化学传感器

化学传感器（Chemical   sensor）化学传感器对各种化学物质敏感，并将其与化学量相关联（如浓度、湿度、成分等）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。化学传感器的种类和数量很多，按其传感方式可分为接触式化学传感器和非接触式化学传感器；根据结构形式，化学传感器可分为单独的传感器、组装集成化学传感器；根据检测对象，可分为气体传感器、湿敏传感器、离子敏传感器、生物传感器；电化学传感器可以根据工作原理进行划分、光化学传感器、热化学传感器、质量化学传感器；根据使用目的的不同，化学传感器可大致分为测量和控制两大类，并可细分为单独或组合使用的环境用途、生产用、医疗用、生活用等。

化学传感器是获得具有良好选择性的化学量信息的重要手段、灵敏度高、分析速度快、成本低、复杂系统在线连续监测的特点已广泛应用于环境监测中、医疗、工农业产品、食品、生物、安全、军事、科学实验和其他领域中化学量的检测和控制。

化学传感器基于化学反应、以选择性方式、响应待分析的特定物质，以便对分析介质进行定性或定量测定，并将化学物质与化学物质混合（电解质、化合物、分子、离子等）的状态、变化被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；它是将特定化学物质的类型和浓度转换成电信号的功能元件。它主要使用被测物质中的敏感材料和分子、当离子或生物物质相互接触时，它们会直接或间接引起电信号如电极或电势的变化。

化学传感器的种类和数量很多，各种器件的转换原理不同，其分类方法也不同。

按传感方式分：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：分离型传感器：比如离子传感器，液膜或者固体膜都有接收器的功能，膜完成电信号的转换功能，接收和转换部分分开，有利于分别优化各个功能。组装集成化学传感器：如半导体气体传感器，将分子捕获功能和电流转换功能在同一部分进行，有利于化学传感器的小型化。

按检测对象分：气敏传感器：气体传感器主要用于监测气体的浓度或成分，也分为半导体气体传感器、固体电解质气体传感器、接触式燃烧气体传感器、光学干涉气体传感器、晶体振荡气体传感器和电化学气体传感器等。

湿敏传感器：湿度传感器是测量环境中水分含量的传感器，也分为电解质型、高分子式、陶瓷和半导体湿度传感器。

离子敏传感器：离子敏感传感器是一种对离子有选择性响应的离子选择性电极。它基于对离子具有选择性响应的膜产生膜电位的原理。离子传感器的敏感膜是一层玻璃膜、聚氯乙烯PVC膜广泛用作溶有活性物质的液膜和聚合物膜。

生物传感器：生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换成电信号进行检测的仪器。

按工作原理分：电化学传感器：电化学传感器是现代化学分析和测定中的一种特殊传感器。它主要利用污染物在电极表面的电化学反应，然后通过特定的换能器将这种感知信息转化为可识别的信息、与目标物质的浓度变化成比例的电信号，从而定性或定量地分析和检测目标物质。电化学传感器可分为电位传感器、电流型传感器、三种电导传感器。

光化学传感器：光化学传感器用于在电磁辐射下产生传感元件的分析信号。通过与分析物浓度相关的独特光学参数的变化来评估辐照与样品之间的相互作用。

热化学传感器：基于化学反应过程中热量的释放或吸收，传感信号一般是温度变化。传感器的结构是将反应层放在测温元件的敏感端，反应层的能量变化以温度变化的形式发出信号。

质量化学传感器：质量化学传感器是指传感器敏感材料通过被测物质的吸附而产生的电学特性、质量特性、一种因几何特性变化而产生信号输出的传感器。

按使用目的分：根据使用目的的不同，化学传感器可大致分为测量和控制两大类，并可细分为单独或组合使用的环境用途、生产用、医疗用、生活用等。

化学传感器的结构由两个关键部分组成：接收（识别）元件和转换元件。接收（识别）元素是指一类具有选择性捕获待测化学物质形状或分子结构功能的元素；转换元件是指被测物体的化学参数（如浓度等）与传导系统连接并将其转换为可测量的信号（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：接收元件选择性地捕获待检测的化学物质，并与之发生一系列化学反应；转换元件将接收元件与待测物体反应中的某一化学参数转换成相应的光、电、声音和其他信号，然后通过转换电路，光、电、将声学响应信号转换为人们需要的分析信号，从而检测待检测物体的内容。

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连接起来。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以电压响应信号、电流转换电信号输出。

化学传感器是获得具有良好选择性的化学量信息的重要手段、灵敏度高、分析速度快、成本低、复杂系统在线连续监测的特点已广泛应用于环境监测中、医疗、工农业产品、食品、生物、安全、军事、科学实验和其他领域中化学量的检测和控制。

用于测定DNA序列：人类遗传病和某些传染病的早期诊断是基于对已知异常碱基序列的检测。但是传统的特定序列分析非常耗时、费力、昂贵、难以自动化等问题。具有序列选择性的电化学传感技术可以快速低成本地检测特定序列、它易于集成和自动化，因此受到广泛关注。

用于环境监测：电化学传感器可用于检测污染物、致癌物分子鉴定的研究价值在于建立快速、探索污染物的灵敏电化学检测方法、致癌物与其他分子的相互作用机制。

金属离子检测中的应用：重金属离子检查方法一般可分为三类。电化学传感器检测方法操作步骤简单，投资少，因此这种重金属离子检测方法得到了广泛应用，并对相应行业产生了很大影响。因此，我们必须更加重视电化学传感器的应用和技术创新。在重金属离子检测过程中，可以通过多过程集成的方式对电极进行一定程度的修饰，实现对重金属离子铅和镉的检测。根据相应的检测标准，对金属离子进行检测，并与各个检测结论进行综合比较，对提高传感器检测结论的准确性有很大的作用，利用这个检测可以得到科学、平稳的使用性能。

在酚类化合物检测中的应用：当使用电化学传感器检测酚类化合物时，我们必须注意此类成分的固有风险。由于酚类化合物广泛分布于社会环境和生态环境中，会对人体健康造成极大的危害，因此酚类化合物作为需要限制检查和测量的成分，在电化学传感器中占有很大的空间。在电极的影响下，邻苯二酚和邻苯二酚会发生显著的催化反应，这在电化学传感器的生产和制造中起着很大的作用因此，在检测酚类酸值指标时，有必要加强电化学传感器的应用。

农药残留检测的应用：在农业种植的实施中，频繁使用农药会对公众造成更大的隐患生活环境例如，在农副产品中频繁或过量使用农药会对公众造成很大的不良影响健康。所以在探索的过程中，科研人员就产生了这种电化学传感器，可以检测农产品中是否有有毒物质，有毒成分是否超标利用电化学传感器可以检测和测量农副产品中不同的有毒物质。这是电化学传感器在农业种植中的合理应用我们应该对这种传感器在农副产品挥发中的巨大功效给予足够的重视，并根据具体情况实施持续的工艺改进。

在多环芳烃检测中的应用：在对多环芳烃成分进行检验和测量时，应综合考虑该类成分的有毒有害特性和致癌性。由于水中的多环芳烃相对较少，其含量范围通常为1×10-9na/mL。因此，很难完成对该组件的检查和测量。因此，对于这一现象，研究人员开发了一种高灵敏度的电化学传感器，便于更准确合理地完成对水环境中多环芳烃的检测和测量。实际运行表明，该光纤荧光检测传感器对多环芳烃的检测极限可达5×106-10μmol/L。同时，研究人员还指出，还可以使用具有各种饱和度的荧光检测分子来分析蒽的含量。与以往的检验测量方法相比，光纤荧光检测传感器的检验测量结论更准确，现场采样时间更短，是一种更合理的检验测量方法。

化学传感器

空气湿度检测中的应用：环境湿度是大气自然环境的主要指标，与人体汽化热密切相关高热高湿时，因体内水分不便挥发而热当湿度高温度低时，人体内的散热过程强烈，容易引起风寒和冰冻。人体最适宜的温度为18 ~ 22℃，空气相对湿度为35%～65%RH。在自然环境和健康检测中，它常用于湿球湿度计、仪器设备如手动湿度温度计和通风湿度温度计测量空气的相对湿度。

二氧化硫检测的应用：二氧化硫是酸雨和空气污染的关键因素。利用传感器检测二氧化硫可以提高检测效率和准确性。测试时，离子交换膜为固体高分子化合物，膜的一面含有对电极和参比电极的内部电解质，另一面嵌入铂电极，形成二氧化硫传感器。

用于药物的检测：许多药物与核酸之间存在可逆的相互作用，核酸是现代新药开发的首选电化学DNA生物传感器不仅可以用于特定基因的检测，还可以用于检测一些与DNA结合的药物以及设计新的药物分子。药物结构对传感器响应的影响是用DNA修饰电极研究药物与DNA相互作用的基础。

在临床上的应用：生物传感器在临床上的应用无非是研究和建立体液中各种化学成分的测定方法。与临床大型自动分析装置相比，生物传感器测量具有必要的灵活性，可以满足个体患者的紧急需求，并且在监测方面更具优势，可以连续监测多项生化指标；小型和专门的传感器检测系统非常适合一般的基层医院，并且不需要等待一定的数量（批量）样品才可检测；即可进行离体（invitro）样本检测，还要在体内进行（invivo）样品检测；因为传感器元件做得非常小，所以可以灵敏地选择要测量的对象；此外，由于传感器对许多因素具有敏捷的响应，所以它被广泛用于人造器官中。

在矿产资源勘探中的应用：海洋固体矿产资源成矿环境和海底异常状况探测系统研制成功（水深1000米~ 4000米，温度：40摄氏度~400摄氏度）研制了用于探测海洋主要固体矿产资源成矿环境的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。通过多传感器的集成和信息记录存储系统的开发，实现了对深海的长期观测和导航多参数检测。

在生产过程分析中的应用：在工业生产过程中，利用成分自动分析传感器自动测量混合气体的成分和混合物中某些物质的含量或性质，为操作人员控制生产过程提供有用的参数，或送入计算机进行数据处理，实现闭环控制。在成分分析仪的帮助下，我们可以了解生产过程中原材料中间产品和成品的质量。这个控制明显比控制其他参数要好（如温度、流量、压力等）直观得多。特别是，如果与微型计算机相结合，对成分参数和其他参数进行综合分析和处理，将更容易提高调整质量和实现高质量、高产低耗的目标。