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化学传感器

化学传感器

化学传感器（Chemical Sensor）化学传感器是对各种化学物质敏感并将其相关化学量（如浓度、湿度、成分等）转化成相应的信号（如光信号、电信号、声信号）的一类检测装置。

化学传感器的种类和数量很多，根据传感方式，化学传感器可分为接触式化学传感器和非接触式化学传感器；按结构形式分，化学传感器可分为分离型传感器、组装一体化化学传感器；按检测对象可分为气敏传感器、湿敏传感器、离子敏传感器、生物传感器；按工作原理可分电化学传感器、光化学传感器、热化学传感器、质量化学传感器；根据使用目的不同，化学传感器大致可分为计量用和控制用两类，它们单独或组合起来又可以细分为环境用、生产用、医疗用、生活用等。

化学传感器是获取化学量信息的重要手段，具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续监测的特点，已广泛应用于环境监测、医疗、工农业产品、食品、生物、安全、军事、科学实验等领域中化学量的检测与控制。

定义

化学传感器是通过某化学反应、以选择性方式、对特定的待分析物质产生响应，从而对分析介质进行定性或定量测定，将化学物质（电解质、化合物、分子、离子等）的状态、变化定性或定量地转换成相应的信号（如光信号、电信号、声信号）的一类检测装置；是把特定化学物质的种类和浓度转变成电信号来表示的功能元件。它主要利用敏感材料和被测物质中的分子、离子或生物物质相互接触时直接或间接地引起电极或电势等电信号的变化。

历史

化学传感器的产生可以追溯到1906年，化学传感器研究的先驱者Cremer首先发现了玻璃薄膜的氢离子选择性应答现象，发明了第一支用于测定氢离子浓度的玻璃pH电极，从此揭开了化学传感器的序幕。随着研究的不断深入，基于玻璃薄膜的pH传感器于1930年进入实用化阶段。

第一个阶段，20世纪60至70年代以前，以离子选择性电极为代表的化学传感器是当时研究的一项热点和重点，研究成果也顾丰；各式各样的离子选择性膜电极伴随着聚氯乙稀膜电极的问世，使得整个化学传感器应用领域涉及人们日常生活的每一个角落。

第二个阶段，20世纪80年代开始，气体传感器和生物传感器的研究成为当时研究的热点，这也使得离子选择性电极的研究趋于理智。欧美一些国家政府学校开始致力于化学传感器的发展；80年代末期，美国化学会将“离子选择性电极”单独列为化学领域的研究分支，并把“化学传感器”也列为另外一个研究分支。90年代初期，美国化学会则将“离子选择性电极”和“化学传感器”合并成化学领域的一个研究分支，定义为“化学传感器”。

第三阶段，从20世纪90年代开始，由于生物技术的不断发展，世界科学技术发达的国家都在致力于生物传感器的应用研究，使得生物传感器有了飞跃的发展。

应用

用于DNA序列的测定

人类的遗传病和某些传染病的早期诊断基于已知非正常碱基序列的检测。但传统的特定序列分析存在着耗时、费力、昂贵、难以自动化等缺点。而有顺序选择性的电化学传感技术能快速检测特定序列，且成本低廉、易于集成化和自动化，因而受到广泛关注。

用于环境监测

利用电化学的传感器可对污染物、致癌物进行分子识别的研究，其研究价值在于建立快速、灵敏的电化学检测方法，探讨污染物、致癌物与其他分子的相互作用机制。

在金属离子检测中的应用

重金属离子检验方式一般可分成三类。电化学传感器检验的方式操作步骤比较简单，而且其耗费的投入较低，所以此类重金属离子的检验方式已经获得比较普遍的运用，对相应行业也产生了较大的影响。所以必须要对电化学传感器的运用和技术创新实施多方面的关注。在重金属离子检验的过程中，借助运用多工艺互相融合的方式，可以对电极实施一定的修饰，并实现对重金属离子铅镉的检验。依据相应的检测标准对金属离子实施检验，并全面比照每一项检验结论，对传感器检验结论的精确性提高有较大的作用，而且利用这样的检验可以获得科学、平稳的使用性能。

在酚类化合物检测中的应用

当电化学传感器在检测酚类化合物的环节中，务必注意这类成分本身所具备的风险性。因为酚类化合物在社会环境与生态环境中有着比较宽泛的分布范围，会对人体健康产生非常大的伤害，所以，酚类化合物作为需限制检查测量的成分在电化学传感器占有很大的空间。在电极的影响下，苯二酚和邻苯二酚会出现比较显著的催化反应，这对生产制造电化学传感器具有较大的作用，所以，在对酚类物质的酸值指数实施检查测量时需用加强电化学传感器的应用。

对农药品残留物进行检测之中的应用

在实施农业种植时，农药杀虫剂的频繁运用，会对大众的生活环境产生较大的隐患，比如农副产品中农药杀虫剂频繁或是超出标准地使用，会对大众的身体健康产生很大的不良影响。所以，研究者在对其进行探究的过程中，生产制造了这种可以检测农作物商品中是否含有毒物质以及有毒成分是否超出标准的电化学传感器，运用电化学传感器，能实现对农副产品中不同有毒物质的检查测量。这就是电化学传感器在农业种植中的合理运用，要足够重视这类传感器在农副产品中挥发的重大功效，并按照具体情况实施持续的工艺改善。

在多环芳烃物检测中的应用

在对多环芳香烃类的成分实施检查测量时，应综合考虑到这类成分具备的有毒有害特征和致癌性。因为该成分在水中的多环芳烃占比较少，其含量范畴通常在1×10-9na/mL。因此，该成分的检查测量环节较难完成。因此，对于这一现象，研究者研发了敏感度较高的电化学传感器，便于更精准合理地完成在水环境中多环芳香烃类化合物的检查测量。经过实操表明，光纤光学荧光检测传感器对多环芳香烃类化合物的检出限的数值可达5×10-10μmol/L。与此同时，研究人员也指出，使用各种饱和度的荧光检测分子，也能解析出的含量。相对于过去的检查测量方法来讲，光纤光学荧光检测传感器的检查测量结论较精准，现场采样也较短，是一种较合理的检查测量方法。

在空气湿度检测中的应用

环境湿度是大气自然环境的一个主要指标，大气的环境湿度与人身体蒸发热相互间拥有密切联系，高热高湿时，因为身体水分含量挥发不便而觉得炙热，高湿低温时，人体内排热流程强烈，易于引发风寒和受冻。人体最适宜的温度是18～22℃，空气相对湿度为35%～65%RH。在自然环境与卫生检测中，经常使用于湿球温湿计、手动式湿测温器和通风湿测温器等仪器设备测量空气相对湿度。

对二氧化硫检测的应用

二氧化硫是产生酸雨的关键因素，也是导致大气污染的关键因素。使用传感器测试二氧化硫，可提高检测效率，提升测试精准度。测试时，离子交换膜为固态高分子化合物，膜的一侧含反电极和参比电极的内部电解液，另一侧嵌入铂电极，构成二氧化硫传感器。

用于药物的检测

许多药物与核酸之间存在可逆作用，而且核酸是当代新药发展的首选目标，电化学脱氧核糖核酸生物传感器除了可用于特定基因的检测外，还可用于一些与脱氧核糖核酸结合的药物的检测以及新型药物分子的设计。药物结构对传感器响应的影响是脱氧核糖核酸修饰电极研究药物与DNA相互作用的基础。

在临床上的应用

生物传感器应用于临床，不外乎研究和建立体液中各种化学成分的测定方法。与临床大型的自动分析装置相比，采用生物传感器测量具有必要的灵活性，能适应个别患者的急诊需要，在监护方面传感器测量更具优越性，可连续地监测几项生化指标；小型专业化的传感器检测系统十分适合一般的基层医院，不需等凑够一定数量（批量）样品才可检测；即可进行离体（invitro）样品检测，又能进行体内（invivo）样品检测；由于传感器元件制得很小，故可灵敏地选择待测对象；又由于传感器对诸多因素有敏捷反应，故在人工脏器上获得广泛应用。

在矿产资源探测上的应用

已研制成功大洋固体矿产资源成矿环境及海底异常条件探测系统，通过对现代海底热液活动环境（水深1000m～4000m，温度：40℃～400℃），研发了适用于大洋主要固体矿产资源成矿环境探测低温高压化学传感器和pH、H2、H2S高温高压传感器系列及其检测校正平台。通过多传感器集成和信息记录储存系统的研制，实现了深海定点长期观测和走航式多参数探测。

在生产流程分析上的应用

在工业生产过程中，使用成分自动分析传感器，自动地对混合气体的成分及混合物中某些物质的含量或性质进行测定，以便为操作人员提供控制生产流程的有用参数，或者送入计算机进行数据处理，以及实现闭环控制等等。借助成分分析仪表，可以了解生产过程中的原料，中间产品及成品的质量。这种控制显然要比控制其它参数（如温度、流量、压力等）直观得多。特别是与微型计算机配合起来，将成分参数与其它参数综合进行分析处理，将更易于提高调节品质，达到优质、高产，低消耗的目标。

原理

化学传感器的结构组成如下图所示，有两个关键元件：接收（识别）元件和转换元件。接收（识别）元件指的是具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获功能的一类元件；转换元件是指将待测物的某一化学参数（如浓度等）与传导系统联系起来并将其转换为一种可测的信号（如光信号、电信号）的一类元件。

化学传感器的工作原理基本如下：接收元件有选择性地俘获待测的化学物质，并同其发生一系列的化学反应；转换元件将接收元件与待测物之间的反应中的某一化学参数转换为相应的光、电、声等信号，然后通过转换电路，将光、电、声等响应信号转换为人们所需要的分析信号，从而检测出待测物的含量。

接收元件中的分子识别系统是决定整个化学传感器的关键因素。因此，化学传感器研究的主要问题就是分子识别系统的选择以及如何将分子识别系统与合适的传导系统相连接。传导系统接收识别系统响应信号，并通过电极、光纤或质量敏感元件将响应信号以电压、电流转换电信号输出。

误差及来源

影响因素

影响传感器性能的因素有两个方面，一方面是传感器本身的误差因素，如非线性、滞后、重复性、漂移等，由传感器的敏感原理、结构设计、制作工艺等所决定。性能指标的改进则要从传感器的原理、结构、制作工艺等方面考虑。尤其是传感器的具体制作工艺，往往是影响性能的重要因素，也是各传感器生产厂商的技术关键。影响传感器性能的另一方面是在应用过程中引入的，如外界环境的电磁场干扰、工作环境温度波动、安装位置的冲击震动、供电电源波动等因素，其中供电电源的影响在一些现场存在大功率设备的应用场合尤其明显。大功率设备的工作常常需要非恒定的大电流，因此会造成电网电压的大幅度波动，在传感器的设计和应用中需重点考虑。

误差分类

介入误差：该类误差源于传感器或敏感元件的介入造成所测系统的环境变化。实际上，几乎所有传感器均存在这种误差，只是影响程度不同。例如，某些电化学传感器在内部封装有电解质溶液，通过半透膜与外界接触，当用于检测溶液中的化学物质时，需特别注意电解质溶液中离子的渗透是否会污染被测溶液。

应用误差：这类误差是实际中最为常见的误差，主要原因在于使用者对具体传感器原理缺乏了解或测量系统有设计缺陷。

特性参数误差：特性参数误差源于传感器本身的特性参数，也是传感器生产者及使用者考虑最多的误差。

动态误差：大部分传感器的特性参数是在稳态环境下通过标定测试得到的，因此当所测参数发生变化时，传感器的反应存在滞后。

环境误差：各种环境参量均可能带来误差，最常见的环境影响因素是温度、冲击、震动、电磁场、化学腐蚀、电源电压波动等。在使用交流市电作为测量系统的电源时，必须充分考虑电源电压波动的影响。

参考资料

化学传感器.术语在线.2023-11-09

化学传感器.维科网.2023-11-08