化學傳感器和納米傳感器新材料的應用現(xiàn)狀
光化學傳感器是近年發(fā)展起來的一種新型微量和痕量分析技術，它是把特定的化學物質的種類和濃度變成電信號來表示的功能元件。主要是利用光敏感材料與被測物質中的分子、離子或生物物質相互接觸時直接或間接地引起電極電勢等電信號的變化，使得很少的化學物質加入體系后，會有放大了許多倍的信號被檢出，借此可以獲得某種化學物質的濃度。根據(jù)不同的應用課題，人們可以設計出各種各樣的化學傳感器。
目前，化學傳感器的研究受到了廣泛的關注，由于其具有靈敏度非常高，選擇性好，攜帶方便，易微型化，能用于現(xiàn)場分析和監(jiān)控等特點，因此在礦山開發(fā)、石油化工、生物醫(yī)學及日常生活中越來越多的被用來作為易燃，易爆，有毒，有害氣體的檢測預報和自動控制裝置，或用來測定多種含量極低的物質，甚至可以測量細胞中的離子濃度。醫(yī)學上采用化學傳感器作病情診斷及治療過程的自動控制。生產(chǎn)和生活各個領域對化學傳感器的廣泛要求，使得化學傳感器的研究和開發(fā)一直十分活躍，并表現(xiàn)出非常廣闊的應用前景。
1 幾種不同的化學傳感器
1．1 溶液中基于熒光的傳感器
該類化學傳感器件的組成一般包括產(chǎn)生熒光的傳感件、激勵傳感件的光源及對傳感器熒光作出反應的光電探測器r2]。在典型的設計中，這些體系往往由一個可配合成鍵的底物和可產(chǎn)生熒光信號的光活性組分組成r3]。發(fā)熒光的熒光體，大多數(shù)為有機芳族化合物。這類化合物在紫外光區(qū)和可見光區(qū)的吸收光譜和發(fā)射光譜，都是由該化合物分子的價電子重新排列(躍遷)引起的。當分子因吸收光而被激發(fā)到電子激發(fā)態(tài)后，它可能以一系列的不同途徑失去本身過剩的能量而返回電子基態(tài)，這些途徑有：化學傳感器和納米傳感器新材料的應用現(xiàn)狀射熒光、非輻射衰減(內轉換)、光化學反應。這三者中哪個過程的速率常數(shù)最大，此過程就占主導地位。要使熒光體發(fā)出強的熒光，則發(fā)射熒光過程的速率常數(shù)要大于另外兩者．因此，選擇熒光物質往往需要具備大的共軛兀鍵結構、剛性的平面結構、最低的單線電子激發(fā)態(tài)s 為兀，兀 型，取代基團為給電子取代基。通過測量熒光化合物熒光強度的下降，可以間接地測量該分析物質。例如，大多數(shù)過渡金屬離子與具有熒光性質的芳族配位體配合后，往往使配位體的熒光猝滅，從而可間接測定這些金屬離子的濃度。猝滅過程實際上是與發(fā)光過程相互競爭從而縮短發(fā)光分子激發(fā)態(tài)壽命的過程。猝滅劑和熒光物質分子在基態(tài)時發(fā)生配合反應，所產(chǎn)生的配合物通常是不發(fā)光的，即使配合物在激發(fā)態(tài)時可能離解而產(chǎn)生發(fā)光的中問體，但激發(fā)態(tài)配合物的離解作用可能較慢，以致激發(fā)態(tài)配合物經(jīng)由非輻射的途徑衰變到基態(tài)的過程更為有效。結果，基態(tài)配合物的生成由于與未配合的熒光物質的基態(tài)分子競爭吸收激發(fā)光(內濾效應)而降低了熒光物質的熒光強度。測定濃度的方法是采用工作曲線法。即取已知量的分析物質，經(jīng)過與試樣溶液一樣的處理后，配成系列標準溶液，并測定熒光強度，再以熒光強度對標準溶液濃度繪制工作曲線。然后由所測得的試樣溶液的熒光強度對照工作曲線以求出試樣濃度。波長 =450nm處，化合物8一雙(甲基吡唑基)蒽溶液(--氯甲烷：甲醇=8：2介質)中加入了Ag+，隨其濃度的改變，熒光強度的變化曲線，由此可以根據(jù)熒光強度測定未知溶液中Ag+濃度 。
1．2 離子選擇性電極
基于電信號變化的電化學傳感器(離子選擇性電極)是分析溶液中離子的活度或濃度的一種常用的分析方法，是過去3O年來發(fā)展最迅速的分析技術之一，許多離子電極分析法已被采納作為標準方法。應用離子電極除了可以直接測定多種離子外，也可以利用間接測量技術，測定許多不能直接測定的組分濃度。具有設備簡單、操作方便、測試范圍寬等特點，并且分析試液用量少，受其物理狀態(tài)包括顏色、濁度、體積等因素影響較小，適合于現(xiàn)場測定及連續(xù)自動分析測定，也能做到無損分析和原位測量，特別是在有放射性的復雜環(huán)境中，可實現(xiàn)遠程自
動控制監(jiān)測。
1．3 膜傳感器
膜傳感器同樣是一種簡便、快速的分析方法。它使用方便，維護簡便。熒光膜傳感器一般是把熒光活性物質或生物酶用適當?shù)娜軇┡涑赡z，即傳感膜試劑，用鉑絲浸入此凝膠，取出后干燥，作為對比電極使用，鉑絲表面的敏感膜即為膜傳感器。再由標準電極作為參比電極，在一定溶液環(huán)境條件下，加入不同濃度待測化合物，記錄下響應電流，即得到待測化合物的響應值，進而求得濃度。酶生物傳感器可借此反映酶催化活性的變化。構造藥物離子選擇性膜的通常方法之一是將親油離子對絡合物固定在聚乙烯醇(PVC)膜上，以測定對各種藥物的感應作用。Baum_1陽等在20世紀7O年代就成功地制作了乙酰膽堿選擇性電極，其電極活性物為四對氯苯硼鉀一乙酰膽堿，用鄰苯二甲酸二異辛酯(D0P)作增塑劑。氧化錫、氧化鋯、氧化鐵是用作氣體傳感器最為廣泛的材料[¨ ；貴金屬催化劑(如鉑，鈀)摻雜到這些材料中，可以提高它們的靈敏度和選擇性。過去，氧化錫(Ⅳ)基氣體傳感器最廣泛的應用和研究是將氧化錫制成燒結體或厚膜，目前常用溶膠一凝膠浸漬法 ，該化學鍍膜方法能夠在分子數(shù)量級內進行混合和摻雜，制得的薄膜具有良好的穩(wěn)定性和較強的附著力，選擇不同的材料，可以得到對不同氣體有選擇性的薄膜傳感器。
1．4 光纖化學傳感器
近年來，各種合成指示劑的出現(xiàn)已使光纖傳感器廣泛應用于化學分析成為可fll~EB]。以合成指示劑作為識別元件，其應用于光纖傳感器必須具備兩個重要特征：它能固化于光纖探頭的高分子薄膜里；它能與待測溶液中的離子發(fā)生選擇性的可逆化學反應(如：H++Ind---Hind)，并能產(chǎn)生具有熒光或強的光吸收能力的中間體分子。這樣，在一定的激發(fā)光源的作用下，中間體分子可隨待測物濃度的大小產(chǎn)生相應的光學效應，從而由光纖探頭的反射光強度的大小測得待測物的濃度。根據(jù)分析目的不同化學傳感器可以是復雜多樣的也可以是簡單的，但它們的主要組成部分仍是光源、單色器、光纖管、光電倍增管及檢測數(shù)字顯示器或記錄儀熒光法是一種高靈敏度的分析方法，熒光與激發(fā)光可以通過波長加以區(qū)別，所以熒光信號特別適用于光纖化學傳感器的測定，值得提出的是光纖化學傳感器和普通熒光池不一樣，它可以在開放的透光場合下進行測定。文獻E15-1首先報道最簡單的熒光傳感器，是利用氰脲酰氯將熒光胺固定于分枝光纖的一端做成了pH為3.00～6.00范圍內單一波長處測熒光信號的pH熒光傳感器。隨后，人們研究雙波長測定用于熒光傳感器，從而提高測量數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性，基于此基礎已研制出對鎂(Ⅱ)、鋁(Ⅲ)、鋅(Ⅱ)、鎘(Ⅱ)、鈉(I)和鉀(I)離子響應的傳感器，類似這類報道的還有基于競爭結合測定葡萄糖濃度的熒光傳感器；以熒光猝滅為基礎的測氧、碘濃度的傳感器。熒光光纖傳感器具有連續(xù)監(jiān)測，遠距離遙測和抗干擾強，靈敏度高等優(yōu)點，已得到廣泛的研究和應用。
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