化学传感器的研究进展

武汉工程大学

“E+”国家人才培养模式创新实验区

科研训练

项目名称：化学传感器的研究进展

学生姓名：康福强

班级学号： 1306210607

指导教师：李辉

成绩评定：

“E+”国家级人才培养实验区外语学院制

化学传感器的研究进展

摘要：化学传感器是当代信息产业的重要组成部分，其发展迅速，已在人类现代生活中发挥了重要的作用。本文介绍了化学传感器的基本概念，工作原理和分类，在此基础上着重总结了相关最新研究进展，并对化学传感器的发展做出了展望。

关键词:化学传感器;研究进展;电流型气体传感器;光纤化学传感器

Abstract：Chemical sensor is an important part of modern information industry, its development is rapid, been in the human has played an important role in modern life.This paper introduces the basic concepts of sensor, the working principle and classification, on this basis mainly related to the latest research progress are summarized, and the prospects are made on the development of chemical sensors.

Key words：Chemical sensors;The research progress;Current type gas sensor;Fiber optic chemical sensor

1引言

在科学研究和工农业生产、环境保护等很多领域，化学量的检测与控制技术正在得到越来越广泛的应用，而化学传感器是这个过程的首要环节[1]。近儿十年化学传感器的研究和发表明，化学传感器的应用已深入人们现代生活的各个方面，环境的保持和监控，预防灾难和疾病的发生，以及不断提高人们的工农业活力和生活水平，仍然是当前乃至今后相当长时期化学传感器应用的主要领域。本文介绍了化学传感器及其最新研究进展。

2化学传感器

2.1化学传感器的概念

化学传感器(chemical sensor)通常描述成一种分析方法，这种分析方法更适合于被称作“分析化验”或者“感觉系统”，但是化学传感器通常是连续的获得数据信息，而感觉系统获得信息是不连续的[2]。在R. W . C atterall的著作[3]中将化学传感器定义为一种装置，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质进行定性或定量测定。此传感器用于检测及测量特定的某种或多种化学物质。

2.2化学传感器的工作原理和分类

化学传感器的组成包括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接受器和将俘获的化学量有效转换为电信号功能的转换器。接受器将待测物的某一化学参数(常常是浓度)与传导系统连结起来。它主要具有两种功能:选择性地与待测物发生作用，反应所测得的化学参数转化成传导系统可以产生响应的信号。

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反分子识别系统与合适的传导系统相连续。化学传感器的传导系统接受识别系统响应信号，并通过电极、光纤或质量敏感元件将响应信号以电压、电流或光强度等的变化形式，传送到电子系统进行放大或进行转换输出，最终使识别系统的响应信号转变为人们所能用作分析的信号，检测出样品中待测物的量。

化学传感器的种类繁多、原理各异，检测对象儿乎涉及各种参数。通常一种传感器可以

检测多种参数，一种参数又可以用多种传感器测量，所以传感器的分类方法至今尚无统一规定。按照传感器中换能器的工作原理可将化学传感器分为:电化学传感器、光化学传感器、质量传感器、热量传感器、场效应管传感器等。按照传感器所选用的化学识别结构可将化学传感器分为:湿敏传感器、离子敏传感器、气敏传感器、光敏传感器等。

3化学传感器的最新研究进展

3.1电流型气体传感器

气体传感器是指能将被测气体的类别、浓度和成分转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。

电流型气体传感器(AGS )，属于电气传感器的一个大且重要的一个分类，有着悠久和丰富的历史。其在环境监控，医疗健康，工业安全保障监督和自动化工业上的应用受到越来越大重视[4]。电流式传感器既能满足一般检测所需要的灵敏度和准确性，又有体积小、操作简单、携带方便、可用于现场监测又价格低廉等优点。所以，在目前已有的各类气体检测方法中，电化学传感器占有很重要的地位，越来越引起国内外专家学者的普遍关注和成为竞相研发的热点项目之一。各种基于电阻、电位或氧化还原电流转化的电化学传感器得到了广泛的研究。

电流型气体传感器既可以用于无机气体的检测，例如S02,H2S ,NO ,N02等，也可应用于有机小分子的检测如乙醇、乙烯及乙烯基氧化物等。

3.1.1 CO气体传感器

不完全燃烧过程产生的CO毒性气体使人体中毒甚至造成死亡的事件常有发生。因而，实时、准确、连续地检测CO气体的浓度，对保护人身安全、保护环境、保障生产具有十分重要的意义。而现有CO传感器存在的一个主要问题是选择性不好[5]，对与CO共存的H2甚至有更高的灵敏度。在半导体式气体传感器中，为了提高CO传感器的选择性，人们常采取在传统敏感材料，如氧化锡((Sn02)基体中掺入贵金属如锗(RH)、钉((Ru)，或氧化物，如氧化针(Th02) ,氧化锑(Sbz03)及氧化锡bi2O3等的方法[6]。全宝富等[7]认为CO在In203纳米材料上的反应机理是:C 0+0-(ads)→C O+e-，掺杂剂能降低反应的活化能，使CO在较低温度下即可发生氧化反应，从而降低元件的工作温度.N Barsan和U Weimar[8]等研究了Sn0:对CO敏感机理后认为:常温下，空气中的氧以化学吸附态存在于气敏材料的表面:02(g)+e-→20-(ad)，当气敏材料处于100℃以上的工作状态时，化学吸附氧将以0一或02一的形式存在，吸附氧在半导体表面俘获大量电子，致使材料电导减小;而还原性气体CO 与0一发生反应:C 0 +0 -(ad)→C 02 +e一释放电子，使电导率增大。G.Korotcenkov[9]等学者研究了CO气体在In203材料上，处于潮湿气氛中的气敏机理，得出以下结论:CO与材料表面的特殊物质一轻基发生反应，生成过渡态物质后，才最终以C02的形式释放。

但是，目前国内外文献对气敏机理的研究报道甚少，很多气敏机理的探讨偏重于推测，缺乏实验支撑，对CO传感器的设计帮助不大。为此，徐甲强等人[10]分别用化学沉淀法和浸渍法制备了未掺杂和金掺杂的氧化锢气敏材料，利用XRD和TE M对合成产物进行了表征。采用静态配气法测试了合成材料的气敏性，利用气相色谱在线测试了CO在气敏材料表面的催化氧化产物，根据气敏性能与催化氧化结果研究了金掺杂氧化锢的气敏机理。实验结果表明:以2%质量比的金掺杂氧化锢对一氧化碳的反应有较高的灵敏度和选择性。根据金掺杂氧化锢对CO的催化氧化性能与气敏性能基本一致的结果，提出了金对氧化锢的CO增敏机理为化学增敏作用。

3.1.2 TNT爆炸物气体传感器

对爆炸物如TNT的检测主要通过荧光、质谱等方法，也可通过压电传感器、聚合膜传感器等方法。如美国的W alt小组[11][12]通过荧光法对痕量2 , 4-DNT和TNT等爆炸物进行检