基于凝膠基質的PH傳感器及微傳感器

摘 要:目前，刺激響應型凝膠的研究已經成為一大熱點，具有廣闊的應用前景。通過對現有PH傳感器的研究，刺激響應型凝膠所制得的PH傳感器目前也有了進一步發展。本文綜述了基于凝膠機制的PH傳感器的應用原理。

關鍵詞:刺激響應型凝膠 傳感器 微傳感器

中圖分類號:O653文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2012)06(c)-0113-01

強度、溫度、光強、電場等)，并通過對溶劑的吸收和釋放，來達到體積的溶脹和收縮，從而響應這些來自外界的刺激。近年來，利用PH敏感性凝膠，研制出的PH化學傳感器已經引起了廣泛的重視。這類化學傳感器針對性強，靈敏度好，設計簡單直接，得到了很好的發展。這篇綜述主要介紹了基于凝膠基質的PH傳感器的作用原理。

1 基于凝膠基質的PH傳感器的基本原理

凝膠基質PH傳感器將智能凝膠所發生的非電學轉變，轉化為一個可以量化的信號，大多數情況下轉變成了一個電信號。目前研究的凝膠傳感器基于以下兩個原理:(1)傳感器的設計直接基于凝膠自由膨脹時某些物理性質的改變，例如密度，體積，質量，硬度等。(2)傳感器的設計利用凝膠溶脹或者收縮時，間接引起的機械性質的改變。

2 自由膨脹凝膠PH傳感器

使用自由膨脹水凝膠為材料的傳感器是通過直接觀察水凝膠的某些性能變化來測量PH值。目前，這種原理應用在光學，電導PH傳感器中。

2.1 利用光學性質的PH傳感器

2.1.1 光學傳輸性質的改變

當凝膠呈現收縮的狀態，一般是不透明的，光學傳輸系數較低。而當凝膠處于溶脹的狀態時，結構均勻，清晰。ODEH et al.就是用這個光學傳輸性質的改變原理制造了傳感器。在所制的傳感器中，當彩色微球吸水膨脹后，光學傳輸性能提高。當彩色微球收縮，相應傳感元件的濁度提高，傳輸系數減小。

2.1.2 折射率的改變

當凝膠處于溶脹或者收縮狀態時，折射率的改變與光學傳輸性質的改變是相關的。水的折射率比處于收縮狀態的凝膠折射率低。在溶脹的過程，凝膠吸收了大量的水分，因此凝膠的折射率降低。SEITZ等人經研究也發現光學傳輸性質和折射率會同時發生變化。

2.1.3 反射

SEITZ團隊研究了溶脹凝膠的漫反射現象，發現當體積變化時，反射強度有了顯著的改變。漫反射發生在具有不同折射率的兩區域表面。在聚合物膨脹的過程中，折射率下降，在孔隙空間中的折射率與水接近。這減少了高分子孔洞表面的反射，從而使反射強度降低。除了折射率，光的傳輸，凝膠的形狀，體積和這些孔洞微結構的位置都影響反射強度。

2.1.4 光波長衍射的變化

ASHER et al.將球形凝膠晶體陣列做成了一個刺激響應型水凝膠。這個凝膠晶體陣列在可見光波范圍內衍射，衍射光可以通過晶格間距檢測。凝膠溶脹后，膠球之間的距離增大，布拉格衍射向長波方向移動。凝膠體積每發生0.5%的改變，將導致衍射波長發生1個納米的變化。

2.1.5 熒光強度的變化

用熒光標記的凝膠，吸水膨脹后，熒光強度會發生變化。凝膠膨脹將引起熒光強度的降低，凝膠收縮將會引起熒光強度的增加。凝膠發生膨脹或收縮時，熒光強度的改變可以超過30%。

2.2 電導傳感器

SHEPPARD和工作人員介紹了一種電導傳感器，是一個包裹有凝膠的叉指電極陣列。測量頻率范圍在100Hz～100000Hz。水凝膠層的溶脹造成凝膠導電性增強。

2.3 振動傳感器

2.3.1 石英晶體的微平衡儀(Quartz crystal microbalance，QCM)

Andrdeas Richterd等人通過研究，將石英晶體的微平衡儀作為傳感元件去檢測薄的凝膠層的變化。當凝膠吸水膨脹后，硬度和密度都大幅減小。因此，在凝膠的膨脹過程中，石英微晶表面的有效負載減少。石英層表面凝膠機械性質的改變使信號幅度的阻尼值發生改變。

2.3.2 磁力PH傳感器

GRIMES et al.描述了一種厚膜，在磁場激勵作用下，可以在共振頻率處發生機械振動。反過來，傳感器的機械振動產生了可以檢測的磁通量。共振頻率隨著凝膠質量的增加而下降。因此，凝膠層質量的微小變化被傳感器共振頻率的變化而檢測到。

3 基于凝膠機械工作的PH傳感器

這類傳感器利用凝膠的變形能力或者對傳感元件進行施壓，造成元件特殊性質的變化，或者產生一個可以檢測到的距離變化。

3.1 光學PH傳感器

3.1.1 反光膜片

這種裝置是膨脹聚合物加上一個反射裝置。高分子凝膠體積的變化引起了反射膜片的移動，從而使光纖中的反射的光強發生改變。

3.1.2 光纖傳感器

張等展示了基于光纖和布拉格光柵的凝膠傳感器。當膨脹時，凝膠推動固定在光纖和布拉格光柵上的固定架具。這造成了夾具的一個物理的拉伸從而延長了柵距。當凝膠收縮時，布拉格衍射波長減小。

3.2 機械PH傳感器

3.2.1 懸臂梁式

懸臂梁可以將質量，溫度，熱量或壓力的變化轉變成懸臂梁的彎曲(靜止模式)或者是共振頻率(動態模式)。懸臂梁經常與光學或者壓電電阻讀出系統共同使用。PEPPAS團隊和JI團隊將光學讀出系統作為傳感元件去檢測凝膠涂層的膨脹。

3.2.2 彎板傳感器

這類傳感器通常包括一個壓阻式惠斯通電橋，經常作為壓力傳感器使用。有一些團體已經研制了基于凝膠基質的彎板傳感器。原理是:一個體積固定的智能型水凝膠，被放在一個爐排和一個彎板之間，爐排可以傳遞刺激。如果凝膠膨脹，將導致爐排偏轉，并且壓阻式橋式電阻變化。

4 結語

基于凝膠基質的傳感器敏感性較一般PH傳感器好，利用水凝膠的多樣性為PH傳感器的特殊應用提供了許多方案，能進一步向微型傳感器發展。但這種PH傳感器的工作范圍較小，限制了商業化的應用。

參考文獻

[1]van der Linden，H.J.，Herber， S.;Olthuis， W.，Bergveld， P. Stimulus-sensitive hydrogels and their applications in chemical(micro)analysis.Analyst2003：128，325～331.