下一代化学传感器综述：覆盖材料、制造、表征、应用
2025-09-20 21:06:25 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该论文旨在全面分析化学传感器技术的最新进展，重点关注了四个主要维度：（1）新型传感器材料，（2）先进制造方法，（3）先进表征与性能评估，（4）在医疗、环境、食品安全和工业系统中的实际应用。
化学传感器在现代分析科学领域扮演着核心角色，其能够实时、选择性地检测气相、液相和固相中的化学物质。该传感器通常由三个关键部分组成：识别元件（例如纳米结构材料）、换能系统（电学、光学、热学或压电）以及信号处理模块。化学传感器基本工作原理为捕捉分子相互作用或结合事件，并将其转化为可测量的信号输出。过去二十年来，得益于新型纳米材料的发展及其与紧凑、便携式可穿戴传感平台的集成，化学传感器领域发生了许多值得关注的重要转变。
当然，除了已取得的进展，挑战依然存在。化学传感器随时间的漂移、批次间的可重复性、功耗、对干扰物的交叉敏感性以及在变化条件下的校准，都需要进一步研究。此外，可穿戴化学传感器的监管框架，特别是在医疗应用领域，仍在发展中，这可能会延迟其商业化进程。可持续性也已成为一个关键问题，人类日益关注绿色合成方法、可生物降解基材以及废旧器件的回收利用。
据麦姆斯咨询介绍，安娜·G·门德斯大学的研究人员在Chemosensors期刊上发表了一篇题为“Next-Generation Chemical Sensors: The Convergence of Nanomaterials, Advanced Characterization, and Real-World Applications”的综述性论文。该论文旨在全面分析2019～2025年期间由美国主导的化学传感器技术的最新进展，重点关注了四个主要维度：（1）新型传感器材料，（2）先进制造方法，（3）先进表征与性能评估，（4）在医疗、环境、食品安全和工业系统中的实际应用。研究人员强调了纳米材料科学、工程设计、数据科学和转化研究之间的协同效应。此外，研究人员还概述了未来展望和必须解决的技术瓶颈，以实现智能、坚固、可持续化学传感器平台的规模化部署。
论文摘要附图
新型化学传感器材料
化学传感器的性能与所用材料的特性密切相关。过去十年来，纳米结构材料的发现与工程设计，推动了化学传感器灵敏度、选择性、响应时间及器件稳定性方面的重大突破。本研究在该章节综述了塑造下一代化学传感器发展的主要材料，包括石墨烯衍生物、MXenes、碳纳米管、金属有机框架（MOFs）和混合复合材料等纳米材料，并重点介绍了它们的结构特征、功能优势和集成潜力。
导电2D MOF Cu₃(HITP)₂化学结构及化学电阻响应曲线
制造技术和传感器架构
将新型传感材料转化为实用器件，需要同样创新的制造策略。微纳加工技术的进步，结合柔性及可生物降解基底的涌现，使得开发具有增强功能性和用户适应性的微型化、可拉伸、可穿戴传感器架构成为可能。本研究在该章节讨论了支撑下一代化学传感器的主要制造方法和设计策略，重点强调了可规模化生产、结构集成以及与实际应用的兼容性。
化学传感器代表性微型化和图案化技术比较
先进表征与性能评估
在本章节中，研究人员总结了与化学传感器相关的先进表征技术。值得关注的是，其中一些方法具有双重作用：它们既用于材料表征，也用作传感器的分析换能机制。例如拉曼光谱、电化学阻抗谱（EIS）或光致发光（PL）可以提供材料的结构或光学信息，同时被用作传感器读出方案。相比之下，例如X射线光电子能谱（XPS）、透射电子显微镜（TEM）或X射线衍射（XRD）等其它技术，仅限于结构或成分表征，无法用于传感输出。在本章节中，研究人员明确指出每种技术的角色，以促进理解材料性能和传感器性能如何相互关联。研究人员通过整合并比较它们的原理和应用，提供了全面的概念框架。
美国化学传感器应用领域
化学传感器的实际影响最终取决于它们在现实环境中的表现。近年来，美国主导了许多将材料、制造和表征领域的进步转化为实地部署的传感系统。这些系统有效应对了环境保护、公共卫生、食品安全、工业优化和智能基础设施等关键需求。本研究在该章节重点介绍了化学传感器目前在美国正在实施的主要应用领域，展示了尖端技术如何帮助决策、法规合规和社会成果的代表性案例。
包含三个MXene化学传感器组件的无线传感平台
结论
过去二十年来，化学传感器已经从简单的实验室器件发展成为能够在许多领域进行实时、高分辨率监测的复杂平台。这种转变主要由纳米材料、新型制造方法和高精度表征工具的进步所驱动。其结果是化学传感器在灵敏度、选择性和器件集成方面的显著改进。然而，向前推进的核心挑战并非发现更多奇特的材料，而是将有前景的实验室原型转化为可靠、可扩展且可持续的技术。
展望未来，有几个方向显得尤为关键。可重复性和可扩展性仍然是首要的障碍。复杂的纳米材料合成可能在受控实验中表现出色，但在大规模生产中往往缺乏稳健性。增材制造、喷墨打印、气溶胶喷墨打印以及卷对卷沉积等方面的突破，有望成为弥合这一差距极具前景的途径。长期稳定性，同样至关重要。未来的化学传感器必须能够在恶劣环境中持续运行而不影响其功能，这将需要封装策略、抗污涂层和实时校准机制的持续改进。
另一个决定性因素，将是通过设计实现的可持续性。许多高性能材料会带来环境和健康问题，而一次性传感器则可能造成大量废物。未来的研究应采用绿色化学、可生物降解的基材和低能耗制造路线，确保新技术不仅有效，而且环保。
与此同时，该领域正进入一个智能化与集成化重新定义其边界的新阶段。化学传感器不再是一体化的独立器件，而是更广泛数字生态系统中的节点。人工智能（AI）和机器学习（ML）对于解析复杂数据集、补偿漂移以及预测分析不可或缺。结合边缘计算，这些工具能够将传感器转变为自主决策单元，这对于个性化医疗、环境监测和智能基础设施的应用至关重要。
从研究来看，最显著的机遇在于学科的融合。化学传感器的进步将越来越依赖于材料科学家、工程师、数据科学家和政策制定者之间的合作。多功能、自适应且符合伦理规范的传感器系统设计，不仅需要技术创新，还需要仔细考量监管路径、数据隐私和社会信任。
总之，基于纳米材料的化学传感器正处于一个转折点。其挑战不仅在于追求灵敏度的渐进式提升，还在于创造可扩展、智能且可持续的系统，使其能够无缝融入人们的日常生活。如果这些挑战得以应对，化学传感器将构成21世纪社会无形但不可或缺的支柱，保护人类健康，守护环境，赋能未来的科技基础设施。
论文链接：https://doi.org/10.3390/chemosensors13090345
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