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使用基于聚合物的传感器:应用和特性
来源:赛斯维传感器网 发表于 2021/11/10

图片来源:rost9/shutterstock.com


聚合物用于许多应用中,并且经常记录其拉伸强度和物理特性。然而,聚合物已经存在多年,是现存最古老的化学工业之一。因此,合成了许多不同类型的聚合物以执行不同的功能。其中之一是一类被称为导电聚合物的聚合物,可用于基于传感器的应用。


大多数聚合物具有绝缘性能。然而,有一类聚合物打破常规并具有导电特性——尽管在大多数情况下,这些聚合物中的许多表现出更类似于半导体的特性,而不是完全导电的材料的特性。导电特性对于传感器应用很重要,因为它们是传感机制的基本部分。在大多数传感器中,当检测到刺激(无论是应变、分子结合或温度变化)时,活性材料的电导率和电流都会发生变化,这作为电子设备检测到的可测量响应在传感器中。因此,电导率特性对于传感器应用很重要。


传统聚合物传感器

迄今为止,大多数基于聚合物的传感器都采用大块聚合物,并且通常具有几秒级的响应时间,因此它们可用于许多应用。聚合物的有机和长链组成意味着聚合物可以通过多种不同的方式感知其局部环??境的变化,最常见的传感机制包括氧化还原反应、离子吸附和解吸机制、体积和重量变化,链构象变化或电荷转移过程。除了它们的传感能力,导电聚合物还具有许多普通聚合物所具有的优点,例如低温合成和加工、大面积制造、灵活性和低成本,所有这些都有助于它们的实现传感器。


许多用于基于聚合物的传感器的传统材料是特定的本体聚合物,例如聚吡咯 (ppy)、聚苯胺 (pani)、聚噻吩 (pth) 和聚 (3,4-亚乙基二氧噻吩) (pedot)。这些材料多年来一直处于聚合物传感器的前沿,因为它们中的每一种都具有有利于传感器应用的特定特性。例如,ppy 具有低氧化电位和良好的生物相容性,pani 具有非常便宜的单体构建块,pth 具有许多不同的有用衍生物,pedot 具有良好的光学透明度并且可溶于水。


许多使用的聚合物是通过化学和电化学聚合方法制成的粉末或薄膜形式。然而,鉴于传感器需要准确和精确,所使用的聚合过程需要创建具有精确结构和形态的聚合物。这说起来容易做起来难,但需要加以考虑,因为许多聚合物不溶于许多溶剂,而且许多聚合物不具有特定的特性(例如热塑性特性)。


向聚合物纳米材料的转变

由于本体聚合物的导电性能有限,近年来已经转向使用纳米尺寸的聚合物材料,因为它们比本体聚合物具有更高的导电性能。纳米尺寸聚合物的使用还使基于聚合物的传感器变得更小,具有更复杂的结构,并拥有更灵敏的表面——这是基于与本体聚合物材料相比增加的表面积比和更快的吸收/解吸纳米材料表面的动力学。


一个主要缺点(作为一个整体的聚合物纳米材料)是它们不如它们的大块对应物稳定。正因为如此,与其他纳米材料的发展相比,用于传感器的聚合物纳米结构的发展相当缓慢,现在它们被视为一种选择的唯一原因是因为先进制造技术的发展可以更好地(即精确地)控制纳米结构聚合物的尺寸和形态。近年来,这是通过将聚合方法与模板机制相结合来实现的,其中模板有助于纳米结构聚合物的特定和受控生长。


应用

就可以利用聚合物材料(大块和纳米尺寸)的传感器而言,已经试验了许多不同类型的传感器,尽管大多数传感器已用于感测化学物质或生物分子。在化学传感方面,它们的化学惰性使其成为检测有毒气体和挥发性有机化合物 (voc) 以及用于检测酒精、湿度和特定化学阴离子(电化学电位传感器)的理想选择。在生物传感器方面,它们的生物相容性意味着它们可用于检测各种生物分子,包括酶、抗体、核酸和蛋白质,以及能够检测细胞。也正在探索基于聚合物的传感器用于其他传感应用,


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