對(duì)化學(xué)傳感器的研究是近年來由化學(xué)、生物學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、薄膜技術(shù)等多學(xué)科互相滲透和結(jié)合而形成的一門新興學(xué)科。

化學(xué)傳感器是一類專門用于檢測(cè)、感知化學(xué)物質(zhì)的特殊傳感器，通常用于檢測(cè)氣體或液體中的特定化學(xué)成分，并將該化學(xué)成分的濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為可檢知的電流或電壓信號(hào)。

它是以化學(xué)中的“反應(yīng)” , 物理中的“現(xiàn)象” 、“效應(yīng)”以及生物學(xué)中的“生物學(xué)機(jī)理”等作為理論基礎(chǔ),運(yùn)用新的功能材料, 達(dá)到上述目的的。 

化學(xué)傳感器用于化學(xué)測(cè)量。除廣泛用于石油化工系統(tǒng)之外，化學(xué)傳感器常用于生產(chǎn)流程分析和環(huán)境污染監(jiān)測(cè)?；瘜W(xué)傳感器在礦產(chǎn)資源的探測(cè)、氣象觀測(cè)和遙測(cè)、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)學(xué)上遠(yuǎn)距離診斷和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)上生鮮保存和魚群探測(cè)、防盜、安全報(bào)警和節(jié)能等各方面都有重要的應(yīng)用。

電位型傳感器（potentiometric sensors）：

是將溶解于電解質(zhì)溶液中的離子作用于離子電極而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)作為傳感器的輸出而取出，從而實(shí)現(xiàn)離子的檢測(cè)；

電流型傳感器（amperometric sensor）：

是在保持電極和電解質(zhì)溶液的界面為一恒定的電位時(shí)，將被測(cè)物直接氧化或還原，并將流過外電路的電流作為傳感器的輸出而取出，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)；

電導(dǎo)型傳感器：

是以被測(cè)物氧化或還原后電解質(zhì)溶液電導(dǎo)的變化作為傳感器的輸出而取出，從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的檢測(cè)。

(1)光學(xué)式器件

光學(xué)式器件是可用以傳輸被分析物與接收器相互作用后所產(chǎn)生的光學(xué)現(xiàn)象變化；

(2)電化學(xué)式器件

電化學(xué)式器件可將分析物—電極間的電化學(xué)作用的效應(yīng)轉(zhuǎn)換成有用的信號(hào)；

(3)電學(xué)式器件

電學(xué)式器件測(cè)量過程中無電化學(xué)反應(yīng)，其信號(hào)來源于被分析物作用所引起的電學(xué)性質(zhì)改變；

(4)質(zhì)量敏感傳感器

質(zhì)量敏感傳感器將某一特殊修飾表面的質(zhì)量變化轉(zhuǎn)換成基體材料的性質(zhì)改變，質(zhì)量變化則來源于分析；

(5)磁學(xué)式器件

磁學(xué)式器件基于被分析氣體順磁性質(zhì)的改變，其代表性器件為氧監(jiān)測(cè)器；

(6)熱學(xué)式器件

熱學(xué)式器件是基于被分析物參與的特異化學(xué)反應(yīng)或吸附過程所產(chǎn)生熱效應(yīng)變化的測(cè)量；

(7)其他物理性質(zhì)

氣體傳感器 

氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。探測(cè)頭通過氣體傳感器對(duì)氣體樣品進(jìn)行調(diào)理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理儀表顯示部分。將氣體種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱便可獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息。

a）穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟谡麄€(gè)工作時(shí)間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性理想情況下，一個(gè)傳感器在連續(xù)工作條件下，每年零點(diǎn)漂移小于10%； 

b）靈敏度。靈敏度是指?jìng)鞲衅鬏敵鲎兓颗c被測(cè)輸入變化量之比，主要依賴于傳感器結(jié)構(gòu)所使用的技術(shù)。大多數(shù)氣體傳感器的設(shè)計(jì)原理都采用生物化學(xué)、電化學(xué)、物理和光學(xué)。首先要考慮的是選擇一種敏感技術(shù)，它對(duì)目標(biāo)氣體的閥限制(TLV-thresh-old limit value)或最低爆炸限(LEL-lower explosive limit)的百分比的檢測(cè)要有足夠的靈敏性。 

c）選擇性。選擇性也被稱為交叉靈敏度。可以通過測(cè)量由某一種濃度的干擾氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)來確定。這個(gè)響應(yīng)等價(jià)于一定濃度的目標(biāo)氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)。這種特性在追蹤多種氣體的應(yīng)用中是非常重要的，因?yàn)榻徊骒`敏度會(huì)降低測(cè)量的重復(fù)性和可靠性，理想傳感器應(yīng)具有高靈敏度和高選擇性。 

d）抗腐蝕性。抗腐蝕性是指?jìng)鞲衅鞅┞队诟唧w積分?jǐn)?shù)目標(biāo)氣體中的能力。在氣體大量泄漏時(shí)，探頭應(yīng)能夠承受期望氣體體積分?jǐn)?shù)10~20倍。在返回正常工作條件下，傳感器漂移和零點(diǎn)校正值應(yīng)盡可能小。 

氣體傳感器的基本特征，即靈敏度、選擇性以及穩(wěn)定性等，主要通過材料的選擇來確定。選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾烷_發(fā)新材料，使氣體傳感器的敏感特性達(dá)到最優(yōu)。

通常以氣敏特性來分類，可分為：半導(dǎo)體型氣體傳感器、電化學(xué)型氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、光化學(xué)型氣體傳感器、高分子氣體傳感器等。

濕敏傳感器 

濕敏傳感器是一種能將被測(cè)環(huán)境濕度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。主要由兩個(gè)部分組成：濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路，除此之外還包括一些輔助元件，如輔助電源、溫度補(bǔ)償、輸出顯示設(shè)備等。

濕敏傳感器具有使用壽命長，穩(wěn)定性好；靈敏度高，線性度好，溫度系數(shù)?。皇褂梅秶鷮?，測(cè)量精度高；響應(yīng)迅速；濕滯回差小，重現(xiàn)性好；能在惡劣環(huán)境中使用，抗腐蝕、耐低溫和高溫等特性好；器件的一致性和互換性好，易于批量生產(chǎn)，成本低；器件感濕特征量應(yīng)在易測(cè)范圍內(nèi)等特點(diǎn)。

濕敏元件是最簡(jiǎn)單的濕度傳感器，主要有電阻式、電容式兩個(gè)大類。 

離子傳感器

離子敏傳感器件是一種對(duì)離子具有選擇敏感作用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它是由離子選擇性電極(ISE)與金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)組合而成的，簡(jiǎn)稱ISFET。ISFET是用來測(cè)量溶液(或體液)中離子濃度的微型固態(tài)電化學(xué)敏感器件。 

離子煙霧傳感器

ISFET可以用來測(cè)量離子敏感電極(ISE)所不能測(cè)量的生物體中的微小區(qū)域和微量離子。因此，它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有很強(qiáng)的生命力。此外，在環(huán)境保護(hù)、化工、礦山、地質(zhì)、水文以及家庭生活等各方面都有其應(yīng)用。 

對(duì)生物體液中無機(jī)離子的檢測(cè)。臨床醫(yī)學(xué)和生理學(xué)的主要檢查對(duì)象是人或動(dòng)物的體液，其中包括血液、腦髓液、脊髓液、汗液和尿液等。體液中某些無機(jī)離子的微量變化都與身體某個(gè)器官的病變有關(guān)。因此，利用ISFET迅速而準(zhǔn)確地檢測(cè)出體液中某些離子的變化，就可以為正確診斷、治療及搶救提供可靠依據(jù)。 

在環(huán)境保護(hù)中應(yīng)用。ISFET也可應(yīng)用在大氣污染的監(jiān)測(cè)中。監(jiān)測(cè)大氣污染的內(nèi)容很多，如通過檢測(cè)雨水成份中多種離子的濃度，可以監(jiān)測(cè)大氣污染的情況及查明污染的原因。另外，用ISFET對(duì)江河湖海中魚類及其它動(dòng)物血液中有關(guān)離子的檢測(cè)，可以確定水域污染情況及其對(duì)生物體的影響。用ISFET對(duì)植物的不同生長期體內(nèi)離子的檢測(cè)，可以研究植物在不同生長期對(duì)營養(yǎng)成份的需求情況，以及土壤污染對(duì)植物生長的影響等。 

生物傳感器

生物傳感器是近幾十年內(nèi)發(fā)展起來的一種新的傳感器技術(shù)。有人把21世紀(jì)稱為生命科學(xué)的世紀(jì)，也有人把21世紀(jì)稱為信息科學(xué)的世紀(jì)。生物傳感器正是在生命科學(xué)和信息科學(xué)之間發(fā)展起來的一個(gè)交叉學(xué)科。 

生物傳感器是一類特殊形式的傳感器, 是一種對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其待測(cè)物質(zhì)轉(zhuǎn)換為聲、光、電等信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器。它是由固定化的生物敏感材料作識(shí)別元件 (包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)) , 與適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器 (如氧電極、光敏管、場(chǎng)效應(yīng)管、壓電晶體等) 及信號(hào)放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。

a）按照傳感器器件檢測(cè)的原理分類可分為：熱敏生物傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學(xué)生物傳感器聲波道生物傳感器、酶電極生物傳感器、介體生物傳感器等； 

b）按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分類, 可分為親和型和代謝型兩種； 

c）按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分類, 可分為：微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器、酶?jìng)鞲衅鳌NA傳感器等。

現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中，人們通常最感興趣的化學(xué)參數(shù)常是化學(xué)物質(zhì)的濃度。幾乎可以說化學(xué)參數(shù)是無限量的,在臨床醫(yī)學(xué)、工業(yè)流程、生物技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)、食物等領(lǐng)域,都包含有大量的化學(xué)參數(shù)等化學(xué)信息,因此所要求的化學(xué)傳感器是千差萬別的,所涉及的領(lǐng)域是極其廣泛的。

在醫(yī)學(xué)上,對(duì)化學(xué)傳感器的要求是多方面的。

臨床實(shí)驗(yàn)室需要對(duì)無數(shù)的樣品進(jìn)行化驗(yàn),要求快速、準(zhǔn)確而且費(fèi)用要低。醫(yī)療和護(hù)理需要連續(xù)監(jiān)測(cè)化學(xué)參數(shù),例如監(jiān)測(cè)麻醉氣體、血氧、二氧化碳以及鉀、鈣離子等,有時(shí)還需要植入體內(nèi),例如和起搏器或者和人造胰腺相結(jié)合使用的傳感器。

對(duì)這些則要求安全、可靠、堅(jiān)固、耐久，而且要求微型化以便容易插入體內(nèi)。這些傳感器的密封要求特別高,還要適應(yīng)正常的殺菌操作。在保健防護(hù)方面,經(jīng)常要對(duì)尿、唾液、汗液和呼出氣體作化學(xué)監(jiān)測(cè),以得到有關(guān)身體狀況變化的信息,這種測(cè)量的準(zhǔn)確性常常不高,但要求靈敏,易于操作處理 ,甚至病人可以在家庭中自己操作。 

納米技術(shù)的介入為生物傳感器的發(fā)展提供了豐富的素材,納米電化學(xué)生物傳感器在十多年發(fā)展中已經(jīng)顯示出了優(yōu)異的性能, 具有巨大的生命力。納米電化學(xué)生物傳感器具有選擇性好、靈敏度高及適于聯(lián)機(jī)化的優(yōu)點(diǎn), 并具有電分析化學(xué)不破壞測(cè)試體系、不受顏色影響和操作簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)。

可以預(yù)料,納米電化學(xué)生物傳感器將在疾病診斷、環(huán)境污染物在線監(jiān)測(cè)、食品安全和衛(wèi)生保健等諸多方面發(fā)揮重要作用。納米電化學(xué)生物傳感器的發(fā)展需要不同學(xué)科背景的研究者通過相互交流來達(dá)到不斷創(chuàng)新,最終發(fā)展出技術(shù)上能規(guī)?；a(chǎn)、成本優(yōu)勢(shì)大、集檢測(cè)和分析等多種功能于一體的實(shí)用高效生物傳感器。 

在工業(yè)過程中,有許多化學(xué)參數(shù)需要監(jiān)測(cè),以便使生產(chǎn)效率與質(zhì)量達(dá)到最佳水平。

為了充分使用現(xiàn)代電腦技術(shù)進(jìn)行有效的過程控制,也必須用化學(xué)傳感器來進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。但是,日前僅pH電極是工業(yè)過程控制廣泛采用的化學(xué)傳感器,而且,實(shí)際上也還有許多不能使用現(xiàn)有pH電極的場(chǎng)合。有一些不能不測(cè)定的化學(xué)參數(shù),其中的少數(shù)可以在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中完成,費(fèi)用昂貴,同時(shí)耽誤時(shí)間，使分析數(shù)據(jù)成為對(duì)過程控制無用的信息。當(dāng)然,也有許多物質(zhì)或化學(xué)參數(shù)還沒有對(duì)應(yīng)的化學(xué)傳感器。 

環(huán)境監(jiān)測(cè)是化學(xué)傳感器應(yīng)用的主要領(lǐng)域。

石油化工產(chǎn)業(yè)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)有重要影響，整個(gè)石化工業(yè)領(lǐng)域的各類工廠的生產(chǎn)工藝過程中經(jīng)常會(huì)不同程度的產(chǎn)生或排放一些污染性有害氣體，因此，除需使用各種化學(xué)傳感器來檢測(cè)這些有害排放物質(zhì)之外，還將它們用于生產(chǎn)工藝過程的控制、工業(yè)安全保障、工藝衛(wèi)生、環(huán)保與污染防止等多項(xiàng)用途。尤其是在生產(chǎn)安全和環(huán)境保護(hù)方面越來越引起各方面的高度重視。 

化學(xué)傳感器也可以根據(jù)化學(xué)量來確定非化學(xué)參數(shù),如示蹤流量測(cè)量和檢漏等,新的化學(xué)傳感器的發(fā)展,也將獲得許多類似的新的應(yīng)用領(lǐng)域。

總結(jié)歸納起來，化學(xué)傳感器主要應(yīng)用領(lǐng)域是： 

環(huán)境保護(hù)和監(jiān)控、疾病的預(yù)防和治療以及不斷提高人們的生活質(zhì)量和工農(nóng)業(yè)活力等三方面仍然是化學(xué)傳感器在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)重點(diǎn)發(fā)展的主要領(lǐng)域。當(dāng)今時(shí)代，面臨新的挑戰(zhàn)和新的機(jī)遇，化學(xué)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)可以從下列幾方面予以說明：

1.以環(huán)境保護(hù)和監(jiān)控為主的各種氣體傳感器備受重視。

各種類型氣體傳感器的研究和生產(chǎn)已是化學(xué)傳感器的三大主流的中柱。高性能、小型化、集成化和低價(jià)格仍然是各種氣體傳感器的發(fā)展方向。納米薄膜集成氣體傳感器雖然是今后幾年內(nèi)氣體傳感器發(fā)展的主體，但它仍將與厚膜混合集成氣體傳感器以及廉價(jià)的氧化物陶瓷化學(xué)傳感器同步發(fā)展。 

2.生物傳感器在當(dāng)今化學(xué)傳感器三大主流中位居第二。

21 世紀(jì)是生物學(xué)的世紀(jì)。生物傳感器是生物學(xué)的一個(gè)重要組成部分也是生物技術(shù)的重要的支撐技術(shù)。它既是高科技國際競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)重要方面，也是衡量一個(gè)國家生物學(xué)水平高低的窗口。

當(dāng)今世界各發(fā)達(dá)國家都在加強(qiáng)生物傳感器的研究，以適應(yīng)高速發(fā)展生物學(xué)的需要。其中，以脫氧核糖核酸（DNA）和互補(bǔ)脫氧核糖核酸（cDNA）等生物芯片（Biochip）為主的微陣列技術(shù)則是研究的重點(diǎn)。

物傳感技術(shù)與納米技術(shù)相結(jié)合所形成的納米生物傳感技術(shù)（Nanobiosensing technology）將是生物傳感器領(lǐng)域新的生長點(diǎn)，并將為以硅或非硅基的微型生物傳感器在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控和儀器工業(yè)的新應(yīng)用，創(chuàng)造前所未有的新局面。 

3.電化學(xué)傳感器雖然在當(dāng)今化學(xué)傳感器主流中位居第三，但是極為活躍。

以離子選擇電極（ISE）為主體的電化學(xué)傳感器將繼續(xù)向高靈敏、低檢測(cè)極限（10-5M）、快響應(yīng)和長壽命方向發(fā)展。以金屬卟啉（Metalloporphyrins）等為代表的有機(jī)金屬化合物（Organometallic compound）與有機(jī)金屬聚合物（Organometallic polymer）和大環(huán)化合物及其絡(luò)合物等新型膜材料的出現(xiàn)，必將為全固態(tài)離子選擇電極的日趨完善以及電化學(xué)發(fā)光（ Electro- chemiluminescence 簡(jiǎn)稱 ECL）和光電化學(xué)傳感器（Photo-electrochemical sensor）奠定了基礎(chǔ)。

納米結(jié)構(gòu) LB 膜、分子印跡技術(shù)（molecular imprinting technology 簡(jiǎn)稱 MIT ）和納米電極陣列（nanoelectrode arrays）等新技術(shù)以及掃描電化學(xué)顯微鏡（SECM）和電化學(xué)阻抗譜儀（EIS）等出現(xiàn)，必將使電化學(xué)傳感器生機(jī)盎然，新型電化學(xué)傳感器在環(huán)保、食品和生物、醫(yī)療等方面得到新的開拓。 

4.嗅敏（電子鼻）和味敏（電子舌）等新一代仿生傳感器是新世紀(jì)化學(xué)傳感器的新的生長點(diǎn)。

這種模擬人體五官功能（five human senses）對(duì)各種物質(zhì)和所處的環(huán)境進(jìn)行有效識(shí)別，是人工智能研究的重要方面。味覺傳感器自 90 年代獲得突破性進(jìn)展以來，利用多通道技術(shù)已能定量檢測(cè)具有甜、酸、苦、辣、咸等五種主要味覺的物質(zhì)。在選擇性、重復(fù)性和耐久性等得到進(jìn)一步提高后，將廣泛用于食品工業(yè)。以提高各種飲料、水果和蔬菜等的質(zhì)量以及生產(chǎn)控制能力，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

電子鼻是一種多通道的氣體傳感器陣列，它能對(duì)有毒氣體、爆炸性氣體以及毒品、炸藥摻放的氣味以及食品的氣味和新鮮程度，進(jìn)行有效的檢測(cè)。對(duì)魚的新鮮度檢測(cè)已在日本、美國和歐洲列為重點(diǎn)項(xiàng)目。近幾年，嗅覺和味覺傳感器的研制已在我國啟動(dòng)，在新世紀(jì)必將取得更大的進(jìn)展。 

5.微型化學(xué)傳感器及其陣列的研究是高性能化學(xué)傳感器進(jìn)入新世紀(jì)的一個(gè)重要標(biāo)志。

隨著固態(tài)技術(shù)和微電子技術(shù)的進(jìn)步，以高精度、低驅(qū)動(dòng)、低功耗、小尺寸和快響應(yīng)為主要目標(biāo)的微型電子機(jī)械系統(tǒng)傳感器（MEMS Sensors）的出現(xiàn)，定將使化學(xué)傳感器進(jìn)入前所未有的“微觀世界”，出現(xiàn)新的飛躍。