利用MOS二极管的电容—电压特性变化（ MOS二极管气敏元件 ）；MOS场效应管的阈值电压的变化（ MOS场效应管）；肖特基金属半导体二极管的势垒变化进行气体检测（肖特基金属半导体二极管）。 用于血液pH值的检测 红光不被吸收，任何化学变化可通过探测器接收的光的变化表现 固定化试剂： pH指示剂苯酚红与聚丙烯酰胺共价结合的微球 纤维素渗透膜：H+ pH测量范围7.0～7.4，精度±0.01pH，响应0.7min 湿度的定义及其表示方法 所谓湿度，是指大气中水蒸气的含量。它通常有如下几种表示方法： 绝对湿度（AH） 相对湿度（%RH） 露点 露点（温度） 在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度下降到某一特定值时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，这一特定温度就称为露点温度 湿敏传感器的定义 　一种能将被测环境湿度转换成电信号的装置。 　主要由两个部分组成：湿敏元件和转换电路，除此之外还包括一些辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输出显示设备等 连续性监测 分非侵入式和侵入式两大类： 1、经皮血气检测——非侵入式 气体易透过皮肤，对皮肤加热使气体透过表皮的通透性提高，皮肤组织内气体分压接近动脉血分压，通过体表的传感器可以检测组织内气体分压。 2、探针式、导管式及植入式——侵入式 导管式化学传感器插入血管中连续监测pCO2、pO2。 探针式和导管式PH电极 3、体外循环中体液成分的连续监测 第二节 生物电测量电极 电极的基本概念 电极的极化现象和极化电位 极化电极和非极化电极 电极的电学特性 常用的生物电测量电极 一、电极的基本概念 生物电是生物体最基本的生理现象，各种生物电位的测量都要用电极；给生物组织施加电剌激也要用电极 电极实际上是把生物体电化学活动而产