快速的工業增長嚴重影響了生態系統，加劇了社會面臨的經濟和健康風險。生態系統監測是我們人類理解生態系統變化如何影響資源的基礎，也是發展基于數據的可持續性的關鍵。因此，用于生態系統監測的優化傳感器的設計和開發受到了越來越多的關注。
據麥姆斯咨詢報道，韓國成均館大學（Sungkyunkwan University）的研究人員在EcoMat期刊上發表了題為“Sensor design strategy for environmental and biological monitoring”的綜述文章。這篇文章全面概述了從材料層面到外形尺寸層面的生態系統監測傳感器設計策略，討論了包括光學式傳感器、電學式傳感器和電化學式傳感器在內的代表性傳感器系統的基本傳感機制。然后，文章回顧了傳感器接口策略，以實現對來自空氣、水、土壤和生物體的環境生化因素的穩定和實時監控。最后，文章總結了這種先進傳感器技術的當前性能和前景，并展望了這一新興領域未來可能的研究方向。
用于生態系統監測的傳感器設計策略示意圖
I 光學式傳感器設計
光學式傳感器是一個廣泛的監測平臺，通過與光的相互作用來檢測生態系統中的各種分析物。通常，光學式傳感器是基于與電磁波相互作用的材料的信號變化，并且這種變化在分析物存在時發生。光學式傳感器具有明確的優勢：它允許對生物體內的目標分析物進行體內監測，這是電化學和電學傳感方法難以實現的，因為電化學和電學傳感方法僅探測汗液和其它生物流體產生的外部生物標志物。最近，三種具有代表性的光學式傳感器，即比色傳感器、熒光傳感器和基于表面增強拉曼散射（SERS）的傳感器，已被研究用于生態系統監測。
用于生態系統監測的光學傳感機制示意圖
光學式傳感器已與多種外形尺寸集成，以連接生態系統。特別是，光學式傳感器主要用于帶有紙和纖維封裝的解決方案。它們被穩定地用于檢測水、土壤和空氣中的重金屬。一旦這些重金屬通過工業生產、運輸、農業和采礦進入生態系統，就會引發慢性和急性毒性等多種疾病。因此，監測生態系統中的重金屬非常重要。
利用光學式傳感器進行生態系統監測
II 電學式傳感器設計
電學式傳感器是生態系統監測中一個有吸引力的平臺，因為它可以根據用戶的需求輕松調整其外形，例如設備配置、尺寸或大小。通常，電學式傳感器是一種將傳感材料的物理屬性（例如，電導率、溫度或機械力）的變化轉換為電信號（包括電流、電阻、電容或電壓）的材料或裝置。即使在環境空氣或生物流體（例如汗液、血液或唾液）等實際樣本中，傳感材料的變化也是非常敏感的，因此它能夠進行實時監測，而不需要光學式傳感器系統中通常需要的凈化等額外步驟。
用于生態系統監測的電學傳感機制示意圖
所討論的電學式傳感器的多功能配置對于生態系統監測非常有用，因為它們對幾毫米內的目標分子敏感，同時使設備的大規模生產成為可能。大多數電學式傳感器已被用于檢測有害氣體，包括二氧化氮（NO?）、甲烷（CH?）、揮發性有機化合物（VOC）和揮發性硫化合物。即使在百萬分之一（ppm）或十億分之一（ppb）的暴露水平下，它們也肯定會威脅生物體的健康，因此，高靈敏度和高選擇性的氣體傳感器對生態系統至關重要。
電學式傳感器系統在生態監測中的應用
III 電化學式傳感器設計
電化學式傳感器因其與膜技術的結合、傳感器設計的多種選擇、小型化潛力、便攜性以及成本低等特點，成為生態系統監測的一種新興技術選擇。電化學式傳感器能夠以高靈敏度檢測低水平的分析物，這與光學式傳感器相比是一個優勢。電化學式傳感器已經使用四種方法開發：非酶法、酶法、基于離子選擇膜（ISM）的方法和探針-目標結合檢測法。此外，電化學式傳感器可采用五種測量技術：伏安法、安培法、電位法、阻抗法和電導法。
用于生態系統監測的電化學傳感機制示意圖
電化學式傳感器是分析生態系統最有效的方法之一。許多電化學式傳感器已應用于生態系統，例如用于監測人體皮膚中生物流體的代謝物、電解質、激素和氨基酸的可穿戴電化學式傳感器；用于植物營養和激素監測的電化式學傳感器；用于營養物質監測的電化學式傳感器；用于土壤中有機污染物監測的電化學式傳感器；用于重金屬離子監測的電化學式傳感器；用于水中有機污染物監測的電化學式傳感器。
電化學式傳感器系統在生態監測中的應用
維護和保護生態系統是全球面臨的最大挑戰之一。為了有效地實現這一目標，我們需要一個基于最先進傳感器技術的生態系統監測系統，該系統能夠檢測環境變化的不同方面。這些監測項目提供的信息對于其成功管理至關重要。在這篇綜述中，研究人員介紹了可用于生態系統監測的多功能傳感器。介紹了三種具有代表性的傳感器技術：光學式傳感器、電學式傳感器和電化學式傳感器。首先從生態系統監測的角度總結了這些傳感器的傳感機制。這些傳感器是可以實現自然環境因素實時監測的潛在傳感器系統。最后，總結并比較了這些最先進的傳感器針對各種環境因素（例如重金屬、揮發性有機化合物、毒素和農藥）的傳感性能。研究人員希望讀者能夠根據這些信息提前預測通過組合某些傳感器將實現的性能。
然而，在使用傳感器和傳感器系統進行生態系統監測方面，仍然存在許多具有挑戰性的問題。首先，不僅傳感器材料的設計，而且基板和封裝材料的開發都必須與現實世界的生態成分相結合。必須考慮設備在長期和重復機械應力下的機械穩定性和彈性，以提供低噪聲基線。此外，在單個設備中檢測多種環境刺激的能力是未來環境監測的最終目標。因此，開發用于多種分析物的智能交互式傳感器至關重要。然而，目前可用的環境傳感器大多集中在單一或雙重傳感功能上。因此，我們需要考慮如何將多個定制的傳感器集成到單個硬件系統中，以及是否可以同時分析環境刺激的多種動態組合。最后，我們必須在測量后深入研究數據。我們的最終目標不僅是制造一個性能可靠的優異傳感器，還要基于數據了解生態系統。因此，我們必須更加專注于使用具有人工智能的高通量分析程序來分析來自傳感器的數據。此外，還需要開發向遠程用戶傳輸實時數據的通信硬件。如果這一領域的研究更多地關注這些剩余的挑戰，并使用本文中介紹的最先進的傳感器技術，我們就可以真正實現基于智能物聯網的可持續發展，并為后代保護生態系統。
論文信息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eom2.12332
延伸閱讀：
《傳感器技術及市場-2024版》
《電流傳感器技術及市場-2023版》
《環境氣體傳感器技術及市場-2023版》
《印刷和柔性傳感器技術及市場-2024版》
《即時診斷應用的生物傳感器技術及市場-2022版》
《可穿戴傳感器技術及市場-2022版》
