一文读懂化学传感器

对化学传感器的研究是近年来由化学、生物学、电学、光学、力学、声学、热学、半导体技术、微电子技术、薄膜技术等多学科互相渗透和结合而形成的一门新兴学科。

化学传感器是一类专门用于检测、感知化学物质的特殊传感器，通常用于检测气体或液体中的特定化学成分，并将该化学成分的浓度信号转换为可检知的电流或电压信号。

它是以化学中的“反应” , 物理中的“现象” 、“效应”以及生物学中的“生物学机理”等作为理论基础,运用新的功能材料, 达到上述目的的。 

化学传感器用于化学测量。除广泛用于石油化工系统之外，化学传感器常用于生产流程分析和环境污染监测。化学传感器在矿产资源的探测、气象观测和遥测、工业自动化、医学上远距离诊断和实时监测、农业上生鲜保存和鱼群探测、防盗、安全报警和节能等各方面都有重要的应用。

电位型传感器（potentiometric sensors）：

是将溶解于电解质溶液中的离子作用于离子电极而产生的电动势作为传感器的输出而取出，从而实现离子的检测；

电流型传感器（amperometric sensor）：

是在保持电极和电解质溶液的界面为一恒定的电位时，将被测物直接氧化或还原，并将流过外电路的电流作为传感器的输出而取出，从而实现化学物质的检测；

电导型传感器：

是以被测物氧化或还原后电解质溶液电导的变化作为传感器的输出而取出，从而实现物质的检测。

(1)光学式器件

光学式器件是可用以传输被分析物与接收器相互作用后所产生的光学现象变化；

(2)电化学式器件

电化学式器件可将分析物—电极间的电化学作用的效应转换成有用的信号；

(3)电学式器件

电学式器件测量过程中无电化学反应，其信号来源于被分析物作用所引起的电学性质改变；

(4)质量敏感传感器

质量敏感传感器将某一特殊修饰表面的质量变化转换成基体材料的性质改变，质量变化则来源于分析；

(5)磁学式器件

磁学式器件基于被分析气体顺磁性质的改变，其代表性器件为氧监测器；

(6)热学式器件

热学式器件是基于被分析物参与的特异化学反应或吸附过程所产生热效应变化的测量；

(7)其他物理性质

气体传感器 

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号后，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。

a）稳定性。稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%； 

b）灵敏度。灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制(TLV-thresh-old limit value)或最低爆炸限(LEL-lower explosive limit)的百分比的检测要有足够的灵敏性。 

c）选择性。选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。 

d）抗腐蚀性。抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分数10~20倍。在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。 

气体传感器的基本特征，即灵敏度、选择性以及稳定性等，主要通过材料的选择来确定。选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到最优。

通常以气敏特性来分类，可分为：半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、光化学型气体传感器、高分子气体传感器等。

湿敏传感器 

湿敏传感器是一种能将被测环境湿度转换成电信号的装置。主要由两个部分组成：湿敏元件和转换电路，除此之外还包括一些辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输出显示设备等。

湿敏传感器具有使用寿命长，稳定性好；灵敏度高，线性度好，温度系数小；使用范围宽，测量精度高；响应迅速；湿滞回差小，重现性好；能在恶劣环境中使用，抗腐蚀、耐低温和高温等特性好；器件的一致性和互换性好，易于批量生产，成本低；器件感湿特征量应在易测范围内等特点。

湿敏元件是最简单的湿度传感器，主要有电阻式、电容式两个大类。 

离子传感器

离子敏传感器件是一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管。它是由离子选择性电极(ISE)与金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)组合而成的，简称ISFET。ISFET是用来测量溶液(或体液)中离子浓度的微型固态电化学敏感器件。 

离子烟雾传感器

ISFET可以用来测量离子敏感电极(ISE)所不能测量的生物体中的微小区域和微量离子。因此，它在生物医学领域中具有很强的生命力。此外，在环境保护、化工、矿山、地质、水文以及家庭生活等各方面都有其应用。 

对生物体液中无机离子的检测。临床医学和生理学的主要检查对象是人或动物的体液，其中包括血液、脑髓液、脊髓液、汗液和尿液等。体液中某些无机离子的微量变化都与身体某个器官的病变有关。因此，利用ISFET迅速而准确地检测出体液中某些离子的变化，就可以为正确诊断、治疗及抢救提供可靠依据。 

在环境保护中应用。ISFET也可应用在大气污染的监测中。监测大气污染的内容很多，如通过检测雨水成份中多种离子的浓度，可以监测大气污染的情况及查明污染的原因。另外，用ISFET对江河湖海中鱼类及其它动物血液中有关离子的检测，可以确定水域污染情况及其对生物体的影响。用ISFET对植物的不同生长期体内离子的检测，可以研究植物在不同生长期对营养成份的需求情况，以及土壤污染对植物生长的影响等。 

生物传感器

生物传感器是近几十年内发展起来的一种新的传感器技术。有人把21世纪称为生命科学的世纪，也有人把21世纪称为信息科学的世纪。生物传感器正是在生命科学和信息科学之间发展起来的一个交叉学科。 

生物传感器是一类特殊形式的传感器, 是一种对生物物质敏感并将其待测物质转换为声、光、电等信号进行检测的仪器。它是由固定化的生物敏感材料作识别元件 (包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质) , 与适当的理化换能器 (如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等) 及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。

a）按照传感器器件检测的原理分类可分为：热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等； 

b）按照生物敏感物质相互作用的类型分类, 可分为亲和型和代谢型两种； 

c）按照其感受器中所采用的生命物质分类, 可分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞器传感器、酶传感器、DNA传感器等。

现实生产生活中，人们通常最感兴趣的化学参数常是化学物质的浓度。几乎可以说化学参数是无限量的,在临床医学、工业流程、生物技术、环境监测、农业、食物等领域,都包含有大量的化学参数等化学信息,因此所要求的化学传感器是千差万别的,所涉及的领域是极其广泛的。

在医学上,对化学传感器的要求是多方面的。

临床实验室需要对无数的样品进行化验,要求快速、准确而且费用要低。医疗和护理需要连续监测化学参数,例如监测麻醉气体、血氧、二氧化碳以及钾、钙离子等,有时还需要植入体内,例如和起搏器或者和人造胰腺相结合使用的传感器。

对这些则要求安全、可靠、坚固、耐久，而且要求微型化以便容易插入体内。这些传感器的密封要求特别高,还要适应正常的杀菌操作。在保健防护方面,经常要对尿、唾液、汗液和呼出气体作化学监测,以得到有关身体状况变化的信息,这种测量的准确性常常不高,但要求灵敏,易于操作处理 ,甚至病人可以在家庭中自己操作。