化學(xué)傳感器的研究進(jìn)展

1、化學(xué)傳感器的研究進(jìn)展化學(xué)傳感器的研究進(jìn)展1.化學(xué)傳感器的概念2.化學(xué)傳感器的工作原理和分類3.化學(xué)傳感器的最新研究進(jìn)展4.結(jié)語(yǔ)化學(xué)傳感器的概念化學(xué)傳感器的概念化學(xué)傳感器(chemical sensor)通常描述成一種分析方法，這種分析方法更適合于被稱作“分析化驗(yàn)”或者“感覺(jué)系統(tǒng)”，但是化學(xué)傳感器通常是連續(xù)的獲得數(shù)據(jù)信息，而感覺(jué)系統(tǒng)獲得信息是不連續(xù)的2。在R. W . C atterall的著作3中將化學(xué)傳感器定義為一種裝置，通過(guò)某化學(xué)反應(yīng)以選擇性方式對(duì)特定的待分析物質(zhì)產(chǎn)生響應(yīng)從而對(duì)分析質(zhì)進(jìn)行定性或定量測(cè)定。此傳感器用于檢測(cè)及測(cè)量特定的某種或多種化學(xué)物質(zhì)?；瘜W(xué)傳感器研究的先驅(qū)者是Cremer，1

2、906年Cremer首次發(fā)現(xiàn)了玻璃膜電極的氫離子選擇性應(yīng)答現(xiàn)象。隨著研究的不斷深入，1930年，使用玻璃薄膜的pH值傳感器進(jìn)人了實(shí)用化階段。以后直至1960年，化學(xué)傳感器的研究進(jìn)展十分緩慢。1961年，Pungor發(fā)現(xiàn)了鹵化銀薄膜的離子選擇性應(yīng)答現(xiàn)象，1962年，日本學(xué)者清山發(fā)現(xiàn)了氧化鋅對(duì)可燃性氣體的選擇性應(yīng)答現(xiàn)象，這一切都為氣體傳感器的應(yīng)用研究開(kāi)辟了道路。據(jù)中國(guó)分析儀器學(xué)會(huì)在2010年3月公布的2009年分析儀器行業(yè)發(fā)展報(bào)告稱全國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)專用儀器儀表產(chǎn)值超過(guò)92億元，同比增加,28.85%；銷售值達(dá)92.21億元，同比增加30.82%， 環(huán)境監(jiān)測(cè)專用儀器中的相當(dāng)部分采用了化學(xué)傳感器作為探測(cè)器

3、件。國(guó)家將環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排工作列入了中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃，出臺(tái)了一些強(qiáng)制性政策和鼓勵(lì)性政策，促進(jìn)了環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器的推廣應(yīng)用，食品安全監(jiān)測(cè)儀器的市場(chǎng)需求也日益大幅增長(zhǎng)，也為化學(xué)傳感器等相應(yīng)檢測(cè)器件的研制和生產(chǎn)提供了挑戰(zhàn)性機(jī)遇化學(xué)傳感器的工作原理化學(xué)傳感器的工作原理化學(xué)傳感器的組成包括具有對(duì)待測(cè)化學(xué)物質(zhì)的形狀或分子結(jié)構(gòu)選擇性俘獲功能的接受器和將俘獲的化學(xué)量有效轉(zhuǎn)換為電信號(hào)功能的轉(zhuǎn)換器。接受器將待測(cè)物的某一化學(xué)參數(shù)(常常是濃度)與傳導(dǎo)系統(tǒng)連結(jié)起來(lái)。它主要具有兩種功能:選擇性地與待測(cè)物發(fā)生作用，反應(yīng)所測(cè)得的化學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化成傳導(dǎo)系統(tǒng)可以產(chǎn)生響應(yīng)的信號(hào)?；瘜W(xué)傳感器的分類化學(xué)傳感器的分類化學(xué)傳感器的種類繁多、原

4、理各異，檢測(cè)對(duì)象兒乎涉及各種參數(shù)。通常一種傳感器可以檢測(cè)多種參數(shù)，一種參數(shù)又可以用多種傳感器測(cè)量，所以傳感器的分類方法至今尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定。按照傳感器中換能器的工作原理可將化學(xué)傳感器分為:電化學(xué)傳感器、光化學(xué)傳感器、質(zhì)量傳感器、熱量傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管傳感器等。按照傳感器所選用的化學(xué)識(shí)別結(jié)構(gòu)可將化學(xué)傳感器分為:濕敏傳感器、離子敏傳感器、氣敏傳感器、光敏傳感器等。電流型氣體傳感器電流型氣體傳感器電流型氣體傳感器(AGS )，屬于電氣傳感器的一個(gè)大且重要的一個(gè)分類，有著悠久和豐富的歷史。其在環(huán)境監(jiān)控，醫(yī)療健康，工業(yè)安全保障監(jiān)督和自動(dòng)化工業(yè)上的應(yīng)用受到越來(lái)越大重視4。電流式傳感器既能滿足一般檢測(cè)所需要的靈敏

5、度和準(zhǔn)確性，又有體積小、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、可用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)又價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。所以，在目前已有的各類氣體檢測(cè)方法中，電化學(xué)傳感器占有很重要的地位，越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的普遍關(guān)注和成為競(jìng)相研發(fā)的熱點(diǎn)項(xiàng)目之一。各種基于電阻、電位或氧化還原電流轉(zhuǎn)化的電化學(xué)傳感器得到了廣泛的研究.co傳感器傳感器CO氣體檢測(cè)方式很多，有利用電位、電流、電導(dǎo)率、光的折射率、光的吸收波長(zhǎng)等物理性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的物理傳感器；有利用化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)吸附、化學(xué)發(fā)光等進(jìn)行檢測(cè)的化學(xué)傳感器。電化學(xué)氣體傳感器具有檢測(cè)氣體種類多、濃度范圍寬、體積小、價(jià)格低、測(cè)量精度高、可用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)與安全生產(chǎn)等領(lǐng)域得到了廣泛

6、應(yīng)用。目前，在國(guó)際市場(chǎng)上有日本的Riken keiki公司、New Cosmos Electvic公司、德國(guó)Drager公司、美國(guó)Gastech公司、英國(guó)City公司等生產(chǎn)CO傳感器。國(guó)內(nèi)在氣體傳感器方面起步較晚，盡管已經(jīng)做了一些工作，但與國(guó)際同行相比還有很大差距。TNT爆炸物氣體傳感器爆炸物氣體傳感器對(duì)爆炸物如TNT的檢測(cè)主要通過(guò)熒光、質(zhì)譜等方法，也可通過(guò)壓電傳感器、聚合膜傳感器等方法。如美國(guó)的W alt小組1112通過(guò)熒光法對(duì)痕量2 , 4-DNT和TNT等爆炸物進(jìn)行檢測(cè);Yinon小組13通過(guò)新型質(zhì)譜法研究了環(huán)境中殘存的爆炸物氣體;Pinnaduwage小組14在2003年Nature上

7、發(fā)表了在壓電傳感器懸臂上燃燒樣品并檢測(cè)輸出電壓的變化，從而測(cè)定TNT。上述方法具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著儀器昂貴、處理過(guò)程復(fù)雜以及穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn);蔣金剛，施國(guó)躍等人15通過(guò)該傳感器對(duì)TNT氣體吸附前后電位變化的研究，探討爆炸物氣體分子與量子點(diǎn)納米材料的結(jié)合形式以及TNT氣體分子在CdS和Ti0表面所發(fā)生的反應(yīng)過(guò)程和傳感機(jī)理。制備了ITO/Ti02/CdS膜氣體傳感器，它對(duì)TNT具有很好的響應(yīng)，初步研究表明該傳感器具有制作簡(jiǎn)單、體積小、攜帶方便和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。氣體傳感器的發(fā)展氣體傳感器的發(fā)展新的納米材料的發(fā)展變化，將為傳感器提供良好的組織納米結(jié)構(gòu)與高表面積，高化學(xué)活性，并且在較低的溫度下具

8、有良好的機(jī)械強(qiáng)度和較好的熱穩(wěn)定性。這將導(dǎo)致新的選擇性催化劑，新的較高溫操作下的電解質(zhì)，更多自我放大傳感器的工作電極，以及與生物傳感器和酶為基礎(chǔ)的傳感器的結(jié)合。MEMS技術(shù)和納米技術(shù)與新的計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，和其使用的分析化學(xué)，特別是在分析測(cè)量領(lǐng)域上的運(yùn)用，照亮未來(lái)電流型氣體傳感器的發(fā)展氣體傳感器的應(yīng)用氣體傳感器的應(yīng)用光纖化學(xué)傳感器光纖化學(xué)傳感器光纖化學(xué)傳感器，在分析化學(xué)領(lǐng)域開(kāi)辟了一片新天地。利用化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光以及光敏感器件與光導(dǎo)纖維技術(shù)制作傳感器。特別是光導(dǎo)纖維傳感器及以光導(dǎo)纖維為基礎(chǔ)的各種探針技術(shù)，具有響應(yīng)快、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、體積小、功耗小、耐高溫與腐蝕等特點(diǎn)，能夠使多個(gè)光纖傳感

9、器共用同一根光纖、同一光源和同一信號(hào)檢測(cè)設(shè)備，從而降低了系統(tǒng)成本，易于組成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。尤其是光纖傳感器具有抗電磁干擾能力，這一特性使它在強(qiáng)電磁干擾或惡劣環(huán)境中仍然能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。光纖化學(xué)傳感器在過(guò)程分析中具有很大的應(yīng)用潛力，十兒年來(lái)得到了突吃猛進(jìn)的發(fā)展，成為化學(xué)傳感器研究的新方向22光纖化學(xué)傳感器的應(yīng)用光纖化學(xué)傳感器的應(yīng)用ph光纖化學(xué)傳感器光纖化學(xué)傳感器光導(dǎo)纖維pH傳感器是80年代出現(xiàn)的一種靈敏度高、可進(jìn)行連續(xù)、自動(dòng)測(cè)量的傳感器，是基于感應(yīng)pH的光學(xué)特性可逆變化或者光譜特征如吸光值、反射值、熒光值的變化。它區(qū)別于pH電極的電化學(xué)測(cè)量方法，利用光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行pH測(cè)量，具有許多傳統(tǒng)的傳感器無(wú)法比

10、擬的優(yōu)點(diǎn)。已研制出用于pH l-14范圍內(nèi)不同區(qū)間pH測(cè)量的光極，測(cè)量pH變化的精度達(dá)到士0.001個(gè)pH單位。光導(dǎo)纖維pH傳感器特別適用于在線分析和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是體內(nèi)在線檢測(cè)方面獲得廣泛應(yīng)用co2光纖化學(xué)傳感器光纖化學(xué)傳感器二氧化碳與水結(jié)合后，生成的碳酸酸性很弱。因此，CO2的檢測(cè)多采用靈敏度較高的熒光法。近年來(lái)，出現(xiàn)了采用比色法測(cè)定CO2的光纖傳感器。二氧化碳分壓是生物醫(yī)學(xué)分析中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，光纖化學(xué)傳感器在測(cè)定血液中pC02方面很成功，以熒光衍生物作為敏感試劑，抗壞血酸鈉作內(nèi)充液，作成體積僅為10-9L的微粒，固定于光纖端部，氫離子激光器作為光源，在濕度與溫度控制一致時(shí)，CO2的

11、檢測(cè)范圍1.97%-7.40%，可用于血液中CO2分壓的測(cè)量光纖化學(xué)傳感器的發(fā)展光纖化學(xué)傳感器的發(fā)展光纖化學(xué)傳感器的研究正方興未艾，各種新材料、新方法、新應(yīng)用也層出不窮37 C 02光纖化學(xué)傳感器的發(fā)展正逐步走向成熟，從固定指不劑法到更新指不劑法，光纖化學(xué)傳感器還可用于比色分析、水的濁度測(cè)定及有機(jī)污染物的檢測(cè)，如水中氯化烴、碳?xì)浠衔铩⒁掖技暗叵挛蛩蟹宇愇廴疚锏?839。光纖技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)技術(shù)結(jié)合40，開(kāi)創(chuàng)了新一代生物傳感器。光纖光柵化學(xué)傳感器山于具有易于制造、介質(zhì)損耗低、背反射損耗低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)也逐漸引起人們注意，廣泛應(yīng)用于光纖通信和傳感器領(lǐng)域41具有專一、高效、穩(wěn)定、微型化特點(diǎn)和多點(diǎn)測(cè)量、遠(yuǎn)程測(cè)量能力，正在成為光纖化學(xué)傳感器研究和發(fā)展的方向結(jié)語(yǔ)結(jié)語(yǔ) 傳感器是新技術(shù)革命和信息社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科技的