综述：用于环境和生物监测的传感器设计策略
2024-10-26 16:01:31   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

快速的工业增长严重影响了生态系统，加剧了社会面临的经济和健康风险。生态系统监测是我们人类理解生态系统变化如何影响资源的基础，也是发展基于数据的可持续性的关键。因此，用于生态系统监测的优化传感器的设计和开发受到了越来越多的关注。

据麦姆斯咨询报道，韩国成均馆大学（Sungkyunkwan University）的研究人员在EcoMat期刊上发表了题为“Sensor design strategy for environmental and biological monitoring”的综述文章。这篇文章全面概述了从材料层面到外形尺寸层面的生态系统监测传感器设计策略，讨论了包括光学式传感器、电学式传感器和电化学式传感器在内的代表性传感器系统的基本传感机制。然后，文章回顾了传感器接口策略，以实现对来自空气、水、土壤和生物体的环境生化因素的稳定和实时监控。最后，文章总结了这种先进传感器技术的当前性能和前景，并展望了这一新兴领域未来可能的研究方向。

用于生态系统监测的传感器设计策略示意图

I 光学式传感器设计

光学式传感器是一个广泛的监测平台，通过与光的相互作用来检测生态系统中的各种分析物。通常，光学式传感器是基于与电磁波相互作用的材料的信号变化，并且这种变化在分析物存在时发生。光学式传感器具有明确的优势：它允许对生物体内的目标分析物进行体内监测，这是电化学和电学传感方法难以实现的，因为电化学和电学传感方法仅探测汗液和其它生物流体产生的外部生物标志物。最近，三种具有代表性的光学式传感器，即比色传感器、荧光传感器和基于表面增强拉曼散射（SERS）的传感器，已被研究用于生态系统监测。

用于生态系统监测的光学传感机制示意图

光学式传感器已与多种外形尺寸集成，以连接生态系统。特别是，光学式传感器主要用于带有纸和纤维封装的解决方案。它们被稳定地用于检测水、土壤和空气中的重金属。一旦这些重金属通过工业生产、运输、农业和采矿进入生态系统，就会引发慢性和急性毒性等多种疾病。因此，监测生态系统中的重金属非常重要。

利用光学式传感器进行生态系统监测

II 电学式传感器设计

电学式传感器是生态系统监测中一个有吸引力的平台，因为它可以根据用户的需求轻松调整其外形，例如设备配置、尺寸或大小。通常，电学式传感器是一种将传感材料的物理属性（例如，电导率、温度或机械力）的变化转换为电信号（包括电流、电阻、电容或电压）的材料或装置。即使在环境空气或生物流体（例如汗液、血液或唾液）等实际样本中，传感材料的变化也是非常敏感的，因此它能够进行实时监测，而不需要光学式传感器系统中通常需要的净化等额外步骤。

用于生态系统监测的电学传感机制示意图

所讨论的电学式传感器的多功能配置对于生态系统监测非常有用，因为它们对几毫米内的目标分子敏感，同时使设备的大规模生产成为可能。大多数电学式传感器已被用于检测有害气体，包括二氧化氮（NO₂）、甲烷（CH₄）、挥发性有机化合物（VOC）和挥发性硫化合物。即使在百万分之一（ppm）或十亿分之一（ppb）的暴露水平下，它们也肯定会威胁生物体的健康，因此，高灵敏度和高选择性的气体传感器对生态系统至关重要。

电学式传感器系统在生态监测中的应用

III 电化学式传感器设计

电化学式传感器因其与膜技术的结合、传感器设计的多种选择、小型化潜力、便携性以及成本低等特点，成为生态系统监测的一种新兴技术选择。电化学式传感器能够以高灵敏度检测低水平的分析物，这与光学式传感器相比是一个优势。电化学式传感器已经使用四种方法开发：非酶法、酶法、基于离子选择膜（ISM）的方法和探针-目标结合检测法。此外，电化学式传感器可采用五种测量技术：伏安法、安培法、电位法、阻抗法和电导法。

用于生态系统监测的电化学传感机制示意图

电化学式传感器是分析生态系统最有效的方法之一。许多电化学式传感器已应用于生态系统，例如用于监测人体皮肤中生物流体的代谢物、电解质、激素和氨基酸的可穿戴电化学式传感器；用于植物营养和激素监测的电化式学传感器；用于营养物质监测的电化学式传感器；用于土壤中有机污染物监测的电化学式传感器；用于重金属离子监测的电化学式传感器；用于水中有机污染物监测的电化学式传感器。

电化学式传感器系统在生态监测中的应用

维护和保护生态系统是全球面临的最大挑战之一。为了有效地实现这一目标，我们需要一个基于最先进传感器技术的生态系统监测系统，该系统能够检测环境变化的不同方面。这些监测项目提供的信息对于其成功管理至关重要。在这篇综述中，研究人员介绍了可用于生态系统监测的多功能传感器。介绍了三种具有代表性的传感器技术：光学式传感器、电学式传感器和电化学式传感器。首先从生态系统监测的角度总结了这些传感器的传感机制。这些传感器是可以实现自然环境因素实时监测的潜在传感器系统。最后，总结并比较了这些最先进的传感器针对各种环境因素（例如重金属、挥发性有机化合物、毒素和农药）的传感性能。研究人员希望读者能够根据这些信息提前预测通过组合某些传感器将实现的性能。

然而，在使用传感器和传感器系统进行生态系统监测方面，仍然存在许多具有挑战性的问题。首先，不仅传感器材料的设计，而且基板和封装材料的开发都必须与现实世界的生态成分相结合。必须考虑设备在长期和重复机械应力下的机械稳定性和弹性，以提供低噪声基线。此外，在单个设备中检测多种环境刺激的能力是未来环境监测的最终目标。因此，开发用于多种分析物的智能交互式传感器至关重要。然而，目前可用的环境传感器大多集中在单一或双重传感功能上。因此，我们需要考虑如何将多个定制的传感器集成到单个硬件系统中，以及是否可以同时分析环境刺激的多种动态组合。最后，我们必须在测量后深入研究数据。我们的最终目标不仅是制造一个性能可靠的优异传感器，还要基于数据了解生态系统。因此，我们必须更加专注于使用具有人工智能的高通量分析程序来分析来自传感器的数据。此外，还需要开发向远程用户传输实时数据的通信硬件。如果这一领域的研究更多地关注这些剩余的挑战，并使用本文中介绍的最先进的传感器技术，我们就可以真正实现基于智能物联网的可持续发展，并为后代保护生态系统。

论文信息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eom2.12332

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