環境監測中的傳感器

隨著我國碳達峰、碳中和方案的實施，人類對環境質量的重視和關注, 在實際的環境檢測過程中, 人們往往需要既可以方便攜帶, 又能夠實現多種待測物持續動態監測的分析設備和儀器。借助新型的傳感器技術, 能夠滿足上述需求。 

傳感器技術一般主要包括兩部分: 能與待測物反應的部分以及信號轉換器部分。后者的作用是將與待測物反應后的變化轉換成可被儀器識別的電學或光學信號。 

根據檢測方法的不同, 傳感器可分為光學傳感器、 電化學傳感器等；根據反應原理的不同, 傳感器可分為酶生物傳感器、免疫傳感器、化學傳感器; 根據檢測對象不同, 傳感器可以分為液體傳感器和氣體傳感器。 

1、監測氮氧化物的傳感器

氮氧化物是常見的大氣污染物，過多的氮氧化物也是光化學煙霧的罪魁，嚴重影響著人們的身心健康，甚至危及公眾的生命。氮氧化物的主要來源是化石礦物的燃燒，在光照的條件下形成嚴重危害環境的NO2。氮氧化物傳感器原理就是利用氧電極生成一種特定的消耗亞硝酸鹽的細菌，通過計算溶解氧濃度的變化來計算出氮氧化物的含量。

因為生成的細菌是以硝酸鹽作為能源，而且只是以這種硝酸鹽作為能源，因此，在實際的應用過程中具有唯一性不會因為其他物質的干擾而受到影響。國外一些研究學者利用膜的原理進行了更加深入的研究，從而間接的測出了空氣中含量非常低的NO2的濃度。

2、硫酸鹽傳感器應用

在進行大氣監測的過程中除了氮化物，硫化物同樣是嚴重影響人們生產生活的污染物。在氮氧化物中SO2，是酸雨以及酸霧形成的主要原因，而且傳統的方法雖然可以測出SO2的含量，但是方法復雜而且不夠準確。

最近研究學者發現特定傳感器能夠將亞硫酸鹽進行氧化，在進行氧化的過程中會消耗一部分的氧氣，這就會使電極溶解氧下降從而生成電流效應。利用傳感器可以有效的得到亞硫酸鹽的含量值，不但速度快而且可靠度高。

3、二氧化碳傳感器的應用

二氧化碳是形成溫室效應的主要物質，在進行監測二氧化碳的過程中采用傳統的方法會有不同離子以及揮發性酸的干擾，這樣就會嚴重影響監測到的二氧化碳值。經過幾年的科學發展，魯中明等人研究出了一種利用指示劑的方法來進行監測二氧化碳的指示劑，這樣的指示劑能夠將190ppm以下的二氧化碳濃度精確的測量出，而且此類傳感器的體積小而且耗能低。這種傳感器的應用解決了在工程中長期自動監測的問題，大大的提高了工作效率。

4、在其他類型氣體中的應用

除了含量比較高的污染性其他外，一些常見的氣體：甲醛、甲烷、氨等等同樣是影響著人們的生活。但是由于這些氣體的含量比較低，而且這些氣體具有隱蔽性的特點，所以在實際的生活中往往不會受到人們的重視。祝艷濤等人通過對甲醛等氣體的研究綜合了一系列的研究現狀，分析到現有的甲醛傳感器存在的一系列問題，并且根據自己的實際研究預測了甲醛傳感器的發展趨勢；其他學者利用特定的細菌作為基質，可以實現對大氣污染物進行不問斷的監測。

1、特點分析。

電化學傳感器受壓力變化影響較小，但傳感器內的壓力差可能會損壞傳感器，因此保持壓力均衡是傳感器正常工作的前提；電化學傳感器對溫度較為敏感，溫度高于25℃時，讀數較高，而低于25℃時，讀數較低。電化學傳感器對待測樣品選擇性較強，傳感器類型、待測樣品濃度和目標氣體都會影響選擇程度，選擇性高、可靠性好的檢測氧氣的傳感器，其他類型的則容易受到干擾。

2、測定原理。

電化學傳感器是利用與待測氣體發生反應，然后根據電信號與氣體濃度的比值關系測定氣體含量。典型的電化學傳感器主要元件包括透氣膜、電極、電解質和過濾器。

3、電化學傳感器的應用。

較為常見的有濕度傳感器、氧化氮傳感器、硫化物氣體傳感器等。傳統測定空氣濕度的儀器為濕球式溫度計、手搖式溫度計以及通風式溫度計等，電化學傳感器測定濕度則更加靈敏。涂覆壓電石英晶體用傳感器是較為常用的濕度測定儀器，該儀器通過光合化學技術制成小型石英奪電晶體，然后將4種濕度敏感性較高的物質涂在石英晶體上；晶體是振蕩電路中的共振器，其振動頻率隨質量的變化而改變，選擇不同的涂層，即可測定不同氣體的相對濕度。

二氧化硫是酸雨形成的主要原因，也是造成空氣污染的主要原因之一。因此，利用傳感器檢測二氧化硫，可降低檢測時間，提高檢測精度。檢測時，離子交換膜為固體聚合物，膜的一邊含對電極和參比電極的內部電解液，另一邊插入鉑電極，組成二氧化硫傳感器。

1、特點分析。

隨著生物技術和電子技術的不斷發展，生物傳感技術也逐漸興起并得到了廣泛應用。生物傳感器具有集成化、微型化和高度自動化特點，能快速有效地對待測樣品進行檢測，因此已經在生物制藥、環境檢測、食品工業等領域得到廣泛應用。

2、檢測原理。

生物傳感器是由分子識別單元和轉換器兩個部分組成，利用生物分子識別待測樣品，然后通過信號系統將生物分子所發生的物理或者化學變化轉化為相應的電信號，再利用分析系統對檢測結果進行分析展示。

3、生物傳感器的應用。

根據國外相關報道，生物傳感器相對于傳統的電化學傳感器來說具有一定優勢，以有機磷和氨基甲酸酯農藥的檢測為例，傳統檢測方法最小檢出量為400ng/kg，而利用固化了醛脫氫酶的酶傳感器可大大提高檢測精度，檢出量最小值為9ng/kg。

將熒光細胞與中國大頰鼠的卵細胞重組的細胞序列可用于檢測環境中的有毒物質，另外，科技的不斷發展，也推動了生物傳感器的改進，基于PCR技術和芯片技術的生物傳感芯片、各種生化分析儀器不斷被研發，方便攜帶、分析準確快速已經變為現實，生物傳感技術在環境檢測中的應用將越加廣泛。

1、特點分析。

光纖傳感是基于光纖盒光纖通信技術發展起來的一門傳感技術，可用于大氣、水質、生態保護中的檢測。該技術具有體積小、靈敏度高、抗干擾能力強、耐腐蝕等優點，因此可在有毒、有害、易燃、易爆環境中應用。光纖傳感器具有實時在線、分布式遙測使用的優點，可滿足當前環保市場對環境指標快速、高效檢測的需求。

2、檢測原理。

光纖傳感器是利用待檢污染物與光相互作用，使光纖中光信號發生變化（或污染物與其他物質作用，間接改變光纖信號特性），然后通過光信號檢測系統實現對其檢測，從而得到污染物的相關信息值。光纖傳感器一般由光源、光纖引線、敏感元件和信號檢測分析設備幾部分組成。

3、光纖傳感器應用。

光纖pH傳感器可檢測水體pH值，其檢測原理是根據特定染色材料的pH值固定比色指示劑原理，將染色材料制成透光或反光薄膜，用光譜分析法即可測定水中的pH值。光纖離子傳感器將流動注射分析法、激光激發熒光譜技術、光纖傳導技術以及CCD攝影技術等相結合，可對銅離子、鋅離子、鎘離子和鎳離子進行快速檢測。光學濁度傳感器是利用激光在待測水樣中反射光強度與入射光強度的變化情況而測定水樣透明度下降狀況。我國在光纖傳感方面的研究相對較晚，不過數十年的發展，已經在這一領域取得了較為顯著的成果。如中科院山東分院研發的光纖瓦斯氣體傳感器及其在線檢測系統，可利用紅外吸收光譜法和光線技術對甲烷等易燃易爆氣體進行準確檢測。

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