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一文读懂化学传感器
传感器技术 | 2020-06-14 12:52:04    阅读:104   发布文章

 

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


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。


化学传感器的分类

化学传感器的种类繁多,一般常用的化学传感器按其工作原理有以下几种:

(1)电化学式化学传感器;


(2)光学式化学传感器;


(3)热学式化学传感器;


(4)质量式化学传感器。


电化学式传感器又可以分为电位型传感器、电流型传感器和电导型传感器三类。

 

 

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。

 

化学传感器也可按照换能器操作原理进行分类

(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


化学传感器的检测对象为化学物质,若按化学传感器的监测对象则可分类为:

以pH传感器为代表的各种离子传感器;


检测气体的气体传感器;


检测湿度的湿敏传感器;


利用生物特性制成的生物传感器等等。

 

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。




气体传感器具有以下几个主要特性: 

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。 



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。

 



生物传感器可从不同的角度进行分类,主要有以下三种方法: 

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。


化学传感器的应用  


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。 




纳米技术的介入为生物传感器的发展提供了丰富的素材,纳米电化学生物传感器在十多年发展中已经显示出了优异的性能, 具有巨大的生命力。纳米电化学生物传感器具有选择性好、灵敏度高及适于联机化的优点, 并具有电分析化学不破坏测试体系、不受颜色影响和操作简便的优势。


可以预料,纳米电化学生物传感器将在疾病诊断、环境污染物在线监测、食品安全和卫生保健等诸多方面发挥重要作用。纳米电化学生物传感器的发展需要不同学科背景的研究者通过相互交流来达到不断创新,最终发展出技术上能规模化生产、成本优势大、集检测和分析等多种功能于一体的实用高效生物传感器。 


在工业过程中,有许多化学参数需要监测,以便使生产效率与质量达到最佳水平。

为了充分使用现代电脑技术进行有效的过程控制,也必须用化学传感器来进行连续在线监测。但是,日前仅pH电极是工业过程控制广泛采用的化学传感器,而且,实际上也还有许多不能使用现有pH电极的场合。有一些不能不测定的化学参数,其中的少数可以在化学实验中完成,费用昂贵,同时耽误时间,使分析数据成为对过程控制无用的信息。当然,也有许多物质或化学参数还没有对应的化学传感器。 



环境监测是化学传感器应用的主要领域。

石油化工产业对国民经济有重要影响,整个石化工业领域的各类工厂的生产工艺过程中经常会不同程度的产生或排放一些污染性有害气体,因此,除需使用各种化学传感器来检测这些有害排放物质之外,还将它们用于生产工艺过程的控制、工业安全保障、工艺卫生、环保与污染防止等多项用途。尤其是在生产安全和环境保护方面越来越引起各方面的高度重视。 




化学传感器也可以根据化学量来确定非化学参数,如示踪流量测量和检漏等,新的化学传感器的发展,也将获得许多类似的新的应用领域。

 

总结归纳起来,化学传感器主要应用领域是: 

1.各种化学工业,能源工业,原材料工业,食品工业; 


2.环境监铡,污染环境 (大气、水、土壤)监控与处理,卫生防疫及食品卫生检测; 


3.临床医学和基础医学; 


4.农业土壤,水产养殖,家畜、家禽养殖,植保、生态学研究;5.军事应用 (化学战争中检测与防护 )。


化学传感器的发展趋势


环境保护和监控、疾病的预防和治疗以及不断提高人们的生活质量和工农业活力等三方面仍然是化学传感器在相当长时间内重点发展的主要领域。当今时代,面临新的挑战和新的机遇,化学传感器的发展趋势可以从下列几方面予以说明:

 

1.以环境保护和监控为主的各种气体传感器备受重视。

各种类型气体传感器的研究和生产已是化学传感器的三大主流的中柱。高性能、小型化、集成化和低价格仍然是各种气体传感器的发展方向。纳米薄膜集成气体传感器虽然是今后几年内气体传感器发展的主体,但它仍将与厚膜混合集成气体传感器以及廉价的氧化物陶瓷化学传感器同步发展。 


2.生物传感器在当今化学传感器三大主流中位居第二。

21 世纪是生物学的世纪。生物传感器是生物学的一个重要组成部分也是生物技术的重要的支撑技术。它既是高科技国际竞争的一个重要方面,也是衡量一个国家生物学水平高低的窗口。


当今世界各发达国家都在加强生物传感器的研究,以适应高速发展生物学的需要。其中,以脱氧核糖核酸(DNA)和互补脱氧核糖核酸(cDNA)等生物芯片(Biochip)为主的微阵列技术则是研究的重点。


物传感技术与纳米技术相结合所形成的纳米生物传感技术(Nanobiosensing technology)将是生物传感器领域新的生长点,并将为以硅或非硅基的微型生物传感器在生物医学、环境监控和仪器工业的新应用,创造前所未有的新局面。 


3.电化学传感器虽然在当今化学传感器主流中位居第三,但是极为活跃。

以离子选择电极(ISE)为主体的电化学传感器将继续向高灵敏、低检测极限(10-5M)、快响应和长寿命方向发展。以金属卟啉(Metalloporphyrins)等为代表的有机金属化合物(Organometallic compound)与有机金属聚合物(Organometallic polymer)和大环化合物及其络合物等新型膜材料的出现,必将为全固态离子选择电极的日趋完善以及电化学发光( Electro- chemiluminescence 简称 ECL)和光电化学传感器(Photo-electrochemical sensor)奠定了基础。


纳米结构 LB 膜、分子印迹技术(molecular imprinting technology 简称 MIT )和纳米电极阵列(nanoelectrode arrays)等新技术以及扫描电化学显微镜(SECM)和电化学阻抗谱仪(EIS)等出现,必将使电化学传感器生机盎然,新型电化学传感器在环保、食品和生物、医疗等方面得到新的开拓。 

    

4.嗅敏(电子鼻)和味敏(电子舌)等新一代仿生传感器是新世纪化学传感器的新的生长点。

这种模拟人体五官功能(five human senses)对各种物质和所处的环境进行有效识别,是人工智能研究的重要方面。味觉传感器自 90 年代获得突破性进展以来,利用多通道技术已能定量检测具有甜、酸、苦、辣、咸等五种主要味觉的物质。在选择性、重复性和耐久性等得到进一步提高后,将广泛用于食品工业。以提高各种饮料、水果和蔬菜等的质量以及生产控制能力,创造巨大的经济效益。


电子鼻是一种多通道的气体传感器阵列,它能对有毒气体、爆炸性气体以及毒品、炸****掺放的气味以及食品的气味和新鲜程度,进行有效的检测。对鱼的新鲜度检测已在日本、美国和欧洲列为重点项目。近几年,嗅觉和味觉传感器的研制已在我国启动,在新世纪必将取得更大的进展。 


5.微型化学传感器及其阵列的研究是高性能化学传感器进入新世纪的一个重要标志。

随着固态技术和微电子技术的进步,以高精度、低驱动、低功耗、小尺寸和快响应为主要目标的微型电子机械系统传感器(MEMS Sensors)的出现,定将使化学传感器进入前所未有的“微观世界”,出现新的飞跃。  


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。今后的发展将首先取决于对化学识别元件的深入研究 ,并伴随着其他传感器技术的进步而发展。


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