传感器

光化学比色传感器阵列的研究进展

2013年第5期目录本期共收录文章20篇摘要：光化学比色传感器阵列以其价格低廉、方法简单、响应快速、信息量大等优点，得到了日益广泛的应用。本文主要介绍了光化学比色传感器阵列的研究进展，概括了近年来其在气体、生物样品、离子和小分子，以及混合物检测方面的应用，针对其不同原理及性能展开了讨论，并展望了其研究和应用前景。

关键词：光化学；比色；传感器；阵列；评述

1引言

化学传感器是一种能够通过某物理或化学反应以选择性方式对特定分析目标物产生响应，从而进行定性或定量测定的装置[1]。化学传感器通常由识别元件和换能器两部分构成。识别元件与待分析物相互作用，其物理、化学性质发生变化；换能器将这些参数转化和放大，生成与待分析物特性有关的可定性或定量处理的电信号或者光信号（颜色、发光等）[2]。目前，化学传感器已成为化学分析和检测的重要手段。传统的化学传感器根据“锁钥模式”进行设计，选择性好，对某些物质的检测非常有效，然而其设计也存在一定的缺陷，如对于生物大分子和结构不明确的待分析物的传感器设计存在困难，同时，针对复杂混合物中的每种成分均设计具有专一选择性的特定传感单元显得费时且不切实际[3]。阵列式传感器的设计模仿哺乳动物嗅觉和味觉系统，利用多个传感器单元组成阵列，通过传感器阵列与分析物之间的交叉响应，可以实现对多种物质及复杂混合物进行响应和检测。传感器阵列中的传感单元对分析物不必具有高度的选择性，某些传感单元对特定分析物有一定程度的选择性，同时对其它分析物也有响应，即每个传感单元对不同的组分具有不同的响应能力；利用传感器阵列对各种分析物整体响应之间的差别，实现对待分析物的区分。在光学、电化学、色谱等诸多的检测手段中，光化学显色方法无疑是最便捷有效的度量手段。结合光化学比色方法，光化学比色传感器阵列以其价格低廉、方法简单、响应快速、信息量大等优点，得到了日益广泛的应用。本文综述了近年来光化学比色传感器阵列在气体、生物样品、离子和小分子，以及混合物检测方面的应用，对

它的原理和性能进行了讨论，并对其研究和应用前景进行了展望。

2光化学比色传感器阵列的基本原理

光化学比色传感器阵列是利用传感器单元的光学性质（吸收或发射）改变作为输出信号，实现对待分析物的检测。通常采用光谱或成像两种

方式对光化学比色传感器阵列中所有传感单元的光学信号进行同时采集。如图1所示，采用紫外可见分光光度计采集光谱时，通常要配备流通池

和液体控制装置，该方式根据紫外可见光谱的迁移或吸收强度的变化，

实现对待分析物的检测和区分；换用平板扫描仪成像后，比色传感单元

颜色的改变经过去卷积，灰度值经平均化和积分处理后，其结果更直观

和便于定量化。加入不同的待分析物后，多个传感单元的颜色变化组合

成具有各自独特模式的阵列，称之为待分析物特有的“指纹图谱”，从

而实现对不同物质的鉴别和区分。光谱技术由于可以获得完整的光谱，

包含信息量大而具有很大优势，但需要比较复杂的仪器设备，对每个传

感单元数据的采集也需要一定时间。与光谱技术相比，成像技术具有在

给定视野范围内能够检测多个传感器单元的优点[2]，且成像技术比光谱技术简单，无需特殊的仪器，成像设备可以是数码照相机、平板扫描仪[4]、手机摄像头[5]等，但成像技术通常获得的是红、绿、蓝（R， G，B）3个或红、黄、绿、蓝（R， Y， G， B）4个通道的光谱信息，不如光谱技术获得的信息量大[2]。

3光化学比色传感器阵列的应用

3.1气体的检测

2000年，Rakon等提出通过模拟哺乳动物的嗅觉系统来构建比色传

感器阵列，利用卟啉类化合物与挥发性有机气体（VOCs）反应前后的颜

色变化对气体进行定性定量分析，为气体的检测提供了一种全新的思路[4]。目前，比色传感器阵列已被广泛应用于气体的检测，如工业有毒气体[6～10]，挥发性有机物[11～15]，胺类[16～18]，甲醛[19]，爆炸物[20]，硫化氢[21]等。

Lim等[6]构建了一个以36种指示剂为基本单元的可抛型传感器阵列，用于19种工业有毒气体的检测。分析物与传感器阵列反应前后的颜色改变形成了对应于该分析物独有的分子指纹图谱，通过比较指纹图谱

来实现不同种类工业有毒气体的定性和定量检测。在危险浓度下，2 min

内即可实现对19种工业有毒气体的有效区分，准确率达100%。与传统采用范德华力及物理吸附等弱作用力为基础的半导体金属氧化物电子鼻技术相比，该传感器利用的是指示剂与分析物间强的化学键相互作用，虽牺牲了传感器的长效检测能力，但却极大地提升了传感器的检测灵敏度，其对工业有毒气体的检出限大多低于允许排放浓度（通常为

10_Symbolm@@_9量级）。由于指示剂用量极小，可抛型的设计在大大提升传感器检测灵敏度的同时，却并没有增加其使用成本，为气体传感器的设计提供了一条新的思路。

Feng等[19]将酸碱指示剂添加到氨基封端的聚合物中构建光化学比色传感器阵列用于甲醛的快速检测。利用胺与甲醛反应后碱性减弱的原理，引起固载在一起的酸碱指示剂颜色发生改变，用来检测甲醛。商品化的甲醛比色检测往往需要30 min，甚至更长的时间，该传感器阵列可以在1 min内对浓度在0.250～20 gm3范围内的甲醛进行快速检测，10 min内检测到浓度为50 mgm3甲醛。对乙醛、丁醛、苯甲醛均无响应，具有很好的选择性。

环形构造的三过氧化三丙酮（TATP）是一种威力巨大的爆炸物，因其稳定性差，在工业和军事上均无实际应用，但由于其制备异常简单，近些年来被恐怖分子多次使用。由于TATP自身无紫外吸收和荧光，也不容易被离子化，直接检测相对比较困难。Lin等[20]构建了一种简单的比色传感器阵列，成功应用于TATP的快速检测。采用酸性固体催化剂将TATP分解，分解后产生的H2O2气体氧化传感器阵列中还原性的指示剂而使对应的指示剂变色，根据传感器阵列颜色改变形成的指纹图谱，实现对TATP的定性和半定量检测，检出限可达到2 mgm3。该传感器对TATP 的选择性很好，不受湿度、挥发性有机气体等常见潜在干扰物的影响，也能将TATP与过氧化氢、过氧乙酸等氧化剂区分开来。 3.2生物样品的检测

生物系统中无机盐、蛋白质、细胞等的检测对于疾病的预防和诊断尤为重要。目前，检测生物样品的方法很多，如酶联免疫法、蛋白质组学、质谱、毛细管电泳、适配体传感器等[22～26]。光化学比色传感器阵列以其方法简单、检测快速的优点在生物样品的检测方面得到广泛应用（表1）。