科普 | 人体七窍=传感器？—— 传感器之化学传感器
点击卡片?关注我们 人皆有七窍，以食、听、视、息。 ——《庄子·应帝王》 你知道传感器在人体中扮演什么角色吗？是的，传感器扮演了人体七窍的角色。 一、传感器 传感器是一种检测环境中的事物及其变化的设备。并将检测到的信息发送给其他电子设备，比如计算机，来进行下一步的处理。 为了便于理解，我们以熟悉的七窍进行类比说明，七窍会感受到我们生存环境中的事物及其变化，并传递给大脑进行处理，然后我们会做出相应的反应。这里七窍相当于传感器，大脑相当于计算机处理器。 图1: 人体感官与传感器比较 传感器广泛用于日常生活中，比如通过触摸不同时间而变暗或变亮的台灯以及楼道中的声控灯，对温度、压力或流量进行测量的各类设备，除此之外还有许多大多数人从未意识到的应用。它被应用于汽车、机器人等我们日常生活中方方面面。 传感器：小名Sensor，特点是微型化、数字化、智能化等。传感器的发展可大体分为三个阶段：第一阶段是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号。第二阶段是固体传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成。第三阶段是智能传感器。对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及适应能力，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。 自然界中所有生物都具有传感器，用于感受外界的刺激而更好的生存下去。我们将这类传感器归类为生物传感器。在人的感觉器官中，视觉，听觉和触觉获取物理信息，与之相关的是物理传感器。嗅觉、味觉获取的是化学信息，与之相关的称作化学传感器。 二、化学传感器 人的感觉有很多局限性，它对许多有味物质的感觉比较迟钝，感觉到的化学物质种类有限，比如人的嗅觉不能识别一氧化碳而不知不觉的中毒。化学传感器的出现，突破了人类感官的局限，比如我们可以通过对一氧化碳敏感的半导体来制备化学传感器，方便快捷的检测室内一氧化碳的含量来防止中毒。 对化学物质的各种特性，如浓度、成分及其变化等进行检测并转变为电信号的传感器叫做化学传感器。化学传感器包括电化学传感器、光化学传感器、质量化学传感器和热化学传感器。如果继续细分，电化学传感器又可以分为电流型、电位型和电导型。 电位型传感器(potentiometric sensors)是将溶解于电解质溶液中的离子作用于离子电极而产生的电动势作为传感器的输出，从而实现离子的检测。电流型传感器(amperometric sensor)是在保持电极和电解质溶液的界面为一恒定的电位时，将被测物直接氧化或还原，并将流过外电路的电流作为传感器的输出，从而实现化学物质的检测。电导型传感器是以被测物氧化或还原后电解质溶液电导的变化作为传感器的输出，从而实现化学物质的检测。 图2：化学传感器示意图[1] 化学传感器的主要参数有灵敏度、响应时间、选择性和稳定性。理想的化学传感器要求灵敏度高、选择性好、长期稳定以及快速响应。 化学传感器的功能实现包括两个主要步骤，即识别和传导。在识别步骤中，被测物选择性地与传感器识别元件相互作用，导致物理参数发生变化，这种变化通过产生输出信号的传感器来反馈。化学传感器的目的是检测化学物质的浓度，组成等。化学传感器的原理是利用对某种组分或浓度敏感的元件与被测物接触，造成敏感元件性质发生变化来检测物质的组成或浓度。 化学传感器的制备材料有：半导体材料、陶瓷材料、温敏材料，发光材料等。化学传感器广泛应用于科研、化工、各种检测机构等，比如临床医学，工业流程，环境检测（检测还原性气体，城市排放气体，燃烧气体）等。常见的化学传感器有：数字温度计、pH计、电导率计、浓度传感器、分光光度计以及各种离子传感器等。化学传感器的发展，推动了社会的进步，让我们在生活中实实在在的感受到了科学技术的发展与作用。 三、化学传感器研究国际前沿 非侵入性可穿戴化学传感器在个人健康监测和医疗诊断领域获得了极大的关注。与传统的诊断方法相比，这些传感器提供了非侵入性、实时和连续的目标生物标记物监测；以及用于检测不同生物流体中生物标记物的分析检测。可穿戴化学传感器的设计包括纹身、服装和配件。成功开发无创可穿戴的化学传感器将有效帮助用人们管理个人健康，预测潜在疾病，并最终提高整体生活质量。[1] 图3. 非侵入性可穿戴化学传感器示意图[1] 石墨烯是一种单原子厚的 sp2 杂化碳原子片，以六角蜂窝状晶体结构填充。这种结构赋予了石墨烯在电学、热学和机械性能方面的优势。石墨烯的另一个有前途的特性是大表面积，它已被用作新型电子器件，特别是用于超灵敏化学传感器和结构部件应用的增强。但是石墨烯的应用受到合成技术问题的挑战，为提高石墨烯的可用性而进行的修饰引起了广泛关注。[2] 各种基于有机场效应晶体管 (OFET) 的传感器也被广泛研究，由于 OFET 的优势，包括制造多功能性和对外部刺激的高灵敏度。然而，传感性能仍需提高，以满足实际应用要求，特别是高灵敏度和短响应时间。在所有的有效策略中，超薄有机半导体（OSC）薄膜器件表现出显著提升的传感性能，获得这些超薄OSC薄膜的制造方法具有重要意义和多样性。[3] 图4: OFET传感器示意图[3] 四、化学传感器未来展望 随着科学技术的迅猛发展，化学传感器技术逐渐受到了更多的关注。基于光电通信和生物学原理的新型传感器技术是推动信息化产业进步的动力。现代传感器技术的发展趋势是开发新材料、新工艺和新型传感器；是实现多功能、高精度、集成化、智能化、微小型化以及无线网络化。 化学传感器受外界环境影响，因此，应该最大程度优化其性能参数与指标。在未来，化学传感器将主要用于环境保护和监控、疾病预防和治疗以及提高人们的生活质量。 参考文献 [1] Nadtinan Promphet, Sarute Ummartyotin, Wittaya Ngeontae, Pumidech Puthongkham, Nadnudda Rodthongkum. Non-invasive wearable chemical sensors in real-life applications[J]. Analytica Chimica Acta. DOI: https://doi.org/10.1016/j.aca.2021.338643. [2] Norizan M. Nurazzi, Norli Abdullah, Siti Z. N. Demon, Norhana A. Halim, Ahmad F. M. Azmi, Victor F. Knight and Imran S. Mohamad. The frontiers of functionalized graphene-based nanocomposites as chemical sensors[J]. the journal Nanotechnology Reviews . DOI: https://doi.org/10.1515/ntrev-2021-0030. [3] Yan Wang, Junyao Zhang, Shiqi Zhang, Jia Huang. OFET chemical sensors: Chemical sensors based on ultrathin organic field-effect transistors[J]. DOI: https://doi.org/10.1002/pi.6095. 作者单位：西北师范大学化学化工学院? 作者邮箱: Chengqs1@163.com
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