化學傳感器（Chemical Sensor）化學傳感器是對各種化學物質敏感并將其相關化學量（如濃度、濕度、成分等）轉化成相應的信號（如光信號、電信號、聲信號）的一類檢測裝置。
化學傳感器的種類和數量很多，根據傳感方式，化學傳感器可分為接觸式化學傳感器和非接觸式化學傳感器；按結構形式分，化學傳感器可分為分離型傳感器、組裝一體化化學傳感器；按檢測對象可分為氣敏傳感器、濕敏傳感器、離子敏傳感器、生物傳感器；按工作原理可分電化學傳感器、光化學傳感器、熱化學傳感器、質量化學傳感器；根據使用目的不同，化學傳感器大致可分為計量用和控制用兩類，它們單獨或組合起來又可以細分為環境用、生產用、醫療用、生活用等。
化學傳感器是獲取化學量信息的重要手段，具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、能在復雜的體系中進行在線連續監測的特點，已廣泛應用于環境監測、醫療、工農業產品、食品、生物、安全、軍事、科學實驗等領域中化學量的檢測與控制。
定義
化學傳感器是通過某化學反應、以選擇性方式、對特定的待分析物質產生響應，從而對分析介質進行定性或定量測定，將化學物質（電解質、化合物、分子、離子等）的狀態、變化定性或定量地轉換成相應的信號（如光信號、電信號、聲信號）的一類檢測裝置；是把特定化學物質的種類和濃度轉變成電信號來表示的功能元件。它主要利用敏感材料和被測物質中的分子、離子或生物物質相互接觸時直接或間接地引起電極或電勢等電信號的變化。
歷史
化學傳感器的產生可以追溯到1906年，化學傳感器研究的先驅者Cremer首先發現了玻璃薄膜的氫離子選擇性應答現象，發明了第一支用于測定氫離子濃度的玻璃pH電極，從此揭開了化學傳感器的序幕。隨著研究的不斷深入，基于玻璃薄膜的pH傳感器于1930年進入實用化階段。
第一個階段，20世紀60至70年代以前，以離子選擇性電極為代表的化學傳感器是當時研究的一項熱點和重點，研究成果也顧豐；各式各樣的離子選擇性膜電極伴隨著聚氯乙稀膜電極的問世，使得整個化學傳感器應用領域涉及人們日常生活的每一個角落。
第二個階段，20世紀80年代開始，氣體傳感器和生物傳感器的研究成為當時研究的熱點，這也使得離子選擇性電極的研究趨于理智。歐美一些國家政府學校開始致力于化學傳感器的發展；80年代末期，美國化學會將“離子選擇性電極”單獨列為化學領域的研究分支，并把“化學傳感器”也列為另外一個研究分支。90年代初期，美國化學會則將“離子選擇性電極”和“化學傳感器”合并成化學領域的一個研究分支，定義為“化學傳感器”。
第三階段，從20世紀90年代開始，由于生物技術的不斷發展，世界科學技術發達的國家都在致力于生物傳感器的應用研究，使得生物傳感器有了飛躍的發展。
分類
化學傳感器的種類和數量很多，各種器件轉換原理各不相同，其分類方式也各不相同。
按傳感方式分
根據傳感方式，化學傳感器可分為接觸式化學傳感器和非接觸式化學傳感器。
按結構形式分
分離型傳感器：如離子傳感器，液膜或固體膜具有接受器功能，膜完成電信號的轉換功能，接受和轉換部位是分離的，有利于對每種功能分別進行優化。
組裝一體化化學傳感器：如半導體氣體傳感器，分子俘獲功能與電流轉換功能在同一部位進行，有利于化學傳感器的微型化。
按檢測對象分
氣敏傳感器：氣敏傳感器主要用于監測氣體的濃度或成分，又分為半導體氣敏傳感器、固體電解質氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器、光干涉式氣敏傳感器、晶體振蕩式氣敏傳感器和電化學式氣敏傳感器等。
濕敏傳感器：濕敏傳感器是測定環境中水氣含量的傳感器，又分為電解質式、高分子式、陶瓷式和半導體式濕敏傳感器。
離子敏傳感器：離子敏傳感器是對離子具有選擇性響應的離子選擇性電極。它是基于對離子具有選擇性響應的膜產生膜電位的原理。離子敏傳感器的感應膜有玻璃膜、溶有活性物質的液體膜及高分子膜，使用較多的是聚氯乙稀膜。
生物傳感器：生物傳感器是對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。
按工作原理分
電化學傳感器：電化學傳感器是現代化學分析測定中的一類特殊傳感器。其主要是利用污染物質在電極表面發生電化學反應，再通過特定的換能器將這種感知信息轉換成可識別的、與目標物質濃度變化成比例的電信號，從而達到定性或定量地分析檢測目標物質的一種儀器設備。電化學式傳感器又可以分為電位型傳感器、電流型傳感器、電導型傳感器三類。
光化學傳感器：光化學傳感器是在電磁輻照環境下產生換能元件的解析信號。輻照與樣品的相互作用以特有光學參數的變化來評價，與分析物的濃度有關。
熱化學傳感器：基于化學反應過程中有熱量的釋放或吸收，傳感信號一般為溫度變化。該傳感器的結構是將反應層在溫度測量元件的敏感端，反應層能量變化以溫度變化形式傳出訊號。
質量化學傳感器：質量化學傳感器是指傳感器的敏感材料通過對被測物質的吸附，導致敏感材料的電特性、質量特性、幾何特性等變化產生信號輸出的一類傳感器。
按使用目的分
根據使用目的不同，化學傳感器大致可分為計量用和控制用兩類，它們單獨或組合起來又可以細分為環境用、生產用、醫療用、生活用等。
應用
化學傳感器是獲取化學量信息的重要手段，具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、能在復雜的體系中進行在線連續監測的特點，已廣泛應用于環境監測、醫療、工農業產品、食品、生物、安全、軍事、科學實驗等領域中化學量的檢測與控制。
用于DNA序列的測定
人類的遺傳病和某些傳染病的早期診斷基于已知非正常堿基序列的檢測。但傳統的特定序列分析存在著耗時、費力、昂貴、難以自動化等缺點。而有順序選擇性的電化學傳感技術能快速檢測特定序列，且成本低廉、易于集成化和自動化，因而受到廣泛關注。
用于環境監測
利用電化學的傳感器可對污染物、致癌物進行分子識別的研究，其研究價值在于建立快速、靈敏的電化學檢測方法，探討污染物、致癌物與其他分子的相互作用機制。
在金屬離子檢測中的應用
重金屬離子檢驗方式一般可分成三類。電化學傳感器檢驗的方式操作步驟比較簡單，而且其耗費的投入較低，所以此類重金屬離子的檢驗方式已經獲得比較普遍的運用，對相應行業也產生了較大的影響。所以必須要對電化學傳感器的運用和技術創新實施多方面的關注。在重金屬離子檢驗的過程中，借助運用多工藝互相融合的方式，可以對電極實施一定的修飾，并實現對重金屬離子鉛鎘的檢驗。依據相應的檢測標準對金屬離子實施檢驗，并全面比照每一項檢驗結論，對傳感器檢驗結論的精確性提高有較大的作用，而且利用這樣的檢驗可以獲得科學、平穩的使用性能。
在酚類化合物檢測中的應用
當電化學傳感器在檢測酚類化合物的環節中，務必注意這類成分本身所具備的風險性。因為酚類化合物在社會環境與生態環境中有著比較寬泛的分布范圍，會對人體健康產生非常大的傷害，所以，酚類化合物作為需限制檢查測量的成分在電化學傳感器占有很大的空間。在電極的影響下，苯二酚和鄰苯二酚會出現比較顯著的催化反應，這對生產制造電化學傳感器具有較大的作用，所以，在對酚類物質的酸值指數實施檢查測量時需用加強電化學傳感器的應用。
對農藥品殘留物進行檢測之中的應用
在實施農業種植時，農藥殺蟲劑的頻繁運用，會對大眾的生活環境產生較大的隱患，比如農副產品中農藥殺蟲劑頻繁或是超出標準地使用，會對大眾的身體健康產生很大的不良影響。所以，研究者在對其進行探究的過程中，生產制造了這種可以檢測農作物商品中是否含有毒物質以及有毒成分是否超出標準的電化學傳感器，運用電化學傳感器，能實現對農副產品中不同有毒物質的檢查測量。這就是電化學傳感器在農業種植中的合理運用，要足夠重視這類傳感器在農副產品中揮發的重大功效，并按照具體情況實施持續的工藝改善。
在多環芳烴物檢測中的應用
在對多環芳香烴類的成分實施檢查測量時，應綜合考慮到這類成分具備的有毒有害特征和致癌性。因為該成分在水中的多環芳烴占比較少，其含量范疇通常在1×10-9na/mL。因此，該成分的檢查測量環節較難完成。因此，對于這一現象，研究者研發了敏感度較高的電化學傳感器，便于更精準合理地完成在水環境中多環芳香烴類化合物的檢查測量。經過實操表明，光纖光學熒光檢測傳感器對多環芳香烴類化合物的檢出限的數值可達5×10-10μmol/L。與此同時，研究人員也指出，使用各種飽和度的熒光檢測分子，也能解析出的含量。相對于過去的檢查測量方法來講，光纖光學熒光檢測傳感器的檢查測量結論較精準，現場采樣也較短，是一種較合理的檢查測量方法。
在空氣濕度檢測中的應用
環境濕度是大氣自然環境的一個主要指標，大氣的環境濕度與人身體蒸發熱相互間擁有密切聯系，高熱高濕時，因為身體水分含量揮發不便而覺得炙熱，高濕低溫時，人體內排熱流程強烈，易于引發風寒和受凍。人體最適宜的溫度是18～22℃，空氣相對濕度為35%～65%RH。在自然環境與衛生檢測中，經常使用于濕球溫濕計、手動式濕測溫器和通風濕測溫器等儀器設備測量空氣相對濕度。
對二氧化硫檢測的應用
二氧化硫是產生酸雨的關鍵因素，也是導致大氣污染的關鍵因素。使用傳感器測試二氧化硫，可提高檢測效率，提升測試精準度。測試時，離子交換膜為固態高分子化合物，膜的一側含反電極和參比電極的內部電解液，另一側嵌入鉑電極，構成二氧化硫傳感器。
用于藥物的檢測
許多藥物與核酸之間存在可逆作用，而且核酸是當代新藥發展的首選目標，電化學脫氧核糖核酸生物傳感器除了可用于特定基因的檢測外，還可用于一些與脫氧核糖核酸結合的藥物的檢測以及新型藥物分子的設計。藥物結構對傳感器響應的影響是脫氧核糖核酸修飾電極研究藥物與DNA相互作用的基礎。
在臨床上的應用
生物傳感器應用于臨床，不外乎研究和建立體液中各種化學成分的測定方法。與臨床大型的自動分析裝置相比，采用生物傳感器測量具有必要的靈活性，能適應個別患者的急診需要，在監護方面傳感器測量更具優越性，可連續地監測幾項生化指標；小型專業化的傳感器檢測系統十分適合一般的基層醫院，不需等湊夠一定數量（批量）樣品才可檢測；即可進行離體（invitro）樣品檢測，又能進行體內（invivo）樣品檢測；由于傳感器元件制得很小，故可靈敏地選擇待測對象；又由于傳感器對諸多因素有敏捷反應，故在人工臟器上獲得廣泛應用。
在礦產資源探測上的應用
已研制成功大洋固體礦產資源成礦環境及海底異常條件探測系統，通過對現代海底熱液活動環境（水深1000m～4000m，溫度：40℃～400℃），研發了適用于大洋主要固體礦產資源成礦環境探測低溫高壓化學傳感器和pH、H2、H2S高溫高壓傳感器系列及其檢測校正平臺。通過多傳感器集成和信息記錄儲存系統的研制，實現了深海定點長期觀測和走航式多參數探測。
在生產流程分析上的應用
在工業生產過程中，使用成分自動分析傳感器，自動地對混合氣體的成分及混合物中某些物質的含量或性質進行測定，以便為操作人員提供控制生產流程的有用參數，或者送入計算機進行數據處理，以及實現閉環控制等等。借助成分分析儀表，可以了解生產過程中的原料，中間產品及成品的質量。這種控制顯然要比控制其它參數（如溫度、流量、壓力等）直觀得多。特別是與微型計算機配合起來，將成分參數與其它參數綜合進行分析處理，將更易于提高調節品質，達到優質、高產，低消耗的目標。
原理
化學傳感器的結構組成如下圖所示，有兩個關鍵元件：接收（識別）元件和轉換元件。接收（識別）元件指的是具有對待測化學物質的形狀或分子結構選擇性俘獲功能的一類元件；轉換元件是指將待測物的某一化學參數（如濃度等）與傳導系統聯系起來并將其轉換為一種可測的信號（如光信號、電信號）的一類元件。
化學傳感器的工作原理基本如下：接收元件有選擇性地俘獲待測的化學物質，并同其發生一系列的化學反應；轉換元件將接收元件與待測物之間的反應中的某一化學參數轉換為相應的光、電、聲等信號，然后通過轉換電路，將光、電、聲等響應信號轉換為人們所需要的分析信號，從而檢測出待測物的含量。
接收元件中的分子識別系統是決定整個化學傳感器的關鍵因素。因此，化學傳感器研究的主要問題就是分子識別系統的選擇以及如何將分子識別系統與合適的傳導系統相連接。傳導系統接收識別系統響應信號，并通過電極、光纖或質量敏感元件將響應信號以電壓、電流轉換電信號輸出。
誤差及來源
影響因素
影響傳感器性能的因素有兩個方面，一方面是傳感器本身的誤差因素，如非線性、滯后、重復性、漂移等，由傳感器的敏感原理、結構設計、制作工藝等所決定。性能指標的改進則要從傳感器的原理、結構、制作工藝等方面考慮。尤其是傳感器的具體制作工藝，往往是影響性能的重要因素，也是各傳感器生產廠商的技術關鍵。影響傳感器性能的另一方面是在應用過程中引入的，如外界環境的電磁場干擾、工作環境溫度波動、安裝位置的沖擊震動、供電電源波動等因素，其中供電電源的影響在一些現場存在大功率設備的應用場合尤其明顯。大功率設備的工作常常需要非恒定的大電流，因此會造成電網電壓的大幅度波動，在傳感器的設計和應用中需重點考慮。
誤差分類
介入誤差：該類誤差源于傳感器或敏感元件的介入造成所測系統的環境變化。實際上，幾乎所有傳感器均存在這種誤差，只是影響程度不同。例如，某些電化學傳感器在內部封裝有電解質溶液，通過半透膜與外界接觸，當用于檢測溶液中的化學物質時，需特別注意電解質溶液中離子的滲透是否會污染被測溶液。
應用誤差：這類誤差是實際中最為常見的誤差，主要原因在于使用者對具體傳感器原理缺乏了解或測量系統有設計缺陷。
特性參數誤差：特性參數誤差源于傳感器本身的特性參數，也是傳感器生產者及使用者考慮最多的誤差。
動態誤差：大部分傳感器的特性參數是在穩態環境下通過標定測試得到的，因此當所測參數發生變化時，傳感器的反應存在滯后。
環境誤差：各種環境參量均可能帶來誤差，最常見的環境影響因素是溫度、沖擊、震動、電磁場、化學腐蝕、電源電壓波動等。在使用交流市電作為測量系統的電源時，必須充分考慮電源電壓波動的影響。
參考資料 >
化學傳感器.術語在線.2023-11-09
化學傳感器.維科網.2023-11-08