现代检测技术导论第四章　化学量检测与传感器

41 　仪器分析方法42 　光学分析法

43 电化学分析法44 色谱分析法45 质谱分析法46 离子敏场效应晶体管47 气体传感器

41 41 仪器分析方法仪器分析方法 仪器分析是通过测量表征物质的某些物理或化学

性质的参数来完成化学组成含量和结构的分析任务

在分析化学的基础上吸收了物理学光学电子学等内容根据光电磁声热的性质来进行分析

仪器分析与化学分析相比具有如下特点 灵敏度高检出限低适用于微量痕量和超痕

量组分的测定 一般误差为 2 ～ 5 不适合常量和高含量成分

的测定 选择性好可以通过选择和调整测定条件使其

共存的组分在测定时相互不干扰 操作简便分析速度快易于实现自动化 大多需要价格昂贵的专业仪器

42 42 光学分析法光学分析法光学分析法

光谱分析法基于能量与物质作用时测量物质内部发生量子化的能级跃迁而产生的发射吸收或散射辐射的波长和强度进行分析

非光谱分析法当物质与辐射作用时测量辐射的某些性质如折射散射干涉衍射和偏振等的变化

吸收光谱法

发射光谱法

拉曼散射光谱法

折射法

偏振法

衍射法

干涉法

光散射法

光谱分析法

吸收光谱法 发射光谱法

原子光谱法 分子光谱法

原子发射

原子吸收

原子荧光

X射线荧光

原子吸收

紫外可见

红外可见

核磁共振

紫外可见

红外可见

分子荧光

分子磷光

核磁共振

化学发光

原子发射

原子荧光

分子荧光

分子磷光

X射线荧光

化学发光

421 421 吸收光谱法吸收光谱法

bull当辐射能通过样品（固体液体或气体）中的一个透明层时组成样品的粒子（分子原子或离子）会选择性的吸收某种频率的辐射能从低能态 M （基态）跃迁至高能态 M（激发态）这种现象称为辐射的吸收 M + E = M E = hν = h c λE 能量 h普朗克常数 ν频率 c光速 λ波长

422 422 发射光谱法发射光谱法

bull当粒子吸收能量后从低能态 M （基态）跃迁至高能态 M（激发态）处于高能态的粒子是不稳定的在短暂的时间内（约 10 － 8 s）又从高能态返回到低能态这时将吸收的能量释放出来得到发射光谱 M = M + hν

423 423 拉曼散射光谱法拉曼散射光谱法

bull当用单色光照射透明样品时由于辐射与待测物质分子相互作用发生能量交换引起分子振动能级的变化并有辐射能量的变化因而产生与入射光波长不同的散射光这种散射称为拉曼散射

43 43 电化学分析法电化学分析法电化学分析法

电浓度分析法通过测量与试液浓度有一定关系的电物理量对待测组分进行定量

电容量分析法通过测量电物理量的突变作为容量分析滴定终止的指示方法

电导分析法

电位分析法

库仑分析法

伏安分析法

电流滴定法

电位滴定法

电导滴定法

电解分析法

电重量分析法通过称量电解过程中电析于电极上的物质质量求算被测物含量

bull 电位分析法是基于测量某一 溶液中两电极间的电位差以测算出被测溶液中某种离子的活度bull 电位分析法具有 较高的选择性一种特定电极可测定某一特定的离子如玻璃电极可测定溶液中 H ＋离子的活度（或浓度）氟电极可测定溶液中 F －离子的活度bull 适宜的测量范围一般在 10 － 6 ～ 10 － 2molL

bull离子选择电极是电化学敏感体它的电位与 溶液中给定的离子活度的对数成线性关系

研制各种高灵敏度高选择性的电极是电位分析法 最活跃的研究领域之一

431 431 电位分析法电位分析法

离子选择电极 参比电极

敏感膜

溶液

测量仪器

电位分析法 按应用方式可为两类 直接电位法 电极电位与 溶液中电活性物质的活度有关通过测量溶液的电动势根据能斯特方程计算被测物质的含量 对于氧化还原体系 Ox + ne- = Red

对于金属电极（还原态为金属 活度定为 1 ）

dRe

OxOOxRed ln

a

a

nF

RTEE

nn M

O

MMln a

nF

RTEE

电位滴定 分析法用电位测量 装置指示滴定分析过程中被测组分的浓度变化通过记录或绘制滴定曲线来确定滴定终点的分析方法

电解分析 在恒电流或 控制电位条件下使被测物质在电极上析出实现定量分离测定目的的方法 电重量分析法 电解过程中在阴极上析出的物质量通常可以用称重的方法来确定 库仑分析法 依据法拉第电 解定律由电解过程中电极上通过的电量确定电极上析出的物质量的分析方法 电流滴定或库仑滴定 恒电流下电解产生的滴定剂与被测物作用

432 432 电解与库仑分析法电解与库仑分析法

库仑分析法 根据电 解过程中所消耗的电量来求得被测物质含量的方法bull法拉第电 解定律m 被测物质的质量M 物质的摩尔质量n 电极反应的电子转移数Q 为电量F 为法拉第常数

bull库仑分析 三要素1048708 电量的准确测量1048708 电解终点的指示1048708 100的电流效率

伏安分析通过测定特 殊条件下的电流mdash电压曲线来分析电解质的组成和含量的一类分析方法的总称 极谱分析使用滴汞电极的一种特殊的伏安分析法

433 433 极谱法与伏安分析极谱法与伏安分析

单扫描极谱法（也称为直流示波极谱法）

普通电导分析 原理依据溶液电导与电 解质关系 应用高纯水质分析酸雨监测

高频电导分析 特点溶液与电极不直接接触

434 434 电导分析法电导分析法

色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速度产生差别达到彼此分离的目的度产生差别达到彼此分离的目的

44 44 色谱分析法色谱分析法

组分的结构和性质微小差异 与固定相作用差异 随流动相 移动的速度不等 差速迁移 色谱分离

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

41 41 仪器分析方法仪器分析方法 仪器分析是通过测量表征物质的某些物理或化学

性质的参数来完成化学组成含量和结构的分析任务

在分析化学的基础上吸收了物理学光学电子学等内容根据光电磁声热的性质来进行分析

仪器分析与化学分析相比具有如下特点 灵敏度高检出限低适用于微量痕量和超痕

量组分的测定 一般误差为 2 ～ 5 不适合常量和高含量成分

的测定 选择性好可以通过选择和调整测定条件使其

共存的组分在测定时相互不干扰 操作简便分析速度快易于实现自动化 大多需要价格昂贵的专业仪器

42 42 光学分析法光学分析法光学分析法

光谱分析法基于能量与物质作用时测量物质内部发生量子化的能级跃迁而产生的发射吸收或散射辐射的波长和强度进行分析

非光谱分析法当物质与辐射作用时测量辐射的某些性质如折射散射干涉衍射和偏振等的变化

吸收光谱法

发射光谱法

拉曼散射光谱法

折射法

偏振法

衍射法

干涉法

光散射法

光谱分析法

吸收光谱法 发射光谱法

原子光谱法 分子光谱法

原子发射

原子吸收

原子荧光

X射线荧光

原子吸收

紫外可见

红外可见

核磁共振

紫外可见

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分子荧光

分子磷光

核磁共振

化学发光

原子发射

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X射线荧光

化学发光

421 421 吸收光谱法吸收光谱法

bull当辐射能通过样品（固体液体或气体）中的一个透明层时组成样品的粒子（分子原子或离子）会选择性的吸收某种频率的辐射能从低能态 M （基态）跃迁至高能态 M（激发态）这种现象称为辐射的吸收 M + E = M E = hν = h c λE 能量 h普朗克常数 ν频率 c光速 λ波长

422 422 发射光谱法发射光谱法

bull当粒子吸收能量后从低能态 M （基态）跃迁至高能态 M（激发态）处于高能态的粒子是不稳定的在短暂的时间内（约 10 － 8 s）又从高能态返回到低能态这时将吸收的能量释放出来得到发射光谱 M = M + hν

423 423 拉曼散射光谱法拉曼散射光谱法

bull当用单色光照射透明样品时由于辐射与待测物质分子相互作用发生能量交换引起分子振动能级的变化并有辐射能量的变化因而产生与入射光波长不同的散射光这种散射称为拉曼散射

43 43 电化学分析法电化学分析法电化学分析法

电浓度分析法通过测量与试液浓度有一定关系的电物理量对待测组分进行定量

电容量分析法通过测量电物理量的突变作为容量分析滴定终止的指示方法

电导分析法

电位分析法

库仑分析法

伏安分析法

电流滴定法

电位滴定法

电导滴定法

电解分析法

电重量分析法通过称量电解过程中电析于电极上的物质质量求算被测物含量

bull 电位分析法是基于测量某一 溶液中两电极间的电位差以测算出被测溶液中某种离子的活度bull 电位分析法具有 较高的选择性一种特定电极可测定某一特定的离子如玻璃电极可测定溶液中 H ＋离子的活度（或浓度）氟电极可测定溶液中 F －离子的活度bull 适宜的测量范围一般在 10 － 6 ～ 10 － 2molL

bull离子选择电极是电化学敏感体它的电位与 溶液中给定的离子活度的对数成线性关系

研制各种高灵敏度高选择性的电极是电位分析法 最活跃的研究领域之一

431 431 电位分析法电位分析法

离子选择电极 参比电极

敏感膜

溶液

测量仪器

电位分析法 按应用方式可为两类 直接电位法 电极电位与 溶液中电活性物质的活度有关通过测量溶液的电动势根据能斯特方程计算被测物质的含量 对于氧化还原体系 Ox + ne- = Red

对于金属电极（还原态为金属 活度定为 1 ）

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电位滴定 分析法用电位测量 装置指示滴定分析过程中被测组分的浓度变化通过记录或绘制滴定曲线来确定滴定终点的分析方法

电解分析 在恒电流或 控制电位条件下使被测物质在电极上析出实现定量分离测定目的的方法 电重量分析法 电解过程中在阴极上析出的物质量通常可以用称重的方法来确定 库仑分析法 依据法拉第电 解定律由电解过程中电极上通过的电量确定电极上析出的物质量的分析方法 电流滴定或库仑滴定 恒电流下电解产生的滴定剂与被测物作用

432 432 电解与库仑分析法电解与库仑分析法

库仑分析法 根据电 解过程中所消耗的电量来求得被测物质含量的方法bull法拉第电 解定律m 被测物质的质量M 物质的摩尔质量n 电极反应的电子转移数Q 为电量F 为法拉第常数

bull库仑分析 三要素1048708 电量的准确测量1048708 电解终点的指示1048708 100的电流效率

伏安分析通过测定特 殊条件下的电流mdash电压曲线来分析电解质的组成和含量的一类分析方法的总称 极谱分析使用滴汞电极的一种特殊的伏安分析法

433 433 极谱法与伏安分析极谱法与伏安分析

单扫描极谱法（也称为直流示波极谱法）

普通电导分析 原理依据溶液电导与电 解质关系 应用高纯水质分析酸雨监测

高频电导分析 特点溶液与电极不直接接触

434 434 电导分析法电导分析法

色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速度产生差别达到彼此分离的目的度产生差别达到彼此分离的目的

44 44 色谱分析法色谱分析法

组分的结构和性质微小差异 与固定相作用差异 随流动相 移动的速度不等 差速迁移 色谱分离

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

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100

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200 300

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500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

42 42 光学分析法光学分析法光学分析法

光谱分析法基于能量与物质作用时测量物质内部发生量子化的能级跃迁而产生的发射吸收或散射辐射的波长和强度进行分析

非光谱分析法当物质与辐射作用时测量辐射的某些性质如折射散射干涉衍射和偏振等的变化

吸收光谱法

发射光谱法

拉曼散射光谱法

折射法

偏振法

衍射法

干涉法

光散射法

光谱分析法

吸收光谱法 发射光谱法

原子光谱法 分子光谱法

原子发射

原子吸收

原子荧光

X射线荧光

原子吸收

紫外可见

红外可见

核磁共振

紫外可见

红外可见

分子荧光

分子磷光

核磁共振

化学发光

原子发射

原子荧光

分子荧光

分子磷光

X射线荧光

化学发光

421 421 吸收光谱法吸收光谱法

bull当辐射能通过样品（固体液体或气体）中的一个透明层时组成样品的粒子（分子原子或离子）会选择性的吸收某种频率的辐射能从低能态 M （基态）跃迁至高能态 M（激发态）这种现象称为辐射的吸收 M + E = M E = hν = h c λE 能量 h普朗克常数 ν频率 c光速 λ波长

422 422 发射光谱法发射光谱法

bull当粒子吸收能量后从低能态 M （基态）跃迁至高能态 M（激发态）处于高能态的粒子是不稳定的在短暂的时间内（约 10 － 8 s）又从高能态返回到低能态这时将吸收的能量释放出来得到发射光谱 M = M + hν

423 423 拉曼散射光谱法拉曼散射光谱法

bull当用单色光照射透明样品时由于辐射与待测物质分子相互作用发生能量交换引起分子振动能级的变化并有辐射能量的变化因而产生与入射光波长不同的散射光这种散射称为拉曼散射

43 43 电化学分析法电化学分析法电化学分析法

电浓度分析法通过测量与试液浓度有一定关系的电物理量对待测组分进行定量

电容量分析法通过测量电物理量的突变作为容量分析滴定终止的指示方法

电导分析法

电位分析法

库仑分析法

伏安分析法

电流滴定法

电位滴定法

电导滴定法

电解分析法

电重量分析法通过称量电解过程中电析于电极上的物质质量求算被测物含量

bull 电位分析法是基于测量某一 溶液中两电极间的电位差以测算出被测溶液中某种离子的活度bull 电位分析法具有 较高的选择性一种特定电极可测定某一特定的离子如玻璃电极可测定溶液中 H ＋离子的活度（或浓度）氟电极可测定溶液中 F －离子的活度bull 适宜的测量范围一般在 10 － 6 ～ 10 － 2molL

bull离子选择电极是电化学敏感体它的电位与 溶液中给定的离子活度的对数成线性关系

研制各种高灵敏度高选择性的电极是电位分析法 最活跃的研究领域之一

431 431 电位分析法电位分析法

离子选择电极 参比电极

敏感膜

溶液

测量仪器

电位分析法 按应用方式可为两类 直接电位法 电极电位与 溶液中电活性物质的活度有关通过测量溶液的电动势根据能斯特方程计算被测物质的含量 对于氧化还原体系 Ox + ne- = Red

对于金属电极（还原态为金属 活度定为 1 ）

dRe

OxOOxRed ln

a

a

nF

RTEE

nn M

O

MMln a

nF

RTEE

电位滴定 分析法用电位测量 装置指示滴定分析过程中被测组分的浓度变化通过记录或绘制滴定曲线来确定滴定终点的分析方法

电解分析 在恒电流或 控制电位条件下使被测物质在电极上析出实现定量分离测定目的的方法 电重量分析法 电解过程中在阴极上析出的物质量通常可以用称重的方法来确定 库仑分析法 依据法拉第电 解定律由电解过程中电极上通过的电量确定电极上析出的物质量的分析方法 电流滴定或库仑滴定 恒电流下电解产生的滴定剂与被测物作用

432 432 电解与库仑分析法电解与库仑分析法

库仑分析法 根据电 解过程中所消耗的电量来求得被测物质含量的方法bull法拉第电 解定律m 被测物质的质量M 物质的摩尔质量n 电极反应的电子转移数Q 为电量F 为法拉第常数

bull库仑分析 三要素1048708 电量的准确测量1048708 电解终点的指示1048708 100的电流效率

伏安分析通过测定特 殊条件下的电流mdash电压曲线来分析电解质的组成和含量的一类分析方法的总称 极谱分析使用滴汞电极的一种特殊的伏安分析法

433 433 极谱法与伏安分析极谱法与伏安分析

单扫描极谱法（也称为直流示波极谱法）

普通电导分析 原理依据溶液电导与电 解质关系 应用高纯水质分析酸雨监测

高频电导分析 特点溶液与电极不直接接触

434 434 电导分析法电导分析法

色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速度产生差别达到彼此分离的目的度产生差别达到彼此分离的目的

44 44 色谱分析法色谱分析法

组分的结构和性质微小差异 与固定相作用差异 随流动相 移动的速度不等 差速迁移 色谱分离

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

光谱分析法

吸收光谱法 发射光谱法

原子光谱法 分子光谱法

原子发射

原子吸收

原子荧光

X射线荧光

原子吸收

紫外可见

红外可见

核磁共振

紫外可见

红外可见

分子荧光

分子磷光

核磁共振

化学发光

原子发射

原子荧光

分子荧光

分子磷光

X射线荧光

化学发光

421 421 吸收光谱法吸收光谱法

bull当辐射能通过样品（固体液体或气体）中的一个透明层时组成样品的粒子（分子原子或离子）会选择性的吸收某种频率的辐射能从低能态 M （基态）跃迁至高能态 M（激发态）这种现象称为辐射的吸收 M + E = M E = hν = h c λE 能量 h普朗克常数 ν频率 c光速 λ波长

422 422 发射光谱法发射光谱法

bull当粒子吸收能量后从低能态 M （基态）跃迁至高能态 M（激发态）处于高能态的粒子是不稳定的在短暂的时间内（约 10 － 8 s）又从高能态返回到低能态这时将吸收的能量释放出来得到发射光谱 M = M + hν

423 423 拉曼散射光谱法拉曼散射光谱法

bull当用单色光照射透明样品时由于辐射与待测物质分子相互作用发生能量交换引起分子振动能级的变化并有辐射能量的变化因而产生与入射光波长不同的散射光这种散射称为拉曼散射

43 43 电化学分析法电化学分析法电化学分析法

电浓度分析法通过测量与试液浓度有一定关系的电物理量对待测组分进行定量

电容量分析法通过测量电物理量的突变作为容量分析滴定终止的指示方法

电导分析法

电位分析法

库仑分析法

伏安分析法

电流滴定法

电位滴定法

电导滴定法

电解分析法

电重量分析法通过称量电解过程中电析于电极上的物质质量求算被测物含量

bull 电位分析法是基于测量某一 溶液中两电极间的电位差以测算出被测溶液中某种离子的活度bull 电位分析法具有 较高的选择性一种特定电极可测定某一特定的离子如玻璃电极可测定溶液中 H ＋离子的活度（或浓度）氟电极可测定溶液中 F －离子的活度bull 适宜的测量范围一般在 10 － 6 ～ 10 － 2molL

bull离子选择电极是电化学敏感体它的电位与 溶液中给定的离子活度的对数成线性关系

研制各种高灵敏度高选择性的电极是电位分析法 最活跃的研究领域之一

431 431 电位分析法电位分析法

离子选择电极 参比电极

敏感膜

溶液

测量仪器

电位分析法 按应用方式可为两类 直接电位法 电极电位与 溶液中电活性物质的活度有关通过测量溶液的电动势根据能斯特方程计算被测物质的含量 对于氧化还原体系 Ox + ne- = Red

对于金属电极（还原态为金属 活度定为 1 ）

dRe

OxOOxRed ln

a

a

nF

RTEE

nn M

O

MMln a

nF

RTEE

电位滴定 分析法用电位测量 装置指示滴定分析过程中被测组分的浓度变化通过记录或绘制滴定曲线来确定滴定终点的分析方法

电解分析 在恒电流或 控制电位条件下使被测物质在电极上析出实现定量分离测定目的的方法 电重量分析法 电解过程中在阴极上析出的物质量通常可以用称重的方法来确定 库仑分析法 依据法拉第电 解定律由电解过程中电极上通过的电量确定电极上析出的物质量的分析方法 电流滴定或库仑滴定 恒电流下电解产生的滴定剂与被测物作用

432 432 电解与库仑分析法电解与库仑分析法

库仑分析法 根据电 解过程中所消耗的电量来求得被测物质含量的方法bull法拉第电 解定律m 被测物质的质量M 物质的摩尔质量n 电极反应的电子转移数Q 为电量F 为法拉第常数

bull库仑分析 三要素1048708 电量的准确测量1048708 电解终点的指示1048708 100的电流效率

伏安分析通过测定特 殊条件下的电流mdash电压曲线来分析电解质的组成和含量的一类分析方法的总称 极谱分析使用滴汞电极的一种特殊的伏安分析法

433 433 极谱法与伏安分析极谱法与伏安分析

单扫描极谱法（也称为直流示波极谱法）

普通电导分析 原理依据溶液电导与电 解质关系 应用高纯水质分析酸雨监测

高频电导分析 特点溶液与电极不直接接触

434 434 电导分析法电导分析法

色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速度产生差别达到彼此分离的目的度产生差别达到彼此分离的目的

44 44 色谱分析法色谱分析法

组分的结构和性质微小差异 与固定相作用差异 随流动相 移动的速度不等 差速迁移 色谱分离

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

421 421 吸收光谱法吸收光谱法

bull当辐射能通过样品（固体液体或气体）中的一个透明层时组成样品的粒子（分子原子或离子）会选择性的吸收某种频率的辐射能从低能态 M （基态）跃迁至高能态 M（激发态）这种现象称为辐射的吸收 M + E = M E = hν = h c λE 能量 h普朗克常数 ν频率 c光速 λ波长

422 422 发射光谱法发射光谱法

bull当粒子吸收能量后从低能态 M （基态）跃迁至高能态 M（激发态）处于高能态的粒子是不稳定的在短暂的时间内（约 10 － 8 s）又从高能态返回到低能态这时将吸收的能量释放出来得到发射光谱 M = M + hν

423 423 拉曼散射光谱法拉曼散射光谱法

bull当用单色光照射透明样品时由于辐射与待测物质分子相互作用发生能量交换引起分子振动能级的变化并有辐射能量的变化因而产生与入射光波长不同的散射光这种散射称为拉曼散射

43 43 电化学分析法电化学分析法电化学分析法

电浓度分析法通过测量与试液浓度有一定关系的电物理量对待测组分进行定量

电容量分析法通过测量电物理量的突变作为容量分析滴定终止的指示方法

电导分析法

电位分析法

库仑分析法

伏安分析法

电流滴定法

电位滴定法

电导滴定法

电解分析法

电重量分析法通过称量电解过程中电析于电极上的物质质量求算被测物含量

bull 电位分析法是基于测量某一 溶液中两电极间的电位差以测算出被测溶液中某种离子的活度bull 电位分析法具有 较高的选择性一种特定电极可测定某一特定的离子如玻璃电极可测定溶液中 H ＋离子的活度（或浓度）氟电极可测定溶液中 F －离子的活度bull 适宜的测量范围一般在 10 － 6 ～ 10 － 2molL

bull离子选择电极是电化学敏感体它的电位与 溶液中给定的离子活度的对数成线性关系

研制各种高灵敏度高选择性的电极是电位分析法 最活跃的研究领域之一

431 431 电位分析法电位分析法

离子选择电极 参比电极

敏感膜

溶液

测量仪器

电位分析法 按应用方式可为两类 直接电位法 电极电位与 溶液中电活性物质的活度有关通过测量溶液的电动势根据能斯特方程计算被测物质的含量 对于氧化还原体系 Ox + ne- = Red

对于金属电极（还原态为金属 活度定为 1 ）

dRe

OxOOxRed ln

a

a

nF

RTEE

nn M

O

MMln a

nF

RTEE

电位滴定 分析法用电位测量 装置指示滴定分析过程中被测组分的浓度变化通过记录或绘制滴定曲线来确定滴定终点的分析方法

电解分析 在恒电流或 控制电位条件下使被测物质在电极上析出实现定量分离测定目的的方法 电重量分析法 电解过程中在阴极上析出的物质量通常可以用称重的方法来确定 库仑分析法 依据法拉第电 解定律由电解过程中电极上通过的电量确定电极上析出的物质量的分析方法 电流滴定或库仑滴定 恒电流下电解产生的滴定剂与被测物作用

432 432 电解与库仑分析法电解与库仑分析法

库仑分析法 根据电 解过程中所消耗的电量来求得被测物质含量的方法bull法拉第电 解定律m 被测物质的质量M 物质的摩尔质量n 电极反应的电子转移数Q 为电量F 为法拉第常数

bull库仑分析 三要素1048708 电量的准确测量1048708 电解终点的指示1048708 100的电流效率

伏安分析通过测定特 殊条件下的电流mdash电压曲线来分析电解质的组成和含量的一类分析方法的总称 极谱分析使用滴汞电极的一种特殊的伏安分析法

433 433 极谱法与伏安分析极谱法与伏安分析

单扫描极谱法（也称为直流示波极谱法）

普通电导分析 原理依据溶液电导与电 解质关系 应用高纯水质分析酸雨监测

高频电导分析 特点溶液与电极不直接接触

434 434 电导分析法电导分析法

色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速度产生差别达到彼此分离的目的度产生差别达到彼此分离的目的

44 44 色谱分析法色谱分析法

组分的结构和性质微小差异 与固定相作用差异 随流动相 移动的速度不等 差速迁移 色谱分离

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

422 422 发射光谱法发射光谱法

bull当粒子吸收能量后从低能态 M （基态）跃迁至高能态 M（激发态）处于高能态的粒子是不稳定的在短暂的时间内（约 10 － 8 s）又从高能态返回到低能态这时将吸收的能量释放出来得到发射光谱 M = M + hν

423 423 拉曼散射光谱法拉曼散射光谱法

bull当用单色光照射透明样品时由于辐射与待测物质分子相互作用发生能量交换引起分子振动能级的变化并有辐射能量的变化因而产生与入射光波长不同的散射光这种散射称为拉曼散射

43 43 电化学分析法电化学分析法电化学分析法

电浓度分析法通过测量与试液浓度有一定关系的电物理量对待测组分进行定量

电容量分析法通过测量电物理量的突变作为容量分析滴定终止的指示方法

电导分析法

电位分析法

库仑分析法

伏安分析法

电流滴定法

电位滴定法

电导滴定法

电解分析法

电重量分析法通过称量电解过程中电析于电极上的物质质量求算被测物含量

bull 电位分析法是基于测量某一 溶液中两电极间的电位差以测算出被测溶液中某种离子的活度bull 电位分析法具有 较高的选择性一种特定电极可测定某一特定的离子如玻璃电极可测定溶液中 H ＋离子的活度（或浓度）氟电极可测定溶液中 F －离子的活度bull 适宜的测量范围一般在 10 － 6 ～ 10 － 2molL

bull离子选择电极是电化学敏感体它的电位与 溶液中给定的离子活度的对数成线性关系

研制各种高灵敏度高选择性的电极是电位分析法 最活跃的研究领域之一

431 431 电位分析法电位分析法

离子选择电极 参比电极

敏感膜

溶液

测量仪器

电位分析法 按应用方式可为两类 直接电位法 电极电位与 溶液中电活性物质的活度有关通过测量溶液的电动势根据能斯特方程计算被测物质的含量 对于氧化还原体系 Ox + ne- = Red

对于金属电极（还原态为金属 活度定为 1 ）

dRe

OxOOxRed ln

a

a

nF

RTEE

nn M

O

MMln a

nF

RTEE

电位滴定 分析法用电位测量 装置指示滴定分析过程中被测组分的浓度变化通过记录或绘制滴定曲线来确定滴定终点的分析方法

电解分析 在恒电流或 控制电位条件下使被测物质在电极上析出实现定量分离测定目的的方法 电重量分析法 电解过程中在阴极上析出的物质量通常可以用称重的方法来确定 库仑分析法 依据法拉第电 解定律由电解过程中电极上通过的电量确定电极上析出的物质量的分析方法 电流滴定或库仑滴定 恒电流下电解产生的滴定剂与被测物作用

432 432 电解与库仑分析法电解与库仑分析法

库仑分析法 根据电 解过程中所消耗的电量来求得被测物质含量的方法bull法拉第电 解定律m 被测物质的质量M 物质的摩尔质量n 电极反应的电子转移数Q 为电量F 为法拉第常数

bull库仑分析 三要素1048708 电量的准确测量1048708 电解终点的指示1048708 100的电流效率

伏安分析通过测定特 殊条件下的电流mdash电压曲线来分析电解质的组成和含量的一类分析方法的总称 极谱分析使用滴汞电极的一种特殊的伏安分析法

433 433 极谱法与伏安分析极谱法与伏安分析

单扫描极谱法（也称为直流示波极谱法）

普通电导分析 原理依据溶液电导与电 解质关系 应用高纯水质分析酸雨监测

高频电导分析 特点溶液与电极不直接接触

434 434 电导分析法电导分析法

色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速度产生差别达到彼此分离的目的度产生差别达到彼此分离的目的

44 44 色谱分析法色谱分析法

组分的结构和性质微小差异 与固定相作用差异 随流动相 移动的速度不等 差速迁移 色谱分离

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

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100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

423 423 拉曼散射光谱法拉曼散射光谱法

bull当用单色光照射透明样品时由于辐射与待测物质分子相互作用发生能量交换引起分子振动能级的变化并有辐射能量的变化因而产生与入射光波长不同的散射光这种散射称为拉曼散射

43 43 电化学分析法电化学分析法电化学分析法

电浓度分析法通过测量与试液浓度有一定关系的电物理量对待测组分进行定量

电容量分析法通过测量电物理量的突变作为容量分析滴定终止的指示方法

电导分析法

电位分析法

库仑分析法

伏安分析法

电流滴定法

电位滴定法

电导滴定法

电解分析法

电重量分析法通过称量电解过程中电析于电极上的物质质量求算被测物含量

bull 电位分析法是基于测量某一 溶液中两电极间的电位差以测算出被测溶液中某种离子的活度bull 电位分析法具有 较高的选择性一种特定电极可测定某一特定的离子如玻璃电极可测定溶液中 H ＋离子的活度（或浓度）氟电极可测定溶液中 F －离子的活度bull 适宜的测量范围一般在 10 － 6 ～ 10 － 2molL

bull离子选择电极是电化学敏感体它的电位与 溶液中给定的离子活度的对数成线性关系

研制各种高灵敏度高选择性的电极是电位分析法 最活跃的研究领域之一

431 431 电位分析法电位分析法

离子选择电极 参比电极

敏感膜

溶液

测量仪器

电位分析法 按应用方式可为两类 直接电位法 电极电位与 溶液中电活性物质的活度有关通过测量溶液的电动势根据能斯特方程计算被测物质的含量 对于氧化还原体系 Ox + ne- = Red

对于金属电极（还原态为金属 活度定为 1 ）

dRe

OxOOxRed ln

a

a

nF

RTEE

nn M

O

MMln a

nF

RTEE

电位滴定 分析法用电位测量 装置指示滴定分析过程中被测组分的浓度变化通过记录或绘制滴定曲线来确定滴定终点的分析方法

电解分析 在恒电流或 控制电位条件下使被测物质在电极上析出实现定量分离测定目的的方法 电重量分析法 电解过程中在阴极上析出的物质量通常可以用称重的方法来确定 库仑分析法 依据法拉第电 解定律由电解过程中电极上通过的电量确定电极上析出的物质量的分析方法 电流滴定或库仑滴定 恒电流下电解产生的滴定剂与被测物作用

432 432 电解与库仑分析法电解与库仑分析法

库仑分析法 根据电 解过程中所消耗的电量来求得被测物质含量的方法bull法拉第电 解定律m 被测物质的质量M 物质的摩尔质量n 电极反应的电子转移数Q 为电量F 为法拉第常数

bull库仑分析 三要素1048708 电量的准确测量1048708 电解终点的指示1048708 100的电流效率

伏安分析通过测定特 殊条件下的电流mdash电压曲线来分析电解质的组成和含量的一类分析方法的总称 极谱分析使用滴汞电极的一种特殊的伏安分析法

433 433 极谱法与伏安分析极谱法与伏安分析

单扫描极谱法（也称为直流示波极谱法）

普通电导分析 原理依据溶液电导与电 解质关系 应用高纯水质分析酸雨监测

高频电导分析 特点溶液与电极不直接接触

434 434 电导分析法电导分析法

色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速度产生差别达到彼此分离的目的度产生差别达到彼此分离的目的

44 44 色谱分析法色谱分析法

组分的结构和性质微小差异 与固定相作用差异 随流动相 移动的速度不等 差速迁移 色谱分离

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

43 43 电化学分析法电化学分析法电化学分析法

电浓度分析法通过测量与试液浓度有一定关系的电物理量对待测组分进行定量

电容量分析法通过测量电物理量的突变作为容量分析滴定终止的指示方法

电导分析法

电位分析法

库仑分析法

伏安分析法

电流滴定法

电位滴定法

电导滴定法

电解分析法

电重量分析法通过称量电解过程中电析于电极上的物质质量求算被测物含量

bull 电位分析法是基于测量某一 溶液中两电极间的电位差以测算出被测溶液中某种离子的活度bull 电位分析法具有 较高的选择性一种特定电极可测定某一特定的离子如玻璃电极可测定溶液中 H ＋离子的活度（或浓度）氟电极可测定溶液中 F －离子的活度bull 适宜的测量范围一般在 10 － 6 ～ 10 － 2molL

bull离子选择电极是电化学敏感体它的电位与 溶液中给定的离子活度的对数成线性关系

研制各种高灵敏度高选择性的电极是电位分析法 最活跃的研究领域之一

431 431 电位分析法电位分析法

离子选择电极 参比电极

敏感膜

溶液

测量仪器

电位分析法 按应用方式可为两类 直接电位法 电极电位与 溶液中电活性物质的活度有关通过测量溶液的电动势根据能斯特方程计算被测物质的含量 对于氧化还原体系 Ox + ne- = Red

对于金属电极（还原态为金属 活度定为 1 ）

dRe

OxOOxRed ln

a

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nF

RTEE

nn M

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MMln a

nF

RTEE

电位滴定 分析法用电位测量 装置指示滴定分析过程中被测组分的浓度变化通过记录或绘制滴定曲线来确定滴定终点的分析方法

电解分析 在恒电流或 控制电位条件下使被测物质在电极上析出实现定量分离测定目的的方法 电重量分析法 电解过程中在阴极上析出的物质量通常可以用称重的方法来确定 库仑分析法 依据法拉第电 解定律由电解过程中电极上通过的电量确定电极上析出的物质量的分析方法 电流滴定或库仑滴定 恒电流下电解产生的滴定剂与被测物作用

432 432 电解与库仑分析法电解与库仑分析法

库仑分析法 根据电 解过程中所消耗的电量来求得被测物质含量的方法bull法拉第电 解定律m 被测物质的质量M 物质的摩尔质量n 电极反应的电子转移数Q 为电量F 为法拉第常数

bull库仑分析 三要素1048708 电量的准确测量1048708 电解终点的指示1048708 100的电流效率

伏安分析通过测定特 殊条件下的电流mdash电压曲线来分析电解质的组成和含量的一类分析方法的总称 极谱分析使用滴汞电极的一种特殊的伏安分析法

433 433 极谱法与伏安分析极谱法与伏安分析

单扫描极谱法（也称为直流示波极谱法）

普通电导分析 原理依据溶液电导与电 解质关系 应用高纯水质分析酸雨监测

高频电导分析 特点溶液与电极不直接接触

434 434 电导分析法电导分析法

色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速度产生差别达到彼此分离的目的度产生差别达到彼此分离的目的

44 44 色谱分析法色谱分析法

组分的结构和性质微小差异 与固定相作用差异 随流动相 移动的速度不等 差速迁移 色谱分离

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

bull 电位分析法是基于测量某一 溶液中两电极间的电位差以测算出被测溶液中某种离子的活度bull 电位分析法具有 较高的选择性一种特定电极可测定某一特定的离子如玻璃电极可测定溶液中 H ＋离子的活度（或浓度）氟电极可测定溶液中 F －离子的活度bull 适宜的测量范围一般在 10 － 6 ～ 10 － 2molL

bull离子选择电极是电化学敏感体它的电位与 溶液中给定的离子活度的对数成线性关系

研制各种高灵敏度高选择性的电极是电位分析法 最活跃的研究领域之一

431 431 电位分析法电位分析法

离子选择电极 参比电极

敏感膜

溶液

测量仪器

电位分析法 按应用方式可为两类 直接电位法 电极电位与 溶液中电活性物质的活度有关通过测量溶液的电动势根据能斯特方程计算被测物质的含量 对于氧化还原体系 Ox + ne- = Red

对于金属电极（还原态为金属 活度定为 1 ）

dRe

OxOOxRed ln

a

a

nF

RTEE

nn M

O

MMln a

nF

RTEE

电位滴定 分析法用电位测量 装置指示滴定分析过程中被测组分的浓度变化通过记录或绘制滴定曲线来确定滴定终点的分析方法

电解分析 在恒电流或 控制电位条件下使被测物质在电极上析出实现定量分离测定目的的方法 电重量分析法 电解过程中在阴极上析出的物质量通常可以用称重的方法来确定 库仑分析法 依据法拉第电 解定律由电解过程中电极上通过的电量确定电极上析出的物质量的分析方法 电流滴定或库仑滴定 恒电流下电解产生的滴定剂与被测物作用

432 432 电解与库仑分析法电解与库仑分析法

库仑分析法 根据电 解过程中所消耗的电量来求得被测物质含量的方法bull法拉第电 解定律m 被测物质的质量M 物质的摩尔质量n 电极反应的电子转移数Q 为电量F 为法拉第常数

bull库仑分析 三要素1048708 电量的准确测量1048708 电解终点的指示1048708 100的电流效率

伏安分析通过测定特 殊条件下的电流mdash电压曲线来分析电解质的组成和含量的一类分析方法的总称 极谱分析使用滴汞电极的一种特殊的伏安分析法

433 433 极谱法与伏安分析极谱法与伏安分析

单扫描极谱法（也称为直流示波极谱法）

普通电导分析 原理依据溶液电导与电 解质关系 应用高纯水质分析酸雨监测

高频电导分析 特点溶液与电极不直接接触

434 434 电导分析法电导分析法

色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速度产生差别达到彼此分离的目的度产生差别达到彼此分离的目的

44 44 色谱分析法色谱分析法

组分的结构和性质微小差异 与固定相作用差异 随流动相 移动的速度不等 差速迁移 色谱分离

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

电位分析法 按应用方式可为两类 直接电位法 电极电位与 溶液中电活性物质的活度有关通过测量溶液的电动势根据能斯特方程计算被测物质的含量 对于氧化还原体系 Ox + ne- = Red

对于金属电极（还原态为金属 活度定为 1 ）

dRe

OxOOxRed ln

a

a

nF

RTEE

nn M

O

MMln a

nF

RTEE

电位滴定 分析法用电位测量 装置指示滴定分析过程中被测组分的浓度变化通过记录或绘制滴定曲线来确定滴定终点的分析方法

电解分析 在恒电流或 控制电位条件下使被测物质在电极上析出实现定量分离测定目的的方法 电重量分析法 电解过程中在阴极上析出的物质量通常可以用称重的方法来确定 库仑分析法 依据法拉第电 解定律由电解过程中电极上通过的电量确定电极上析出的物质量的分析方法 电流滴定或库仑滴定 恒电流下电解产生的滴定剂与被测物作用

432 432 电解与库仑分析法电解与库仑分析法

库仑分析法 根据电 解过程中所消耗的电量来求得被测物质含量的方法bull法拉第电 解定律m 被测物质的质量M 物质的摩尔质量n 电极反应的电子转移数Q 为电量F 为法拉第常数

bull库仑分析 三要素1048708 电量的准确测量1048708 电解终点的指示1048708 100的电流效率

伏安分析通过测定特 殊条件下的电流mdash电压曲线来分析电解质的组成和含量的一类分析方法的总称 极谱分析使用滴汞电极的一种特殊的伏安分析法

433 433 极谱法与伏安分析极谱法与伏安分析

单扫描极谱法（也称为直流示波极谱法）

普通电导分析 原理依据溶液电导与电 解质关系 应用高纯水质分析酸雨监测

高频电导分析 特点溶液与电极不直接接触

434 434 电导分析法电导分析法

色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速度产生差别达到彼此分离的目的度产生差别达到彼此分离的目的

44 44 色谱分析法色谱分析法

组分的结构和性质微小差异 与固定相作用差异 随流动相 移动的速度不等 差速迁移 色谱分离

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

电位滴定 分析法用电位测量 装置指示滴定分析过程中被测组分的浓度变化通过记录或绘制滴定曲线来确定滴定终点的分析方法

电解分析 在恒电流或 控制电位条件下使被测物质在电极上析出实现定量分离测定目的的方法 电重量分析法 电解过程中在阴极上析出的物质量通常可以用称重的方法来确定 库仑分析法 依据法拉第电 解定律由电解过程中电极上通过的电量确定电极上析出的物质量的分析方法 电流滴定或库仑滴定 恒电流下电解产生的滴定剂与被测物作用

432 432 电解与库仑分析法电解与库仑分析法

库仑分析法 根据电 解过程中所消耗的电量来求得被测物质含量的方法bull法拉第电 解定律m 被测物质的质量M 物质的摩尔质量n 电极反应的电子转移数Q 为电量F 为法拉第常数

bull库仑分析 三要素1048708 电量的准确测量1048708 电解终点的指示1048708 100的电流效率

伏安分析通过测定特 殊条件下的电流mdash电压曲线来分析电解质的组成和含量的一类分析方法的总称 极谱分析使用滴汞电极的一种特殊的伏安分析法

433 433 极谱法与伏安分析极谱法与伏安分析

单扫描极谱法（也称为直流示波极谱法）

普通电导分析 原理依据溶液电导与电 解质关系 应用高纯水质分析酸雨监测

高频电导分析 特点溶液与电极不直接接触

434 434 电导分析法电导分析法

色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速度产生差别达到彼此分离的目的度产生差别达到彼此分离的目的

44 44 色谱分析法色谱分析法

组分的结构和性质微小差异 与固定相作用差异 随流动相 移动的速度不等 差速迁移 色谱分离

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

电解分析 在恒电流或 控制电位条件下使被测物质在电极上析出实现定量分离测定目的的方法 电重量分析法 电解过程中在阴极上析出的物质量通常可以用称重的方法来确定 库仑分析法 依据法拉第电 解定律由电解过程中电极上通过的电量确定电极上析出的物质量的分析方法 电流滴定或库仑滴定 恒电流下电解产生的滴定剂与被测物作用

432 432 电解与库仑分析法电解与库仑分析法

库仑分析法 根据电 解过程中所消耗的电量来求得被测物质含量的方法bull法拉第电 解定律m 被测物质的质量M 物质的摩尔质量n 电极反应的电子转移数Q 为电量F 为法拉第常数

bull库仑分析 三要素1048708 电量的准确测量1048708 电解终点的指示1048708 100的电流效率

伏安分析通过测定特 殊条件下的电流mdash电压曲线来分析电解质的组成和含量的一类分析方法的总称 极谱分析使用滴汞电极的一种特殊的伏安分析法

433 433 极谱法与伏安分析极谱法与伏安分析

单扫描极谱法（也称为直流示波极谱法）

普通电导分析 原理依据溶液电导与电 解质关系 应用高纯水质分析酸雨监测

高频电导分析 特点溶液与电极不直接接触

434 434 电导分析法电导分析法

色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速度产生差别达到彼此分离的目的度产生差别达到彼此分离的目的

44 44 色谱分析法色谱分析法

组分的结构和性质微小差异 与固定相作用差异 随流动相 移动的速度不等 差速迁移 色谱分离

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

库仑分析法 根据电 解过程中所消耗的电量来求得被测物质含量的方法bull法拉第电 解定律m 被测物质的质量M 物质的摩尔质量n 电极反应的电子转移数Q 为电量F 为法拉第常数

bull库仑分析 三要素1048708 电量的准确测量1048708 电解终点的指示1048708 100的电流效率

伏安分析通过测定特 殊条件下的电流mdash电压曲线来分析电解质的组成和含量的一类分析方法的总称 极谱分析使用滴汞电极的一种特殊的伏安分析法

433 433 极谱法与伏安分析极谱法与伏安分析

单扫描极谱法（也称为直流示波极谱法）

普通电导分析 原理依据溶液电导与电 解质关系 应用高纯水质分析酸雨监测

高频电导分析 特点溶液与电极不直接接触

434 434 电导分析法电导分析法

色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速度产生差别达到彼此分离的目的度产生差别达到彼此分离的目的

44 44 色谱分析法色谱分析法

组分的结构和性质微小差异 与固定相作用差异 随流动相 移动的速度不等 差速迁移 色谱分离

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

伏安分析通过测定特 殊条件下的电流mdash电压曲线来分析电解质的组成和含量的一类分析方法的总称 极谱分析使用滴汞电极的一种特殊的伏安分析法

433 433 极谱法与伏安分析极谱法与伏安分析

单扫描极谱法（也称为直流示波极谱法）

普通电导分析 原理依据溶液电导与电 解质关系 应用高纯水质分析酸雨监测

高频电导分析 特点溶液与电极不直接接触

434 434 电导分析法电导分析法

色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速度产生差别达到彼此分离的目的度产生差别达到彼此分离的目的

44 44 色谱分析法色谱分析法

组分的结构和性质微小差异 与固定相作用差异 随流动相 移动的速度不等 差速迁移 色谱分离

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

普通电导分析 原理依据溶液电导与电 解质关系 应用高纯水质分析酸雨监测

高频电导分析 特点溶液与电极不直接接触

434 434 电导分析法电导分析法

色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速度产生差别达到彼此分离的目的度产生差别达到彼此分离的目的

44 44 色谱分析法色谱分析法

组分的结构和性质微小差异 与固定相作用差异 随流动相 移动的速度不等 差速迁移 色谱分离

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相色谱法是一种物理分离方法根据不同物质在互不相溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系溶的两相（固定相和流动相） 之间分配系数吸附系数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时数或其他亲合作用的微小差异当两相作相对运动时物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小物质在两相间进行反复多次的分配这样原来微小的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速的差异产生了巨大的效果不同物质随流动相 移动速度产生差别达到彼此分离的目的度产生差别达到彼此分离的目的

44 44 色谱分析法色谱分析法

组分的结构和性质微小差异 与固定相作用差异 随流动相 移动的速度不等 差速迁移 色谱分离

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

bull什么是气相色谱法什么是气相色谱法

以气体为流动相的色谱法

Gas Chromatogaphy 简称 GC

按固定相状态的不同可分为

ndash 气固色谱 (GSC)

ndash 气液色谱 (GLC)

适合分离分析易汽化（在 - 190 -500 范围内有02-10mmHg 的蒸气压的）稳定不易分解不易反应的样品特别适合用于同系物同分异构体的分离

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

应用举例（ GC）

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

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200

200 300

300

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400 500

500

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2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

什么是液相色谱法什么是液相色谱法

以液体为流动相的色谱法

Liquid Chromatogaphy 简称 LC

适合分离分析高沸点热不稳定离子型的样品

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

应用举例

(HPLC)

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

45 45 质谱分析法质谱分析法 质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来

进行分析的一种分析方法被分析的样品首先要离子化然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同把离子按质荷比（ mz）分开而得到质谱通过样品的质谱和相关信息可以得到样品的定性定量结果

质谱仪种类很多在进行质谱分析前要根据样品状况和分析要求选择合适的质谱仪目前有机质谱仪主要有两大类气相色谱 - 质谱联用仪（ GC-MS）和液相色谱 - 质谱（ LC-MS）联用仪

样品导入系统

离子源产生离子流

质量 分析器

质量扫描

检测器 放大器记录器

mz H0

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

质谱图棒图 纵坐标离子的相对强度 横坐标质荷比 mz

100

50

80 100 120 mz

128(M+)27

2941

43

55

57

71

99

113

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

bull特点

①灵敏度高（ 10-11g ） ②分析速度快 1~几秒 ③测定对象广气液固bull 用途 ①求精确分子量 ②鉴定化合物 ③推断结构 ④测 Cl Br 等原子数

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

100

200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

离子源将样品电离成离子

1 电子轰击源（ EI ）样品蒸汽分子 M+eMbull++2e

2 化学电离源（ CI ） CH4反应气 主要碎片 CH4middot+ 和 CH3+

再与样品作用

3 快原子轰击离子源（ FAB ）

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

U(mV

)

100

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200

200 300

300

400

400 500

500

600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

质量分析器磁偏转质量分析器

+FX- 磁场方向垂直纸面向里

F-lorentz力oplus -正离子

离子运动的半径

①R 与 mz 的平方根成正比

②增大 V R 电压扫描 (H 不变）

③连续改变 H ( 磁场扫描 )

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

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2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

磁场的质量色散作用

离子束 磁场 磁场

S1 S2

磁场有会聚作用

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

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2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

bull主要性能指标 1 分辨率分开相邻质量的能力 R=MM

2 质量范围离子质荷比范围 10~几千 3 灵敏度产生具有一定信噪比的分子离 子峰所需的样品量

h10h

m m+m

分辨率

M 与 M+M 谱线相邻两峰峰谷高 lt10

基本分开标志

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

0t ( )

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200 300

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400 500

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600

2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

微电子化学敏感器件既具有离子选择性电极对离子敏感的特性又保留场效应晶体管的性能

在源极和漏极之间施加电压（ Vd ）电子便从源极流向漏极（产生漏电流 Id ） Id 的大小受栅极和与源极之间电压（ Vg ）控制并为 Vg 与 Vd 的函数

46 46 离子敏感场效应晶体管离子敏感场效应晶体管

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

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2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

离子敏感场效应晶体管原理离子敏感场效应晶体管原理

将 MOSFET 的金属栅极用离子选择性电极的敏感膜代替即成为对相应离子有响应的 ISFET

当它与试液接触并与参比电极组成测量体系时由于在膜与试液的界面处产生膜电位而 叠加在栅压上将引起 ISFET漏电流（ Id ）相应改变 Id 与响应离子活度之间具有类似于能斯特公式的关系

应用时可保持 Vd 与 Vg 恒定测量 Id 与待测离子活度之间的关系（ Id 以 μA 为单位） 也可保持 Vd 与 Id

恒定测量 Vg 随待测离子活度之间的关系（也具有类似于能斯特公式的关系）

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

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2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

ISFETISFET 的特点的特点 全固态器件体积小响应快易于微型化 本身具有高阻抗转换和放大功能集敏感元件与电子元件于一体简化了测试仪器的电路 应用较广

Si3N4 敏感膜 ISFET 的 PH响应曲线

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

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2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

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料咖啡Tubingen 大

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导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

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料环保路易发展公

司英国

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大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

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研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

471 气敏元件 气体与人类日常生活密切相关对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段气敏传感器发挥着极其重要的作用

如生活环境中一氧化碳浓度达 08 ～ 115 mlL 时就会出现呼吸急促脉搏加快甚至晕厥还有易燃易爆气体酒精等的探测

烟雾报警器 酒精传感器 二氧化碳传感器

47 47 气体传感器气体传感器

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

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2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

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MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

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导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

半导体气敏传感器是 利用气敏半导体 材料如氧化锡氧化锰当它们吸收了气体烟雾如一氧化碳醇等时电阻发生变化从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

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2 4 1 图 气敏电阻灵敏度与温度的关系

bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

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MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

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一般可燃性气体

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大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

气敏元件的工作原理及其特性bull接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂钯等稀有金属催化层）使用时对铂丝通以电流 保持 300～ 400的高温此时若与可燃性气体接触可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧因此铂丝的温度会上升铂丝的电阻值也上升通过测量铂丝的电阻值变化的大小就知道可燃性气体的浓度bull电化学气敏传感器一般利用液体（或固体有机凝胶等）电解质其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流 也可以是离子作用于离子电极产生的电动势bull半导体气敏传感器具有灵敏度高 响应快稳定性好使用简单的特点应用极其广泛半导体气敏 元件有 N 型和 P 型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P 型阻值随气体浓度的增大而增大

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

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bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

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金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

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一般可燃性气体

Alpha 公司法国

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MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

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一般可燃性气体

Leeds 大学英国

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料环保路易发展公

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大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

bull半 导体气敏 元件检测可燃气体的基本原理bullSnO2金属氧化物半导体气敏 材料属于 N型半导体

bull在 200～ 300温度下吸附空气中的氧形成氧的负离子吸附使半导体中的电子 密度减少从而使其电阻值增加bull当遇到有能供给电子的可燃气体（如 CO 等）时原来吸附的氧脱附而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表 面

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bull氧脱附放出电子可燃性气体以正离子状态吸附也要放出电子 从而使氧化物半导体导带电子密度增加电阻值下降bull可燃性气体消失后金属氧化物半导体又会自动 恢复氧的负离子吸附使电阻值升高到初始状态

472 472 仿生电子鼻仿生电子鼻

仿生电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问几乎所有动物 不论是高级的还是低级的 都具有对周围环境中的化学刺激 - 气味进行感知并作出适当反应的能力

仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

bull智能气体传感器阵列

同时检测氢气一氧化碳乙烯 乙炔四种气体的浓度

温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

便携式气味检测仪

金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

智能鼻Fox2000

金属氧化物半导体 12

一般可燃性气体

Alpha 公司法国

模块式传感器系统

MOSESⅡ

导电聚合物金属氧化物半导体

石英晶振24

燃机油有机气体塑

料咖啡Tubingen 大

学德国

气味警犬BH114

导电聚合物金属氧化物半导体 16

一般可燃性气体

Leeds 大学英国

香味扫描仪Aromascan

导电聚合物 32食品化妆品包装材

料环保路易发展公

司英国

电子鼻产品表

大作业题目大作业题目

1生命探测仪器

2大气颗粒物监测仪器

3驾驶员疲劳监测仪器

4爆炸物探测仪器

研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

可行性

大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

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仿生电子鼻技术的研究涉及材料纳米技术 MEMS多传感器融合计算机应用数学以及各具体应用领域的科学与技术 具有重要的理论意义和应用前景

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温 度 检 测

名称 传感器阵列类型 传感器个数

主要应用对象

生产厂家与国别

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金属氧化物半导体 6-8

一般可燃性气体 美国

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3驾驶员疲劳监测仪器

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研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

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研究方法bull 选题通过国内外现状分析发现不足选择突破口bull 分解研究 内容发现技术难点凝练科学问题bull 从技术难点与科学问题中产生创新点mdashmdash没有金刚钻别揽瓷器活

bull 创新点所涉及的理论方法和技术是否有基础可行性如何

不足与差距

难点与问题

创新点

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大作业格式一选题依据1 阐述该选题的研究意义分析该研究课题国内外研究的概况和发展趋势 ２国内外主要参考文献（列出作者论文名称期刊名称出版年月十篇以上） 二研究内容和研究方法 主要研究内容及预期成果拟采用的研究方法技术路线实验方案的可行性分析 三课题研究的创新之处 研究内容拟采用的研究方法技术路线等方面有哪些创新之处 四合作团队 介绍各位成 员的具体分工和研究内容

名称 传感器阵列类型 传感器个数

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大作业题目大作业题目

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