第32卷第1期 2012年3月
化学传感器 CHEMICALSENSORS
用于环境监控和国土安全的化学传感器 Praveen K. Sekhar, Eric L. Brosha, Rangachary Mukundan, Fernando H. Garzon
化学传感器由识别元件和换能元件所构成。
识别元件可以对所检测的不同化合物（待分析物)进行识别和感知；换能元件则可以产生一个其数值与待分析物浓度星函数关系的信号。化学传感器中还包含了一类能对生物化学物质和生物反应进行识别的生物传感器。生物传感器应用生物元件（例如生物体、酶、抗体、组织和细胞)作为感受器，因而有别于传统的化学传感器。一般来说，依据待分析物的物相不同可将化学传感器大致区分为气体传感器、液体传感器和固体微粒传感器。也可进一步依据换能元件的工作原理不同而将其区分为光学式传感器、电化学传感器热学式传感器以及重力（质量敏感)式传感器。更细致的敏感模式分类依据可参见由JiriJanata损写的专著1),其中对各类化学传感器的长处和所面临的挑战都进行了综合评述。
化学传感器已经成为现代技术推进型社会中不可或缺的一类产品，在化工流程、制药、食品、生物化学和环境、公共安全、工业安全、临床医学和室内环境监控等领域都有所应用[2-6]。如同许多科技领域那样，化学传感器在近年来也得益于计算机、集成电路、新材料、新颖设计和数据处理工具的强有力推动。这一领域的技术推进可从化学传感器的微型化、廉价、便于携带和可批量生产，并得以用于静态和连续测量，甚至用于环境状况的遥测等方面得到例证。此外，纳米结构材料17]的研究和传感器阵列在电子鼻系统中的应用提高了传感器件对被测对象的选择性。上一个十年的突破性进展推动了化学传感器进人新市场的进程和在已有市场中的新应用[9]。在本文的不长篇幅中，我们将对引人瞩目的传感技术的某些实例进行讨论。化学传感器在环境监控中的应用将首先讨论，然后对涉及国土安全的化学战剂和传统爆炸物检测进行讨论。最后，对化学
传感器所面临的挑战和未来展望作一概述。万方数据
1用于环境监控的化学传感器
Vol. 32, No. 1 Mar.2012
化学传感器被期望在环境监控（包括室内和
室外)和环境控制（空气和水)方面起着重要作用，以提升人类的生活质量。全球能源消耗的大幅增长和超预期的污染物排放使人们日益关注用于环境保护、修复和重建的新型监控技术。电子鼻(e-nose)和电子舌（e-tongue）已被证明是人们关注自然环境退化时可使用的一种有效技术。电子鼻和电子舌的名词代表着由生物传感器或气体传感器所构成的阵列器件，其输出信号经过了模式识别技术的处理。按照通常的名词学规则，电子鼻可以定义为一种由多个具有半选择性和可逆性的独立气体传感器组成的阵列并附带有模式识别软件，有可能用来模拟人类嗅觉系统。图1显示了一个电子鼻系统的各个组成部件。当前已出现了基于各种不同技术的多种商用电子鼻系统，分别用于不同的应用领域。
Persaud和Doddl1在1982年首次报道了采用半导体传感器的嗅觉系统设计，可用于多种有气味物质的检测。此后，陆续开发了多种先进的商用电子鼻系统，同时也发表了不少有关应用电子鼻进行环境监测的评论文章(11-15]。适用于某些特殊情况并采用不同传感原理的实用商品化电子鼻系统以及未来的发展前景在上述文章中都有所评述。不同作者在评论电子鼻的现场应用时都会不约而同地谈及所面临的一系列挑战。主要的问题是传感系统的长期稳定性，特别是不打算降低系统对待测试样的灵敏度或选择性时，情况会变得更为严峻。毫无疑问，温度、湿度、压力、周期性波动或季节变化以及污染性工艺都会导致无法接受的选择性和灵敏度降低。我们也都注意到接收元件在避免不想发生的非特异吸附过程时起着关键作用。如何对接收元件进行调控并使其在频繁变化的环境中保持其稳定性和选择性，