有机传感器材料之三——有机化学敏元件材料介绍

有机湿敏材料大部分是髙分子材料,可分为三类:髙分子电解质、髙分子电介质及有机-无机复合材料。

  1.气敏元件

  气敏材料的功能为:①随着气体分子的吸附和脱附,表面电导率或体电导率发生变化;②在P型或N型有机半导体结中有二极管特性变化;③与气体分子的热反应引起电导率变化;④伴随气体分子的吸附和脱附,光学特性变化;⑤伴随气体分子的吸附和脱附,重量发生微小变化。显然,若这些变化仅对特定分子有选择性地发生,则达到气敏元件的选择性并不困难。但是,在实际使用场合,共存气体分子的影响能忽略的情况并不多,故提高选择性是重要课题。

  下表列出了利用有机材料制作的气敏元件,其中多数是利用吸附和脱附气体时电导率发生的变化。为了使吸附气体容易脱附,从而使电导率变化可逆,应使气敏元件在较高的温度工作,因此需要开发耐热性和稳定性好的有机半导体材料。

  表 有机材料的气敏元件

  2.湿敏元件

  有机湿敏材料大部分是髙分子材料,可分为三类:髙分子电解质、髙分子电介质及有机-无机复合材料。当受潮时,这些材料的电导率、介电常数和质量等均会发生变化,利用材料的这些特性可构成湿敏元件。下表列出利用有机材料研制的湿敏元件,显然,要使这些元件达到实用阶段,必须在材料研究上多下功夫。


  表 有机材料的湿敏元件

  3.离子敏元件

  根据所用的离子敏感材料,离子敏元件可分为两类:

  ①无机系离子感应膜电极。这类电极包括难溶性盐固体膜电极和玻璃膜电极。

  ②有机系离子感应膜电极。这类电极包括液状离子交换膜电极和中性载流子液膜电极。离子敏元件在电解液中的电位受电化学平衡支配,其电位

  

  式中,E0——标准电极电位(V);R——气体常数(8.314J/℃• mol);T——绝对温度(K);Z——离子数;F——法拉第常数(96 500 C);ai、aj——分别表示电解液中两种离子的活动度;Kij——离子相对于i离子的选择系数。

  对i离子选择性足够髙的电极

  

  若活动度变化一个数量级,则电位变化可高达几十毫伏。

  20世纪60年代后半期,人们对比离子选择性优良的中性载流子进行研究,其代表是缬氨霉素、四无活(性)菌素等抗生物或冠状化合物等大环状化合物。缬氨霉素掺人PVC膜中的敏感膜可用作选择性优良的钾离子电极。下图示出了主要中性载流子。现已合成了数量庞大的中性载流子,但达到实用的并不多,故材料仍是重要的研究领域。


  图 用于离子敏元件的中性载流子

  与原来膜电极型的离子敏元件不同,在场效应晶体管(FET)的绝缘栅上形成离子敏感膜的离子敏感FET(ISFET)的研究已有进展,其工作原理如下图所示。检测pH的ISFET已进入实用阶段。利用半导体技术研究离子敏元件已进人新阶段。


ISFET的工作原理

  4.生物传感器

  分子识别功能最好的敏感材料是生物物质,利用生物物质的传感器称生物传感器,其基本结构如下图所示。生物物质多半固定在固体基体上,构成薄膜状供使用。根据用于分子识别部位的生物物质分类,生物传感器有酶传感器、微生物传感器和免疫传感器等。


生物传感器的基本结构

        下表列出主要生物传感器。生物传感器的特点是选择性好,它能以极高的灵敏度选择性地检测非常复杂的有机化合物或蛋白质。对生物传感器已经进行了大量的研究工作,达到实用的产品已不少。人们对生物传感器的研究寄予了很大的希望。


生物传感器

  生物材料与电子材料融合已有进展,称为生物电子传感器的新型生物传感器取得了可喜的进步,可以说生物传感器的研究进入了新阶段。


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