感測系統的組成感測系統的組成

感測元件 + 訊號處理 + 訊號加工 + 訊號表現

a.感測元件

b.訊號處理：轉換(電容→電壓)

放大(微伏→伏特)

c.訊號加工：校正方程式

d.訊號表現：1.LED直接讀出

2.電壓/電流輸出

感測系統的特殊性與共通性感測系統的特殊性與共通性

A.特殊性 B.共通性

a.元件

b.訊號處理

c.訊號加工

d.訊號呈現

pHpH之定義之定義

pH值定義為溶液中氫離子活性(α)的負對數值。

:氫離子的活性係數

:氫離子濃度

[ ]++−=−= HrpH Hloglog α+

Hr[ ]+H

在純水及稀薄溶液中，氫離子活性可視為與

氫離子濃度相同，

純水在25℃，

其離子積常數（ion product of water）。

[ ] [ ]+++ −=−= HHrpH H loglog

[ ][ ] 141001.1 −−+ ×== OHHKw[ ] [ ] 710005.1 −−+ ×== OHH

[ ] 710005.1loglog 7 =×−=−= −+HwaterpH

pHpH計原理計原理

1.玻璃電極(作用電極)

2.參考電極

pHpH量測原理量測原理pH量測牽涉溶液未知［H＋］電位與已知參

考電位之比較。

pH meter將參考半電池（reference half –

cells）與偵測半電池（sensing half–cells）轉換

成pH值。大部分的電極係將參考和偵測半電

池做在一起，成複合式電極。

當pH電極浸入樣品溶液中，其感應玻璃膜

（sensing glass membrane）將會產生一電位。

如果未知溶液是中性如果未知溶液是中性

1.V1：玻璃膜（glass membrane）內表

面和偵測導體（sensing

conductor）之電位。

2.V2：玻璃膜（glass membrane）外表

面和參考半電池之電位

V1=V2，使總電位差為0mV，此時Ph

值為 7。

酸鹼溶液環境，其外部薄膜表面電位的改變

正比於［H＋］濃度，pH meter測定其電位與未知［H＋］濃度的改變可用Nernst equation來表示：

E:總電位差(mV) :參考電位

T:溫度(℃) n:電子數

R:氣體常數 F:法拉第常數

［H＋］:氫離子濃度

[ ][ ]+

+

+=HernalHunknown

nFRTEE

intlog3.2

E

2 6E E Constant≅∼

玻璃電極玻璃電極

a.材料：耐酸鹼

b.形狀：球泡、平面型、實錐型、

迷你細針型。

c.內部緩衝液：氯化鉀(KCl)

參考電極參考電極

1.維持恆定的電勢

2.與待測溶液不相關

3.通過多孔陶瓷膜與量測液接觸

4.參考電解質有高離子濃度、低電阻

工業上使用的工業上使用的pHpH計計

特點：1 .On line, real time, Long-term.

2 .高壓、高溫、電流影響

3 .維護簡易、快速

4 .量測點有代表性

5 .電極與水平具有15°以上夾角

6 .電極的保護：待測液有固形物

需要攪拌

7.外界液壓與電解液的液壓

工業界工業界pHpH長期使用長期使用

1.環境溫度、相對濕度

2.周圍電磁場

3.信號為高電阻，導線不可太長

4.污染防治： a.緩衝劑沖洗

b.避免表面沉澱

5.電極儲存

a.放在蒸餾水內：活化反應時間

b.放在乾燥處：先浸入參考電解液

電極維護電極維護

1.不要用手去碰觸玻璃球，球面上的油膜

或刮痕會影響測值的準確度，手指上的

油漬會降低電極的感度。

2.檢視電極和電極導線有無外在毀損。

電極維護電極維護

3.電極使用前，徹底用去離子水清洗，不

可用衛生紙或拭紙擦拭電極，會造成電

極刮傷，應以拭紙輕輕吸乾電極上水份。

電極維護電極維護

4.監視電極的反應，保留電極的使用記

錄，記錄斜率讀值。正常的電極斜率

反應應在理論值的98.0至99.5％，理論

Nernst反應在25℃為59.16mV/pH，斜

率小於94％時，電極可能有老化現象。

電極維護電極維護

5.電極不使用時應蓋住並使其

保持濕潤。

電極清洗電極清洗

電極必須保持乾淨，方可得到準確的測值。

1.用去離子水徹底清洗電極表面。

2.如果電極變髒應加以再生。

3.電極之再生步驟，可將填充液清除，清洗再填

充新鮮的填充液。

4.更換塞子，並將電極放入保存液過夜，再測試

電極，如果測試不通過，更換電極

使用環境與使用環境與參考電極之選用參考電極之選用

特殊量測特殊量測1.待測液中離子稀少

影響：電極阻力太大

方法：增大電極面積

2.半水溶性或非水溶性

影響：局部pH值，容易沉澱

方法：LiCL的乙醇溶液為參考電解液

實例：組培瓶內半固態培養基

3.高蛋白質溶液(血液、尿液)

影響：蛋白質與KCl電解液沉澱

方法：使用特殊電解液(含甘油)

4.含硫化物的溶液

影響：與Ag/AgCl電解液產生硫化銀沉澱

方法：其他電解液

5.強酸/強鹼量測

問題：產生其他化學電能

解決：緩衝液

氫氧化鈣(pH=12.4)，

HCl (pH=1)。

生物產業的生物產業的pHpH量測量測

1.如何滅菌：

環境1.2 atm、120-130℃高溫蒸氣。

2.以酒精擦拭、UV照射…。

動物細胞生產動物細胞生產1.存活pH範圍：6.6-7.8

最佳pH條件：7.2-7.4

2.控制方式：a.加入酸鹼液

b.改變空氣中CO2含量

3.特殊問題：a.培養期數週(哺乳細胞)

b. pH控制精確

4.解決：擬膠式電解質，避免待測液滲入。

青霉素生產青霉素生產

1.青霉素液體培養的代謝物

2. pH適合範圍：6.0-6.8

3. pH控制：加入氨水或弱酸

4.特殊問題：a.菌絲黏附電極表面(尤其貼壁細胞)

b.蛋白質沉澱堵塞

5.解決：a.伸縮式保護套，定期去除黏附菌絲。

b.特殊電解液

檸檬酸生產

1.發酵液的檸檬酸以CaCO3中和2.以H2SO4溶解檸檬酸Ca

3.得到檸檬酸與CaSO4問題：1.沉澱物阻塞表面

2.增加反應時間，減短使用期限。

解決：1.使用特殊陶瓷接頭，光滑性。

2.使用特殊聚合物電解液

單一離子之硏製單一離子之硏製

為了單純化，選擇膜格外重要。

If

[ ]njjii aKaSKE ,log ++=

0, =jiK

( )iaSKE log+=

多重離子感測器之硏製多重離子感測器之硏製

1.假設同時有三種離子( i = 1,2,3 )

2.量測得到 值。

能否求解 。

3.單晶片與數值分析軟體的綜合應用。

)log( 3132121111nn aKaKaSKE +++=

)log( 3231212222nn aKaKaSKE +++=

)log( 2321313333nn aKaKaSKE +++=

321 ,, EEE321 ,, aaa

生物感測器生物感測器UREA(尿素) sensor

1.自豆類提煉酵素

ureae

CO(NH2)2 + 2H2O →

2.NH3濃度感測

3.pH感測

2342−+ +CONH

UREA Sensors

生物元件 + NH3元件 + pH元件 + 訊號處理 + …

酵素 電解液 電解液

透過膜 透過膜(NH3) 透過膜(H+)

(urease)

感測系統的組成感測系統的特殊性與共通性 pH之定義 pH計原理 pH量測原理 如果未知溶液是中性 玻璃電極 參考電極 工業上使用的pH計 工業界pH長期使用 電極維護 電極維護 電極維護 電極維護 電極清洗使用環境與�參考電極之選用� 特殊量測 生物產業的pH量測 動物細胞生產 青霉素生產 單一離子之硏製多重離子感測器之硏製 生物感測器