化学传感器具有很多形式，正日益广泛地应用于各种监测过程。
设想在首都医院正有一位病人接受紧急护理。病人带着呼吸器，正接受静脉输液。突然病人失去知觉。立即叫来医药技师，取血样，然后急匆匆跑到实验室将血样注入仪器。几分钟后，得到血液化验结果。再通知紧急护理小组。然后护理小组再根据这些结果实行各种临床措施。
又设想在远离医院几英里的乡村，正在准备食物。往锅里加满水加热，这时有人发现，水有很强的汽油味。卫生部门接到电话，立即来到房间，取出水样。将水样送往实验室进行分析，结果证实水中含有汽油。同当地环境机构联系后，他们着手在当地四个汽油站下取水样。第二天证实其中一个汽油站下面的储油罐已经破裂，大量的汽油正渗入该地区的饮用水供应设备中，从而永久污染了饮用水。
再设想离该地区几英里有一个生物技术公司。该公司第一次大规模药物生产正处于中间阶段。公司对特定发酵的培养基中的营养介质有大量的投资。由于某种原因，生产中细胞生长速度与小规模培养中速度不同。为了监控药物生产，生产人员在维持无菌条件下必须经常取样。无菌取样具有污染的风险，并且完成化学分析大约需30分钟。要是反应不是精确地发生在正确时刻，产物将损失掉，公司的回收将会减少。
以上三种情况离我一点也不遥远。每天都有医疗决定要做，化学药品会泄露，工业过程要进行控制。各种情况下都需要进行测量以确定某种液体或蒸汽的状态。通常只需要测量一个参量，如pH、温度或压力。有些情况下，则需要更完整的测量，如起始原料或产物浓度，溶解氧浓度，以及各种离子和有机化合物的浓度。
进行这些测量的传统方法包括取样，储存、转移至实验室或实验室仪器，以及样品分析。该方法对于数据收集和分析具有几方面的问题。首先，取样过程可能干扰样品的性质。如果样品中存在挥发性物质，那么取样以及往容器中转移时会挥发损失掉。其次，样品储存中，化学反应和生物代谢作用可能改变各种物质的浓度。容器中的痕量残渣亦会进一步污染样品。传统方法的另一个问题是取样和结果报告之间必然存在一个延迟。这一延迟迫使人们推迟做出决策，或者在没有体系完整信息的情况下作出决策。若是针对医院病人，这种延迟可能导致生与死的差别。
所有这些情况都提醒我们，测量技术有许多地方需要改进。理想情况下，应当能够连续监测重危病人，可能的环境危害，以及工业过程。能够为决策所需要的重要参量进行随时测量。有些情况下，一些仪器能满足这些要求。
近年来，人们已经发展了一种新型的测量装置——传感器。传感器由两部分组成：传感元件和辅助电子线路。传感元件使得传感器能够将化学/物理信息转变成电信号，因而具有选择性、灵敏性及其它响应特征。按照定义，传感器是一种连续装置（实时的），并保证具有快速、长期的监测能力。《分析化学》前任编辑、康奈尔大学的莫里森（Morrison）将化学分析分为三部分：取样，预处理和分析。他认为，传感器具有所有三项功能：传感器借助于自身存在于特定液体中而取样；它们具有各种需要的内在反应性能而避免了预处理；传感元件则为分析提供信息。这个观点使得人们将传感器描绘成一个独立的分析装置。它不需要试剂、泵或其它移动部件。虽然传感器的这个理想化的想法并不总能达到，然而该想法为这些装置提出了一个标准。
按照传感机理，即检测所依据的原理，能够对所有传感器进行分类。这些机理归入一般的类别如下：电化学、光学、热学及质量传感机理。电化学传感器的测量基础可以是各种不同的现象：电流、电势、电压和电导。电化学传感器都是电极。电极测量的电化学现象取决于电极结构。有些体系中测量的是电化学势，而在另一些体系中，氧化还原反应发生，会产生一个取决于待测物质反应的电流。
光学传感器中，采用了光导纤维电缆，其顶端固定有对待测物敏感的材料。这种材料通常是一种固定在高聚物基片上的指示剂，它能与溶液中的组分进行可逆反应 · 沿着光纤传送的光与该指示剂相互作用，光发生变化。变化后的光再通过原来的光导纤维或第二个光导纤维返回到检测器。检测器将为的变化同待测物的浓度关联起来。光学机理包括吸收、荧光、偏振，以及指示剂的发光寿命变化。
热基传感器中，采用热敏电阻测量特定化学反应吸收或放出的热量。吸收或放出的热量大小与待测物的浓度有关。质量传感器机理上变化多样。但典型的质量传感器采用压电基片作工具。压电基片上涂有高聚物材料。待测物的选择性吸收或吸附改变了基片上高聚物膜的质量。将这一质量变化测定为压电基片共振频率的变化。其它质量检测方法应用能形成沉淀的化学反应。沉淀沉积在压电基片上，从而改变基片的共振频率。
识别化学
传感器设计的唯一最重要领域可能是选择性识别化学的发展。虽然传感器设计可以基于各种不同的机理，然而传感器的首要性能取决于它对于待测物相对于同一介质中的其它物质识别得如何。许多努力都朝着发展即能结合，又能产生传感器可探测信号的选择性识别化学方向进行。识别化学的两个方面是重要的。首先，要能选择性地同关心的待测物结合。其次，结合的结果能够产生可检测的信号。
图1表示高聚物膜离子选择电极。内、外电极分别在高聚物膜的两面。外电极同待测溶液接触。借助于对阳离子有高度选择性的载体分子，待测物中阳离子鲜选择性地迁移，通过高聚物膜。阴离子由于没有识别载体分子，而不能通过高聚物膜。载体分子将待测离子释放到传感器内的溶液一边。结果外电极和内参考电极之间就建立了电势差。这个电势差是样品中离子浓度的函数。这样通过选择性结合的高聚物膜的中介作用，将选择性传给了非选择性电极。
已经进行了大量的合成工作，以开发用于传感器的选择性载体分子。最有名的是瑞士苏黎世的西蒙教授（Simon）的工作。西蒙教授结合合成有机化学采用了大量的计算分析来设计选择性结合化合物，该原理也能用来发展各种各样的电化学及光学传感器。
指示剂是第二类识别分子。指示剂分子同特定的化学物质发生可逆的结合反应时，能够改变其光学性质，如吸收或荧光。例如可以采用一种pH指示剂，它可以以如下所示的可逆方式与质子结合形成络合指示剂Hind。
如果质子化指示剂与非质子化指示剂存在差别，那么可以用光学传感器来测量这一差别。图2表示了一种光纤传感器结构。光纤末端的高聚物材料上粘合着荧光指示剂FI--。指示剂虽然与高聚物粘合，但仍然保持可逆的结合特征。如果指示剂的两种形式FI--或HFI之中有一种是荧光物质，那么恒定强度的激发光（蓝光）会使指示剂发出荧光（绿光），荧光强度正比子荧光物质的含量。这样就可以将返回荧光同溶液的氢离子浓度（pH）关联起来。同样的原理可用于各种离子的测量，条件是各种离子都有自己的选择性指示剂。
采用含有两种不同颜色吸收或荧光的指示剂是我们熟悉，然而更精巧的方法。最常见的例子就是石蕊试纸。该试纸具有两个明显不同的吸收，一个吸收使指示剂变红，另一个吸收使指示剂变蓝。荧光指示剂亦能采用双色方法。取决于荧光指示剂是束缚态还是非束缚态，指示剂发射不同颜色的荧光。这种指示剂与单色指示剂相比，具有明显的优点。待测物浓度正比于两个光谱峰的比值，而不是其中一个光谱峰的绝对强度，这种比值方法补偿了仪器漂移，传感器位置及其它能引起信号漂移的诸多因素。已有大量的合成工作朝着发展这种光学传感器所用的指示剂进行。
关于识别化学，另一个活跃的研究领域就是生物传感器。生物传感器采用生物识别分子来给出选择性，生物传感器最常见的应用之一就是葡萄糖检测。图3所示，应用中氧传感器与酶连接在一起。传感材料由附着或吸收在高聚物膜内的固定化酶组成。在氧存在下，当葡萄糖遇到葡萄糖氧化酶时，葡萄糖氧化为葡萄糖酸，并释放出过氧化氢作为副产物。可以采用氧敏电极氧传感器或光学传感器来检测氧的吸收。这样可以直接将氧损耗程度同葡萄糖浓度关联起来。然而酶生物传感器有几个缺点。首先，由于酶变性的结果，歸活度会随时间而改变。其次，共反应物如氧的浓度必须保持过量，或者能独立测量。这样，氧浓度须对葡萄糖测量结果乘以一个系数。
第二类生物传感器用抗体分子作为识别分子。因为需要将信号同结合反应偶合起来，典型的抗体生物传感器是复杂的。同酶不一样，抗体同待测物结合，但不转变待测物。因此，必须用复杂的方法来确定结合程度。抗体对抗体原分子的选择性很高，从而使得抗体成为传感器很有吸引力的识别分子。抗体的主要缺点在于它们对抗体原具有极高的亲合性，这会导致很强的结合，以致结合基本上是不可逆的。因为抗体结合部位会逐渐饱和，除非暴露在相当苛刻的条件下，否则不能恢复结合部位，所以抗体传感器只能使用很短一段时间。
这种不可逆性显示出传感群的一个很重要方面——虽然，原理上讲，许多选择性化学反应都可实现传感目的。然而，许多选择性反应是不可逆的。需要对传感器重新补充新的试剂或重新活化，传感器方能反复使用。华盛顿大学的伯吉斯（Burgess）采用一种抽运系统来将新试剂送到传感器顶端。我的实验室已致力于从可膨胀的或易受侵蚀的高聚物体系中控制性地释放试剂。后一种方法完全是一种被动的输送新试剂的方法。可以设计两种体系来对传感器元件补充新的反应试剂，并使它有连续的监测能力。
其它问题
另一个主要的研究领域就是应用于传感器的材料化学。高聚物材料用来将识别分子如酶、抗体、指示剂，或电子转移试剂结合在传感器顶端上。这些高聚物即能用作固定化基质，也能用作选择性增强膜。例如，气体渗透膜高聚物可用来阻挡气体之外的所有溶液组分。选择这些膜的渗透系数可以对不同的气体提供高度的选择性。
除了选择性外，传感器关心的另一个主要问题就是漂移和校正。在将传感器置于测量介质之前，首先必须对传感器进行校正。传感器制造厂并不保证传感器都是一致的，以至于可以不用校正就可使用。因此工厂或用户必须进行校正。许多实验室工作人员在校正pH计时都熟悉这一过程。这时，典型的校正方法是将pH电极置于两个溶液中，以得到内插中词值所需要的信息。遗憾的是必须相当频繁地进行 · 这种校正手续，否则大多数传感器会发生漂移，给出待测物浓度的错误测量结果。在这方面，如果光学传感器以比值方式使用，则具有明显的优点。这时，与待测物浓度相关联的是两种颜色光强度的比值，而不是绝对信号强度。这种方法使得光学传感器可以在极少或不用校正的情况下使用，并且很长时间内实际是没有漂移的。
传感器发展的另一趋势是多路的概念，即多个传感器同一个仪器连接。传感器系统的最贵部件通常是仪器。如果仪器能联接多个传感器，则仪器就变得经济实用，并且能为用户提供较多的信息。例如可以采用带有多个传感器的仪器来监测危险废物工地的地下水污染。这种仪器能连续监测污染程度及污染物的迁移，并能三维地描绘这一工地的地下水。
多路的最近趋势是采用非选择性传感器。传统的传感方法是制备仅仅测量特定待测物的选择性传感器。另一方面，可以制备一种非选择性传感器阵列，每一传感器给出不同的信号，每一信号相应于复杂混合物中各种组分的特定组合。如果已知每一传感器对于混合物中各组分的反应行为，那么用一所谓的重叠合法可以分出复杂混合物中每一组分的贡献，该方法需要大量的计算时间和数据处理。然而随着计算机变得越来越快，越来越便宜，识别灵敏度模式及转换为每一单个组分浓度将变得容易。
发展传感器另一个要考虑的因素是传感器的使用环境。许多是应用于极高的温度和压力条件，或者暴露于溶剂或腐蚀性环境。必须保护识别化学反应及传感元件免受这些条件的干扰。有些情况下，选择传感器将取决于使用传感器的环境。例如，在生物活性物质残留的区域如发酵培养基及血液中，所用的传感器可能受到蛋白质沉积的污染，通过阻碍待测物接近传感材料而牺牲了传感器的完整性。生物污染的其它效应包括改变响应时间及灵敏度。
传感器的最后一个趋势是微型化。在极限的微型化仪器中，成百上千的微小传感器阵列可同时测量特定介质中各种不同的待测物或不同的位置。一个最新的实例是北卡诺来纳大学怀特曼（Wightman）教授的工作。在一个神经细胞的周围不同位置上放置多个微电极，他能够探测神经末端单个小穴所释放的神经传送体。小型的传感器组同神经传送体组的相对高定域浓度结合，可以检测材料的上千个分子，这种高度的灵敏性和选择性最终将使得传感器可用于绘制具有极高分辨率的表面图像。
随着我们测量技术的发展，科学知识将不断发展，将会有新的发现。在理解诸如温室效应、环境污染、疾病、细胞演变、表面现象等等重要的科学问题方面，测量科学将变得越来越重要。在合适的时间尺度及高分辨地测量这些现象和过程将取决于发展具有选择性、敏感性及快速检测性能的技术。在未来的测量技术中，传感器将毫无疑问地起着重要的作用。
[C&I，1992年1月20日]