基于凝胶基质的PH传感器及微传感器

　　摘要：目前，刺激响应型凝胶的研究已经成为一大热点，具有广阔的应用前景。通过对现有PH传感器的研究，刺激响应型凝胶所制得的PH传感器目前也有了进一步发展。本文综述了基于凝胶机制的PH传感器的应用原理。

　　关键词：刺激响应型凝胶，传感器，微传感器

　　作者：李一凡，刘捷

　　中图分类号：O653文献标识码：A文章编号：1672-3791(2012)06(c)-0113-01

　　强度、温度、光强、电场等)，并通过对溶剂的吸收和释放，来达到体积的溶胀和收缩，从而响应这些来自外界的刺激。近年来，利用PH敏感性凝胶，研制出的PH化学传感器已经引起了广泛的重视。这类化学传感器针对性强，灵敏度好，设计简单直接，得到了很好的发展。这篇综述主要介绍了基于凝胶基质的PH传感器的作用原理。

　　1基于凝胶基质的PH传感器的基本原理

　　凝胶基质PH传感器将智能凝胶所发生的非电学转变，转化为一个可以量化的信号，大多数情况下转变成了一个电信号。目前研究的凝胶传感器基于以下两个原理：(1)传感器的设计直接基于凝胶自由膨胀时某些物理性质的改变，例如密度，体积，质量，硬度等。(2)传感器的设计利用凝胶溶胀或者收缩时，间接引起的机械性质的改变。

　　2自由膨胀凝胶PH传感器

　　使用自由膨胀水凝胶为材料的传感器是通过直接观察水凝胶的某些性能变化来测量PH值。目前，这种原理应用在光学，电导PH传感器中。

　　2.1利用光学性质的PH传感器

　　2.1.1光学传输性质的改变

　　当凝胶呈现收缩的状态，一般是不透明的，光学传输系数较低。而当凝胶处于溶胀的状态时，结构均匀，清晰。ODEHetal.就是用这个光学传输性质的改变原理制造了传感器。在所制的传感器中，当彩色微球吸水膨胀后，光学传输性能提高。当彩色微球收缩，相应传感元件的浊度提高，传输系数减小。

　　2.1.2折射率的改变

　　当凝胶处于溶胀或者收缩状态时，折射率的改变与光学传输性质的改变是相关的。水的折射率比处于收缩状态的凝胶折射率低。在溶胀的过程，凝胶吸收了大量的水分，因此凝胶的折射率降低。SEITZ等人经研究也发现光学传输性质和折射率会同时发生变化。

　　2.1.3反射

　　SEITZ团队研究了溶胀凝胶的漫反射现象，发现当体积变化时，反射强度有了显著的改变。漫反射发生在具有不同折射率的两区域表面。在聚合物膨胀的过程中，折射率下降，在孔隙空间中的折射率与水接近。这减少了高分子孔洞表面的反射，从而使反射强度降低。除了折射率，光的传输，凝胶的形状，体积和这些孔洞微结构的位置都影响反射强度。

　　2.1.4光波长衍射的变化

　　ASHERetal.将球形凝胶晶体阵列做成了一个刺激响应型水凝胶。这个凝胶晶体阵列在可见光波范围内衍射，衍射光可以通过晶格间距检测。凝胶溶胀后，胶球之间的距离增大，布拉格衍射向长波方向移动。凝胶体积每发生0.5%的改变，将导致衍射波长发生1个纳米的变化。

　　2.1.5荧光强度的变化

　　用荧光标记的凝胶，吸水膨胀后，荧光强度会发生变化。凝胶膨胀将引起荧光强度的降低，凝胶收缩将会引起荧光强度的增加。凝胶发生膨胀或收缩时，荧光强度的改变可以超过30%。

　　2.2电导传感器

　　SHEPPARD和工作人员介绍了一种电导传感器，是一个包裹有凝胶的叉指电极阵列。测量频率范围在100Hz～100000Hz。水凝胶层的溶胀造成凝胶导电性增强。

　　2.3振动传感器

　　2.3.1石英晶体的微平衡仪(Quartzcrystalmicrobalance，QCM)

　　AndrdeasRichterd等人通过研究，将石英晶体的微平衡仪作为传感元件去检测薄的凝胶层的变化。当凝胶吸水膨胀后，硬度和密度都大幅减小。因此，在凝胶的膨胀过程中，石英微晶表面的有效负载减少。石英层表面凝胶机械性质的改变使信号幅度的阻尼值发生改变。

　　2.3.2磁力PH传感器

　　GRIMESetal.描述了一种厚膜，在磁场激励作用下，可以在共振频率处发生机械振动。反过来，传感器的机械振动产生了可以检测的磁通量。共振频率随着凝胶质量的增加而下降。因此，凝胶层质量的微小变化被传感器共振频率的变化而检测到。

　　3基于凝胶机械工作的PH传感器

　　这类传感器利用凝胶的变形能力或者对传感元件进行施压，造成元件特殊性质的变化，或者产生一个可以检测到的距离变化。

　　3.1光学PH传感器

　　3.1.1反光膜片

　　这种装置是膨胀聚合物加上一个反射装置。高分子凝胶体积的变化引起了反射膜片的移动，从而使光纤中的反射的光强发生改变。

　　3.1.2光纤传感器

　　张等展示了基于光纤和布拉格光栅的凝胶传感器。当膨胀时，凝胶推动固定在光纤和布拉格光栅上的固定架具。这造成了夹具的一个物理的拉伸从而延长了栅距。当凝胶收缩时，布拉格衍射波长减小。

　　3.2机械PH传感器

　　3.2.1悬臂梁式

　　悬臂梁可以将质量，温度，热量或压力的变化转变成悬臂梁的弯曲(静止模式)或者是共振频率(动态模式)。悬臂梁经常与光学或者压电电阻读出系统共同使用。PEPPAS团队和JI团队将光学读出系统作为传感元件去检测凝胶涂层的膨胀。

　　3.2.2弯板传感器

　　这类传感器通常包括一个压阻式惠斯通电桥，经常作为压力传感器使用。有一些团体已经研制了基于凝胶基质的弯板传感器。原理是：一个体积固定的智能型水凝胶，被放在一个炉排和一个弯板之间，炉排可以传递刺激。如果凝胶膨胀，将导致炉排偏转，并且压阻式桥式电阻变化。

　　4结语

　　基于凝胶基质的传感器敏感性较一般PH传感器好，利用水凝胶的多样性为PH传感器的特殊应用提供了许多方案，能进一步向微型传感器发展。但这种PH传感器的工作范围较小，限制了商业化的应用。本文来自《传感器与微系统》杂志