标签: 化学和生物传感器

译者：穆心 传感器（ sensor ）这个术语需要与换能器（ transducer ）加以区分。前者是将任何类型的能量转换成电能，后者是将任何类型的能量转换成另一种类型的能量。换能器有可能是复合传感器的一部分。例如化学传感器可以包括两部分，一部分把化学反应的能量转换成热量（换能器），热电堆作为另一部分，把热量转换成电信号。两者的结合构成了化学传感器，即能够对化学试剂做出反应并产生电信号的装置。 与其它传感器（诸如温度、压力、湿度等等）相比，开发化学传感器（和系统）的难点是感应过程中与化学物质的相互作用会导致传感器的永久性改变。这通常导致传感器基准的偏移，给传感器校准造成负面影响。 本文译自《现代传感器手册——原理、设计和应用》（第四版， 2010 年；作者：雅各布•弗瑞登）一书的第十七章。所谓手册者，即在偏重于实用和参考价值。希望通过本文，可以对如何在具体的细节上设计和制造化学传感器产品窥知一二，进而启迪思维，促进创新。 测量和探测化学物质的传感器到处都在使用，不过多半都不太显眼。它们被用于帮助我们的汽车更高效地运行、追踪罪犯、监测我们的环境和健康。应用的例子包括汽车尾气系统中氧气的监测，糖尿病患者的血样中的血糖水平，以及环境中的二氧化碳。化工厂中，在用于开发新的化学品和药物并监测工业生产过程的分析设备中，化学探测器是其关键部件的核心。这方面的发展引人入胜，文献中充满了令人关注的进展。最近的进展涵盖多方面的技术，包括改进的安全应用方面的筛查系统，以及曾经仅用于实验室的微型化系统。化学传感器对各种化学品或化学反应产生的激励做出响应。这些传感器用来对化学品种类进行鉴别和定量检测（包括液相和气相两者）。 工业方面，化学传感器用于生产中的过程和质量控制，如塑料制造的过程和铸造金属的生产，后者在脆性等金属特性方面会受到扩散气体的数量的影响。它们被用于工作者的环境监测，以避免暴露于危险之中，预防健康风险。化学传感器作为电子鼻也有了很多新的应用。电子鼻通常采用不同类型的传感器技术，以期模仿哺乳动物的嗅觉功能。在医学方面，化学传感器通过监测肺及血液样品中的氧气和痕量气体含量来判断患者的健康状况。这些传感器也常用于呼吸分析器，检测血液酒精含量，以及作为患者消化不良的指示器。军事方面，化学传感器用于探测燃料泄露，警告士兵空气中有化学武器制剂的扩散。化学传感器用于探测液体中的微量污染，例如在有大量化学品存放、使用或倾倒的军用、民用和工业场所附近，用化学传感器搜索和检测地下水污染。液体和气体传感器的组合被用于试验性军事设施，监测精炼厂和核工厂产生的化合物，以核查对武器条约的遵守情况。 1. 概述 传统上，未知物质的化学感测是在分析试验室中用复杂的台式设备进行的，包括诸如质谱分析、色谱分析、核磁共振、 X 射线和红外技术。这些方法非常精确，能够以高可信度鉴别出大多数类别的未知化学品。不过这些仪器通常很贵，需要训练有素的人员操作。人们在开发微型化低成本感测系统以满足特定市场需要方面付出了巨大努力。已取得了令人瞩目的进展，很多传感器系统可以低成本获得，但这些微型化系统通常具有灵敏度、选择性、基准稳定性和可重复性方面的问题。这里我们对用于分析试验室和特定应用的微型化系统这两方面的化学传感器和感测系统予以综述。 2. 历史 人们从感测化学物质获益的历史丰富多彩。最早的例子涉及对动物王国的巧妙利用，包括用于监测空气质量的矿工的金丝雀（图 1a ）。早期的矿工常常工作在危险条件下，没有现代通风系统提供的保障。在数百年的时间里，矿工们在笼子里的金丝雀的陪伴下进行工作，以获得危险环境条件的警告。金丝雀对低浓度的甲烷、一氧化碳以及氧含量浓度的减少比人类更为敏感，这些情况会在隧道坍塌或封存气体的气穴泄露时发生。只要金丝雀活着，矿工就知道他的空气来源是安全的。死掉的金丝雀警告矿工潜在的危险处境。在现代矿山中，绝大多数金丝雀已被各种类型的随身携带的和固定的气体监测设备取代。 图 1. （ a ）矿工和笼中的金丝雀；（ b ）海关的毒品探测狗 自史前时代起，犬类就被用于发现和追踪猎物。如今，经过训练的狗依然被用于在机场和其它公共场所查找爆炸物和毒品（图 1b ）。与人类大脑相比，狗的大脑中，大到不成比例的部分被用于嗅觉。因此狗具有超凡的辨别某些气味的能力，气味浓度可比人类的感知度低 8 个量级。自从 3 万年前狗被驯养以来，人类一直在依赖狗的鼻子。由这些质朴的开端起步，化学传感器已扩展到超越了动物王国，成长为一个大的产业，如今已被广泛使用。 3. 化学传感器特性 大多数化学传感器可用通常适合于所有传感器的标准和特性来描述，诸如稳定性、可重复性、线性度、迟滞性、饱和度、响应时间以及量程范围，但用于化学探测时有两个特性是独一无二和意义重大的。因为化学传感器是用于识别和定量两个方面，对化学品的混合物中预期的目标种类，它们需要同时具备选择性和灵敏度。 选择性描述传感器仅对期望目标种类做出响应的程度，来自非目标种类的干扰很小或没有。所以评估化学传感器性能的最重要功能之一，是其选择性的认定。 图 2. 基于金属 - 氧化物 - 半导体的传感器对酒精浓度增减的响应 灵敏度描述能够用装置成功的、可重复的感测的最小浓度和浓度变化（可参考分辨率）。图 2 和图 3 显示用于确立传感器的灵敏度和选择性的典型数据组。请注意对于其它类型的传感器，当传感器的传递函数为线性时，术语灵敏度常被用为“斜率”的同义词。对于化学传感器，灵敏度则是分辨率的同义词。 图 3. 包含几个不同吸收聚合物涂层的化敏电容器的电容式 VOC （挥发性有机化合物） 传感器阵列，在 25 ℃下对丙酮、甲基乙基酮、乙醇和水的脉冲作出的响应 4. 化学传感器的分类 没有一种普遍接受的方法把化学探测器归类至完整的表单中。鉴于本文的目的，我们把其分类为两个主要部分，一部分归为转换方法，另一部分归为实施方法。我们进一步把转换方法部分分为三类，包括：（ 1 ）测量电或电化学性能的传感器类型；（ 2 ）测量物理性能变化的类型；（ 3 ）依靠光学吸收的类型。在对不同的化学、物理和光学性质做出响应以便于化学分析物的探测方面，已开发出众多令人瞩目的传感器技术。其中的一些技术，例如微悬臂梁，能够用于测量化学和 / 或物理性质，因此不容易进行分类。 5. 电和电化学换能器 直接测量目标分析物的电特性或该分析物对其它材料的电特性的影响的传感器，通常是市场上可购得的最便宜的探测器。使用这些传感器时，检测过程可能是可逆的，也可能是导致被分析物分解的破坏性的不可逆过程。这些装置及其支持电子系统通常设计上简单，因而常常能够用于恶劣情况。这类传感器包括金属氧化物半导体、电化学传感器、电位式传感器、电导式传感器、电流式传感器、弹性体化敏电阻器、化敏电容器以及化学场效应晶体管。 5.1. 金属氧化物半导体器件 基于金属氧化物的传感器（ MOS ）是最常见的类型，它把反应组分浓度的变化转换成电阻的变化。这些传感器的开发始于 50 年前，当时研究人员发现半导体的电阻率随其化学环境而变化。早期模型中采用的是锗，其明显表现出可测量的电阻变化，不过由于各种原因存在着重复性问题。 现在金属氧化物传感器已是商业化产品，很便宜，耐用，在很多不同的应用中发挥着作用。基于金属氧化物的传感器一般包含半导体感应层，用于测量该层电阻的导电连接，以及控制器件温度的加热器。活性分子化学吸附在金属氧化物表面后，发生电荷转移。比如 SnO 2 这样的金属氧化物在空气中被加热到特定的高温时，晶体表面吸收氧，形成抑制电流的表面电势。当此表面暴露于诸如氢气、甲烷和一氧化碳这样的氧化性气体时，表面电势降低，导电性产生可测量的增加。目标化学物的浓度增加时，电阻变化的幅度也增大。 膜的电阻与给定的氧化性气体浓度之间的关系由下列经验公式表示： ， （ 1 ） 其中 R S 是传感器电阻， A 是针对给定膜成分的常数， C 是气体浓度， 是对应于该材料和待测气体的 R S 曲线的特征斜率。 图 4. （ a ）用于金属氧化物传感器的 SnO 2 惠斯登电桥电路；（ b ）对不同气体的响应 在氧化气体存在的作用下，金属氧化物器件的电阻发生变化，因此需要额外的电路进行处理。典型的配置是把传感器设计成普通惠斯登电桥电路的一个臂，因而电阻改变可由电桥电路两端电位下降导致的失衡而被探测到（图 4a ）。需要接有线性化并联电阻的 NTC （负温度系数）热敏电阻来根据传感器的温度调节电桥平衡点。 因为传感器表现为变化的电阻，其阻值由气体种类和气体浓度控制，电阻两端的压降正比于电阻值，由此可得出压降对气体浓度的曲线图。按对数标度绘图时来自传感器的响应信号是线性的（图 4b ）。由不同氧化气体产生的曲线的斜率和偏移量，使它们能够相互区分，并在不发生重叠的一定浓度范围内量化。作为一种选择，导电性变化的速率也可用于辨别气体和浓度。这些器件的体电导率会发生漂移，但在脉冲输入驱动时，其电导率变化的速率则更为稳定，可重复性更好。 这些固态传感器具有的优点是体积小，功率消耗低，低成本，易于批量生产。可在硅晶片上同时制作控制和测量电路，如此就有可能实现带有片上数据采集和控制系统的单片集成感应组件阵列的传感器封装。一些关于硅器件上的薄膜和厚膜传感器的文献已有发表，这些传感器基于感应多种气体的若干不同材料。纯的氧化锡是研究领域最普遍采用的膜材料。此外，铂掺杂和钯掺杂的氧化锡已被用于感测一氧化碳、氢气和碳氢化合物。在不同的类型和环境中，二氧化钛已被用于感测氧气。铑掺杂的 TiO 2 则用于感测氢气。氧化锌已用于感测氢气、一氧化碳和碳氢化合物。这些材料的电特性随吸附、吸收、解吸、重排，以及在表面或体内的气体反应而改变。很多这类材料具有催化特性，气体的吸附和 / 或表面反应导致电导率的改变。 5.2. 电化学传感器 电化学传感器是商业化产品且用途非常广泛。根据工作模式，可把这些传感器分为测量电压的（电位式），测量电流的（安培计式），以及依靠导电性或电阻测量的（电导式）。所有这些方法中都需要特殊的电极，在电极上或者发生化学反应，或者电荷传输被反应所调制。化学传感器的基本规则是，其始终需要一个闭合电路，即为了进行测量，电流（直流或交流）必须能够流动。因为电流流动起码需要有闭合回路，所以传感器至少要有两个电极，其中一个通常称为回流电极。不过需要注意的是，即使电位式传感器中的电压测量不需要电流流动，要测量电压，回路仍然必须闭合。 图 5. 电化学传感器的电极组 这些感测系统中的电极通常用诸如铂或钯这样的催化金属制作，或者是碳包覆金属。电极设计成具有高比表面，以便尽可能多地与被分析物发生反应，并产生最大可测信号。可以对电极进行处理（修饰）以改善其反应速率，延长工作寿命。工作电极（ WE ）是目标化学物发生反应的地方（图 5 ）。电信号由不会参与催化作用的相对电极或辅助电极（ AE ）测量，在三电极系统的情况，第三个参考电极（ RE ）用来测量和修正由每个电极和电解质产生的电化学电位。第三电极通过纠正因工作电极的极化引入的误差来改善运行。更新的电化学传感器利用厚膜和丝网印刷的电极组，使制造更为简单，产品也更为耐用。 电解质是用离子代替电子携带电荷的媒介。这恰好限制了能够发生的反应，是赋予电化学传感器选择性的第一阶段。由这种电极和电解质结合构成的传感器称为电化学电池，可在几种方式下工作，取决于要观测的电特性（电阻、电位、电流、电容等等）。更为综合性的测量可用各种形式的伏安测量法获得，本文稍后对此进行讨论。 简单的液态电化学传感器（电池）采用两个浸入电解质溶液的电极。气态被分析物，比如 CO ，在工作电极发生反应，产生 CO 2 和自由电子。电荷和带电物质迁移至另一个（相对）电极，如果存在氧气，则在该电极处形成水。反应把 CO 转换为 CO 2 （公式 2 ）。如果电极串联至电阻，并对电阻两端的压降进行测量，该压降会正比于流过的电流，使其成为被分析物气体存在的特征。 （ 2 ） 5.3. 电位式传感器 这类传感器利用电化学电池中发生在电极 - 电解质界面的氧化还原反应的平衡对浓度的影响。由于电极表面发生的氧化还原反应，此界面处会形成电位，其中 Ox 表示氧化剂， 是与氧化还原反应有关的电子的数量， Red 是减少的反应物 。 （ 3 ） 此反应发生在一个电极上（此例中为阴极反应），称为半电池反应。在热力学准平衡条件下，适用能斯特方程并可表示为 ， （ 4 ） 其中 和 分别是 Ox 和 Red 的浓度， n 是迁移电子的数量， F 是法拉第常数， R 是气体常数， T 是绝对温度， E 0 是标准态时的电极电位。在电位式传感器中，两个半电池反应会同时在每个电极发生。不过只有一个反应会包含要检测的感应物质，而另一个半电池反应则最好是可逆的、不会造成干扰的和已知的。 电位式传感器的电池电位的测量应该在零电流或准平衡条件下进行；因而通常需要有很高输入阻抗的放大器（这种放大器就称为电位计）。从电荷转移的视角来看存在两种类型的电化学界面：理想极化型（纯电容）和非极化型。一些金属（比如 Hg 、 Au 、 Pt ）与仅含有惰性电解质（比如 H 2 SO 4 ）的电解液接触时，接近于理想极化界面的表现。然而即使在这些情况下，这种界面处也存在有限的电荷转移电阻，过剩电荷则以 双电层电容 和电荷转移电阻的乘积给出的时间常数（ ）而释放。 离子选择性膜是所有电位式离子传感器的关键部件。其建立了传感器在样品中存在各种其它离子成分时，对要检测的离子做出响应的关联性。离子选择性膜与溶液形成非极化界面。性能良好的膜，兼具稳定性、可重复性、不受吸附和搅拌的影响以及选择性，具有高的绝对和相对交换电流密度。 5.4. 电导式传感器 电化学的电导式传感器测量电化学电池内电解质导电性的变化。这种电化学传感器含有由电极的极化和法拉第式感应电流或电荷转移过程形成的容性阻抗。 在均匀的电解质溶液中，电解液的导电性 G （ ）反比于溶液中沿电场的长度 L ，正比于和电场垂直的截面积 A ， （ 5 ） 其中 是电解液的比电导率，与离子种类的浓度和电荷的大小成定量关系。依据 科尔劳施定律 ，溶液在任何浓度 C （以 mol/l 为单位或任何适当的单位）的当量电导由下式给出 ， （ 6 ） 其中 是电解液的特征系数， 是电解液在无限稀释下的当量电导。 用电化学电导式传感器进行电解质电导率测量的技术多年来基本保持不变。通常采用惠斯登电桥（类似于图 4 ），电化学电池（传感器）构成电桥电阻臂之一。不过与固体电导率的测量不同，工作电压下电极的极化使电解质的电导率测量复杂化。法拉第式感应电流或电荷转移过程在电极表面发生。所以电导式传感器应当工作在法拉第过程不会发生的电压下。另一个需要认真考虑的是给电池施加电势时每个电极附近双层结构的形成。这由所谓的 瓦尔堡阻抗 描述。因此即使不存在法拉第过程，在电导率测量期间也需要考虑这种双层现象的影响。可通过维持传感器的高电池常数 L/A ，使电池电阻处于 1 到 50k 之间的范围内，由此使法拉第过程的影响最小化。这意味着要采用小的电极表面积和大的电极间距。然而这样就减小了惠斯登电桥的灵敏度。通常的解决方案是采用多个电极配置。双层现象和法拉第过程两者都可通过采用高频低幅交流电流达到最小化。另一项技术是通过在邻近电池的电桥区域的电阻上并联一个可变电容器，以平衡电池的电容和电阻两者。 5.5. 电流式传感器 电流式化学传感器的一个例子是 1956 年提出的克拉克氧气传感器。其电极的工作原理基于包含在电极装置内的电解质溶液的使用，该溶液把氧气由透氧膜传送至金属阴极。通过两步氧还原过程使阴极电流增加，该过程可表示为 。 （ 7 ） 图 6a 示意覆盖在电极探头上的膜，能够使氧气扩散通过薄的电解液层到达阴极。阳极和阴极两者都包含在传感器装置内，与外部样品不发生电接触。克拉克电极的一阶扩散模型示于图 6b 。把膜 - 电解质 - 电极系统当作一维扩散系统，膜表面的分压等于平衡分压 p 0 ，阴极处的分压为零。可以表明平衡稳态电极电流由下式给出 ， （ 8 ） 其中 A 是电极面积， 是氧在膜中的溶解度， F 是法拉第常数， D m 是膜的扩散常数， x m 是膜的厚度。需要注意的是，电流与电解液的厚度和扩散特性无关。特氟龙膜可用于透氧薄膜。我们可以定义传感器的灵敏度为电流与氧分压的比值 。 （ 9 ） 举例来说，如果膜的厚度为 25 ，阴极面积为 2 × ，则灵敏度大约为 A/mmHg 。 图 6. （ a ）克拉克电极；（ b ）整个系统氧含量分布的一阶一维模型 图 7. 适合于检测血糖的克拉克氧气传感器简化原理图 酶催化型电流式传感器，可以由采用两个克拉克氧电极的传感器构成，能够测量因酶催化反应导致的相对氧缺乏。这种传感器的工作原理示于图 7 。传感器由两个完全相同的氧电极构成，其中一个（ A ）覆盖活性酶层，另一个（ B ）则覆盖非活性酶层。一个应用实例是葡萄糖传感器，其中失活作用可由化学的、辐射的或热学的方式实施。传感器封装在塑料外壳内，用玻璃同轴管支撑两个 Pt 阴极和一个 Ag 阳极。没有酶催化反应时，到达这些电极的氧通量彼此基本相等，因而其扩散限制电流也是如此。溶液中存在葡萄糖并发生酶催化反应时，到达活性电极表面的氧的数量以酶催化反应消耗掉的数量减少，导致电流失衡。 5.6. 弹性体化敏电阻 弹性体化敏电阻或聚合物导电复合材料（也可称为聚合物导体或简称为“ PCs ”）是聚合物薄膜，吸收化学物质并发生膨胀，对化学物质的存在以物理响应的方式导致电阻增加。这可在并没有实际发生化学反应的情况下用于化学探测。聚合物经设计和 / 或处理，使其能够吸收化学品的分解产物，因而获得一定程度的品种识别或选择性。 PC 传感器能够在短短的几秒内对类似异丙醇这样的简单碳氢化合物作出响应，更为复杂的油类则要花 10 ～ 15 秒。不能指望 PC 组件耐腐蚀，但只要避免始终接触，在正常操作下会有数月的使用寿命。 PC 的测量策略是使用几个经不同处理的 PC 组件形成阵列，由阵列取样产生特征标记。与基于金属氧化物的传感器不同， PCs 不需要高的受控的工作温度，因而消耗的功率明显减少。 要探测某种液体的存在，传感器通常必须对一定浓度的特定试剂具有特异性。即其必须对这种液体的物理和 / 或化学特性具有选择性。这种传感器的一个例子是碳氢化合物燃料泄漏的电阻式探测器。探测器用有机硅（非极性聚合物）和炭黑复合材料制造。聚合物基质作为感应组件，导电性填充物用于达到相对较低的电阻率，初始备用状态时为 10 cm 量级。这种复合材料对具有大的溶剂 - 聚合物相互作用系数的溶剂的存在能够选择性敏感，其电阻可由改变导电粒子与聚合物的比值加以调制。因为这种传感器不受诸如水或乙醇这样的极性溶剂的影响，所以能够适应地下的环境。这种传感器以具有很大的表面 / 厚度比的薄膜的形式制造。把溶剂施加于这种薄膜传感器时，聚合物基质膨胀，导致导电粒子之间的间隔。这使复合材料薄膜发生由很导电到不太导电的转变，电阻率相差达 量级或更高。薄膜传感器的响应时间小于 1s 。不再与碳氢化合物燃料接触时，传感器恢复其正常导电状态，使这种装置可重复使用。 5.7. 化敏电容式传感器 “化敏电容式”传感器（或“化敏电容器”），是以某种聚合物或其它绝缘体等选择性吸收材料为电介质的电容器。化学物质吸收进电介质时，其介电常数改变，传感器的电容也相应改变。最常见的化敏电容器的商业化产品类型包含水敏性聚合物，用于湿度感应。不过化敏电容器不限于聚合物电介质。也在采用其它材料以扩展其可测化学物质的范围，例如溶胶 - 凝胶化敏电容器能够探测二氧化碳——尽管这种材料常常需要加热以达到最佳性能。最近，已有采用聚合物制造用于挥发性有机化合物（ VOC ）的低功耗传感器。 化敏电容器可以采用常规薄膜技术制备，其中导电电极既可平行也可指状分布配置。典型情况下，指状分布的电极由单层金属淀积在衬底上，形成两个网格梳状的结构。聚合物或其它材料淀积在梳状结构的上部。平行平板传感器的典型构成为，在衬底上淀积一层金属，其上为绝缘层，最后是在绝缘层之上的第二层多孔金属层。 图 8. （ a ）包含多种平行平板电容器设计的 MEMS 芯片（ 2 × 5mm ）。 （ b ）一个平行平板电容器的顶视放大图 图 9. 带有 0.75 间隙的平行平板电容器截面图 已开发出一种耐用的基于微机械加工电容器的 MEMS 传感器，并已商业化生产。一种几何结构的例子是如图 8 所示的方形平行平板电容器。其每边长大约 285 ，极板之间的垂直间隙为 0.75 （图 9 ）。顶层极板上有孔，形成一种华夫饼干图形，其中有 2.5 宽的硅梁和 5 见方的孔。 16 个较大的方形是支撑立柱，与整体方形的外缘（也有孔）一起保持上层极板不发生弯曲。这种结构用导电多晶硅制成，采用商业化生产使用的半导体制造方法，在绝缘氮化硅层上淀积多晶硅层。此芯片具有大约 300 的标准晶片厚度。 可以采用不同的几何形状以及不同数量的传感器，制成这些类型的传感器芯片，其中每个传感器可涂覆不同的被分析物敏感涂层。每个电容器采用喷墨方法填充一种聚合物。目标分析物和聚合物之间的相互作用改变聚合物的电介质特性，导致电容值改变。任何电容检测电路都可用于检测这种类型的器件。这些 MEMS 探测器阵列在环境压力和温度下的环境空气中运行良好，因而不需要特殊的压缩携载气体，使系统尺寸减小，改善便携性。它们现在已作为商业化探测器产品，用在适合于学术性实验室中培训学生的气相色谱仪中（维尼尔微型气相色谱仪）。 图 10. （ a ）电容测量电路；（ b ）时序图 要测量电容，通过电路对底部极板施加方波。如图 10 所示的充放电读出电路，采用振荡充放电驱动电压测量每个传感器阵列的电容值，产生相应的输出电压 V out ： ， （ 10 ） 其中 V mid 是虚拟接地电压或参考电压， 是振荡驱动电压的幅值， C Sensor 是电容式传感器的电容值， C ref 是参考电容。此例中参考电容的值为 1 或 0.5pF ，由增益开关的位置决定。电路中感应电容器放电时参考电容器充电。 5.8. ChemFET ChemFET 是包含气体选择性涂层或在其晶体管栅极和被分析物之间具有一系列涂层的化学场效应晶体管（图 11 ）。这种化学组件使该器件具有与选定的化学品种相关联的调节源 - 漏导电性的控制输入。加于栅极的不同材料与不同的化学品种（气体或液体）发生反应，由此分辨出不同的种类。 ChemFET 能够用于探测空气中的 H 2 ，血液中的 O 2 ，一些军用神经毒剂， NH 3 ， CO 2 ，以及爆炸性气体。该类气体传感器的典型封装示于图 12 。 图 11. 液体 ChemFET 结构和电路连接 图 12. 气体传感器封装 和常规 FET 内部一样， ChemFET 采用薄膜技术制备，一般采用带有两个 n 型扩散区（源和漏）的 p 型体硅。在这个三部分系统上覆盖绝缘层，即二氧化硅层，分隔开位于源极与漏极之上和之间的最后一层顶部金属栅电极。工作时在栅电极施加相对于体硅的正电压。电子被吸引至半导体表面，形成源极和漏极两个 n 区之间的导电通道。实际上 ChemFET 是化学控制的导体（电阻器）。 ChemFET 的电导由差分放大器测量，显示为输出电压 e 。要计算电导，电路中的电流由带有参考电阻 R 的 i/V 转换器测量。 氢气体感应 ChemFET 采用钯 / 镍（ Pd/Ni ）膜作为其栅极。用于液体感应的改进的、更为稳定的 ChemFET ，采用银 / 氯化银水凝胶（ Ag/AgCl ），作为在二氧化硅（ SiO 2 ）栅极和把栅极与分析物分开的选择性膜之间的过渡层（图 11 ）。选择性膜通常是聚氯乙烯（ PVC ）、聚氨酯、硅橡胶或聚苯乙烯。 对于离子选择型 ChemFET （ ISFET ），栅极替换为或是涂覆化学选择性电解质，或是采用其它半导体材料。如果离子敏感材料是离子可穿透的，那么该器件则称为 MEMFET （膜型 FET ）；如果膜是离子不可穿透的，则称其为 SURFET （表面电势 FET ），因为由离子建立起了表面电势。化学选择性栅极材料改变器件开始导通的电势，由此指示特定化学物质的存在。这种器件生来小巧，功耗低。用于 ChemFET 的栅极涂层可以是酶膜（ ENFET ）或离子选择性膜。用离子选择性膜制造的是化学传感器，酶膜则能制造生物化学传感器。酶膜用聚苯胺制造，生产这种有机半导体的方法是利用伏安电化学过程。 6. 光致电离探测器 光致电离探测器（ PID ）通常采用高能紫外（ UV ）光使分子断裂成带正电荷的离子。分子吸收光能导致暂时性的失去电子，并形成正电荷离子。分子由此产生电流，可用静电计进行测量。静电计是测量很小的电荷、电流或电势差的仪器。其特征是漏电流极低，可低至 1fA 。反应式（ 11 ）表示某种分子 R 在入射 UV 辐射下电离成离子 和电子。 （ 11 ） UV 光源是这种探测器的核心， UV 光源设计的进展已带来成本的显著降低和较长的使用寿命预期。 UV 光线的波长取决于光源内采用的气体类型。通常选择的是氪，这样的光源发射的光线能量为 10.0eV 和 10.6eV 。氙和氩光源也间或使用。 图 13. PID 探测器概念示意 气体分子经 UV 光源的照射即被离子化（图 13 ）。自由电子被间距很小的一对电极平板所收集。小的电场变化使这些电极产生相应的信号。电流的大小正比于气体浓度。 每种化学物质具有各自的电离势（ IP ）， IP 值低于光源的额定 eV 输出的气体会被电离，因而被探测到。例如有机芳香族化合物和胺类能被 9.5eV 的光源电离，很多脂肪族有机化合物需要 10.6eV ，诸如乙炔、甲醛和甲醇类的化合物则需要 11.7eV 的光源。每种光源能够使电离势低于该光源的额定 eV 值的气体离子化，但不能使电离势高于其额定值的气体离子化。典型情况下，便携装置配备 10.6eV 的光源，因为其能够使大多数 VOC （挥发性有机化合物）电离。通常用异丁烯来校准这些装置。 PID 传感器的输出在低于 200ppm 时一般是线性的，高于 2000ppm 时将达到饱和。 7. 物理转换器 某些类型的化学传感器依赖于对被分析物的物理特性的测量，或对被分析物与其它用于检测的材料相互作用的影响进行测量。通常在这种感应组件上不发生化学反应。这些传感器技术可能是可逆的，也可能是破坏性的。可逆技术包括需要把被分析物吸收进基质内的方法，该基质则置于能够对质量改变做出响应的灵敏微量天平之上。这些传感器包括表面声波（ SAW ）器件，石英晶体微量天平（ QCM ），以及微悬臂梁。破坏性传感器可直接测量被分析物的分子质量，如利用离子迁移谱（ IMS ），或测量完全氧化过程中释放的热量的多少，如利用热学或热量计式传感器。 7.1. 声波装置 声波装置可用于制造化学传感器，通过吸收化学分子而改变系统的机械性质来测量很小质量的变化，被称为质量、测重或微量天平传感器。这些装置一般由能够以高频率（由 kHz 至 GHz ）振荡的压电晶体或材料构建。在这些装置的各种类型中，都是由振荡电路产生声波，使晶体发生谐振。晶体受到扰动时，传感器的谐振频率发生改变，典型情况是吸收期间装置的质量增加使频率下降。压电晶体谐振频率的偏移正比于沉积在晶体表面的附加质量。取决于电路如何构建，压电晶体振荡器的谐振频率称为串联谐振（ f r ）或并联谐振（ f ar ）。不管哪个频率都是晶体质量和形状的函数。举例来说，在一种类型的感应结构中，可用简化的方式描述为一种振荡平板，其固有频率与质量有关，质量的变化和频率的关系为 （ 12 ） 其中 f 0 是空载的固有振荡频率， 是频率偏移： = f 加载 - f 0 ， 是每单位面积增加的质量， S m 称为灵敏度因子。 S m 的数值取决于设计、材料和声学传感器的工作频率（波长）。因为频率和时间是在电子电路进行测量时最容易发生改变的变量，所以整个传感器的精确度，实际上取决于能否确保系数 S m 为已知并在测量期间不发生变化。图 14 示意这种类型的传感器的一个例子。 图 14. （ a ）用于乙酸戊酯气体的微量天平式气体传感器；（ b ）其传递函数 电子电路测量频移，频移则可关联至样品气体中的化学浓度。此方法的绝对精度取决于晶体的机械紧固、温度等等这样的因素，所以通常需要校准。 一般而言，有四种类型的声学传感器被广泛用于化学感测的研究和生产。包括 QCM 、 SAW 、声学平板模型（ APM ）和由薄膜制造的挠曲板波（ FPW ）装置。还有一些这几类装置的变化形式，已经在进行开发或已可适用于特定用途。这些变化形式包括不同模式的振荡、谐振及不同材料的使用。与工作在自身谐振频率的 QCM 不同， SAW 、 APM 和 FPW 装置一般称为“延迟线”装置。延迟指的是在装置一端（发送器）施加的电信号，通过材料传输（声波），到在另一端（接收器）被测量所花费的时间。 与上文所述的化敏电阻或化敏电容不同，测重转换器不需要直接测量敏感层的特性；而是间接测量该层与环境间的相互作用。一般而言，所有振荡式传感器都极为敏感。比如典型的灵敏度大约为 5MHz /kg ，这意味着 1Hz 的频移对应大约 17ng/ 的附加质量。其动态范围相当宽：高达 20 / 。为改善选择性，装置上可涂覆针对待测材料的化学层。能够适用于测量质量的声学传感器的典型设计已在另文讨论。这里简要论述适合于感应气体浓度的测重传感器（比如图 15 ）。 一种类型的测重探测器是 SAW 传感器。 SAW 装置利用沿固体表面传播的机械波，该表面与低密度的媒质接触，比如空气。这些波有时称为瑞利波，因为瑞利在 1885 年预言了这种波的存在。和其它延迟线装置一样， SAW 传感器是有三个基本部件的传输线：压电式发射器；波导线，一般带有化学选择性层；压电式接收器。电振荡器使发射器电极造成基质的弯曲，由此产生机械波或声波。波沿传输表面向接收器传播。基质可用具有高压电系数的材料制备，比如铌酸锂（ LiNbO 3 ）。不过传输线不必具有压电性，这为设计不同材料（比如硅）的传感器提供了多种可能性。传输表面依据涂层的选择性与样品发生相互作用，由此调节传输中的波。波在另一端被接收，继而转换回电信号形式。通常有另一个参考传感器，其信号与检测传感器的输出相减。 图 15. 挠曲平板式 SAW 气体传感器（为清楚起见膜的挠曲被夸大了） 另一种类型的测重传感器示于图 15 。传感器设计成挠曲薄硅平板的形式，有两对用溅射技术淀积制备的叉指状电极。薄的压电 ZnO 薄膜淀积在两对电极之间，可由外部电路对平板进行机械性激发。压电膜使硅衬底具有压电特性。感应平板的上表面涂覆化学选择性材料薄层（或者是胶，如果传感器要用于探测空气污染）。整个传感器置于一个管子内，样品气体可从管子通过。左右两对电极连接至振荡电路，其频率 f 0 由传感器平板的固有机械频率确定。 电路包含放大器，其输出驱动激发电极。由于压电效应，激发信号导致膜的挠曲，挠曲波由右侧传播至左侧。波速由膜的状态和其涂层确定。涂层机械特性的改变取决于其与样品气体的相互作用。因此左侧电极或迟或早会探测到压电响应，取决于波通过膜的速度有多快。接收到的信号作为反馈电压加于放大器的输入端，引起电路的振荡。输出频率就是对样品气体浓度的测量。基准频率通常在气体取样之前确定。 挠曲平板传感器的理论灵敏度由 S=1/2 d 给出，其中 是平板的平均密度， d 是其厚度。在 2.6MHz 的工作频率，此传感器具有 -900 /g 量级的灵敏度。所以，举例来说，如果此传感器具有 0.2 的感应面积，捕获 10ng （ g ）的材料，振荡频率的偏移量为 =-900 × 2.6 × × /0.2=-117Hz 。声学传感器用途十分广泛，可用于测量多种化学成分。其效能的关键是涂层的选择。表 1 给出了用于声学传感器的各种涂层的例子。 表 1. SAW 化学传感器的涂层和材料 化合物 化学涂层 SAW 基质 有机溶剂蒸气 聚合物膜 石英 SO 2 TEA(a) 铌酸锂 H 2 Pd 铌酸锂，硅 NH 3 Pt 石英 H 2 S WO 3 铌酸锂 水蒸汽 吸湿性材料 铌酸锂 NO 2 PC(b) 铌酸锂，石英 NO 2 ， NH 2 ， SO 2 ， CH 4 PC(b) 铌酸锂 气相爆炸物，毒品 聚合物 石英 SO 2 ，甲烷 C(c) 铌酸锂 (a) TEA 是三乙醇胺 (b) PC 是酞菁 (c) 不用化学涂层。探测基于气体产生的热导率的变化 7.2. 微悬臂 微悬臂是一种形状像个微型跳水板的装置，通常由硅或其它材料经微机械加工制备。起初是用于各种类型的表面探针显微镜（ SPM ），如今已用于探测化学和生物材料。与化敏电阻和声学装置一样，可在悬臂梁上添加化学感应吸附剂涂层，以增强其对某些化学品的灵敏度和选择性。已表明悬臂梁可探测范围广泛的化学被分析物，从诸如氢这样难于冷凝的气体，到常见的 VOC 以及爆炸物。 悬臂梁的长度通常在 100 ～ 200 范围，厚度范围在 0.3 至 1 。自 1994 年以来，通过监测微悬臂的弯曲或是振荡微悬臂的频移，这些装置已发展为能够探测各种各样的化学品。这些很薄的装置的灵敏度的关键所在，是高的表面积 - 体积比。由此可放大与化学品相互作用时对表面受力的影响。 图 16. 用于表面探针显微探测的标准光学微悬臂，已添加吸收涂层。右侧的悬臂梁有 五滴吸收剂聚合物涂层，左侧的悬臂梁则有覆盖整个长度的连续吸收剂聚合物涂层 在以自身的谐振频率振荡时，悬臂能够用于探测吸附的质量，很像上文论述的声学装置。谐振频率由于吸附了质量而降低，吸附的质量越多，频率的偏移越大。作为选择，可利用悬臂的弯曲测量悬臂梁表面应力的改变，即通过在悬臂表面制备选择性吸收剂化学涂层，使目标化学物优先吸收在悬臂梁表面涂层之一而形成应力（图 16 ）。因为表面应力始终是被监测的，所以不需要扩散进入涂层；因而单层涂层即可很好的适合于这些装置。 微悬臂的弯曲不是由吸收的化学品的重量导致的，而是源自吸收引入的因表面自由能改变产生的表面应力。如果表面自由能密度的改变与悬臂的弹性系数相当，悬臂就会弯曲。化学品与带涂层的悬臂接触时，静电排斥、膨胀或其它影响都会导致表面应力改变，最终导致可测量的悬臂弯曲。 图 17. 用于光学悬臂的测量装置概念 可用很多方法测量悬臂。起初的系统建立在基于光学（激光）的探测，开发出了 SPM （图 17 ）。新近的研究已采用了热量式、电容式和压阻式测量技术，因而不再需要激光和相关的光学部件，简化了测量电路。 8. 离子迁移谱（ IMS ） IMS 是基于离子在电场影响下的差速迁移来探测和区分化学物质的技术。在 IMS 中，气相物质需要被电离，比如采用来自放射性 源的高能电子。离子以气体流形式穿过偏转电场，电场使离子以其大气压强下的离子迁移率在空间上区分开来。具有不同特性（质量、电荷和尺寸）的不同离子种类具有不同的漂移速度，如公式（ 13 ）所示，其中 K 是离子迁移率， v d 是其漂移速度（见图 18 ）。理想情况下，形成不同的离子束，在末端电极装置处形成空间上的分隔。 （ 13 ） 图 18. 离子迁移谱原理 通过增加电场的偏转电压，所有离子束都可相继在收集电极上被探测到，并对离子电流进行测量。辨识不同的 I(V) 记录曲线，就形成了离子迁移谱。在恒定的条件下，离子迁移率 K 就是特定离子种类的特征测度。典型情况下， IMS 会有 R 20 （ 14 式）的高分辨率： （ 14 ） 其中 t d 是漂移时间， W t,1/2 是在最大峰值的一半处测量的暂态峰宽。 离子迁移谱在安全和筛查应用方面已成为常见装置，比如在机场用于毒品查找，以及爆炸物探测。这种系统已做成手持式嗅探器和台式仪器。这种探测技术的研究和开发依然十分活跃，世界上的一些团队在致力于推进这种分析技术。这方面的改进包括不同的离子化方法，用化学添加物增强离子化，以及采用交变电场来改善离子的分离。 9. 热学传感器 9.1. 基本原理 系统的内能改变时，伴随着热量的吸收或释放（如热力学第一定律所定义的）。因而与热量相关联的化学反应，能够用适当的热学传感器进行探测。这些传感器以构成微量量热学的基础为基本原则而运作。热学传感器的工作原理简单：在温度探头上涂覆化学选择性涂层。导入样品时，探头测量样品和涂层之间发生化学反应期间的热传递。 图 19. 化学热传感器的原理图 这种传感器的简化图示于图 19 。其包括减少环境中的热损耗的热屏蔽和涂覆催化剂层的热敏电阻。涂层可以是含有固化的酶的基质。这种传感器的一个例子是采用固化葡萄糖氧化酶（ GOD ）的酶热敏电阻。把酶固化于热敏电阻顶端，然后封装在玻璃外壳内，以减少热量在周围溶液中的损失。同时另一个类似的传感器带有以相同固化方法固定的牛血清白蛋白，作为参考。两个热敏电阻连接成惠斯登电桥的臂。化学反应引起的温度增加 dT 正比于焓的递增量 dH ， （ 15 ） 其中 C p 是热容。 涂层内发生的化学反应为 ， （ 16 ） 和 ， （ 17 ） 其中 1 和 2 是局部焓变，其和（对上反应）约为 -80kJ/mol 。此传感器在动态范围内具有线性响应，其动态范围则取决于过氧化氢（ H 2 O 2 ）的浓度。 9.2. 小球载体式（ pellisters ）催化剂传感器 小球载体和其它催化剂构成的传感器以类似于热学酶催化传感器的原理工作。发生在传感器表面的催化反应导致热量释放，对装置内部相应的温度变化进行测量。从另一个角度来说，该化学过程又类似于在高温金属氧化物传感器中发生的过程。已设计出专门用于探测矿井中环境空气里低浓度的可燃性气体的催化剂气体传感器。这类传感器常常称为小球载体式。把铂线圈埋置在 ThO 2/ Al 2 O 3 构成的小球中，外层涂覆多孔的催化金属：钯或铂（图 20 ）。线圈起到加热器和电阻式温度探测器（ RTD ）两方面的作用。当然完全可以采用任何其它类型的加热组件和温度传感器。易燃气体在催化剂表面发生反应时，反应释放的热量增加了小球和铂线圈的温度，由此增加其电阻值。这样的传感器有两种可能的工作模式。一种是等温式的，即由电路控制流过线圈的电流以维持恒定的温度。在非等温模式中，传感器连接成惠斯登电桥的一部分，电桥的输出电压就是对气体浓度的测量。 图 20. 小球载体或催化剂型探测器 10. 光学转换器 光学转换器通过探测辐射的一些性质的调制变化，测量各种形式的光或电磁辐射与目标化学品或选择性层的相互作用。这种调制的例子有强度、偏振及媒介中的光速。被分析物中不同化学物质的存在，导致光的波长发生改变。光学调制由光谱学进行分析，光谱学可提供从原子到聚合物中的动力学等各种微观结构的信息。在一般的设计中，利用单色辐射穿过样品（可以是气体、液体或固体），在输出端检测辐射的特性。作为选择，样品也可对次级辐射（比如诱导发光）做出响应并对此进行测量。 10.1. 红外探测 大多数化学物质能够以代表其现有键合类型的波长吸收红外光。这些化学物质适用于朗伯 - 比尔定律，因为气体的吸光度正比于浓度。大多数利用这种技术的小的便携系统都使用非色散 IR （ NDIR ）。在 NDIR 中，一般采用照明灯或 LED 等多色光源，通过气体样品传输电磁能量（图 21a ）。气体可通过风扇或泵进行取样，或只是经由过滤器通过扩散进入透光组件，这种类型的 CO 2 传感器一般就是这样做的。滤光器用在光探测器的前面，使进入的光仅限于与目标分析物相关的特定波长（图 21b ）。相关化学品导致特定波长的吸收衰减指示其存在及浓度。 图 21. （ a ）非色散 IR （引自 ）；（ b ）吸收光谱的例子 用于测量光吸收的光谱系统可用于 UV 和 IR 波长的测量，通过形成光谱样式中更为复杂的吸光度标记，能够用于探测众多的化学品。台式 IR 仪器一般采用色散式 IR 技术。在这种装置中，使用格栅或棱镜以得到宽的波长范围，便于选择特定波长的光线通过样品。在所有的方法中，要始终使光源波长与光感指示剂的活化能实现匹配，以得到最佳电信号。 10.2. 光纤转换器 光纤化学传感器（图 22 ）利用化学试剂或吸附状态，改变经光纤波导反射、吸收或传输的光的数量或光的波长。光纤式光学传感器一般包括三个部分，入射（指示）光源，光极，和把光信号转换为电信号的转换器（探测器）。光极上含有试剂相膜或指示剂，其光学特性会受到被分析物的影响。 图 22. 光纤气体传感器 不同类型的光学传感器，试剂的位置和受试剂影响的特定光学特性也各不相同。简单的聚合物涂覆光纤，是在玻璃纤维的抛光透镜末端涂覆吸收入射光的试剂。在光纤的外层而不是其抛光末端进行涂覆，影响的是光线的反射和折射。这被称为隐失波感测。虽然玻璃光纤耐用且在很多情况下都耐化学品，但涂层或指示剂则不是这样，因而成为系统中的薄弱部分。 差分设计（ 摒除 所关注的反应以外的所有因素）通常采用使初始入射光线分束的方法，一束光线通过试剂区域，另一束则不被改变。两路光或是经由多路复用至单一的探测器（转换器），或是馈送至不同的转换器以产生用于感测的差分信号。一种光纤式传感器的变化类型是使用带涂层的小珠，把其放置或嵌入光纤的末端或表面。可以把这些小珠修饰或涂覆成具有化学或生物的灵敏度。 11. 生物化学传感器 生物传感器是化学传感器的特殊种类。物种的进化经由自然选择发展出极为敏感的器官，能够对仅仅几个分子的存在做出响应。人造的传感器利用了生物活性材料，并结合一些物理感应组件，例如前述的安培计或热学方法，尽管通常没有那么灵敏。生物识别部件实际上是位于常规传感器顶部的生物反应器，所以被分析物的扩散、反应产物、共反应剂或干扰剂，以及识别过程的动力学，都会决定生物传感器的响应。举例来说，可由生物传感器进行定性和定量探测的生物要素，包括生物体、机体组织、细胞、细胞器、细胞膜、酶类、受体、抗体和核酸类。 生物传感器的制造中，关键问题之一是生物化学转换器在物理或电子转换器上的固定化。固定化层或表面必须把生物活性材料禁锢在感应部件上，在生物传感器的使用寿命期间防止其散失，还要能够接触被分析物溶液，使任何产物能够扩散出固定化层，同时生物活性材料的性质不会发生改变。生物传感器中采用的大多数生物活性材料是蛋白质类或在其化学结构中包含蛋白质。为了在传感器表面固定蛋白质，可采用两种基本技术：键合或物理固位。吸附和共价键合是键合技术的两种类型。固位包括在传感器表面制备一层膜，把生物活性材料和被分析物溶液分隔开来，这层膜能够透过被分析物和辨识反应的任何产物，但生物活性材料则无法渗透。 11.1. 酶传感器 实现选择性的最有效方法之一是采用带有酶膜的传感器。酶是特殊类型的催化剂，是存在于生物体中的蛋白，分子量为 6 ～ 4000kDa （千道尔顿：原子质量单位）。它们有两个显著性质：（ 1 ）对给定物质它们有极强的选择性；（ 2 ）在增加反应速率方面它们极为有效。所以在选择性和输出信号幅度两方面它们都能做出积极贡献。反应的最大速度正比于酶的浓度。酶传感器的总体示意图见图 23 。 图 23. 酶传感器原理图 感应组件可以是加热探头（见前述关于热学传感器的内容），电化学传感器或光学传感器。酶只能在水相环境中发挥作用，所以要把它们结合进凝胶类的固定化基质中，特别是水凝胶。一种常用的工作模式如下。酶（催化剂）被固定化在一层膜中，来自样品的目标化学物也扩散进这层膜中。酶与目标化学物发生反应时，产生能够被探测到的化学产物或其它效应。任何其它参与反应的品种也必须能够通过扩散进出这些膜。 11.2. 多传感器阵列 进行多重测量，不管是用特定的化学传感器，还是用若干不同的或互不相干的传感器，都能够提供所需的在统计上减少误差的信息，并能同时改善化学传感器或化学探测仪器的选择性和灵敏度。因为测量误差是系统误差和随机误差之和，利用统计学方法减少或消除随机误差，就能够借由多重采样在统计上减少单个传感器的测量误差。多重冗余采样能够提供足够的数据，通过因子 减 少测量标准偏差，其中 n 是冗余采样数。冗余样本可来自同一个传感器，或相同类型的多个传感器，以进一步确保最佳响应。不过这对消除随机误差有用，对消除系统误差则无效。 来自多个不同类型的独立传感器的响应能够结合在一起（通常称为传感器融合），提供叠加增强的响应，更好地扩展传感器的响应空间，弥补对被分析物辨识较弱或难以企及的缺口。 11.3. 电子鼻和电子舌 作为人类的两种基本感觉，嗅觉和味觉在日常生活中对识别环境条件发挥着十分重要的作用。由于具有广泛的潜在商业用途，电子嗅觉和电子味觉传感器（ e- 鼻和 e- 舌）已得到深入的研究和开发。它们在食品工业、环境保护、医药、军事和其它领域十分有用。这些系统的探测能力主要取决于敏感材料吸收特定气味和离子或与其发生反应的能力。尽管已取得了一些进展，但是与生物学上把特定的呈嗅剂和呈味剂结合至嗅觉和味觉受体细胞相比较， e- 鼻和 e- 舌在灵敏度和特异性方面仍然有着明显的局限性。 天生的嗅觉器官系统特化为能够以低至万亿分之几的浓度探测到极少的空气分子，并在无数的不同种类化合物中做出判别。对哺乳动物，空气中带有气味的分子进入鼻腔，与鼻子中的感觉神经元结合，把化学相互作用转换成能被大脑识别为某种气味的电信号。嗅觉和味觉感知的非凡能力，来自于众多感觉神经元的受体以及后续的神经元处理过程。每个单独的神经元能够以不同的亲和力和特异性与多种不同的分子和离子结合，不过某些受体则相对局限于少数具有化学相关性的化合物。人类具有大约 350 种感觉神经元和很多变化类型。诸如狗这样的动物则比人类多出数百种感觉神经元。嗅觉感觉过程起始于挥发性化合物（经由呼吸气流）到达鼻腔的神经上皮组织，那里存在着成千上万不同的嗅觉感觉细胞。 图 24. 嗅觉神经元 图 24 示意嗅觉神经元的简化图。感觉发生在来自受体细胞的毛发状突出物（纤毛）。纤毛被能俘获气味分子的粘液覆盖。提供感觉特征的气味的分子性质为低水溶性、高蒸汽压、低极性、能溶于脂肪（亲脂性），以及表面活性。受体细胞的电响应经由轴突传输至下一级信号处理。由于感应组件的污染，几乎所有化学传感器都存在相对较短的使用寿命问题。自然界则通过使所有嗅觉神经元频繁再生来解决这个问题，人类的嗅觉神经元大约每 40 天会更换一遍，这是非常罕见的神经再生情况。 与传统化学传感器相比，哺乳动物鼻腔内的受体不是选择性地探测个别化学物质，而是采用成千上万个吸收吸入化学物质的、具有部分选择性的受体。对于特定的气味，每个部分选择性受体的响应可能强，也可能弱，或者完全没有响应，产生出一个独特的模式，送至大脑进行解读。大脑判定这种“气味”模式是否以前探测到过（学习和记忆），然后把这种化学物质与特定气味联系起来。因而不同的被分析物给予大脑不同的模式，这些模式就确定了对气味的认知。需要强调的是，气味种类的识别不是任何特定“嗅觉传感器”要做的事情。气味和滋味的感知和识别是由复杂得多的系统（大脑）完成的，传感器只是其中一个组成部分。鼻子和舌头不只是传感器，更确切地说是大脑的扩展。 气味和滋味的识别是一个连续过程，分子鉴别是借助于层级模式识别技术逐渐缩小选择来实现的——由粗略到精细对气味分子进行标识。一般而言，越复杂的化合物，能够识别得越快，灵敏度也越好。举例来说，碳氢链（链烯醇类）化合物，诸如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和戊醇，其灵敏度值具有明显的规律性。随着链的长度增加，灵敏度亦增加。对于八个碳原子链（辛醇），人类的灵敏度大约为 10ppb （十亿分之一），而一个碳原子（甲醇）的则是 1ppt （千分之一）。 滋味的感觉也是起始于呈味剂与受体的相互作用，一些具有滋味的分子溶解在唾液中时，经由味觉受体细胞的尖端微小突起物内的离子通道到达受体。随后通过细胞信号传导路径，味觉信号相继被转换传导进入大脑，大脑对这些信号进行整合和分析。利用嗅觉和味觉细胞作为感应材料开发生物电子鼻或电子舌芯片，是与 e- 鼻和 e- 舌研发领域相关的一个独立趋向。 人感知和记忆很多不同的气味和滋味，然后把这些知识推而广之到以前不曾接触过的认知方面；与此十分类似， e- 鼻和 e- 舌在能够处理未知的东西之前，也需要接受识别不同气味和滋味的化学特征的训练。目前的趋势是以多传感器和信号处理系统相结合的仿生学方法为基础，信号处理系统则由神经网络或基于计算机的等同于神经网络的设备构成。主要思路是采用很多不同类型的传感器，以类似于活的大脑的数据处理方式来处理数据。电子鼻和电子舌不太像个传感器或仪器，更像是一种检测策略。 图 25. （ a ）单个化学传感器元件的顶视图；（ b ）微传感器装置关键部分的放大示意图；（ c ） 16 个元件的微传感器阵列；（ d ）淀积在微热板传感器平台上的各种化学感应薄膜的扫描电子显微镜图像；图像显示为不同标尺，以突出每个膜的纳米结构和形态： 通过化学气相淀积制备的多晶金属氧化物膜。这里显示的是二氧化锡（ SnO 2 ）；此外还采用了二氧化钛（ TiO 2 ）、 SnO 2 上的 TiO 2 层，以及淀积在 TiO 2 上的钌（ Ru ）。 采用滴落涂布法制备的多孔 TiO 2 膜。 滴落涂布形成的 Sb:SnO 壳层。 电泳式淀积形成的纳米结构导电聚合物（这里是胶体聚苯胺）。 e- 鼻和 e- 舌的感应部分是由很多类似又不同的感应部件构成的装置。这种多重感应方法已由 NIST （美国国家标准技术研究所）成功实施。此技术以化学物质与置于 NIST 开发的 MEMS 微加热器平台上的半导体感应材料之间的相互作用为基础。 NIST 电子鼻由八种类型的传感器构成，传感器都以金属氧化物膜的形式淀积在 16 个微加热器表面，每种材料有两个副本（图 25 ）。多晶硅电阻用于加热。加热器的热时间常数为两个毫秒。各种化学感应膜淀积在加热器顶部：锡（ SnO 2 ），二氧化锡上涂覆二氧化钛（ SnO 2/ TiO 2 ），二氧化钛（ TiO 2 ），以及二氧化钛上涂覆氧化钌（ TiO 2/ RuO x ）。已知这些氧化物会和气体组分发生化学相互作用，这些作用包括被分析物气体的表面调制氧化反应，以及被分析物化学吸附时的电荷转移。单个加热组件的精确控制，使得每个传感器都可作为一个“虚拟的”传感器集合，具有在 150 ℃和 500 ℃ 之间的 350 个温度增量，使等效传感器数量增加到约 5600 个。不同感应膜结合改变温度的能力，使该装置具有了与充满感觉神经元的鼻子的分析等效性。 12. 具体难点 与其它传感器（诸如温度、压力、湿度等等）相比，开发化学传感器（和系统）的难点是感应过程中与化学物质的相互作用会导致传感器的永久性改变。这通常导致传感器基准的偏移，给传感器校准造成负面影响。举例来说，电化学电池采用的是液体电解质（通过带电离子而不是电子传导电流的材料），每次测量都会消耗一小部分电解质，最终会需要补充电解质；化学 FET 传感器会在栅极 - 膜的界面处形成碳酸，造成部件的腐蚀；吸收剂聚合物涂层在恶劣环境中会被氧化。 此外，不像压力或温度传感器具有相对较少的用于为运行建模的条件，化学传感器常常暴露在几乎是无限数量的化学组分中。这会引入干扰响应，例如很多化学传感器都对水有一定程度的敏感性。所以在开发工作于外界环境中的传感器系统时，操作人员在校准系统时必须考虑湿度的变化。 陶瓷珠子型和其它催化烃类传感器会发生烧结（～ 400 ℃ ），体铂电极和加热组件在高温（ 1000 ℃ ）时会出现蒸发，这都限制了它们的寿命期限和用于长期持续监测的有效性。存在易燃气体时蒸发速率会更高。铂金属的损失导致连线的电阻值的改变，在传感器读数中引入偏移误差，并致使加热铂线圈提前烧坏。 化学性中毒会影响很多传感器，比如催化剂珠子装置中含有氯化物、硫和铅的化合物时，会不可逆地结合在感应组件上，抑制碳氢化合物品种的氧化反应，产生不准确的错误低读数。如果有可能受到含有特定抑制剂的环境的影响，通常任何化学传感器都可采用过滤器。需要合理选择过滤器材料，能够只消除毒化成分，而不会同时减少目标分析物（需要暴露于传感器的化学物质）。 采用品种选择性吸附膜的表面声波器件，会被所吸附的品种造成机械性毒化，而且吸附的物质不能被解吸，使器件的质（重）量部分无法回到其初始（校准）状态。类似的，光纤器件上的气体选择性涂层也会被不可移除的品种毒化，永久性降低光反射率，给出假阳性读数。 另一个只存在于化学传感器的问题，是在不同浓度水平出现的明显的化学反应变化。例如，某些反应式的碳氢化合物器件（金属氧化物器件、伏安式器件等等）需要接近化学计量（平衡化学反应）的混合物，所以需要把最低限度量级的目标分析物碳氢化合物和所需的氧气两者，输送到测量反应处。如果碳氢化合物量级太高（或者更好的说法是反应所需的氧气量级太低），那么就只有部分碳氢化合物会发生反应，产生假阴性读数。