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- 使用基于聚合物的傳感器：應(yīng)用和特性
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2021/11/10
圖片來源：Rost9/Shutterstock.com
聚合物用于許多應(yīng)用中，并且經(jīng)常記錄其拉伸強(qiáng)度和物理特性。然而，聚合物已經(jīng)存在多年，是現(xiàn)存最古老的化學(xué)工業(yè)之一。因此，合成了許多不同類型的聚合物以執(zhí)行不同的功能。其中之一是一類被稱為導(dǎo)電聚合物的聚合物，可用于基于傳感器的應(yīng)用。
大多數(shù)聚合物具有絕緣性能。然而，有一類聚合物打破常規(guī)并具有導(dǎo)電特性——盡管在大多數(shù)情況下，這些聚合物中的許多表現(xiàn)出更類似于半導(dǎo)體的特性，而不是完全導(dǎo)電的材料的特性。導(dǎo)電特性對于傳感器應(yīng)用很重要，因為它們是傳感機(jī)制的基本部分。在大多數(shù)傳感器中，當(dāng)檢測到刺激（無論是應(yīng)變、分子結(jié)合或溫度變化）時，活性材料的電導(dǎo)率和電流都會發(fā)生變化，這作為電子設(shè)備檢測到的可測量響應(yīng)在傳感器中。因此，電導(dǎo)率特性對于傳感器應(yīng)用很重要。
傳統(tǒng)聚合物傳感器
迄今為止，大多數(shù)基于聚合物的傳感器都采用大塊聚合物，并且通常具有幾秒級的響應(yīng)時間，因此它們可用于許多應(yīng)用。聚合物的有機(jī)和長鏈組成意味著聚合物可以通過多種不同的方式感知其局部環(huán)??境的變化，最常見的傳感機(jī)制包括氧化還原反應(yīng)、離子吸附和解吸機(jī)制、體積和重量變化，鏈構(gòu)象變化或電荷轉(zhuǎn)移過程。除了它們的傳感能力，導(dǎo)電聚合物還具有許多普通聚合物所具有的優(yōu)點，例如低溫合成和加工、大面積制造、靈活性和低成本，所有這些都有助于它們的實現(xiàn)傳感器。
許多用于基于聚合物的傳感器的傳統(tǒng)材料是特定的本體聚合物，例如聚吡咯 (PPy)、聚苯胺 (PANI)、聚噻吩 (PTh) 和聚 (3,4-亞乙基二氧噻吩) (PEDOT)。這些材料多年來一直處于聚合物傳感器的前沿，因為它們中的每一種都具有有利于傳感器應(yīng)用的特定特性。例如，PPy 具有低氧化電位和良好的生物相容性，PANI 具有非常便宜的單體構(gòu)建塊，PTh 具有許多不同的有用衍生物，PEDOT 具有良好的光學(xué)透明度并且可溶于水。
許多使用的聚合物是通過化學(xué)和電化學(xué)聚合方法制成的粉末或薄膜形式。然而，鑒于傳感器需要準(zhǔn)確和精確，所使用的聚合過程需要創(chuàng)建具有精確結(jié)構(gòu)和形態(tài)的聚合物。這說起來容易做起來難，但需要加以考慮，因為許多聚合物不溶于許多溶劑，而且許多聚合物不具有特定的特性（例如熱塑性特性）。
向聚合物納米材料的轉(zhuǎn)變
由于本體聚合物的導(dǎo)電性能有限，近年來已經(jīng)轉(zhuǎn)向使用納米尺寸的聚合物材料，因為它們比本體聚合物具有更高的導(dǎo)電性能。納米尺寸聚合物的使用還使基于聚合物的傳感器變得更小，具有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并擁有更靈敏的表面——這是基于與本體聚合物材料相比增加的表面積比和更快的吸收/解吸納米材料表面的動力學(xué)。
一個主要缺點（作為一個整體的聚合物納米材料）是它們不如它們的大塊對應(yīng)物穩(wěn)定。正因為如此，與其他納米材料的發(fā)展相比，用于傳感器的聚合物納米結(jié)構(gòu)的發(fā)展相當(dāng)緩慢，現(xiàn)在它們被視為一種選擇的唯一原因是因為先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展可以更好地（即精確地）控制納米結(jié)構(gòu)聚合物的尺寸和形態(tài)。近年來，這是通過將聚合方法與模板機(jī)制相結(jié)合來實現(xiàn)的，其中模板有助于納米結(jié)構(gòu)聚合物的特定和受控生長。
應(yīng)用
就可以利用聚合物材料（大塊和納米尺寸）的傳感器而言，已經(jīng)試驗了許多不同類型的傳感器，盡管大多數(shù)傳感器已用于感測化學(xué)物質(zhì)或生物分子。在化學(xué)傳感方面，它們的化學(xué)惰性使其成為檢測有毒氣體和揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOC) 以及用于檢測酒精、濕度和特定化學(xué)陰離子（電化學(xué)電位傳感器）的理想選擇。在生物傳感器方面，它們的生物相容性意味著它們可用于檢測各種生物分子，包括酶、抗體、核酸和蛋白質(zhì)，以及能夠檢測細(xì)胞。也正在探索基于聚合物的傳感器用于其他傳感應(yīng)用，
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