Key words Conducting polymer, Sensor
在人类社会逐步由工业化时代向信息化时代迈进的过程中, 能源、信息和材料成为新技术革命 的三大支柱。传感器作为捕捉和转换信息的器件已广泛用于国防、航空航天、交通运输、能源、电 力、机械、化工、纺织、环保、生物医学等领域, 并在现代社会科学技术中占据相当重要的地位。
湿敏传感器
CO2
PANI PVA
SO2
PPY
H2O 聚邻苯二胺 PVA
注 PEO: 聚环氧乙烷; PVA: 聚乙烯醇
阻抗法 阻抗法 电导法 电导法 阻抗法 电导法 电导法 电导法
导电聚合物材料的出现为传感器的设计制作引发了新的思路, 特别是在生物传感器和气体传 感器方面具有广阔的应用前景。开发和利用导电聚合物的优异特性并使之实用化是导电聚合物传 感器今后的研究主流: ( 1) 根据特定的要求, 通过化学修饰( 接枝、嵌入、复合等) 合成性能优良的导 电聚合物敏感材料, 并从功能设计出发进行材料分子结构的设计; ( 2) 多功能导电聚合物传感器阵 列的研究; ( 3) 采用多样化的检测手段( 阻抗技术、SAW 技术、QCM 技术、SPR 技术、智能化系统等) , 以提高导电聚合物传感器的灵敏度和可靠性; ( 4) 导电聚合物传感器在环保监测中的应用研究, 例 如: 用于水质监测的 BOD( 生物耗氧量) 、硝酸盐、酚类、汞盐等传感器, 用于酸雨预测的 SOx 、NOx 、 HCl 气体传感器, 用于地球温暖变化的 CO2 传感器, 以及用于大气臭氧层监测的氟里昂、N 2O、O3 传 感器; ( 5) 导电聚合物生物传感器用于临床医学检测的研究; ( 6) 导电聚合物传感器微型化的研究。
多报道, 其目的是增加传感器的稳定性、线性度、灵敏度和抗干扰能力等。如: 聚吡咯微管制成的葡 萄糖传感器具有较宽广的葡萄糖浓度测量范围( 0 1~ 250mmol dm- 3 ) ; [ 6] 聚吡咯固定葡萄糖氧化酶 后再用戊二醛交联制得的传感器具有灵敏度高、工作电位低和线性范围广等优点; [ 7] 多层聚合物固 定酶可消除电活性物质的干扰; [ 8] 在酶固定的同时引入电荷传递介质到聚合物膜中可降低传感器 工作电位、缩短传感器的响应时间。[ 9]
多研究工作陆续开展起来, 先后用各种导电聚合物作为载体材料制作了多类酶传感器[ 1~ 16] 、免疫传 感器[ 17~ 19] 、微生物传感器[ 20] 等( 见表 1) 。其中以酶传感器研究最为广泛, 下面以此为例介绍导电 聚合物生物传感器的实验室制作方法。
表 1 各种导电聚合物生物传感器
类型 单酶传感器
传感器是能感受规定的被测量信号并按照一定规律将其转换成可测信号( 主要是电信号) 的器 件或装置, 它通常由敏感元件( 敏感结构材料和载体) 、转换元件及检测器件所组成。其中敏感元件 是传感器的核心, 它决定传感器的选择性、灵敏度、线性度、稳定性等。因此, 选择并优化敏感材料 以及新功能材料的开发和应用一直是传感器研究的热点。
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化学通报 2001 年 第 7 期
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组成和工作原理如图 1 所示。
图 1 导电聚合物生物传感器的工作原理示意图
1. 2 导电聚合物生物传感器的实验室制作 自从 1986 年 Foulds[ 1] 首次将葡萄糖氧化酶固定在聚吡咯上制成了聚吡咯葡萄糖传感器后, 许
多酶传感器 免疫传感器 微生物传感器
被测物
葡萄糖
黄嘌呤脲酸果糖Fra bibliotek青霉素
谷氨酸 胆固醇
半乳糖
抗坏血酸
肌氨酸
H2O2 乙醇
乳酸盐
儿茶酚 超氧化物
NO
3
葡萄糖
脲酸
总胆固醇 O2 、H2O2 Rh 抗原
HSA Biot in 葡萄糖
敏感物
GOD 黄嘌呤氧化酶
UO 果糖脱氢酶
青霉素酶 谷氨酸脱氢酶
COD 半乳糖氧化酶 抗坏血酸氧化酶 肌氨酸氧化酶
HRP 乙醇脱氢酶 乳酸氧化酶 多酚氧化酶
SOD 硝酸盐还原酶
GOD HRP U O HRP CHE COD HRP SOD 红细胞( 含 Rh 抗体) 血清白蛋白抗体 Biot in 抗体
酵母
导电聚合物载体 PPY 或 PANI 类
PPY 或 PANI PPY 或 PANI
PPY PPY PPY NADP PMS PPY 或 PANI PPY 或 PANI PANI PPY PANI PPY 硬脂酸 PPY 等多层聚合物 生物素化的 PPY PPY PPY PPY 聚邻氨基苯酚 PPY 双层 PPY PPY PPY PANI PPY 琼脂糖
2 导电聚合物离子传感器
离子传感器也称为离子选择性电极, 可选择性地检测溶液中特定离子的浓度( 活度) , 其结构
为:
( - ) 参比电极| 测试液| 敏感膜| 内部液| 内电极( + )
一般测试装置如图 2 所示。 董绍 俊等[ 12] 最早 发现, 掺杂 NO-3 、Cl- 、Br- 、
I- 、ClO4- 的聚吡咯膜的电极电位分别对这些离子
自 70 年代末导电聚合物出现以来, 由于其具有特殊的结构和优异的物理化学性能而倍受各领 域科学工作者的关注。导电聚合物在能源、光电子器件、信息、传感器、分子导线和分子器件以及电 磁屏蔽、金属防腐和隐身技术上有着广泛、诱人的应用前景。将导电聚合物材料应用于传感器的研 究始于 80 年代末。以聚吡咯( PPY) 、聚苯胺( PANI) 、聚噻吩( PTH) 为典型的导电聚合物, 由于具有 较低的成本、较好的导电性、光电性、热电性、可以方便地沉积在各种基片上、可与其它功能材料共 聚或复合、可在常温或低温使用等优点, 因而受到传感器研究者的青睐。综合各类文献看出, 用导 电聚合物作为传感器的基体材料或选择性包覆材料可制作生物传感器、离子传感器、气体传感器、 湿敏传感器等。
参考文献
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关键词 导电聚合物 传感器
Abstract This paper briefly reviews the application of conducting polymer in biosensor, ion sensor, gas sensor and humidity sensor. In the end, the research trends in this field are also proposed.
检测方法
电位法 电位法 电位法 流体注入、安培法 电位法 电位法 电位法 电位法 QCM 法 阻抗法
4 导电聚合物传感器的研究展望
表 3 各种导电聚合物气敏、湿敏传感器
类型
被测物 敏感材料
检测方法
气体传感器
醇类 NH3 NO x H2S HCl