化学传感器及其工作原理分析

化学传感器包括电化学传感器、光化学传感器、质量化学传感器和热化学传感器4种。

根据转换的电信号种类不同，可将电化学传感器分为电流型化学传感器、电位型化学传感器和电阻型化学传感器。本任务只涉及电位型化学传感器和电阻型化学传感器。

电位型化学传感器的工作原理

有三种基本电化学过程适用于构成传感器，分别为以下几种。

①电位法。测量零电流下的电池电位。

②伏安法（电流法）。在电池电位间设置氧化（或还原）电位来测量电池的电流。

③电导法。用一交流电桥方法来测量电池的电导。

这里只讨论电位法。

如图9-10所示。将一金属条（如银）置于一含离子的溶液（如银离子）中，沿着金属和溶液的界面会产生电荷分布，这就产生了人们所说的电子压力，通常称为电位。

此电位不能直接测量取得，需要两个这样的电极与电解质的组合，其中每一个称作半电池，这样一个组合称作电化学电池，如图9-11所示。(www.xing528.com)

两组半电池内部通过一电导桥或膜将电路相连，然后，在两电极外端连接一测量电位的装置，该电路可用来测定电池的电动势（emf），其值为两个半电池电极间的电位差。电动势数值大小取决于几个因素：①电极材料；②各个半电池内的溶液性质及浓度；③通过膜（或盐桥）的液体接界电位，如图9-12所示。

图9-10　将一金属电极浸在电解液中为一半电池

图9-11　两个半电池电极组合成一完整的电池

图9-12　氢电极与其他半电池相连接

在标准状态，氢气分压为101325Pa，温度为298K（25℃），定义氢的标准电极电位为零（电位E0＝0V），可决定另一电极电位。由于氢电极不方便，常用饱和甘汞电极作参考电极（电位E0＝0.24V）。溶液浓度与测量电极电位的关系由能斯特方程确定，基本能斯特方程是从基础热力学方程导出的对数关系式

式中，E为测量电极电位，V；E0为参考电极电位，V；[Ox]为溶液中氧化性物质的浓度（活度），mol/L；[R]为溶液中还原性物质的浓度（活度），mol/L，金属电极[R]＝1。