化学传感器的研究背景及发展趋势

引言

化学传感器（Chemical sensor）是由化学敏感层和物理转换器结合而成的，是能提供化学组成的直接信息的传感器件。它用来某种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测来进行化学测量。化学传感器在生产流程分析、环境污染监测、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、安全报警和节能等多个方面有重要应用。

对化学传感器的研究是近年来由化学、生物学、电学、热学微电子技术、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。化学传感器的历史并不长，但世界各国对这门新学科的开发研究，投以大量的人力、物力和财力。研究人员俱增，正在向产业化方面开展有效的工作。化学传感器是当今传感器领域中最活跃最有成效的领域。

化学传感器的重要意义在于可把化学组分及其含量直接转化为模拟量(电信号)，通常具有体积小、灵敏度高、测量范围宽、价格低廉，易于实现自动化测量和在线或原位连续检测等特点。国内外科研人员很早就致力于研究化学传感器的检测方法和控制方法,研制各式各样的化学传感器分析仪器,并广泛应用于环境监测、生产过程中的监控及气体成分分析、气体泄漏报警等。

第一章化学传感器的研究背景

1.1 化学传感器的产生与发展阶段

1906年Cremer首次发现了玻璃膜电极的氢离子选择性应答现象。随着研究的不断深入，1930年，使用玻璃薄膜的pH值传感器进人了实用化阶段。以后直至1960年，化学传感器的研究进展十分缓慢。1961年，Pungor发现了卤化银薄膜的离子选择性应答现象，1962年，日本学者清山发现了氧化锌对可燃性气体的选择性应答现象，这一切都为气体传感器的应用研究开辟了道路。

真正意义上的化学传感器的发展可分为两个阶段，在60年代和70年代,化学

传感器家族的主要成员是离子选择电极。从60年代中期氟离子电极的研制开始,一系列固膜电极和聚氯乙烯（PVC）膜电极相继出现,应用涉及化学、生物、医学、工业、农业、海洋、地质、气象、国防、公安、环保、宇航等各个领域,可谓盛行一时。从80年代中期开始,由于生物传感器和气体传感器的发展,离子选择电极在化学传感器中已不再占压倒地位。美国分析化学双年评从1976年起把离子选择电极列为独立的评论栏目。1988年把离子选择电极以外的化学传感器单独列成“化学传感器”,但仍保持“离子选择电极”这一栏。1992年起则将离子选择电极并入“化学传感器”中而不再单独列题,这一变化生动地反映了化学传感器的发展趋势。

近十几年，生物传感器与湿度传感器也获得了长足的发展。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。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。

据中国分析仪器学会在2010年3月公布的《2009年分析仪器行业发展报告》称全国环境监测专用仪器仪表产值超过92亿元，同比增加,28.85%；销售值达92.21亿元，同比增加30.82%，环境监测专用仪器中的相当部分采用了化学传感器作为探测器件。国家将环境保护和节能减排工作列入了中长期科技发展规划，出台了一些强制性政策和鼓励性政策，促进了环境监测仪器的推广应用，食品安全监测仪器的市场需求也日益大幅增长，也为化学传感器等相应检测器件的研制和生产提供了挑战性机遇。

化学传感器的发展，丰富了分析化学并简化了某些分析测试方法，同时，也促进了自动检测仪表和分析仪器的发展。使某些实际分析测试得以用价廉设备解决某些领域的复杂问题，可节省大量的设备及其维护成本和培训费用。因此，化学传感器的技术是适合我国国情的一种有效的分析手段。在环境保护和监控、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。

1.2 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。

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,最困难的是高灵敏度高选择性的气体传感器。但这样的毒性气体传感器销售量很少,没有商业价值。各国都依赖于政府拨款。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。

第二章化学传感器的发展趋势

2.1化学传感器的重点发展领域

转化为现实生产力，造福于人类生活才是科技进步的真正价值。因此在化学传感器以与生产、生活息息相关的产业行业为重点发展领域。这包括环境保护和监控、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。

2.1.1气体传感器