内容简介
化学传感器突破了人类化学感觉的局限，是我们探测化学信息的触角。它能将难于识别的化学量转变为易于量测的物理量，它能在第一时间提供分析对象的化学信息。本书从人的化学感觉谈起，把化学传感器比作人的化学感觉器官，深入浅出地介绍了基于光、电、热和质量的化学传感器信号转换的奥秘，描述了化学识别的原理与选择性传感技术，展示了化学传感技术未来研究与发展的方向。这是一本用通俗语言介绍化学传感器的科普著作。
1 化学感觉的延伸
进化赋予人类鼻子以嗅觉，使我们感受到空气的清新、玫瑰的芳香。进化也赋予人类舌头以味觉，使我们品尝到山泉的甘甜、佳肴的美味。事实上，从新生儿诞生起，他就能够根据特定的气味识别母亲，就依靠甘甜的乳汁成长发育。嗅觉器官和味觉器官从那一刻起就在把自然界的各种化学信息收集、捕捉并传递给大脑，进而以化学感觉的形式表达。如果把产生化学感觉的感官比做人体的化学传感器，那么即使以挑剔的眼光来审视它们，我们也要由衷地赞叹其构造的精美、功能的卓著。而种类繁多的化学传感器的出现，突破了人的感官的局限，使人类的化学感觉在广度上和深度上都得到了延伸。
1.1 人的嗅觉
人的鼻子里起嗅觉作用的组织是位于鼻腔顶部的嗅觉粘膜，那里密集着数量巨大的非常细小的嗅细胞。图1.1是人体嗅觉组织结构示意图。这个示意图较之实际的图像放大了许多。让我们列举几个数字来看看这种人体传感装置的精细程度：人体嗅粘膜只有5平方厘米大小，却含有大约500万个嗅细胞，嗅细胞是直径仅5微米左右的极小的细胞，而树突的直径只有1～2微米，嗅纤毛就更细小了，嗅纤毛的长度也只有2～3微米。这些细小的组织各司其责，集聚在一起完成识别气味的任务。当有气味的化学物质接触到嗅粘膜时，嗅细胞迅速产生电脉冲并传递到嗅神经，经过大脑处理而形成特定气味的感觉。在捕捉化学气味的过程中，即使是精细的嗅纤毛也发挥了重要的作用。例如，嗅纤毛在覆盖嗅粘膜的粘液中或垂直或斜向伸展，达到粘液的表面就弯曲，并沿表面伸展。从当今化学传感器的角度看，这种方式一方面为敏感元提供了极大的比表面积，从而极大地增加了感受气体分子的概率，提高了感受的灵敏度;另一方面嗅纤毛可以自发晃动，使粘膜表面移动或使已吸附的分子脱落，便于迅速接近分子或方便地感受新的气味分子，从而缩短感受时间。这种三维的立体精细结构，可以说为我们示范了气体传感器的理想模型。
科学家们发现，不同嗅细胞对不同气味分子的敏感程度不同。由于在嗅细胞上有接受气味分子的多种特征孔穴，故气味分子的大小和形状是很重要的因素，当其大小和形状正好对应特征孔穴时，嗅细胞就产生电脉冲。人们感受到某种气味时，并不一定是某种单一的气味分子起作用，多数情况下是一组气味分子的共同作用。例如，玫瑰花香可能刺激A、B或C嗅细胞，而茉莉花香则可能刺激B、C和F嗅细胞。在人所具有的几百万嗅细胞这个事实基础上，我们照理应能感受到一个天文数字那样庞大的气味种类来。然而，人的大脑不可能用如此大的空间去保留各种气味分子的可能组合导致的无意义的气味，所以仅仅记住了那些在现实生活中有特定意义的气味。一般来说，普通人稍加训练就能闻出近千种气味来。这种识别不同对象的能力在化学传感器中被表达为选择性(Selectivity)。因此，人体的嗅觉器官这个传感器的选择性是非常高的。
气味分子的大小和形状同样影响到人的嗅觉灵敏度。在生理上，嗅觉的灵敏度用阈值表示。阈值是能导致人有气味感觉的某种气味物质的最小量。在化学传感器领域，习惯上将阈值表示为最低检测限(LOD，Limit of Detection)。例如，人的嗅觉对苯酚的LOD是10-3毫克/升，即当1
吨水中含有1毫克苯酚时，人的鼻子就可以感觉到苯酚的气味。人的嗅觉对乙硫醇(腐败气味的代表性分子)的LOD更为强大，达到了4×10-9毫克/升，也就是说，在100万吨水中只要加入4毫克乙硫醇分子，人的鼻子就能感觉出来。由此可见，人的嗅觉器官这种传感器对一些特定分子的检测灵敏度是何等地惊人!
1.2 人的味觉
人的舌头上布满了许多称做味蕾的组织，它就是味觉的感受器。图1.2是味蕾的结构示意图。味蕾是像植物蓓蕾那样集结在一起的特殊细胞，其高度为60～80微米，直径不大于4微米。据统计，成人的味蕾总数约为9000个。每个味蕾都由几十个味细胞构成。各个味细胞又与味神经的末梢接触，多根味神经交叉成束，形成神经纤维，通过延髓、丘脑，达到大脑皮层的味中枢。在味细胞的尖端有称做微小棒的突出物。它可以与外部的有味物质接触，其作用有点类似嗅觉中的嗅纤毛。当人的舌头接触有味物质时，刺激就从味细胞传到味神经，味神经就产生脉冲放电。一个简单的电生理学实验就可以测出这样的脉冲信号。根据其大小还可以给出味神经对味分子刺激的响应量。图1.3是进行这种实验的装置图。用一支微小的电极触及味神经，另一支参考电极通过溶液与身体的其他部位相连并接地。这对电极通过前级放大器、积分器后与示波器相连。图1.4是该实验示波器给出的味电脉冲的积分曲线。结果表明，盐水浓度越高，电脉冲信号越强。可以看出味觉的灵敏度与嗅觉相去甚远。图中的第一个脉冲峰是人的舌头对食盐含量为0.005摩尔/升的盐水的响应。如果同样换算成毫克/升，这一浓度相当于292毫克/升，即在1吨水中加入29万毫克食盐时，舌头才能基本感觉到咸味。味觉的选择性也不如嗅觉。例如，一般人很难区分一些化学结构不同的甜味物质所能产生的甜味感觉。电生理实验发现，舌头感觉到糖精时，除了对蔗糖有响应的神经活动外，对食盐有响应的神经也有活动。而通常作为调味品使用的一些氨基酸盐，如谷氨酸钠、肌苷酸钠作用于舌头时，对蔗糖响应高的神经均表现出强的活动。这说明，许多菜系偏爱甜味是有生理依据的。在这一点上，蜜蜂的味觉似乎强过人类。蜜蜂脚尖上的毛孔相当于人的舌头，在不采蜜时，蜜蜂总是要吸养蜂人为其准备的糖水，绝对不会去吸糖精水，因为它喜欢能消化的糖，对不能消化的糖精的甜味毫
无反应。
味觉对人类具有十分重要的意义。例如，每个人对食物的品味都不尽相同，这虽然主要由遗传和习惯所决定，但它确实能影响人的胃口、体重和健康。不仅如此，在很早的时候，味觉就已经被利用来作为一些重要事情的判断依据。资料记载：18世纪的荷兰首都阿姆斯特丹作为一个港口城市，每天都要用马车运送许多淡水供市民饮用。为了保证饮水的质量，皇室特设一名饮水大臣，在马车进城前，由这位大臣用专门的瓢取水样品尝，通过他的味觉感受，判定这车水是否可以进城(图1.5)。在中国，味觉的利用就更早了。今天常见的代谢性疾病糖尿病，早在公元前2世纪《黄帝内经》中的《素问・灵枢》中就有记载：“渴而饮水多，小便数……甜者，皆是消渴也。”当时的医生发现了一种称为消渴症的疾病。患有此病的人，除了喝水多、小便多外，最显著的特征是病人的小便有甜味。当时的医生为了确诊病人是否患有消渴症，必须亲口尝病人的尿液，尿液甜则可确诊，从而好对症下药。
1.3 化学感觉的局限
人类非常相信自己的感觉。在人的感觉器官当中，最完善、最精巧的是眼睛，所以我们很讲究“眼见为实”。可我们的眼睛实际上只能看到现实的一部分。我们看不到引导蜜蜂采蜜的紫外线，我们也看不见指挥蟒蛇捕食的红外线……客观地说，人类所见、所闻、所嗅、所触和所尝到的并不是他周围真实的世界，而仅仅是这个世界的一个局部。人的嗅觉和味觉，即人的化学感觉，同样有种种局限。“人芝兰之室，久而不闻其香;入鲍鱼之肆，久而不闻其臭”。孟子在多少年以前就意识到嗅觉的疲劳现象了。人的化学感觉虽然对一些特定的化学物质非常敏感，但对许多有味物质的感觉还是比较迟钝的。在嗅觉上，狗对醋酸、硫酸这样的溶液能感受到普通人嗅觉1/107稀释液的气味;狗对盐酸、乳酸这样的溶液，能感受到普通人嗅觉1/106稀释液的气味。在味觉上，人的感觉就更为迟钝了。表1.1列举了水中常见的几种化合物能引起人类味觉感受的最低浓度(阈值)。人类能感觉的化学对象的种类亦有局限。一氧化碳是含碳物质不完全燃烧时的产物，它与血红蛋白的亲和力要比氧与血红蛋白的亲和力大300倍，过量吸入后因组织缺氧而引起中毒。遗憾的是人的嗅觉对其无能为力，因而人们常常在不知不觉中中毒。类似的例子并不少见。我们再以前面提及的饮用水的检测为例，按今天的标准饮用水的质量评价涉及到61项指标，其中诸如硬度、金属离子、溶解氧、耗氧量等超过90%的指标是人的感觉所不能表达的。恐怕荷兰饮水大臣的舌头功能再强，对此也要知难而退了。 表1.1 人对水中几种常见盐类的感觉阈值
盐
NaCl
CaSO4
MgCl2
MgSO4水味咸微甜微苦微苦阈值(毫克/升)
人们比较熟悉的是科技进步对人类物理感觉的延伸，如电视机、电话机使我们成了名符其实的千里眼、顺风耳。其实，科技进步对人类化学感觉的延伸也不逊色。例如，半导体气味传感器对人鼻嗅之无味的一氧化碳，其检测灵敏度可低至百万分之几，这一数值远低于空气中允许存在的一氧化碳浓度。安装这样的传感器可有效地防止一氧化碳中毒。又如市售家用血糖测定仪，其关键元件是电化学葡萄糖传感器。有了它，不仅中国古代医生尝尿确诊疾病成为笑谈，而且普通病人也能熟练掌握和操作该仪器，随时了解自己的血糖含量，适时且合理地补充胰岛素。简单而言，化学传感器是模仿人类化学感觉器官的人造仪器。例如，我们有能探测空气中有毒的爆炸性气体以及识别毒品气味的电子鼻(electronic nose);也有能对甜、酸、苦、辣、咸等五种滋味和酒的品味进行检测的味觉传感器(taste sensor);还有能对食品的新鲜程度进行表征的电子舌(electronic tongue)。从深层次看，这种模仿并不是简单的抄袭，而是在了解生物化学感官构造与感觉机理的基础上，
依据化学规律，模仿中有创造，模仿中有发展。因此，短短100年发展起来的化学传感器已经在许多方面不同程度地延伸了人类的化学感觉。表1.2将化学传感器与人类 表1.2 化学传感器与人类化学感觉器官的某些对比
化学传感器
可以测量各种各样的物质(包
觉灵敏。
24小时在线监测。
有嗅觉与味觉疲劳现象，不能连续不断地工作，需要适当休息。嗅觉与味觉的感受信号不能数字化，只人类化学感觉器官感觉的对象有限，只对一些特定对象有较高的灵敏度，且不能感受无嗅无味的物质。
有定性的强弱、浓淡之分，传递或转述化学
感受易出差错，不能对远距离样品在线检测。
因而可对远距离样品在线检测。
可比性。
作，受环境条件干扰小。
微区分析。只能在正常环境下工作，受环境条件影响大。人的感觉器官、形状大小是固定的，不人和人的感觉差异很大，可比性不强。能进入细小空间探测。
化学感觉器官的某些方面进行了对比。如同其他科学技术的发展一样，化学传感器延伸化学感觉的能力扩大了化学传感技术的应用，而应用的扩大反过来又促进了化学传感技术的进一步发展。
1.4 各显神通的化学传感器
让我们设想一下大医院里可能经常发生的这种情况：一位危重病人在接受紧急护理，他带着呼吸机，正接受静脉输液。突然病人失去知觉，医生在根据自己的经验采取应急措施的同时，他急需知道病人的血液pH及血气分析结果，这些结果包括
下列参数：pH值、二氧化碳分压(PCO2)、二氧化碳总量(T-CO2)、二 二氧化碳结合力(CO2CP)、标准重碳酸盐(SB)、实际重碳酸盐(AB)、缓冲碱(BB)、剩余碱(BE)、氧分压(PO2)和血氧饱和度(SaO2)。这些参数对于医生深入了解病情，从而采用合理治疗措施将提供重要的客观指标。因此医生立即叫来护士采血样，并急忙送至医院中心化验室将血样交化验师处理。一段时间后，获得血液化验结果，再通知医生，主治医生根据这些结果决定采取各种相应的临床抢救措施。
让我们再想一下在工业生产中常常遇到的涉及过程控制的情形：一家生化产品公司的第一次大规模药物生产正处于中间生产阶段。公司对特定发酵反应的培养基有大量的投资。由于扩大生产的原因，产品的生成速度与小规模实验的情形有些不同。为了在保证产品质量的前提下，有足够的收率，生产技术人员在维持无菌条件下，必须经常取样，交公司的分析中心，一段时间后，获取样品的生化指标，例如生物耗氧量(BOD)等，从而控制发酵生产的条件。
在上面这两个例子中，我们都看到在取样和获得结果之间必然存在一个延迟。这一延迟迫使决策者推迟作出决策，或者在没有体系完整信息的情况下作出可能错误的决策。如果涉及危重病人的抢救，这种延迟可能导致生与死的差别;如果涉及工业化生产，这种延迟可能导致产品全部报废的危险。另一方面，采样过程还可能干扰样品的性质，也可能污染整个体系。而巨样品转移过程可能会导致组分的挥发损失，也可能会破坏正在进行的化学反应或生物代谢的连续性，从而可能改变样品的浓度……所有这些都可能导致错误的分析结果，给决策者以误导。
令人高兴的是，日益发展的化学传感技术正在改变这种情形。今天的化学传感器，已经能够连续监测危重病人;能够在线监控工业过程;能够对可能的环境危害随时提出预警。这种传感技术的一个突出代表，是美国加州一家名叫CDI的仪器公司生产的CDI-3M血气分析仪(图1.6)。该仪器的关键部件是带流通池的光化学传感探头，即通常所说的光极(图1.7)。该流通池通过一渗透膜与病人体外血液循环系统相连，光纤将蓝色的激光光源引至光极探头的红色化学敏感材料后产生不同强度的绿色荧光，这一信号能及时反映病人的血气参数的变化。这样的仪器能自动连续地显示9个血气参数，在心肺外科手术监护中发挥了强大的作用。这种仪器是继1984年第一台产品问世后的第四代更新产品，目前的产量已超出每月13000多台。最近该公司又有更新的产品问世，其中最先进的技术是在一束总直径为1毫米的光导纤维束中，装有能对pH、pCO2和pO2进行监测的3个传感器。该复合光极探头不需要与体外血液循环相连，可随20号标准医用导管一起插入病人血管，直接进行体内血液分析(图1.8)。这是非常有意义的改进。因为一半以上的危重病人往往都要连续数天在桡动脉内插入动脉导管，导管内装有的压力传感器可连续测定血压。这种化学传感器的出现，使真正“可植人”的血气与电解质传感器成为可能，给医生及时提供了真实的信息，从而可迅速地进行正确的治疗，拯救生命。类似这样的化学传感技术给人们带来的好处是不言而喻的。可以这样说，化学传感技术最理想的情形，是能够为决策者所需要的重要参数进行实时的测量。这里的实时就是指事情发生的实际时间，或者说第一时间。
让我们再看一个典型例子。用葡萄糖传感器测定人体血糖，无疑是化学传感器在医学领域中最重要的应用之一。对葡萄糖传感器的迫切需求，主要来源于糖尿病的诊断与治疗。糖尿病是一种常见的有遗传倾向的内分泌疾病。它是一种以血糖增高为特征的慢性病，其发病率为7%～10%，全球约有数亿人患此疾病。有些糖尿病病人只出现血糖增高，而不出现明显尿糖。了解血糖含量的高低是诊断、医治糖尿病的先决条件。目前糖尿病的治疗主要依靠注射胰岛素，通常每日注射1～2次。这种治疗方法副作用很大，刚注射完毕的一段时间内，由于体内胰岛素浓度很高，易导致低血糖;在临床第二次注射时，由于体内胰岛素不足，又易导致高血糖。在葡萄糖传感器问世之前，患者需采用所谓“班氏试验尿糖估计法”来指导胰岛素注射量。这一方法相当烦琐，需备酒精灯一个、试管一支、吸管一支、班氏剂一瓶。每次注射胰岛素前，取班氏试剂2毫升放入试管中，置酒精灯上烧开，开后试剂保持蓝色不变，说明试剂有效，加入病人尿液3滴，再置酒精灯上烧开，根据试剂的变色情况决定胰岛素用量的增减(表1.3)。例如，加尿后烧开显橘红色，就应在上次用量的基础上加12单位的胰岛素。这种办法很麻烦，而且是半定量的。
葡萄糖传感器的出现从根本上改变了这种情形。葡萄糖传感器的历史可以追朔到1962年克拉克(L.C.Clark)发明的加入葡萄糖氧化酶的传感器，这也是历史上第一支生物化学传感器。从那时起到现在已 表1.3 班氏尿糖估计法确定胰岛素用量
班氏试剂颜色
胰岛素增减量(单位)砖红>+16橘红+12黄+8绿+4蓝0或-4
经过去30多年了，此后发表的文献中有400多篇是有关研制葡萄糖传感器的文章。其中大部分传感器的响应原理仍然是葡萄糖氧化酶(GOD)参与的酶促反应：
GOD葡萄糖+O2→葡萄糖酸+H2O2
这种传感器的结构如图1.9所示，作为基础传感器的氧传感器与固
定化葡萄糖氧化酶结合在一起。在氧存在下，当样品中的葡萄糖遇到传感器敏感层的葡萄糖氧化酶时，葡萄糖被氧化为葡萄糖酸，并释放出过氧化氢作为副产物。样品中葡萄糖浓度越高，氧的消耗越多。因此，氧传感器提供的氧消耗信号直接反映了样品中葡萄糖浓度的高低。在这一酶促反应中，亦可采用另外的基础传感器。如用pH传感器检测生成的葡萄糖酸，用过氧化氢传感器检测生成的过氧化氢，这两种方法均能构成葡萄糖传感器。
在各种各样的葡萄糖传感器中，最具有发展前途的是伴随微电子技术和精密机械加工技术发展起来的、可植入皮下进行体内监测血糖含量的微型传感器。在此基础上人工胰腺得以产生，并已作为商品出售。这种装置可连续监测血糖含量，按需适时补充胰岛素。根据病人需要，微型传感器可埋在体内数个月或数年。这种装置由三部分组成：血糖传感器、供药泵、胰岛素药源。传感器、泵与病人的血液三者构成一个闭环控制系统(图1.10)。传感器将测定的信号变为对供药泵开启与关闭的指令，使糖尿病病人能像正常人一样保持最恰当的血糖含量。毋庸置疑，这样的产品已经使化学传感器进入了智能化的境界。
让我们再看一个用pH传感器进行工业生产过程控制的例子。工业过程的pH控制比其他工业参数(如压力、流量、温度及液位等)的控制要困难得多。原因是在pH控制中存在两个非线性的因素。一个是pH被定义为氢离子活度的负对数，即pH值与溶液中的氢离子含量(活度)为对数关系。另一个因素是许多溶液具有缓冲性质，未离解的或未溶解的物质抵制加入酸、碱后所引起的pH变化，从而造成加入酸或碱的量与pH值的变化关系为非线性关系。图1.11是工业生产中一种有代表性的体系的酸度特性曲线。图中纵坐标为体系的pH值，横坐标为调节pH值的酸碱试剂的量。从该图中可以看到，pH值小于3时，为了改变溶液的pH值，需要加入较大量的试剂;而pH值在3～6之间时，只要加入少量试剂;pH值在6～9之间时，只能加入极小量的试剂;当pH值大于9时，又可加入较大量的试剂。由于各段的斜率不同，形成了这种非线性的特性曲线。显然，要控制体系的pH值为2是比较容易的，因为可加入较大量的试剂，阀门也可开得较大，即使试剂加入量有点不足或有点过量，体系的pH值也不会明显偏离控制点。而要控制体系的pH值为7就困难得多，此时只能使用较小的阀门开度。在加入试剂量过量且加入试剂量波动增加1个单位时，体系的pH值会偏离控制点0.5个单位。在加入试剂量不足时，同样的情形会引起2个单位的pH偏差。这种非线性控制体系是难以依赖人工来进行调节的。以pH传感器为关键部件的工业过程pH控制系统则可在线监控体系的pH参数，并自动调节体系的pH维持在生产所需的控制点。图1.12是这一控制系统的结构示意图。在该系统中采用了两组pH传感器，一组给前馈控制器提供反应物的pH信号，以便控制反应物的加入流量;另一组给适应性控制器提供反应釜内的pH信号，从而控制酸碱的加入量，调节体系的pH值维持在控制点。
化学传感器不仅在临床医学，而且在环境保护、食品科学、生命科学、工农业生产以及我们的日常生活等各个方面发挥着越来越重要的作用。我们延伸的化学感觉已经成为人类探测化学信息的触角，在帮助我们理解诸如温室效应、环境污染、疾病流行、细胞演变、表面现象等重要的科学问题方面功勋卓著。
具体而言，在医学上，化学传感器能帮助我们进行临床、离体或在体检测体液中的气体、电解质、葡萄糖、蛋白质、乳酸、脂质、胆固醇、尿酸、酶等;还能帮助我们进行基因分析、药物代谢机理研究、胚胎活体分析等。它改变着临床分析的传统概念，促使检验手段逐步走出医院实验室，步入家庭，走近病人。
在食品科学方面，化学传感器帮助我们进行食品贮存期预测，食品新鲜度表征，食品中各种添加剂、有效成分的快速分析，蔬菜有机磷农药残留量的快速检测，真假食品的现场鉴别等。
在环境科学方面，化学传感器帮助我们进行水体中农药、除草剂、重金属、有机胺、卤代溶剂、氨、亚硝酸盐等环境污染物的在线监测与预报;帮助我们对空气中有毒气体或可爆炸气体进行自动报警。它可以在有危险和人类难以接近的环境中进行检测，如放射性很强的核燃料，核废物处理场所，核反应堆内部，很冷或很热的地方，具有爆炸危险的场所，深海或地下水样品的检测等。它在对人类生活环境的舒适与安全保障以及对重大灾害的预报等方面，都在发挥积极的作用。
在工业与农业方面，化学传感器帮助我们对化学与生物工业生产过程中的反应物、反应产物和反应中加入物浓度进行实时监测与信号反馈。它使便携式工业与原材料分析传感装置更加精巧。它也使水产养殖业中鱼类生长发育条件监控、田间地头土壤参数的快速测定等变得容易。
在航天与军事方面，化学传感器帮助我们解决了生命支持系统或飞行中空气痕量污染物和营养液参数的在线、现场监测问题，使便携式、超灵敏神经毒气传感装置得以问世，也使远距离遥控神经毒气预警成为可能。它还解决了野外与行军途中水质快速分析、炸药含水量无损探测等问题。
表1.4选择了部分科技文献中报道的化学传感器对一些重要样品的分析应用情况。尽管表达化学传感器的应用全貌不是这本小册子力所能及的，但是通过表1.4的一些例子，我们还是可以感受到化学传感器应用的丰富多彩。
表1.4化学传感器应用举例
应用对象测定成分
氟、氯、硫、氰、硼、硫酸盐、硝酸盐、氰酸盐、
工业废水丁基磺原酸盐、表面活性剂、钠、铯、钡、铅、镉、汞、银、铬、pH值、生物耗氧量(BOD)、化学耗氧量
(COD)、硬度、有机磷
工业废气氟、氨、二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、
硫化氢、氟化氢
pH值、钾、钙、氯、氨、脲酸、葡萄糖、胆固醇、
尿素、乳酸、丙酮酸、谷丙转氨酶活性、乳酸脱氢酶活
血液性、甲胎蛋白抗原、免疫球蛋白G、乙肝表面抗原、梅
毒抗体、血清蛋白结合碘
续表1
应用对象
尿液测定成分钾、钠、氟、碘、尿酸、尿素、葡萄糖、人绒毛促
性腺激素(HCG)
细胞内
脑脊液
组织pH值、钾、钠、氯氯、钙、谷酰胺、多巴胺、单磷酸腺苷肾脏pH，肾小管钾，心、肝、脑、肺、头发中氟(法
医学上测定氟乙酰胺中毒)，骨钙，肌肉钾、钙，
肝脏眠而通，脾脏腺苷脱氢酶活性
麻醉药及麻
醉辅助药
催眠药与镇静药
抗癫痫药
精神病用药
镇痛药
解热镇痛药
抗心律失
常药
平喘药
用于休克的
血管活性药盐酸氯胺胴、盐酸普鲁卡因、盐酸丁卡因、氯化琥珀胆碱苯巴比妥、异戊巴比妥、硫喷妥苯妥因钠盐酸氯丙嗪盐酸吗啡乙酰水杨酸苯妥因钠、盐酸心得安、乙胺碘呋酮盐酸麻黄碱盐酸肾上腺素、氢溴酸东莨菪碱、氢溴酸山莨菪碱
续表2
应用对象
止咳药和祛痰药
解痉药
止泻药测定成分磷酸可卡因、氯呱啶(咳平)硫酸阿托品、溴丙胺太林(普鲁本辛)次碳酸铋
抗贫血药及促进白细胞增生药硫酸低铁、富血铁、维生素B12
抗组胺药
肾上腺皮质激素
降血糖药盐酸苯海拉明、扑尔敏、盐酸异丙嗪、西咪替丁地塞米松醋酸酯胰岛素
V、VB1调解水、电解质和酸碱平衡药氯化钠维生素类
甲状腺素
抗生素B6、烟酰胺、VC碘甲腺氨酸钠青霉素、噻孢菌素钠(头孢菌素Ⅰ)、氯
霉素、盐酸脱氢土霉素
磺胺甲基异恶唑(新诺明)、磺胺异恶唑、
甲氧苄氨嘧啶、盐酸黄连素磺胺药及其他抗菌药
续表3
应用对象
抗结核药
抗肠虫药
抗吸虫药
抗疟药
抗肿瘤药
一般消毒药
皮肤科外用药
眼科用药吡嗪酰胺盐酸左旋咪唑酒石酸锑钾(吐酒石)磷酸氯喹氟脲嘧啶氯胺T、新洁而灭制霉菌素、十一烯酸硝酸毛果芸香碱测定成分
放射造影剂及诊断用药泛影葡钠、泛影钠、碘番酸
解毒药碘解磷定
钾、钠、钙、锰、铅、镉、汞、碘化物、溴化
农作物物、氯化物、硼酸盐、氟化物、硝酸盐、总氮、
氰化物
饲料
糖类
果汁酒
食盐钾、碘化物、硫酸盐、亚硝酸盐、氟化物钾、钙、氟化物、硝酸盐、二氧化硫钾、钙、铜、氨、二氧化硫、溴化物钾、钠、碘化物、硫酸盐
续表4
应用对象
奶粉
肉
鱼
生果实
饮料
雪茄
香肠肉制品
啤酒测定成分钾、钙、碘化物、氯化物、氟化物钠、钙、氟化物钠、氯化物、氟化物、亚硝酸盐、鲜度镁、钙、溴化物、硫酸盐钠、钙、二氧化碳、氟化物、硫酸盐、甜蜜素硫化氢、氰化物硝酸盐、亚硝酸盐氨、钙、二氧化碳
2 巧妙的信号转换
信号转换对我们而言并不是一个陌生的名称。提起它，我们很容易联想到电视台的手语播音员将新闻语言信息转换成手势信号，使聋哑人也知天下事。信号转换的一个著名例子是：标准莫尔斯电报码的风靡一时。人们通过长短脉冲电信号的组合，将复杂的信息传递到千里之外。我们也清楚水银温度计把环境的温度信息转换为水银体积的膨胀与缩小，弹簧秤则把物体的质量信息转换成弹簧长度的伸缩。在医学上为了获知血清样品中的钙离子活度信息，曾经通过记录浸于样品中的刚切下的青蛙心脏的跳动速率来进行信号转换。那么，化学传感器是如何进行信号转换的呢?前面已经谈到人通过嗅细胞和味蕾可将有味物质的化学信息转变成电信号，并通过神经传递给大脑。化学传感中的一个庞大分支，电化学传感器就是将分析对象的化学信息转换成电信号的传感装置。从本世纪初(1906年)第一支化学传感器的缔造者、生理学家格雷姆(M.Gremer)发现氢离子浓度与玻璃膜的电位之间的定量关系以来，大半个世纪中化学传感器的信号转换均集中在将化学信息直接以电信号(如电流、电位、电阻等)表达的方式上。直到最近20多年，随着光纤通信技术和物理传感器(如石英晶体微天平、压电表面声波器件等)的发展，化学家们才将化学传感器的信号转换由单纯的电信号拓展到光信号、热信号、质量信号等多个领域。正是这些巧妙的、多姿多色的信号转换技术，构成了今天包括电化学传感器、光化学传感器、质量化学传感器和热化学传感器在内的化学传感器大家族。下面我们将对化学传感器中的四种主要信号转换技术逐一进行介绍。
2.1 电化学传感器
根据转换的电信号种类不同，可将电化学传感器分为电流型化学传感器、电位型化学传感器和电阻型化学传感器三类。
电流型化学传感器
把化学信息与电流信号联系起来的工作可以上溯到1786年，生理学家伽伐尼(L.Gaivani)进行的著名的青蛙动物实验。当时，著名的物理学家伙打(A.Voita)不同意伽伐尼关于生物电流引起蛙腿肌肉收缩的解释。他认为，实验中采用的两种不同金属带有不同的电荷，因而它们之间存在电位差，如果有导体在它们中间联结起来，就会有电流发生。伽伐尼实验中的蛙腿肌肉收缩，正是由于受到上述原因造成的电流刺激的结果。伏打在反复实验中发明了人类第一个人造电源——伏打电池。图2.1是19世纪初的一幅名家版画，画中所描绘的就是英国皇家科学院地窖里放置的当时世界上最大的伏打电池堆。伏打电池实际上与我们今天中学化学实验中的铜锌原电池差不多，如图2.2所示，在盛有硫酸锌溶液的甲烧杯中放入锌片，在盛有硫酸铜溶液的乙烧杯中放入铜片，把两个烧杯中的溶液用一个倒置的U形管连接起来，管中装满用饱和氯化钾溶液和琼脂做成的凝胶。装满凝胶的U形管叫做盐桥。这时如果用一个灵敏电流计A将两片金属串联起来，那么电流计的指针立即偏转，说明导线中有电流通过。同时眼睛可观察到锌片开始溶解，而铜片上则有铜沉积上去。上述实验现象产生的原因是因为锌比铜活泼，锌失掉两个电子而变成锌离子并进入了溶液：
Zn→Zn2++2e
锌片上由于有过多的电子而成为原电池的负极，当导线与铜片接通时，电子从负极经导线流向作为正极的铜片，在铜片附近溶液中的铜离子获得两个电子后变成金属铜而沉积到铜片上：
Cu2++2e→Cu
如果知道烧杯中铜离子和锌离子的浓度，就能容易地计算出该原电池的电动势。
现在让我们设想一下，如果图2.2中的检流计接上一个直流电源，而且该外电源的电动势大于该电池的电动势，电池的正负性也不改变，这时会有什么现象发生呢?此时我们会看到与原来的现象相反的情况，即铜片发生溶解，锌离子在锌片上沉积。在锌片和铜片上发生的电极反应为：
阴极(锌片)Zn2++2e→Zn
阳极(铜片)Cu→Cu2++2e
在这个实验中，原电池已转变为电解电池。在一定的条件下，电解电池的电解电流的大小与池中氧化还原物质的浓度有线性相关关系。这种关系奠定了将化学浓度信息转换为电解电流信号的基础，导致了一系列电流型化学传感器的出现。其中最具影响力的是克拉克(L.C.Clark)型氧电极。它的影响不仅来源于成功地测定人体组织与血样中氧的含量，而且也归功于它在作为基础传感器发展生物传感器方面的重要贡献。克拉克的设计是将铂阴极、银阳极组装在内电解质溶液中，通过透氧膜将被测介质分开。这一重要特点使其能在非导电介质内测量氧分压。图2.3是这种传感器的结构简图。氧气通过透氧膜传输到铂阴极上，发生下述获得四个电子的两步阴极反应：
O2+2H2O+2e→H2O2+2OH-
H2O2+2e→2OH-
图2.4所示是该电极对不同浓度氧溶液的响应电流与所施加外部电压的关系，以及响应电流与样品浓度的线性关系。当外加电压较小时，阴极响应电流主要决定于电极的面积，随电压增加，铂阴极表面的氧浓度降低，而引起电流增加。当外加电压足以使表面氧浓度减小到接近于零时，电流达到饱和，完全受氧分子扩散到电极表面的速率控制。我们看到图2.4(a)中的一段响应平台，即电流与施加电压无关而只与样品中的氧浓度相关。我们称这一电流为极限扩散电流If，它与样品中的氧分压PO2成正比：
If=KPO2
这里，K是与电极面积、氧气在溶液中的扩散系数以及法拉第(Faraday)常数有关的一个定量。因此根据上式，我们就可由氧电极的电流输出信号，直接获得未知样品的氧浓度。图2.5所示是用于活体内动脉含氧量测定的克拉克型商品氧电极的剖面图。它在聚氯乙烯圆筒上包上一层3微米厚的铂箔环形阴极，6微米厚的聚四氟乙烯膜为透氧膜，整个电极的外径只有1.2毫米，这样的传感器已在临床医学中得到广泛应用。一般来说，具有氧化还原性质的离子、分子都能用电流型传感器对其浓度信息进行信号转换。这种方法的选择性主要取决于测定对象的氧化还原的活泼性，因而可通过调节外加电压进行控制。为了额外的选择性，可以通过对电极进行化学修饰的方法获得。这方面的研究已发展为电流型传感器中一个活跃的领域，那就是化学修饰电极。
电位型化学传感器
将化学信息转换成电位信号的传感器是电化学传感器中品种较多的一类。它们又常被称为离子选择性电极。图2.6是采用离子选择性电极进行测量的仪器示意图。电位型传感器与电流型传感器的主要区别是：后者研究在有电流通过时电流与化学浓度的关系，而前者则研究在零电流的条件下膜电位与物质浓度的关系。离子选择性电极膜电位产生的原因主要是由于电极的敏感膜能选择性传输待测离子。当敏感膜与样品溶液接触时，有一个瞬时离子流穿过薄膜，流向含有较低活度的可传输离子的溶液。由于离子带有电荷，于是产生一个阻止离子进一步传输的电位，最后将建立起动态平衡，即这时穿过膜的电位恰恰能防止离子进一步的净移动。显然，这种平衡电位与膜内外的离子浓度相关。如图2.6所示，当将离子选择性电极的内溶液与适当的内参比电极连接时，即可与外参比电极(这里是甘汞电极)配对来测量膜电位的变化。这时，与两个参比电极的导线接通的高输入阻抗伏特计指示的电位值，由能斯特(Nernst)方程式确定：
2.3RTE=常数+logA zF
这里，E为该量测体系产生的电位(以毫伏为单位)，因为内参比电极和外参比电极产生的电极电位为标准值，它不随样品溶液变化而变化(参比电极的电位好比我们量测高程时的参照物，如海拔高度是以海平面的高程为基准的)，因此E的变化实际上代表了离子选择性电极敏感膜的膜电位变化。式中常数项只与参比电极的电位以及微小的液一液接界电位有关。RT/F为能斯特因子，它取决于温度，例如在25℃时其值为59.16毫伏。A为能被膜传输的离子在样品溶液中的浓度。z为离子电荷(包括符号)。在这里，膜电位信号与待测离子的浓度信息的对数呈线性关系，这一点与电流型传感器相比是不同的。电位型传感器的一个显著特点为测量对样品是非破坏性的。为了建立平衡电位而穿过膜的离子数与存在于即使是最稀的样品中的离子数相比较，也是微不足道的。
电位型传感器进行信号转换的关键，在于敏感膜能对待测离子进行选择性传输。实现这种选择性传输的敏感膜，可以分为晶体膜、离子交换膜和中性载体膜三类。
晶体膜的离子传输是依靠晶格点阵缺陷空位的移动来完成的。晶体膜电极的突出代表是基于氟化镧(LaF3)单晶薄膜的氟离子(F-)选择性电极。氟化镧单晶的晶格是六方晶系结构，由于内部结构不均匀，晶格中含有较多的随机分布的阴离子空位，氟离子在晶格中通过填补空位来移动，除了离子电荷和半径与氟离子相同的离子以外，氟化镧单晶膜阻
止所有其他离子通过。氟离子的传输可用下式表示：
LaF3+分子空位→LaF2++F-
氟离子电极的出现解决了分析化学界长期存在的氟含量分析的难题，极大地推动了化学传感器的发展。类似的原理很快被用于构造氯化银晶体膜氯离子选择性电极、溴化银晶体膜溴离子选择性电极、碘化银晶体膜碘离子选择性电极和硫化银晶体膜疏离子选择性电极等。
离子交换膜的离子传输，主要依靠膜中离子交换剂与样品溶液中的离子进行离子交换来完成。这种离子交换剂可分为阴离子交换剂和阳离子交换剂。阴离子交换剂又称为荷正电定域体，因为荷正电部分不能离开膜相，荷负电部分可与样品溶液中的阴离子交换。如用于构造高氯酸根(ClO4-)离子选择性电极的季铵盐离子交换剂四辛基硝酸铵(图2.7)，其离子交换反应可表述为：
R4N+・NO3-(膜相)+ClO4-(样品相)
中性载体膜的传输机理主要是由于膜中的大有机分子能与样品溶液中的待测离子形成结合力很强的配合物。这些大有机分子可以是环多肽、巨环内脂类放线菌素、环聚醚、开链酰胺和杯芳烃等。它们的分子结构使其能环绕具有适当电荷和原子半径的阳离子形成一个溶剂化外壳，有效地代替了离子在溶液中的水合层。例如，一种大环抗生素缬氨霉素就
是一个很好的钾离子中性载体。解释中性载体膜传输阳离子的一个比较流行的模型是“渡船接力”模型。即中性载体好像一条渡船将阳离子载运到某一位置后，再由另一条渡船(载体)接力运送过去。中性载体膜电极的发明是离子选择性电极发展的一个重要标志，它把离子选择性电极的响应性能(特别是选择性)提高到了一个新的水平，我们在讨论选择性时将要重点予以介绍。
由上面的叙述，似乎电位型化学传感器只能响应荷电的离子物质。那么对许多中性气体分子非常灵敏的电位型传感器又是如何完成信号转换的呢?让我们以氨气敏电极为例来看看信号转换的技巧。图2.9是商品氨气敏电极的结构示意图。图中透气膜为增水性微孔膜，它允许氨气能很好地穿透。内充液为浓度较高的氯化铵溶液。敏感电极为pH玻璃电
极。当氨气通过透气膜溶于内充液时，发生下述化学平衡反应：
电阻型化学传感器
半导体气体传感器是电阻型化学传感器中的杰出代表。这种传感器的结构非常简单(图2.10)。不论是烧结型还是薄膜型，都含有两对电极。其中一对电极用于量测半导体的电阻变化;另一对电极用于加热半导体，以便使吸附气体分子尽快从表面逸出，从而开始新的样品量测。吸咐气体分子的浓度变化为什么可转换为半导体电阻的信号变化呢?说法很多。一种解释是所谓的接触晶粒之间的势垒原因。半导体二氧化锡(SnO2)等烧结物是尺寸为0.1～10微米左右的微结晶块的集合，电子在半导体中传导时，必须通过微结晶块间的界面。未吸附气体分子时，在界面上有一座阻碍电子活动的“大山”，电子要费很大的气力，才能爬得过去。而气体分子一旦吸咐于“山”的周围，就和电子发生交换，或者使“山”变得越来越高，或者使山变得越来越低，也就是说半导体的电阻发生了变化(图2.11)。
为了使传感器对响应的气体有些选择性，要在半导体中添加一点“鼻药”。例如为了检出酒精系列的可燃性气体，就要在二氧化锡(SnO2)中添加一些稀土元素;对城市用煤气则要添加少量的三氧化二锑(Sb2O3)和二氧化钛(TiO2)。
2.2 光化学传感器
20世纪70年代以来，伴随光纤通信技术的进步，光化学传感器获得了迅速的发展。然而，历史上利用光学信号传递信息却要比这早得多。例如，通过狼烟传递战争的信息，可追溯到古时的烽火台。用颜色信号来传递化学信息也有300多年的历史了。有近代化学之父称号的科学家波义耳(R.Boyle)在17世纪中期曾放弃伦敦的舒适生活，回到阔别多年的乡村，隐居起来进行科学研究工作。他看到那里的农民常常把泥土放进嘴里。原来土壤的酸碱性与农作物的生长关系密切，农民们在当时只能通过自己的舌头来辨别土壤的酸碱性，有许多人因此而生病，甚至死亡。为了解决这个问题，波义耳进行了大量的试验。他从紫罗兰花瓣遇到氯化氢气体变红的偶然现象入手，发现了一批动植物制液能对酸碱溶液显出不同颜色。他从中选择了一种叫石蕊的苔藓植物。把纸放在石蕊的浸出液中，烘干后就成了石蕊试纸，它遇酸性溶液显红色，遇碱性溶液显蓝色。直到今天，仍在最普通的化学实验室里可以看到这种重要的指示剂试纸。这个故事是人类早期把肉眼观察不到的信息转换为可以用肉眼观察到的信息的一个具有重要意义的尝试。广义而言，石蕊试纸可看做是现代光化学传感器的雏形。因为它已将具有化学识别功能的酸碱指示剂(这里是石蕊溶液)固定于纤维素上(这里是白纸)，它可以将溶液中氢离子浓度的变化表现为光吸收性质(这里是试纸的颜色)的变化，惟一的差别是这一光学信号的检测不是通过电子仪器来完成，而是依赖人的眼睛去识别的。
今天的光化学传感器的主要部件包括光源、检测器、光学波导(如光导纤维)和敏感探头。图2.12是基于双臂光导纤维的光化学传感器结构示意图。在这个装置中，光源将探测光通过探测光纤作用于敏感膜，敏感膜把样品的化学信息转换为光学信号，信号光纤再把它送到检测器。依据敏感膜转换的光学信号不同，光化学传感器又可分为吸收型传感器，荧光型传感器，折射、反射型传感器等。
吸收型传感器
我们喜爱观赏雨后的斜阳，因为白色的日光经雨后天空的反射常常显出七色的彩虹，由此我们知道白色的光是由各种颜色的光组成的。我们也喜欢用五光十色、五彩缤纷、万紫千红等词汇来赞美自然界。但是你是否知道，物体具有某种颜色是由于它吸收了另外一些颜色的光呢?事实就是这样，如紫罗蓝美丽的蓝色就是因为花中的花青素吸收了黄色光。酸碱指示剂能通过改变颜色指示溶液酸碱度的变化，是由于氢离子能影响指示剂的化学结构，从而改变它吸收光的颜色。图2.13是一种典型的酸碱指示剂耐尔蓝在pH值变化的溶液中的吸收光谱。图中横坐标是光波长，波长由400纳米到800纳米，光的颜色则由紫到红，在这两个数值以外就是紫外光和红外光了。图中纵坐标是吸光度，它表示对某种波长的光吸收程度的强弱，数值越大，吸收越强。由这个光谱图我们可以知道，在酸性溶液中耐尔蓝显蓝色，因为吸收光谱表示它吸收了红色(650 um)的光;在碱性溶液中耐尔蓝显紫红色，因为它吸收了绿色(514 um)的光。显然，在650 um处吸光度的大小可作为表达溶液酸碱强弱的一个定量信号。许多酸碱指示剂(如酚红、溴百里酚蓝和茜素等)最早用于构造吸收型传感器，就是因为这种信号的转换是非常容易的。
下面介绍一个需要脑筋稍稍转转弯的信号转换技术。在电化学传感器中已经谈到缬氨霉素是一个很好的钾离子中性载体。可惜的是缬氨霉素与钾离子的结合没有颜色变化伴随。一种离子交换竞争的信号转换技术弥补了这种遗憾(图2.14)。在这种技术中，敏感膜内同时含有缬氨霉素(图中表示为S)和结合了质子的耐尔蓝指示剂(图中表示为HR)。当样品溶液中不含钾离子时，耐尔蓝指示剂由于结合了质子而显蓝色。而当样品溶液中含有钾离子时，缬氨霉素则以很强的亲和力将钾离子拉入敏感膜相，这时为了维持膜的电中性，耐尔蓝指示剂不得不将同样量的氢离子释放到样品溶液中，从而使敏感膜往紫红色的方向变化。钾离
子浓度越高，这种变化越明显。应该指出在构造吸收型传感器时，还应在图2.12的探头下面安装一个反射镜，以便将探测光反射到信号光纤。
荧光型传感器
当人的肉眼看不见的紫外光照射某些物质时，这些物质会发出不同颜色和强度的可见光。这种可见光就是荧光，它是这些物质吸收紫外光能后重新发射的波长稍长的光。这种光绝对不是紫外光的漫射，因为漫射光不改变波长，人的肉眼还是不能看见的。我们所熟悉的在植物的光合作用中起重要作用的叶绿素就具有强烈的红色荧光。有趣的是，越是高等植物的叶片，越往红色荧光方向移动。保证人体生长发育所必需的各种维生素也具有特征荧光，如维生素A有绿色荧光(150 um)，维生素B1有蓝色荧光(444um)，维生素C有绿色荧光(530um)，维生素D有蓝色荧光(480um)等。最早发现荧光现象的是西班牙植物学家莫拉德(N.Monardes)，他在1575年观察到一种木头切片的水溶液表现出可爱的蓝色荧光。而采用荧光作为分析手段则是斯托克斯(F.Stokes)在1864年提出来的。今天，荧光分析法已经发展成为了一种非常重要的光谱分析手段。在光化学传感器中，荧光型传感器也占绝大多数。这不仅是由于荧光方法固有的灵敏度与选择性，而且还由于荧光信号的丰富以及传感探头设计上的简便。由于荧光发射是向各个方向发出的，原则上可在任何角度进行观测，故在探头设计时可免去反射镜装置。
有各种各样的将化学信息转换为荧光信号的方法。限于篇幅，这里只介绍几种较为典型的技术。我们先谈谈荧光二聚体技术。一些有强烈荧光的多环芳烃，如蒽、芘等，能形成二聚体。这种二聚体可能不发荧光，或者发出与原来单体的荧光不同波长的光。因此在形成二聚体前后，我们可以观察到荧光信号的变化。例如，蒽在形成二聚体后，原来的荧光熄灭了，而且也不产生新的荧光;芘在形成二聚体后，原来的荧光熄灭且在长波方向产生新的荧光峰。根据这一性质，化学家们构造了一个带有两分子蒽的王冠醚化合物。王冠醚与缬氨霉素类似，都是含氧的大环化合物，因此具有结合金属离子的能力。图2.15所示是这种化合物在结合金属离子前后分子构型的变化。可以看出，结合金属离子前，整个分子的柔性较大，两个蒽分子相隔较远，不易形成二聚体;结合金属离子以后，分子空间构型发生了较大的变化，迫使蒽分子彼此靠近而形成分子内二聚体。这样，当样品中金属离子的浓度发生变化时，会引起二聚体在敏感膜内相对单体的浓度比例变化，从而以荧光强度改变的信号表现出来。图2.16所示是化学家构造的一种与荧光芘分子相连的环
糊精化合物。图中所示的环糊精是由8个葡萄糖单体连接而成的多糖，具有内部疏水、外部亲水的锥筒形空腔结构，这种结构适合于结合一些大小与形状合适的有机分子。由图可以看出，在结合待测分子之前，由于分子芘恰好能被环糊精的空腔包容，因而易形成二聚体;而在结合待测分子后，空间的不够迫使二聚体分开。因此样品溶液中待测分子的浓度变化，能引起敏感膜荧光强度或荧光峰位置的变化。
下面让我们来看看电子予体信号转换技术。一些荧光信号易于被有电子予体性质的化合物熄灭。苯胺就是这样的化合物，因为它分子中氮原子上的弧电子有较强的给电子能力。化学家们将荧光分子萘和苯胺面对面地安排在王冠醚分子中(图2.17)。在王冠醚结合金属离子之前，柔软的分子构架使电子予体苯胺易于靠近荧光物质萘，整个化合物不表现出荧光;结合金属离子后，刚性的分子构架迫使二者分开，使荧光恢复如前。因此样品中金属离子浓度的变化，可引起敏感膜荧光强度信号的变化。
我们再看看荧光能量转移信号转换技术。所谓荧光能量转移，是发生在两个荧光分子之间的一种有趣的现象。例如，荧光素和罗丹明是两种常见的荧光pH指示剂。荧光素分子在紫外光照射下，产生绿色荧光，而罗丹明分子在绿光照射下，产生橙黄色荧光。当荧光素和罗丹明共存
时，在紫外光照射下我们观察不到荧光素的绿色荧光，却可以看到罗丹明的橙黄色荧光。这种现象就叫荧光能量转移现象，即荧光素分子将获得的紫外光能转移给了罗丹明分子。我们习惯上称前者为荧光予体，称后者为荧光受体。发生荧光能量转移现象的另一个显著特征，是予体和受体间的距离必须要靠得很近。显然，荧光予体和受体所表现出来的不同荧光性质，可作为传感器的信号加以利用。图2.18所示是两端连有一对香豆素荧光子体(D)和受体(A)的开链低聚乙氧基分子。在图中存在5个乙氧基的情况下，该分子对二价铅离子表现出很好的选择性结合力。可以看出，在结合铅离子前予体D和受体A离得较远，不能发生荧光能量转移;在结合铅离子以后，由于包在中间的铅离子起到一个模板的作用，迫使D和A靠得很近，导致荧光能量转移现象的发生，从而可观察到敏感膜荧光性质的变化。
前面的这些例子都是敏感试剂本身在结合分析对象前后产生荧光信号变化的。我们当然想知道：敏感试剂结合分析对象后没有荧光变化时，是否也可以用于构造荧光型传感器呢?回答是肯定的。这里介绍一种极性敏感染料信号转换技术。我们再一次选择缬氨霉素结合钾离子作为例子。图2.19所示的敏感膜中，同时含有缬氨霉素和带长碳链作为支链的荧光素衍生物两种试剂。后者在极性环境(这里是水溶液)中表现出很弱的荧光，而在非极性环境(这里是敏感膜)中表现出很强的荧光，因而它被称做极性敏感染料。这个信号转换技术的一个诀窍是它一方面在荧光基因上带有一个正电荷(分子中氮上的正电荷)，另一方面又有
一个长长的亲脂憎水的尾巴(分子中的长碳链)。因此当缬氨霉素结合钾离子后，为了维持膜的电中性，这个极性敏感染料只得把它的带正电荷的、会发荧光的头从非极性的膜中伸到极性的水溶液中，从而导致荧光强度的降低。而它的长尾巴仍然留在膜中，以便当溶液中钾离子浓度降低时，可以把它的头再拉回到膜里来，恢复膜的荧光强度，使传感器对钾离子的响应具有可逆性。
折射、反射型传感器
为了叙述的方便，在谈这类传感器之前，让我们先了解一下光导纤维为何能远距离传递光信号。我们从一个简单的例子引入全内反射的概念。假设你是一名游泳者，在水中透过平静的池水向天空张望，你当然可以透过水面看到蓝天白云，但是当你视角接近某一临界值时，你将看不见空中的任何东西，但能清晰地看到池底的情形(图2.20)。这就是所谓的全内反射现象，即光线全部被反射回池内。这里的临界视角是受水的折射率和空气折射率的比值所决定的。在这一情况下，水的折射率大于空气的折射率。
光导纤维可以远距离传递光信号正是利用了全内反射的原理。图2.21所示是光导纤维的基本结构。通常纤芯是直径约为几十微米的石英玻璃圆柱体，纤芯外涂覆一层折射率略低于纤芯折射率的高分子包层，其外径约为100～200微米。包层外的保护层用金属或塑料制成，以增加光导纤维的机械强度。当符合临界角的光线射入光纤时，由于在纤芯和包层界面发生全内反射而被传递到光纤的另一端。如果临界角以外的光线射入光纤，由于不能被全内反射，它的一部分能量被折射到包层中去(类似于游泳者在池中可以看到空中的情形)被消耗掉。所以，光导纤维只能完整地传输那些临界角以内的光信号。反过来，如果光的入射角不变，改变光纤包层的折射率，则在光纤的另一端，可看到光信号的变化。因为包层折射率的改变引起了光纤临界角的变化，这一原理就是折射型传感器的信号转换技术的基础。图2.22是一种典型的基于样品折射率变化的传感器。这个传感器的敏感元就是一段剥去包层裸露的纤芯。当具有不同折射率的样品(例如不同浓度的乙醇水溶液、醋酸水溶液、
油水混合物等)流过时，检测器就可检测出不同的光学信号来。
利用光的反射现象进行信号转换也是颇有意思的。图2.23所示是最近提出的一种反射型pH传感器的原理示意图。这种传感器在光纤的公共端部附着有一滴具pH敏感功能团的聚合物，该聚合物可以随样品溶液的pH不同，表现出不同的溶胀程度，其溶胀前后的直径比可超过1.75倍。由于该滴聚合物在这个传感器中实际上起着探测光反射镜的作用，故它的曲率半径的变化直接影响到反射信号的收集效率，从而使检测器表现出光信号强度的变化来。
光化学传感器的光学信号转换技术是很丰富的。例如，磷光、化学发光、散射、衍射、干涉和偏振等光学信号均已在光化学传感器里得到了应用，限于篇幅在这里就不一一赘述了。
2.3 质量化学传感器
现代分析化学是从经典的重量分析发展起来的。那时最灵敏的分析仪器是分析天平。在一个相当长时间里，实验室里拥有一台高精度的分析天平是分析工作者最向往的事情之一。如果过去把毫克(mg，10-3克)、微克(μg、10-6克)叫做微量，那么与伴随分析仪器的发展而出现的更小的量相比，这样的微量实在是太大了。看看我们今天创造的一些质量单位吧：纳克(ng，10-9克)、皮克(pg，10-12克)、飞克(fg，10-15克)。它们是多么的微小!目前数字化的电子天平可以称量到0.01毫克，即10-5克的质量。这样的灵敏度当然不能用来构造质量型化学传感器。压电换能器件似乎在这方面有所作为。
居里(Curie)兄弟1880年发现的压电效应，在第一次世界大战期间获得了第一个实际应用。法国物理学家郎之万(Langevin)，采用压电石英晶体作为超声探测仪，用来测定潜艇的位置。后来，石英晶体的压电效应在各种力学量传感器中得到了广泛的应用。到了20世纪80年代，压电石英晶体作为质量传感器在分析化学领域崭露头角。人们把这种传感器称为石英晶体微天平。一个“微”字非常地形象和贴切。因为不仅它的尺寸可以做得非常微小，而且它也能测定非常微小的质量。目前市售的压电石英晶体，在液体介质中对质量变化的分辨率可达到1/109的数量级，相当于1纳克/毫升。石英压电晶体微天平的工作原理不太复杂。在测定时，首先用一外加电压使石英晶片变形，使两平行晶面之间产生相对运动，然后用适当的外部电路维持晶体在共振频率下的振荡。当晶面吸附了物质时，共振频率就会发生改变。萨布理(Sauerbrey)的研究发现：晶体上单位面积的质量变化与频率的变化成正比。这就是有名的萨布理方程，它可简化为：
Δf=K・Δm
式中Δm是晶体上增加的质量，Δf是质量增加所引起的频率变化。而K是与质量增加前的频率、晶体面积以及晶体的一些其他参数相关的常数。将分析对象有选择性地吸咐到石英压电晶体的表面，即完成了将化学信息转换为质量信号，或者由萨布理方程给出频率信号的过程。这方面的工作主要集中在有酶和抗体参与的生物化学传感器领域。
例如，在晶体上固定相应的酶检测空气中的乙醇、二氧化碳、甲醛等，固定糖激酶测定葡萄糖，固定相应的抗体测定可卡因、有机磷等，固定单克隆抗体检测人尿中的兴奋剂，固定单链核酸检测互补DNA或RNA的杂交作用等，都是比较有影响力的工作。
在压电基片的两端各装一个叉指换能器，即构成声表面波(SAW)传感器。它也是一种质量型传感器。如图2.24所示，左边的叉指换能器称为声表面波发射器，右边的叉指换能器称为声表面波接受器，在测定时，作为发射器的两电极上施加的射频电信号转换为声表面波信号延压电基片传递，而作为接受器的两电极通过逆压电效应将声表面波信号转换为射频电信号，但是这一射频电信号的相位、振幅及速度都将受敏感膜吸咐的分析对象的影响。这种装置较石英压电晶体微天平还要灵敏。它可感知10皮克/厘米2左右的表面质量变化。最近美国科学家宣称，声表面波湿度传感器表面有单分子层水凝结时，相位角就有0.3°的偏移信
号。而目前最精密的光学露点仪的检测下限至少也要100层水分子凝结。可以说这种传感器的测量灵敏度较最精密的光学露点仪还要高出两个数量级。
值得一提的是，石英压电晶体微天平和声表面波传感器都具有固态结构、化学惰性、耐久性和最终能达到低成本大规模生产等优点。
2.4 热化学传感器
通过反应的热效应进行样品分析的历史几乎和分析化学的历史一样长。虽然许多化学反应都可观察到放热或吸热现象，但在热化学传感器中应用最多的是有酶的生物催化反应。图2.25是热化学传感器的信号转换示意图。如图所示，在酶的催化作用下，反应或者放出热量使温度升高，或者吸收热量使温度降低。这一热量信号的变化可通过热敏电阻检测出来。所谓热敏电阻就是阻值随温度灵敏变化的电阻器。目前在热化学传感器中采用较多的是由铁、镍、锰、钴、钛等金属的氧化物构成的半导体。最好的热敏电阻已经达到了很高的测量精度，例如可判别0.01%K的温度变化的传感器已经出现。
为了热信号捕捉的准确性，热化学传感器检测反应温度变化时有三种不同的检测方式(图2.26)。所谓简单型是指系统的构成和制作均较简单，但该方式受环境温度波动影响较大。差动型和分离流动型则通过设置参比信号来保证温度信号量测的准确性。
3 一把钥匙开一把锁
100多年以前，有些化学家就已经发现：在某些分子体系中，维系分子之间的作用力是多种作用力的协同效果，其总强度不低于化学键，这种协同效果的先决条件是有一个特定空间环境。化学家费谢(Fisher)在当时就用锁与钥匙的匹配来形象地描述这种由空间所决定的专一性结合，并将其称为识别。1994年，化学界曾隆重举行纪念费谢提出锁钥模型100周年大会，因为化学的各个方面得益于这个模型的例子实在是不胜枚举。化学传感器也不例外，如何更好地应用这个模型来选择性识别化学性质相近、化学结构类似的分析对象，一直是化学传感器专家们孜孜以求的目标。如果把信号转换技术比做化学传感器的生命，那么选择性就是它的灵魂。没有选择性的化学传感器，其生命也是苍白的!所幸的是经过一个世纪的锤炼，我们的化学传感器专家已经成长为技艺高超的锁匠。化学传感器的选择性得到了不断的提高。下面我们将择要介绍化学传感器所采用的一些识别技术。
3.1 平面识别
很久以前，人们在相当长的一段时间里，一直把从草木灰中浸取出来的碱性物质叫做植物碱，而把得自河、湖岸边的天然碱称为矿物碱。由于它们的物理和化学性质极相似，而被认为是同一物质。当然我们现在早已弄明白前者是碳酸钾，后者是碳酸钠。但在当时要弄清楚钾盐和钠盐的区别实在是一件很为难的事情，更不用说定量地检测样品中的钾、钠离子的含量了。
自从本世纪初，发现pH选择性敏感玻璃膜后，化学家们就尝试制备对钾、钠离子有选择性响应的玻璃膜。钠离子选择性玻璃膜在60年代被发现，允许在1000倍钾存在下选择性测定钠。但钾离子选择性敏感玻璃膜的研究未获成功。直到70年代，最好的玻璃钾离子传感器仅能在钠离子高于钾离子不到10倍时使用，更多的钠离子存在时，就会掩盖钾离子的响应而无法测量。一些化学家曾尝试用天然沸石、粘土和火棉胶等做敏感膜制备钾离子传感器，但均未取得预期的效果。
令人高兴的是，另一个方向的研究发现转机。生物学家发现，植物可以在钠离子浓度高得多的环境中摄取钾，其原因是在植物根系中有一种大环抗生素能起钾离子运载作用，这种物质被命名为缬氨霉素。它在植物从土壤中吸收钾的过程中起了重要作用。因为在土壤中钠的含量通常比钾的含量高出许多，植物要从土壤中吸收钾，就需要一种可以与钾离子有很强亲和能力的物质。缬氨霉素就是这样一种可以选择性地与钾离子而不是与钠离子作用的天然物质。它的化学结构是一个由穴胺和醚组成的环状物质，它构成的环在环上原子的作用下形成了一个腔穴，它的空间结构与钾离子的形状正好相符(图3.1)。钾离子进入腔穴后，其他离子不容易将钾离子排挤出来，相反，半径太大或太小的离子与缬氨霉素结合后容易被钾离子取代。研究表明，钾离子与缬氨霉素之间并未有化学键的形成，而是通过所谓的锁与钥匙的协同配合效果产生相互作用的。这样的空间配合产物，在化学上称为配合物。对这种配合物的另一种形象的称谓是“主客化合物”，即缬氨霉素作为载体像好客的主人一样接受钾离子这样受主人欢迎的贵客。
从事化学传感器研究的国际知名学者，瑞士的西蒙(W.Simon)，最早将这一发现用于离子选择性电极的研制。他用缬氨霉素制作中性载
体敏感膜，成功地制成了钾离子传感器，这种传感器对钠离子表现出优良的选择性。即使在溶液中存在比钾离子多100000倍的钠离子也不会干扰缬氨霉素钾离子传感器测定钾。这就极大地扩大了钾离子传感器的应用领域。缬氨霉素在敏感膜中起到了载体作用，这与缬氨霉素在植物根系所起到的作用是一样的。
继缬氨霉素的成功应用之后，化学家们又相继发现了一系列具有离子载体性质的天然大环抗生素。这些物质毫无例外地与缬氨霉素的结构类似，均为具有一定腔穴的大环聚醚(图3.2)。它们也在化学传感器的研制中发挥了重要的作用。
图3.5显示了两种不同大小的王冠醚化合物对锂离子和钾离子不同的亲和力。显然18-冠-6适于制备钾离子选择性电极，而12-冠-4适于制备锂离子选择性电极。
结构分析发现，像缬氨霉素等天然大环抗生素及大环聚醚王冠化合物，对碱金属离子的化学识别可以认做平面识别。因为在识别过程中，主体的结构基本维持平面构型或者仅发生稍稍翘曲。图3.6表示不同大小的王冠醚化合物在识别钠离子与钾离子时的构型变化。图3.7则显示了缬氨霉素识别钾离子时的精细的结构特征。
对平面识别化学的一种改进，是把封闭的、固定大小的环打开。瑞士西蒙学派在这方面做了杰出的工作。他们通过大量的结构计算，设计并合成了一系列开环的主体结构，以用做包括响应锂、钠、镁、钙、锶、钡、铜、镉、铀酰等离子的一系列载体，这些载体可以用于制备这些离子的光化学和电化学选择性传感器。图3.8是这些开环离子载体的化学结构。遗憾的是这些开环主体结构对客体的识别，仍然局限在平面识别的范畴。我们能不能跳出这一范畴，进入新的识别领域呢?
一个实验事实带给我们启示。实验发现：采用半径较大的30-冠-10比用半径合适的18-冠-6作为钾离子载体有更好的选择性。看看图3.6我们就能理解这一事实。原来30-冠-10在识别钾离子时，它不会完全张开成一个环，而是有较多的扭曲，从而使这种识别带有一点立体的意味。
3.2 立体识别
立体识别的一个典型例子是天然存在的主体化合物环糊精。从结构上看，环糊精是由几个葡萄糖单体在1和4位碳原子上联结而成的筒形多糖(图3.9)。根据葡萄糖单体的数目，环糊精又被分别命名为α-环糊精、β-环糊精和γ-环糊精，它们分别对应6，7和8个葡萄糖单体。这个筒形空腔具有内部疏水外部亲水的环境，因而特别适于接受形状大小合适的疏水有机客体分子。特别令人高兴的是环糊精对一些有颜色或有荧光的客体分子进行识别时，常常能改变这些客体的光学性质。这主要是由于这种识别改变了客体对象所处的微环境。这一性质对构造光化学传感器非常有利。例如一种检测致癌物质2苝的荧光传感器，就是将β-环糊精固定于光导纤维端部构成的(图3.10)。苝是一稠环芳烃，它在很低的浓度就有强致癌性，它的快速检测也不容易。在这种传感器中，排列在光纤端部的环糊精分子就像一个个吸筒，把水溶液中的微量花富集到自己的筒形腔穴中，使苝的荧光增强。这一传感器已用于地下水中低至10-9摩尔/升浓度的苝的检测。这样低的稠环芳烃浓度，若用裸光纤直接检测是得不到任何荧光信号的。
环糊精识别客体的一个显著特征是客体分子几乎完全被包埋在主体分子筒形空腔中，这是一种立体的包埋，因此这种主客配合物也常被称为包络物。研究表明，环糊精对客体进行立体识别时与下述因素有关：
(1)范得瓦尔(Van der Waals)相互作用;(2)氢键相互作用;(3)客体与空腔中高能量水分子的置换能量变化;(4)包络客体后空腔释放的扭曲能。这些特征与费谢的锁钥模型是吻合的。
几年前被评为明星分子的杯芳烃是最近在主客化学崭露头角的新星。所谓杯芳烃是指由四个以上的苯环构成的立体大环化合物，因为其结构类似于出土的古希腊圣杯而被命此名(图3.11)。人工合成的杯芳烃结构比天然的环糊精分子更为多样化。因为通过有机合成条件的改变，杯芳烃中苯环的数目、苯环上连接取代基的种类以及杯芳烃的形状都可服从化学家的调控。图3.12是一些杯芳烃分子合成中的几个杰作。当苯环上的取代基有含氧醚时，杯芳烃对碱金属和碱土金属离子表现出很好的选择性，这些特性在离子选择性电极中得到应用。杯芳烃的另一个突出特性是其杯体的立体锥形结构在识别客体分子后，将发生构型上的变化。这种构型变化通常取图3.13中四种形式之一。当苯环上连有荧光功能团时，这种构型的变化会引起杯芳烃荧光性质的变化，因而在光化学传感器中得到了很好的应用。
