光电化学传感器的应用研究进展
摘要：光电化学传感器是基于物质的光电转换特性确定待测物浓度的一类检测装置。光电化学检测方法灵敏度高、设备简单、易于微型化，已经成为一种极具应用潜力的分析方法。本文主要介绍光电化学传感器的工作机理、特点和应用，并对有代表性的实验进行了一定的讲述和总结。
关键词：光电化学；传感器
一、引言
20世纪70年代，人们就开始研究光照下半导体电极的电化学行为，并逐渐发展成为一门新学科——光电化学。目前，光电化学是当前电化学领域中十分活跃的一个研究方向，它是光伏打电池、光电催化、光解和光电合成等实际应用的基础。光电化学过程即光作用下的电化学过程，在光照射条件下，物质中电子从基态跃迁到激发态，进而产生电荷传递。与电化学反应相类似，在光电化学反应体系中也会产生电流的流动。因此，利用光电化学反应可以把光能转变成化学能或电能，通过其逆过程则可以把化学能或电能转换为光能。
具有光电转换性质的材料主要分为4类。(1)无机光电材料这类材料主要指无机化合物构成的半导体光电材料，如Si、TiO2、CdS、CuInSe2等[1]。(2)有机光电材料：常用的有机类光电材料主要是有机小分子光电材料和高分子聚合物材料。小分子材料如卟啉类、酞菁类、偶氮类、叶绿素、噬菌调理素等[2~4]；高分子聚合物材料主要有聚对苯撑乙烯(PPV) 衍生物、聚噻吩(PT) 衍生物等[5]。(3) 复合材料：复合材料主要是由有机光电材料或者配合物光电材料与无机光电材料复合形成，也可以是两种禁带宽度不同的无机半导体材料复合形成的材料。复合材料比单一材料具有更高的光电转换效率。常见的复合材料体系有CdS-TiO2、ZnS- TiO2[1]、联吡啶钌类配合物-TiO2[6~9]等。基于TiO2的复合材料是目前研究最多的一种，也有用ZnO[10~12]、SnO2[13]、Nb2O5[14]、Al2O3[15]等其它宽禁带的半导体氧化物进行复合的。后来，利用金纳米粒子或者碳纳米结构的导电性，人们发展了基于金纳米粒子或者碳纳米结构-半导体复合物以提高半导体光生电子的捕获和传输能力。富勒烯/CdSe[16,17]、碳纳米管/CdS[18~21]、碳纳米管/CdSe[22,23]、卟啉/富勒烯/金纳米粒子[24]、CdS/金纳米粒子[25]等体系具有较高的光电转换效率。另外，某些生物大分子如细胞、DNA等也具有光电化学活性，可以通过它们自身的光电流变化研究生物分子及其它物质与它们的相互作用。
待测物与光电化学活性物质之间的物理、化学相互作用产生的光电流或光电压的变化与待测物的浓度间的关系，是传感器定量的基础。以光电化学原理建立起来的这种分析方法，
其检测过程和电致化学发光正好相反，用光信号作为激发源，检测的是电化学信号。和电化学发光的检测过程类似，都是采用不同形式的激发和检测信号，背景信号较低，因此，光电化学可能达到与电致化学发光相当的高灵敏度。由于采用电化学检测，同光学检测相比，其设备价廉。
二、光电化学的概述
1、光电化学的工作机理
要了解光电化学的工作原理，首先得研究光催化技术。光催化反应的本质是指在受光的激发后，催化剂表面产生的电子空穴对分别与氧化性物质和还原性物质相互作用的电化学过程。这里以半导体二氧化钛（TiO 2
）为例介绍一下光电化学的工作原理。 半导体TiO 2
具有由价带和导带所构成的带隙，价带由一系列填满电子的轨道构成，而导带是由一系列未填充电子的轨道所构成。当半导体近表面区在受到能量大于其带隙能量的光辐射时，价带中电子会受到激发跃迁到导带。由于在半导体中存在着带隙，所激发的电子的驰豫过程比金属中的激发电子要慢得多，高能量的光激发可在半导体中产生电子-空穴对，拥有纳秒（ns ）大小的足够寿命。其中电子居于较高的能量状态，并可作为一个还原剂，而价带中的空穴则具有较高的氧化电势，只要这些电荷载流子具有足够长的寿命，即它们能够被吸附的反应物所捕获，分别进行氧化和还原反应，而不会复合，就有可能被用来作为催化反应的催化剂（图1）。吸附在TiO 2表面的O 2
会捕获电子，形成超氧离子，从而阻止光生电子与空穴的复合[26]，生成的超氧离子在溶液中通过一定的反应形成H 2O 2
，进而转化为羟基自由基。
由于光生电子和空穴是相伴而生，且数量相等，两者接触时必然会发生复合，为了解决这一问题，通过采用外加电压迫使光生电子向对电极方向移动，电子就可能与光生空穴发生分离，减少或避免了发生简单复合的机会，从而发展出了一种新型的技术——光电化学。 目前，光电化学主要是以半导体纳米微粒为研究对象（图2）[27]，在光照射作用下，半导体微粒会产生电子-空穴对，并且流向粒子表面，与溶液中的氧化剂或还原剂反应，生成相应的产物，使得光生电子和空穴得到有效的分离。当极化电势大于E
redox 时，则发生氧化反应，产生阳极光电流（I a ）；当极化电势小于E redox 时，则发生还原反应，产生阴极光电流（I c ）；当极化电势既不利于氧化反应也不利于还原反应时，电极附近的光生电子或空穴会直接进入
到电极里，产生微弱的光电流。同时，由于半导体微粒的尺寸在纳米范围内，粒子尺寸小于载流子的自由程，因此可以降低光生载流子的复合，提高光能利用效率。
Fig.1 The charge reaction of TiO2 under the illumination
Fig.2 Photoelectrochemical progress of semiconductor nanoparticles.
2、光工作电极的制备
光电化学反应体系是在传统的光催化反应体系基础上发展而来的，一般有光源系统和三电极体系构成，其中对电极是金属电极，参比电极可以是饱和甘汞电极或氯化银电极，至于
电极。光电极即工作电极是光电化学体系中最为关键的部工作电极目前应用最多的是TiO
2
材料的常用制备方法有溶胶凝胶法、水热法、热溶剂法、直接件，且需要制备。半导体TiO
2
氧化法等。
实验中，我们常用的方法是直接氧化法。直接氧化法也是制备TiO
2
纳米材料的一种通用方法，可以采用阳极氧化法或者通过氧化剂氧化钛片制得。在制备的过程中，通过加入无
机盐可以控制TiO
2纳米棒的晶相，如：F
-
和SO
4
2-
可以形成锐钛矿型TiO
2
，Cl
-
可以形成金红
石型TiO
2。目前，阳极氧化法被广泛应用于TiO
2
纳米管的制备，且随着外加电压的变化，
可以得到不同长度的纳米管。
Fig.3 SEM and TEM images of TiO2 nanoparticles (A, B); nanorods (C, D); nanowires (E, F); and
nanotubes (G, H).
3、光工作电极的修饰
一个具有实际应用价值的光电化学体系必须具有光照稳定性，选择性，高效和宽的光谱响应。而一般的半导体还不能全部满足以上要求，如金属硫化物由于其禁带宽度比较窄，对
可见光非常敏感，但不稳定，易被光降解。而金属氧化物TiO
2相当稳定，但是禁带宽度（E
g
=
3.2 eV）比较宽，只能在紫外区显示光化学活性。然而，若对半导体材料TiO
2
表面进行修饰，如贵金属表面沉积、半导体偶合、表面敏化和金属离子掺杂等方法可以扩展光响应范围至可
见区，有效阻止电荷在转移过程的复合，从而改善TiO
2
光电化学性质。
4、光电化学反应的影响因素
（1）外加电压
在光电化学反应中，通过恒电位仪施加的电压对光电化学有着重要的作用。大量的研究
结果表明，在没有外加电压仅有光照或无光照仅加电压时，TiO 2
光电化学体系中所产生的电流非常微弱，说明光电化学反应必须用大于TiO 2禁带宽度能量（E g
= 3.2 eV ）的光源激发产生电子和空穴，然后利用外加的电压使电子和空穴分离，才能达到光电催化的目的。
一般来说，在光电降解有机物的反应中，存在一个最佳电压值，不同的实验条件下得到的最佳电压值是不同的。比如，在采用TiO 2
颗粒膜电极[28]，250 W 氙灯或1000 W 卤素灯对4-氯苯酚进行光电催化降解时，选择的外加电压为600 mV （SCE ）。采用TiO 2
/Pt/玻璃薄膜电极[29]，30 W 紫外灯对可溶性染料进行光电降解时，采用的最佳电压为800 mV （SCE ）。而Kim 等用TiO 2
薄膜电极和15 W 紫外灯对甲酸进行光电降解时，外加电压达到了2.0 V （SCE ）。
（2）pH 值的影响
在光催化反应中，溶液的pH 值对反应动力学的影响较为复杂。一般认为，改变pH 值将改变溶液中TiO 2界面电荷性质，因而影响电解质在TiO 2
表面上的吸附行为。但在光电化学反应体系中，由于存在外加阳极偏压，溶液初始pH 值对有机物降解动力学的影响更为复杂。有研究表明[30]，在不同的pH 值条件下，TiO 2
电极有不同的伏安特性：当光照射时，极限光电流是溶液pH 值的函数，pH 值为5时极限光电流最大，在pH 值为8时要小一些，pH 值为3时最小。然而，不同pH 值条件下光电化学反应的速率常数的大小顺序为：pH8 > pH5 > pH3，原因是由不同的机理造成的。
（3）光强的影响
由于TiO 2
的禁带宽度为3.2 eV ，所用的激发光波长必须小于387 nm 。目前用的最多的是人工光源，如：中压汞灯、高压汞灯、紫外线杀菌灯等，而太阳光利用率比较低，一般均小于5%。研究表明[31]，低辐射时，反应速率常数k 与光辐射度I 存在线性关系，高辐射时，k 与I 的平方根之间存在线性关系。一般来说，高强度的灯或集中的太阳光源，其光子效率较差。这是由于光强过大时，存在中间氧化物在催化剂表面的竞争复合；同时，随着光强的增加，电子与空穴增加，电子与空穴的复合也会增加。
（4）氧气的影响
氧气对有机物光电降解的影响主要来自两个方面，第一，氧气是有机物降解反应发生的必要条件，在反应过程中有机物和氧气分别被氧化和还原。第二，氧气直接影响TiO 2
半导体
电极的开路电位光电压响应[32]，如当半导体电极存在于氧气饱和的0.05 mol L -1
的NaOH 溶液中时，光电流响应值比在用N 2饱和的溶液中要小12.5%左右，这是因为当没有氧气存在时，光生电子不会被猝灭，而是向对电极运动，形成较大的光电流；但是当有氧气存在时，绝大部分光生电子被猝灭，流向对电极的相对来说比较少，所以电流也要小得多。可见，氧气会影响光电化学反应中外电路中电流的大小。
（5）电子接受剂
在光催化反应中，电子接受剂是氧，但是对于光电化学反应来说在无氧的条件下也可以有效进行，这说明光电化学反应中的电子接受剂不一定是氧，而可能是H +。如果是H +
充当了光电化学反应中的电子接受剂，阴极上应该有氢气产生。同时，有研究[33]发现溶液pH 值随时间不断升高，这也证明光电化学反应中有氢气产生。因为在对电极上发生析氢后，溶液中H +减少，pH 值增加。当光电化学反应在氧气饱和的溶液中进行时，溶液pH 值也会随时间不断升高，但与N 2饱和的溶液相比较，pH 值的增加要小一些，说明氧气和H +都是电子接受剂。
根据上面的分析我们可以知道，在光电化学反应降解有机物过程中，留在阳极上的空穴具有强的氧化能力，与水分子反应生成羟基游离基等氧化能力极强的氧化剂，使有机物氧化。而在无氧条件下时，具有很强还原能力的光生电子在阴极上同H +
反应放出氢气。因此，光电化学方法不仅能消除有机污染物，同时还能产生大量洁净的氢能源，目前在这方面的研究还不多。
二、光电化学的应用研究
光电化学分析是在电化学方法基础上发展起来的一种新型的检测方法，该方法利用光和电两种方式作为信号的产生和检测，由于两者不会相互干扰，背景低，因此与电化学分析方法相比光电化学具有更高的灵敏度。近年来，随着新型半导体材料以及相关技术的不断涌现，光电化学半导体生物传感器得到了迅猛的发展，已经在微型化、集成化等方面显现出其独特的优越性，在生命科学、药物动力学、环境监测和食品等领域具有广阔的应用前景[34,35]。下面主要介绍了基于半导体生物传感器的光电分析方法应用研究。
目前，光电化学分析方法已经在DNA 杂交（图4）[36,37]、免疫检测[38]、配体受体结合[39]等方面得到了广泛的应用。Liang 等[40]通过光电化学分析方法成功检测了溶液中化学
损伤的DNA ，并利用光电化学生物传感器研究了Fenton 试剂对DNA 的氧化损伤，以及氧化苯乙烯与DNA 的加合物[41]。随后，他们[42]将葡萄糖氧化酶组装到传感器表面，模拟生物体内Fenton 反应对DNA 的损伤。郭良宏小组[43]采用光电化学生物传感器有效地检测了苯乙烯对DNA 的损伤效应，为有机化合物潜在基因毒性的风险评估提供一个快速筛查工具。
Fig.4 Schematic illustration of the measurement of a photocurrent using a gold electrode modified
with an anthraquinone-modified DNA duplex.
近年来，由于半导体纳米颗粒不仅能提高光化学反应效率，而且能与生物分子有效结合并能保持生物分子的活性，因此在光电化学检测中占有越来越重要的地位。半导体纳米粒子作为生物识别的发光标记物已被应用于DNA 定量和杂交的检测。Willner 小组[44-46]将CdS 纳米粒子与乙酰胆碱酯酶相结合，利用CdS 粒子的光电化学性质，实现了乙酰胆碱酯酶（AChE ）抑制剂的检测（图5）。他们将CdS 纳米粒子与AChE 以共价结合的方式固定在金电极表面，在光照情况下，CdS 纳米粒子会产生电子和空穴，但电荷之间的快速复合使得体系中并没有产生明显的光电流。当AChE 底物硫代乙酰胆碱加入后，则会观察到明显的光电流，其原因是AChE 将硫代乙酰胆碱催化水解为醋酸盐和硫代胆碱，硫代胆碱通过捕捉CdS 纳米粒子所产生的空穴，抑制电子-空穴对的复合，使导带电子能够迁移至电极表面从而产生稳定的光电流。当乙酰胆碱酯酶活性受到抑制时，光电流会下降，根据输出光电流的大小便可得到AChE 抑制剂的浓度。Vastarella 等[47]将CdS 纳米簇与甲醛脱氢酶结合在金电极表面，对甲醛进行光电化学检测，该方法的检测限达到1.37×10-6 mol L -1
，且具有很好的稳定性。尽管基于半导体生物传感器的光电分析研究还处在起步阶段，但是半导体纳米粒子与
生物分子的结合构建了一种新型的光电化学体系，经生物分子修饰的半导体量子点的引入使得生物传感器微型化成为可能[48]。
Fig.5 Assembly of the CdS nanoparticle/AChE hybrid system used for the
photoelectrochemical detection of the enzyme inhibitor.
光电化学半导体生物传感器是通过半导体光敏材料将光学系统与生物传感器结合在一起，使得生物传感器的检测灵敏度和稳定性得到了很大的提高，同时也扩大了生物传感器的应用范围。Chee小组[49]设计了TiO
催化生物传感器，基于有机化合物易被光催化氧化降
2
解，实现了河水BOD的测定，并且可以对水样进行连续监控。金利通等[50]利用溶胶-凝胶
光催化传感器，与流动注射法相结合，分析测定了D-葡萄糖溶液中浸渍-提拉法制备了TiO
2
化学需氧量（COD）。在外加电压（0.4 V）及紫外光照射下，TiO
传感器表面会发生电荷转
2
移并形成光电流，通过电流变化量与溶液中COD值的线性关系，可以得到待测样品的COD。Zen等[51]利用丝网印刷镀铜的碳电极（CuSPE）制成光催化电流型传感器，用于磷酸盐缓冲溶液中溶解氧的检测，该光电化学方法具有良好的重现性。
三、展望
尽管基于半导体生物传感器的光电分析研究还处在起步阶段，但是半导体纳米粒子与生物分子的结合构建了一种新型的光电化学体系，经生物分子修饰的半导体量子点的引入使得生物传感器微型化成为可能。随着研究的不断深入，光电化学半导体生物传感器有望应用于食品分析、环境监测、生物检测和医学研究等领域，尤其在传感器领域中其应用前景非常广阔。
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引言 化学传感器（Chemical sensor）是由化学敏感层和物理转换器结合而成的，是能提供化学组成的直接信息的传感器件。它用来某种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测来进行化学测量。化学传感器在生产流程分析、环境污染监测、矿产资源的探测、气象观测和遥测、工业自动化、医学上远距离诊断和实时监测、农业上生鲜保存和鱼群探测、防盗、安全报警和节能等多个方面有重要应用。 对化学传感器的研究是近年来由化学、生物学、电学、热学微电子技术、薄膜技术等多学科互相渗透和结合而形成的一门新兴学科。化学传感器的历史并不长，但世界各国对这门新学科的开发研究，投以大量的人力、物力和财力。研究人员俱增，正在向产业化方面开展有效的工作。化学传感器是当今传感器领域中最活跃最有成效的领域。 化学传感器的重要意义在于可把化学组分及其含量直接转化为模拟量(电信号)，通常具有体积小、灵敏度高、测量范围宽、价格低廉，易于实现自动化测量和在线或原位连续检测等特点。国内外科研人员很早就致力于研究化学传感器的检测方法和控制方法,研制各式各样的化学传感器分析仪器,并广泛应用于环境监测、生产过程中的监控及气体成分分析、气体泄漏报警等。 第一章化学传感器的研究背景 1.1 化学传感器的产生与发展阶段 1906年Cremer首次发现了玻璃膜电极的氢离子选择性应答现象。随着研究的不断深入，1930年，使用玻璃薄膜的pH值传感器进人了实用化阶段。以后直至1960年，化学传感器的研究进展十分缓慢。1961年，Pungor发现了卤化银薄膜的离子选择性应答现象，1962年，日本学者清山发现了氧化锌对可燃性气体的选择性应答现象，这一切都为气体传感器的应用研究开辟了道路。 真正意义上的化学传感器的发展可分为两个阶段，在60年代和70年代,化学
第12卷第6期重庆科技学院学报(自然科学版2010年12月 收稿日期:2010-07-20 基金项目:重庆市教委科学技术研究资助项目(KJ101315 作者简介:刘艳(1968-,女,四川乐山人,副教授,研究方向为电化学传感器。 在生命科学研究和医学临床检验中,需对各种各样的生物大分子进行选择性测定。据统计,全世界每年要进行数亿次免疫学和遗传学病理检验。常用的检验小型化分析装置和检测方法,成为目前现代分析化学研究领域的前沿课题。 1962年,Clark 提出将生物和传感器联用的设 想,并制得一种新型分析装置“酶电极”。这为生命科学打开一扇新的大门,酶电极也成为发展最早的一类生物传感器。生物传感器结合具有分子识别作用的生物体成分(酶、微生物、动植物组织切片、抗原和抗体、核酸或生物体本身(细胞、细胞器、组织作为敏感元件与理化换能器,能产生间断的或连续的信号,信号强度与被分析物浓度成比例。 电化学生物传感器是将生物活性材料(敏感元件与电化学换能器(即电化学电极结合起来组成的生物传感器。当前,电化学生物传感器技术已在环境监测、临床检验、食品和药物分析、生化分析[2-4]等研究中有着广泛的应用。本文在此综述电化学生物传感器的工作原理、分类及几个当今研究的热点。 1 电化学生物传感器概述 1.1 电化学生物传感器的原理 电化学生物传感器是将生物活性材料(敏感元
件与电化学换能器(即电化学电极结合起来组成的生物传感器。当电化学池中溶液的化学成分变化时,电极上流过的电流或电极表面与溶液的电势差会随之发生变化,这样通过测定电流或电势的 变化就可以获取溶液成分或相应的化学反应的变化信息。 电化学生物传感器是在上述电化学传感器原理的基础上,以具有生物活性的物质作为识别元件,通过特定反应使被测成分消耗或产生相应化学计量数的电活性物质,从而将被测成分的浓度或活度变化转换成与其相关的电活性物质的浓度变化,并通过电极获取电流或电位信息,最后实现特定物质的检测。如图1所示,这类传感器中使用的生物活性材料包括酶、微生物、细胞、组织、抗体、抗原等等。 图1电化学生物传感器的工作原理 1.2电化学生物传感器的类别 生物传感器主要包括生物敏感膜和换能器两部 分。按照敏感元件所用生物材料的不同,电化学生物传感器分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA 传感器等,其中酶电极由于其高效、专一、反应条件温和且具有化学放大作用而成为电化学生物传感器的研究主流。 按照检测信号的不同,电化学生物传感器可分 我国电化学生物传感器的研究进展 刘 艳 (长江师范学院,重庆408100 摘
温度传感器的应用及原理 温度测量应用非常广泛，不仅生产工艺需要温度控制，有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，如计算机要监控CPU的温度，马达控制器要知道功率驱动IC的温度等等，下面介绍几种常用的温度传感器。 温度是实际应用中经常需要测试的参数，从钢铁制造到半导体生产，很多工艺都要依靠温度来实现，温度传感器是应用系统与现实世界之间的桥梁。本文对不同的温度传感器进行简要概述，并介绍与电路系统之间的接口。 热敏电阻器 用来测量温度的传感器种类很多，热敏电阻器就是其中之一。许多热敏电阻具有负温度系数(NTC)，也就是说温度下降时它的电阻值会升高。在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度(即温度每变化一度时电阻的变化)最高，但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。表1是一个典型的NTC热敏电阻器性能参数。 这些数据是对Vishay-Dale热敏电阻进行量测得到的，但它也代表了NTC热敏电阻的总体情况。其中电阻值以一个比率形式给出(R/R25)，该比率表示当前温度下的阻值与25℃时的阻值之比，通常同一系列的热敏电阻器具有类似的特性和相同电阻/温度曲线。以表1中的热敏电阻系列为例，25℃时阻值为10KΩ的电阻，在0℃时电阻为28.1KΩ，60℃时电阻为4.086KΩ；与此类似，25℃时电阻为5KΩ的热敏电阻在0℃时电阻则为 14.050KΩ。 图1是热敏电阻的温度曲线，可以看到电阻/温度曲线是非线性的。
虽然这里的热敏电阻数据以10℃为增量，但有些热敏电阻可以以5℃甚至1℃为增量。如果想要知道两点之间某一温度下的阻值，可以用这个曲线来估计，也可以直接计算出电阻值，计算公式如下： 这里T指开氏绝对温度，A、B、C、D是常数，根据热敏电阻的特性而各有不同，这些参数由热敏电阻的制造商提供。 热敏电阻一般有一个误差范围，用来规定样品之间的一致性。根据使用的材料不同，误差值通常在1%至10%之间。有些热敏电阻设计成应用时可以互换，用于不能进行现场调节的场合，例如一台仪器，用户或现场工程师只能更换热敏电阻而无法进行校准，这种热敏电阻比普通的精度要高很多，也要贵得多。 图2是利用热敏电阻测量温度的典型电路。电阻R1将热敏电阻的电压拉升到参考电压，一般它与ADC的参考电压一致，因此如果ADC的参考电压是5V，Vref 也将是5V。热敏电阻和电阻串联产生分压，其阻值变化使得节点处的电压也产生变化，该电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及参考电压的精度。
光电传感器在生活中的应用 ——CCD图像传感器 摘要： 在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。 光电传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。当前，世界上光电传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光电技术的日趋成熟，对光电传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。 关键字：光电传感器；CCD图像传感器 正文 一、CCD的工作方式 ?CCD和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼 的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。 CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。 CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。 ?CCD(Charge Coupled Devices，CCD)由大量独立光敏元件组成，每个光敏元 件也叫—个像素。这些光敏元件通常是按矩阵排列的，光线透过镜头照射到光电二极管上，并被转换成电荷。每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度，图像光信号转换为电信号。当CCD工作时，CCD将各个像素的信息经过模傲转换器处理后变成数字信号，数字信号以一一定格式压缩后存入缓存内，然后图像数据根据不间的需要以数字信号和视频信号的方式输出。
光电化学生物传感器的研究与应用 陈洪渊* 南京大学，南京，210093 *Email: hychen@https://www.doczj.com/doc/fe440937.html, 光电化学过程是指分子、离子以及固体物质在光的作用下，因吸收光子而使电子处于激发态继而产生电荷传递的过程。光电化学传感是基于物质的光电转化特性而建立起来的一种新兴的检测技术。待测物与光电化学活性物质之间的直接/间接相互作用，或者生物识别过程前后所产生的光电流（或光电压）的变化与待测物浓度之间的关系, 是光电化学传感定量的基础。在光电化学检测中，与电化学发光检测恰好相反，光被用作激发源来激发光活性物质，通过光激发所产生的电信号作为检测信号。由于采用不同能量形式的激发与检测信号，和电化学发光检测相同的是，光电化学传感的背景信号要比传统的电化学方法低。研究表明，在采用相同或类似的流程对同一种物质进行检测时，光电化学方法获得的检测限通常要比电化学方法低一个数量级。此外，由于利用电信号响应, 同传统的光学方法相比, 光电化学检测仪器设备简单、价格低廉且易于微型化。因此，这种方法在生物分析领域具有广阔的应用前景，近年发展十分迅速。随着研究的不断深入，可以预期，光电化学传感将在生物分子测定、环境监测、食品安全、新药研究和医学卫生等诸多领域发挥重要作用。目前，光电化学应用于生物传感器的各个主要研究方向，如DNA传感器、免疫传感器以及酶催化型传感器等方面都取得了迅速的发展。 本文将以本研究组现有相关工作为例，对光电化学生物传感的基本概念、原理与应用及当前的发展趋势作一扼要的评述，以期为光电化学生物传感器的进一步发展提供一定的启示。 参考文献 [1] Zhao W W, Yu P P, Xu J J, Chen H Y. Electrochem. Commun., 2011, 13, 495—497 [2] Zhao W W, Wang J, Xu J J, Chen H Y. Chem. Commun., 2011, 47, 10990—10992 [3] Zhao W W, Tian C Y, Xu J J, Chen H Y. Chem. Commun., 2012, 48, 895—897 [4] Zhao W W, Dong X Y, Wang J, Kong F Y, Xu J J, Chen H Y. Chem. Commun., 2012, 48, doi: 10.1039/C2CC17942C [5] Zhao W W, Ma Z Y, Yu P P, Dong X Y, Xu J J, Chen H Y. Anal. Chem., 2012, 84, 917—923
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DNA电化学生物传感器的研究进展 作者：张爱春， 周存， ZHANG Ai-chun， ZHOU Cun 作者单位：张爱春,ZHANG Ai-chun(天津工业大学,材料科学与工程学院,天津,300160)， 周存,ZHOU Cun(天津工业大学,材料科学与工程学院,天津,300160;天津纺织纤维界面处理工程中心,天 津,300160) 刊名： 天津工业大学学报 英文刊名：JOURNAL OF TIANJIN POLYTECHNIC UNIVERSITY 年，卷(期)：2010,29(3) 被引用次数：2次 参考文献(38条) 1.LI Feng;CHEN Wei;ZHANG Shusheng Development of DNA electrochemical biosensor based on covalent immobilization of probe DNA by direct coupling of sol-gel and self-assembly technologies[外文期刊] 2008(04) 2.黄强;刘红英;方宾电化学DNA生物传感器研究的应用前景[期刊论文]-化学进展 2009(05) 3.LI Feng;CHEN Wei;ZHANG Shusheng A simple strategy of probe DNA immobilization by diazotization-coupling on selfassembled 4-aminothiophenol for DNA electrochemical biosensor[外文期刊] 2009(07) 4.赵元弟;庞代文;王宗礼电化学脱氧核糖核酸传感器 1996(03) 5.杨海朋;陈仕国;李春辉纳米电化学生物传感器[期刊论文]-化学进展 2009(01) 6.项纯谈纳米材料修饰电极在生物电化学中的应用[期刊论文]-中国新技术新产品 2009(09) 7.PIVIDORI M I;MERKOCI A;ALEGRET S Electrochemical genosensor design:immobilisation of oligonucleotides onto transducer surfaces and detection methods[外文期刊] 2000(516) 8.任勇DNA探针在固体电极上的固定以及对转基因植物产品的检测[学位论文] 2006 9.LUCARELLI F;MARRAZZAG;TURNERA PF Carbon and sold electrodes as electrochemical transducers for DNA hybfidisation sensors[外文期刊] 2004(06) 10.XU C;CAIH;HEP Characterization of single-stranded DNA on chitosan-modified electrode and its application to the sepuence-specific DNA detection[外文期刊] 2001(05) 11.DELL A D;Tombelli S;Minunni M Detection of clinically relevant point mutations by a novel piezoelectric biosensor[外文期刊] 2006(10) 12.ZHU N N;ZHANGA P;WANGQ J Electrochemical detection of DNA hybridization using methylene blue and electro-deposited zireonia thin films on gold electrodes[外文期刊] 2004(02) 13.ZHANG D;CHEN Y;CHEN H Y Silica-nanoparticle-based interface for the enhanced immobilization and sequence-specific detection of DNA 2004(7/8) 14.张怀;张云怀;李静DNA共价修饰单壁碳纳米管电极的制备及与VB6相互作用的研究[期刊论文]-分析测试学报2008(08) 15.WROBLE N;DEININGER W;HEGEMANN P Covalent immobilization of oligonucleotides on electrodes[外文期刊] 2003(02) 16.KERMAN K;DILSAT O;PINAR K Voltammetric detection of DNA hybridization using methylene blue and selfassembled alkanethiol monolayer on gold eletrodes[外文期刊] 2002(01) 17.周家宏;杨辉;邢巍一个制备脱氧核苷酸修饰电极的简便方法[期刊论文]-应用化学 2001(07) 18.郝青丽;王安子;程荣恩金电极上巯基修饰单链DNA对[Fe(CN)6]3-/4-的电催化作用[期刊论文]-南京理工大学学
光电传感器的原理及应用 作者:2011级 应用物理 向舟望 摘要:光电传感器，基于光电效应的传感器，在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。 关键词:光电传感器、光电效应、敏感器件。 正文 引言：在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用。 原理： 1、光电效应 光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。 光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应 根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v 为光波频率，h 为普朗克常数，h ＝6.63*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律： 式中，m 为电子质量,v 为电子逸出的初速度,A 微电子所做的功。 A -h m 2 12νν=
文章编号:100525630(2004)0420057205 光化学传感器及其最新进展 Ξ 徐艳平,顾铮先,陈家璧 (上海理工大学光电功能薄膜实验室,上海200093) 摘要:从传感器材料、检测方法及传感器结构几方面,围绕光化学传感器的灵敏度、选 择性和稳定性展开讨论,总结了光化学传感器近年来的最新进展,并对其今后的发展方向 做出展望。 关键词:光化学传感器;光纤传感器;表面等离子体激元共振 中图分类号:T P 212.14 文献标识码:A Recen t develop m en ts of optica l che m ica l sen sors X U Y an 2p ing ,GU ZH eng 2x ian ,CH EN J ia 2bi (L abo rato ry of Pho to 2electric Functi onal F il m s ,U niversity of Shanghai fo r Science and Techno logy ,Shanghai 200093,China ) Abstract :T he state 2of 2the 2art of op tical chem ical sen so rs is stated in th is p ap er abou t sen so r m aterials ,detecti on m ethods and sen so r structu res .T he p rop erties of op tical chem ical sen so rs such as sen sitivity ,selectivity and stab ility are discu ssed .Fu tu re p ro sp ects of op tical chem ical sen so rs are discu ssed . Key words :op tical chem ical sen so rs ;fiber op tic sen so rs ;su rface p las m on resonance 1 引 言 光化学传感器是利用敏感层与被测物质相互作用前后物理、化学性质的改变而引起的传播光诸特性的变化检测物质的一类传感器[1]。光化学传感器与其它原理的传感器相比,具有安全性好、可远距离检测、分辨力高、工作温度低、耗用功率低、可连续实时监控、易转换成电信号等优点。随着光纤技术及光集成技术的迅猛发展,光化学传感器引起了人们的极大关注,并且已经广泛地应用于工业、环境、生物医学的检测中[2]。 现首先总结了无机材料(氧化物半导体)和有机材料的应用,并介绍了溶胶凝胶工艺制备光化学传感器敏感材料方面的最新进展以及生物敏感材料。其次介绍了光谱法、干涉法、表面等离子体激元共振(su rface p las m on resonance ,SPR )等传感器检测方法的最新进展。最后对今后光化学传感器的发展做出展望。 2 传感器材料 敏感材料作为光化学传感器的重要组成部分,将直接影响传感器的各种性能,如稳定性、选择性、灵敏度和响应时间。现在研究最多的是氧化物半导体、有机半导体材料、生物识别材料等。现将从无机材料、有 第26卷 第4期 2004年8月 光 学 仪 器O PT I CAL I N STRUM EN T S V o l .26,N o.4 A ugu st,2004 Ξ收稿日期:2003209211 基金项目:上海市曙光计划资助项目(02SG 01),上海市科技发展基金资助项目(01F 032) 作者简介:徐艳平(19772),男,山东烟台人,在读博士生,主要从事光电功能薄膜及其传感器、光电精密测量与工程方面的研究。
葡萄糖电化学传感器的研究进展 葡萄糖电化学传感器的研究进展 李传平200941601040 （青岛大学化学化工与环境学院山东266071） 摘要葡萄糖电化学传感器是生物传感器的一种，是一门由生物、化学、医学、
电子技术等多个学科互相渗透建立起来的高新电化学技术, 它是一种将葡萄糖类酶的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置。其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂体系中进行在线连续监测的特点, 已在生物、医学、医药、及军事医学等领域显示出广阔的应用前景, 引起了世界各国的极大关注。【1】 关键词葡萄糖电化学传感器组成特点研究进展应用研究 生物传感器是一类特殊的化学传感器, 它是以葡萄糖酶作为生物敏感基元, 对被测目标具有高度选择性的检测器。它通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应,然后将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来, 从而得出被测物的浓度。【1】1967年S.J.乌普迪克等制出了第一个葡萄糖传感器。将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得检测其对应物的其他传感器。经过40多年的不断发展，当今的葡萄糖电化学传感器技术除了临床葡萄糖分析,葡萄糖检测装置也应用于生物技术和食品工业。这种广泛的应用领域大大促进了葡萄糖电化学传感器的发展和多样化。 [2] 1 葡萄糖电化学生物传感器的基本组成、工作原理、特点 葡萄糖电化学生物传感器一般有两个主要组成部分: 其一是生物分子识别元件( 感受器) , 是具有分子识别能力的葡萄糖酶类; 其二是信号转换器( 换能器) , 主要有电化学电极( 如电位、电流的测量) 、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等。当待测物与分子识别元件特异性结合后, 所产生的复合物( 或光、热等) 通过信号转换器变为可以输出的电信号、光信号等, 从而达到分析检测的目的。 与传统的分析方法相比, 生物传感器这种新的检测手段具有如下优点: ( 1) 生物传感器是由选择性好的生物材料构成的分子识别元件, 因此一般不需要样品的预处理, 样品中的被测组分的分离和检测同时完成, 且测定时一般不需加入其它试剂。( 2) 由于它的体积小, 可以实现连续在线监测。( 3)响应快, 样品用量少, 且由于敏感材料是固定化的,可以反复多次使用。(4) 传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器, 便于推广普及。[3] 2 葡萄糖电化学生物传感器的发展 葡萄糖氧化酶(glucose oxidase，GOD)，1928年由Muller等发现后，Nekamatsu、Konelia、Yoshio等先后对其作了大量的研究并投人生产，Fiedurek和Rogalski 等对酶单位的增加做了大量的研究工作，尤其对葡萄糖氧化酶的辅基一黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)做了深入的研究，并给出了详细的说明，目前该酶在临床检测和食品工业有广泛的用途。葡萄糖传感器就是利用葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖的专性，检测各种物质中的葡萄糖含量，葡萄糖传感器 在生物和医学上有着极其重要的应用价值。1962年，Clark和Lyons提出将酶与电极结合，可以通过检测其酶催化反应所消耗的氧来测定葡萄糖的含量。1967年，Updike和Hicks首次研制出以铂(Pt)电极为基体的第一支葡萄糖氧化酶电极，通过检测酶反应的产物H：0：来测定葡萄糖含量。至此，葡萄糖氧化酶电极经过三代的发展。第一代酶生物传感器是以氧为中继体的电催化酶层： GOD ox +葡萄糖→GoD ed +葡萄糖 (1一1)
常用传感器的工作原理及应用
3.1.1电阻式传感器的工作原理 应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件：具有弹性应变特性的物体 3.1.3电阻应变式传感器 电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。 工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。 结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。 应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。 1．电阻应变效应 ○
电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。 2．电阻应变片的结构 基片 b l 电阻丝式敏感栅 金属电阻应变片的结构 4．电阻应变式传感器的应用 （1）应变式力传感器 被测物理量：荷重或力 一
二 主要用途：作为各种电子称与材料试验机的 测力元件、 发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等 （2）应变式压力传感器 主要用来测量流动介质的动态或静态压力 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式 弹性元件。 （3）应变式容器内液体重量传感器 感压膜感受上面液体的压力。 （4）应变式加速度传感器 用于物体加速度的测量。 依据：a =F/m 。 3.2电容式传感器 3.2.1电容式传感器的工作原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的 平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 当被测参数变化使得S 、d 或ε发生变化时， 电容量C 也随之变化。 d S C ε=
光电传感器工作原理-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
工作原理 摘要： 光电传感器是利用光电子应用技术，将光信号转换成电信号从而检测被测目标的一种装置。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温和气体成分等；也可用来检测能转换成光量的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度和加速度，以及物体形状、工作状态等。光电式传感器具有非接触，响应快，性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。 关键字：光电元件、检测技术、传感器、应用 一、光电传感器工作原理 光电式传感器的物理基础是光电效应,即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为两大类,即外光电效应和内光电效应。外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下,金属会吸收光子并发射电子,发射出来的电子叫做光电子。光的波长需小于某一临界值 (相等于光的频率高于某一临界值)时方能发射电子,其临界值即极限频率和极限波长。由E =hn-W如果入射光子的能量hn大于逸出功W,那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的能量,也就是说有些光电子具有一定的动能。因为不同的电子脱离某种金属所需的功不一样, 所以它们就吸收了光子的能量并从这种金属逸出之后剩余的动能也不一样。由于逸出功W是使电子脱离金属所要做功的最小值,所以如果用E 表示动能最大的光电子所具有的动能,那么就有下面的关系式E =hn-W (其中,h表示普兰克常量,n表示入射光的频率),这个关系式通常叫做爱因斯坦光电效应方程。
光电化学传感器的应用研究进展 摘要：光电化学传感器是基于物质的光电转换特性确定待测物浓度的一类检测装置。光电化学检测方法灵敏度高、设备简单、易于微型化，已经成为一种极具应用潜力的分析方法。本文主要介绍光电化学传感器的工作机理、特点和应用，并对有代表性的实验进行了一定的讲述和总结。 关键词：光电化学；传感器 一、引言 20世纪70年代，人们就开始研究光照下半导体电极的电化学行为，并逐渐发展成为一门新学科——光电化学。目前，光电化学是当前电化学领域中十分活跃的一个研究方向，它是光伏打电池、光电催化、光解和光电合成等实际应用的基础。光电化学过程即光作用下的电化学过程，在光照射条件下，物质中电子从基态跃迁到激发态，进而产生电荷传递。与电化学反应相类似，在光电化学反应体系中也会产生电流的流动。因此，利用光电化学反应可以把光能转变成化学能或电能，通过其逆过程则可以把化学能或电能转换为光能。 待测物与光电化学活性物质之间的物理、化学相互作用产生的光电流或光电压的变化与待测物的浓度间的关系，是传感器定量的基础。以光电化学原理建立起来的这种分析方法，其检测过程和电致化学发光正好相反，用光信号作为激发源，检测的是电化学信号。和电化学发光的检测过程类似，都是采用不同形式的激发和检测信号，背景信号较低，因此，光电化学可能达到与电致化学发光相当的高灵敏度。由于采用电化学检测，同光学检测相比，其设备价廉。 二、光电化学的概述 1、光电化学的工作机理 要了解光电化学的工作原理，首先得研究光催化技术。光催化反应的本质是指在受光的激发后，催化剂表面产生的电子空穴对分别与氧化性物质和还原性物质相互作用的电化学过程。这里以半导体二氧化钛（TiO ）为例介绍一下光电化 2 学的工作原理。 半导体TiO 具有由价带和导带所构成的带隙，价带由一系列填满电子的轨道构 2 成，而导带是由一系列未填充电子的轨道所构成。当半导体近表面区在受到能量
第1章传感器基础理论思考题与习题答案 什么是传感器（传感器定义） 解：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路组成。 传感器特性在检测系统中起到什么作用 解：传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系，所以它在检测系统中的作用非常重要。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 传感器由哪几部分组成说明各部分的作用。 解：传感器通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路三部分组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分，调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分，如书中图所示。 传感器的性能参数反映了传感器的什么关系静态参数有哪些各种参数代表什么意义动态参数有那些应如何选择 解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。意义略（见书中）。动态参数有最大超调量、延迟时间、上升时间、响应时间等，应根据被测非电量的测量要求进行选择。 某位移传感器，在输入量变化5mm时，输出电压变化为300mV，求其灵敏度。 解：其灵敏度 3 3 30010 60 510 U k X - - ?? === ?? 某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=℃、S2=mV、S3=V，求系统的总的灵敏度。 某线性位移测量仪，当被测位移由变到时，位移测量仪的输出电压由减至，求该仪器的灵敏度。
光电传感器的原理及应用
光电传感器的原理与应用 学院： 班级： 学号： 姓名： 指导老师：
电感式传感器的原理及应用 摘要：将被测量变化转换成电感量变化的传感器，称为电感式传感器。电感它利用电磁感应原理将被测非电量(位移、压力、流量、振动等)转换为线圈自感系数L 或互感系数M 的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。其工作流程图如下所示： 关键字：电感测微仪、原理、应用，发展 正文： 1.电感式传感器的原理、组成及特点 电感式传感器由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。 电感式传感器具有以下特点：（1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。（2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。 （3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%-0.1%。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。 2.电感式传感器的类别及其在实际生活中的应用 常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。 1、变间隙型电感传感器 这种传感器的气隙δ随被测量的变化而改变,从而改变磁阻。原理图如下所示： 输入量（温度、 压力等） LC 振荡 电路 测量电路 输出（电压、电 流的变化量）
中国科学B辑:化学 2009年 第39卷 第11期: 1336~1347 https://www.doczj.com/doc/fe440937.html, https://www.doczj.com/doc/fe440937.html, 1336 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS 光电化学传感器的研究进展 王光丽, 徐静娟, 陈洪渊* 生命分析化学教育部重点实验室, 南京大学化学化工学院, 南京210093 * 通讯作者, E-mail: hychen@https://www.doczj.com/doc/fe440937.html, 收稿日期: 2009-08-11; 接受日期: 2009-09-03 摘要光电化学传感器是基于物质的光电转换特性确定待测物浓度的一类检测装置. 光电化学检测方法灵敏度高、设备简单、易于微型化, 已经成为一种极具应用潜力的分析方法. 本文主要介绍光电化学传感器的基本原理、特点、分类, 并对有代表性的研究和发展前景做了总结和评述. 关键词光电化学传感器综述 1引言 光电化学过程是指分子、离子或半导体材料等因吸收光子而使电子受激发产生的电荷传递, 从而实现光能向电能的转化过程. 具有光电化学活性的物质受光激发后发生电荷分离或电荷传递过程, 从而形成光电压或者光电流. 具有光电转换性质的材料主要分为4类. (1)无机光电材料: 这类材料主要指无机化合物构成的半导体光电材料, 如Si、TiO2、CdS、CuInSe2等[1]. (2)有机光电材料: 常用的有机类光电材料主要是有机小分子光电材料和高分子聚合物材料. 小分子材料如卟啉类、酞菁类、偶氮类、叶绿素、噬菌调理素等[2~4]; 高分子聚合物材料主要有聚对苯撑乙烯(PPV)衍生物、聚噻吩(PT)衍生物等[5]. (3)复合材料: 复合材料主要是由有机光电材料或者配合物光电材料与无机光电材料复合形成, 也可以是两种禁带宽度不同的无机半导体材料复合形成的材料. 复合材料比单一材料具有更高的光电转换效率. 常见的复合材料体系有C dS-TiO2、ZnS- TiO2[1]、联吡啶钌类配合物-TiO2[6~9]等. 基于TiO2的复合材料是目前研究最多的一种, 也有用ZnO[10~12]、SnO2[13]、Nb2O5[14]、Al2O3[15]等其它宽禁带的半导体氧化物进行复合的. 后来, 利用金纳米粒子或者碳纳米结构的导电性, 人们发展了基于金纳米粒子或者碳纳米结构-半导体复合物以提高半导体光生电子的捕获和传输能力. 富勒烯/CdSe[16,17]、碳纳米管/CdS[18~21]、碳纳米管/ CdSe[22,23]、卟啉/富勒烯/金纳米粒子[24]、CdS/金纳米粒子[25]等体系具有较高的光电转换效率. 另外, 某些生物大分子如细胞、DNA等也具有光电化学活性, 可以通过它们自身的光电流变化研究生物分子及其它物质与它们的相互作用. 待测物与光电化学活性物质之间的物理、化学相互作用产生的光电流或光电压的变化与待测物的浓度间的关系, 是传感器定量的基础. 以光电化学原理建立起来的这种分析方法, 其检测过程和电致化学发光正好相反, 用光信号作为激发源, 检测的是电化学信号. 和电化学发光的检测过程类似, 都是采用不同形式的激发和检测信号, 背景信号较低, 因此, 光电化学可能达到与电致化学发光相当的高灵敏度. 由于采用电化学检测, 同光学检测相比, 其设备价廉. 根据测量参数的不同, 光电化学传感器可分为电位型和电流型两种. 2光寻址电位型传感器 电位型光电化学传感器主要指光寻址电位传感器(light addressable potentiometric sensor , LAPS), 它
第28卷 第4期影像科学与光化学Vo l.28 N o.4 2010年7月Imag ing Science and Photochemistr y July,2010 研究生论文摘要 光化学传感器的设计、合成及识别性能研究 博士研究生 王 芳 导师 汪鹏飞 (学位授予单位 中国科学院理化技术研究所,北京100190) 光化学传感器被广泛地用于检测各种金属离子和阴离子.荧光化学传感器具有选择性好、灵敏度高、简便快速等优点,比色化学传感器则可不借助于任何昂贵的仪器设备而直接用肉眼识别.本论文分别以黄酮﹑香豆素作为发光基团,设计、合成了识别氟离子(F-)和生物巯基化合物(还原性谷胱甘肽和半胱氨酸)的光化学传感器,并研究了其光谱性质和识别机制,另外我们对基于多孔硅的光化学传感器方面进行了一些初步尝试,取得了一些有意义的结果. 1.设计合成了一种具有激发态分子内质子转移(ESIPT)性质的3 羟基黄酮衍生物L,它能够和Zr EDT A在水相中形成三元络合体系,氟离子的加入可以使体系荧光发生明显变化,其它常见阴离子没有明显干扰.由于氟离子与Zr EDT A的络合能力比黄酮衍生物与Zr EDTA的络合能力更强,所以加入的氟离子可以将黄酮衍生物从三元络合体系中置换出来,从而导致体系荧光发生变化.其它阴离子不能够和Zr EDT A发生络合,所以体系荧光不发生变化.另外,该识别过程可以用肉眼清楚观察到,所以同时是一种良好的比色化学传感器. 2.设计合成了一种基于香豆素结构的具有S S键的席夫碱衍生物(C).它在水相中具有较弱荧光,随着生物巯基化合物如半胱氨酸(Cy s)和还原型谷胱甘肽(GSH)的加入荧光逐渐增强,原因是巯基的加入使化合物C中的S S键发生断裂,形成强亲核性S-,然后合环形成一种具有强荧光的化合物Coumarin6.其它不含有巯基的常见氨基酸和氧化型谷胱甘肽的加入都不会使溶液的荧光增强. 3.通过电化学腐蚀的方法制备得到发橙色荧光的多孔硅,发现其在空气中放置时荧光强度会逐渐降低,直至消失.通过荧光光谱和透射电镜图片初步验证了量子限域效应发光机理.为了提高其光学性质的稳定性,对其进行热化学和光化学表面修饰,并且在其表面引入了可以和H g2+进行络合的识别基团,得到多孔硅光化学传感器S1和S2.H g2+的加入对S1和S2的荧光光谱有猝灭作用,原因是发生了从多孔硅表面到H g2+的电子转移. 2010年5月18日通过博士论文答辩 312
电流型电化学传感器的研究进展 作为一种新科技革命和信息社会的重要技术基础，传感技术已成为人们现代生活的重要组成部分。近年来，电化学传感器的研究受到人们的广泛关注。电极系统组成、电极类型、电解液等重要组成部分的选择对于电流型传感器的性能影响尤为关键。文章详细总结了电流型电化学气体传感器的发展状况，阐述了电极系统、电解液类型对传感器性能的影响，并讨论了电流型传感器的未来发展和应用前景。 标签：传感器；电极；电解液 1 概述 传感器是一种能感应信息并将其转换为可测量信号的器件[1]。作为一种新技术革命和信息社会的重要基础技术，传感器的发展特别迅速，已成为人们现代生活的重要组成部分[2]。 按照感性信号不同，传感器可分为物理传感器和化学传感器，化学传感器可以详细划分为电化学式传感器、光学式传感器、热学式传感器和质量式传感器等。其中电化学传感器由于其敏感度高、能耗低、信号稳定等特点，被广泛使用[3，4]。 电化学传感器是目前发展最为成熟和应用最广的一类传感器[5]，按照其输出信号的不同可以分为电位型电化学传感器、电流型电化学传感器和电导型电化学传感器[6]。其中电位型傳感器是基于电极电势与被测组分浓度之间的关系，通过电极电势的变化来感知浓度的变化。电导型传感器是基于被测物质氧化或还原后电解质溶液电导变化实现检测的。本文主要介绍电流型传感器及其性能影响因素。 2 电流型传感器 电流型传感器是在电位恒定的条件下，使被测物发生定电势电解，基于扩散控制条件下极限电流与浓度的线性关系，从而检测被测物质组分的实时变化的一类传感器[7]。通常也被称为控制电位电解型气体传感器，这种传感器包括供气体进入的气室或薄膜、电极、离子导电性的电解质溶液几部分。电流型传感器是当前业内应用最为广泛的传感器。电流型传感器的工作过程一般包括被测气体进入传感器气室；待测物质通过反应气室到达透气膜附近，并向电极-电解液界面扩散；电活性物质在电解液中溶解；电活性物质在电极表面吸附；扩散控制下的电化学反应；产物脱附；产物离开电极表面的扩散；产物的排除等过程。 3 性能影响因素 影响传感器性能的最主要因素包括电极因素和电解液因素两部分，电极因素