化学传感装置是如何工作的

一氧化碳探测器可以使你免受煤气烟雾的毒害。BanksPhotos /盖蒂图片社

科学家们和工程师为不同的目的开发了各种各样的传感器，你可以想象，它们都有自己的工作方式。毕竟，验孕棒不太可能有氡探测仪那样的检测机制，对吧?

所有的化学传感器都以某种分析物为目标，但一旦分析物进入传感器，就会出现差异。例如，传感器可以绑定分析物(想象一个锁和钥匙类型的机制，但在分子水平上)。或者，可以设置传感器，使分析物有选择地通过薄膜。想象一下，薄膜是一个化学守门人，只允许目标分子通过，阻止其他物质进入。这种类型的传感器具有不断重复使用的优点。第三种形式的传感器在化学反应中使用分析物，产生可读信号的产品[来源:国家研究委员会]．这三种非常广泛的机制涵盖了大多数传感器的工作，但仍有其他类型的传感器。

例如，有直接读取电化学传感器，利用带电分子的扩散来寻找电流、电导率或电位的变化，以确定是否存在目标分析物。表面声波传感器利用声波从一个电极通过表面传送到另一个电极。该传感器的设计是，如果波的速度改变或强度降低，它就会发出与表面结合的目标分子的存在信号。通过测量这些变化，传感器甚至可以检测出存在的材料的数量[来源:国家研究委员会]．

化学传感技术的另一个很酷的创新是探测不同化学目标的固有特性，而不是利用分子相互作用来驱动探测。分子中的不同键都有独特的振动模式，可以在电磁波谱的红外区域检测到。通过将光源、过滤器和探测器集成到一个芯片上，麻省理工学院的科学家们已经能够探测到这些分子指纹，以感知整个分子群，从水中的污染物到新生儿血液中的电解质[来源:本德]．

不管它们如何操作，化学感应装置，毫无疑问，是为你工作的。你的家里可能至少有一个氡气体、烟雾或一氧化碳，这取决于你所在州或国家的法律。许多氡传感器的工作原理是吸收氡本身或检测致命气体的放射性衰变产物。另一方面，一氧化碳不是一种放射性物质，所以这种气体的探测器的工作方式不同。这种化学传感器最常见的机制之一是对生物学的重复。这些探测器模拟一氧化碳如何与血液中的血红蛋白相互作用，以确定气体的存在。另一种常见的家庭探测器是烟雾探测器。虽然有些使用放射性物质来帮助嗅出烟雾，但烟雾探测器的大部分感应来自物理现象，而不是化学现象，烟雾粒子造成的干扰被探测器感知到。

化学传感装置在家庭以外也有广泛的应用。你会看到这些设备的主要作用之一是在医疗环境中寻找生物分子。生物分子传感器本质上是一种特殊的化学传感器。虽然它们能探测到激素之类的物质，但这些物质都是分子。毕竟，这些传感器与其他化学传感器具有许多相同的指导原则——选择性、灵敏度和便携性。

你可能知道一些最便携的生物分子传感器与生育测量有关:妊娠测试和排卵测试。这两种化学传感器都能检测到尿液中某些激素的存在。在妊娠测试中，传感器在尿液中寻找人类绒毛膜促性腺激素(hCG)。女人在上面撒尿的小棍上有抗体，抗体被涂上一种化学物质，可以与绒毛膜促性腺激素结合。如果存在生物分子，检测结果为阳性[来源:父母杂志]．通常这些化学传感器都有比色成分，所以当分析物——在这种情况下是hCG——结合时，它会触发传感器的颜色变化，使得读数结果非常简单。

在临床环境中，两种最常见的基于化学的生物分子检测方法是ELISA(酶联免疫吸附试验)和Western blot。根据所讨论的生物分子的大小和类型以及他们想要的关于分子的信息，科学家和临床医生通常会求助于这些化学传感技术中的一种来识别生物分子混合物中的不同分析物[来源:ThermoFisher科学，马哈茂德和阳]．

一个玻璃头装有一个由美国国防部高级研究计划局(DARPA)开发的神经接口传感器，读取来自大脑的信号，刺激神经元，以对抗记忆丧失。DARPA正在投资化学传感研究。Stacey Rupolo/芝加哥论坛报/TNS通过Getty Images

未来化学传感方向的一个重要驱动力是军事．美国国防高级研究计划局(DARPA)等资助机构对化学传感技术的应用有着远大的梦想武装部队．想象一下，在战区的帐篷顶部安装一个传感器，可以探测到4英里(6公里)之外的爆炸物或有毒气体。

或者想象一个非常小的传感器，它可以嵌入到织物中。当传感器检测到有毒物质时，布料的颜色就会改变，向士兵发出空气中存在化学毒素的警告。那么一个可以提醒士兵脱水程度的传感器呢?这种技术的意义不仅是在战斗中占上风，还可能拯救成千上万的生命。

我们还可以在机场放置化学物质，通过检测爆炸物的微小浓度来帮助制止恐怖主义，而不必经历安检线的广泛骚扰。事实上，科学家们已经公布了一种传感器，可以快速检测离机场近100英尺(30米)的毒品和爆炸物[来源:Engineering360]．这些传感器可以安装在机场入口和其他人群密集的地方。有些类型的化学感应装置甚至可以安装在手机上，当执法人员四处走动时，可以扫描更大的区域[来源:许]．

当然，化学传感器不仅仅需要用来转移邪恶活动。通过安全徽章上的传感器检测水中的金属污染物和空气中可能的有毒化学物质，这只是化学传感设备正在改变我们的世界的一些方式。