水质传感器的发展现状及未来方向

背景：

如今，水污染问题变得越来越严重，从而导致多地出现了饮水紧张的局面，并且与水污染相关的疾病也不断出现。但是，目前水质检测主要依赖于实验室的水质分析仪器，这些仪器检测所需时间长，且分析检测中需消耗大量昂贵的化学试剂，因此，不能满足水质检测广泛应用的迫切需求。如果能够研制出结构简易、低成本、性能稳定、可用于现场快速检测的水质传感器，将会使有关部门能及时有效地控制水污染，让人们的身体健康得到有效的保障。

水质传感器介绍：

水质传感器主要由两部分组成，分别是感应检测传感头和信号调理电路两部分。传感头是水质传感器的关键部位，传感头主要是依据各种不同物质的物理、化学和生物特性制成。信号调理电路主要是用来对感应检测部分产生的信号进行去噪、放大和可视化处理。水质传感器按照应用学科分类可以分为三大类：化学水质传感器、生物学水质传感器和物理学水质传感器，而物理学又可以分为生物水质传感器和谐振式水质传感器。以下就各种水质传感器原理、用途、研究现状和优缺点分别进行介绍。

1、化学传感器

化学传感器包括电极式和离子敏场效应管传感器2种。电极传感器主要是通过水中特定离子或分子与电极表面物质发生电化学反应，从而引起检测电路中产生变化的电压或电流，通过检测电路中电压或电流变化值的大小来反映水体中特定指标。而离子敏场效应管传感器是将具有特定性质的敏感膜替换MOSFET的栅极，这种敏感膜只对某种特定离子具有选择特性，使FET的漏源电流变化与所检测的离子浓度相对应，从而达到对特定离子指标的检测。

2、生物水质传感器

生物水质传感器是利用酶、抗体、细胞器和微生物等固化生物催化剂作为识别元件与化学物质之间产生生物化学反应，依靠电化学器件有选择地测定所生成的或被消耗的化学物质，并将测定结果变换为电信号的一种水质分析仪器。

3、物理学水质传感器

光学水质传感器

根据不同原理可以制成各种不同的光学水质传感器。其中一种光学水质传感器是通过检测光波长的变化来对水体中的各种指标进行检测，其主要利用喇曼光谱法，当光投射到特定材料上时会发生喇曼散射，喇曼散射会导致光波长的变化，不同被检分子对应着不同波长的变化，由此可实现对水中各指标的检测。另外一种光学光学水质传感器即光导纤维传感器，这种传感器主要是利用合成指示剂对水体中的污染物进行检测。合成指示剂在一定的激发光源的作用下中间体分子会随待测物浓度的变化产生相应的光学效应，从而由光纤探头的反射强度测得待测物浓度。

谐振式水质传感器

谐振水质传感器主要基于晶体压电特性及其谐振原理，其主要以产生剪切波的传感器为主。其原理是谐振器件共振频率的大小与器件表面吸附的被测物质量相对应，而在不同被测水体中，吸附在器件表面的质量不同，用频率的迁移反映被测物浓度，依此可对不同水质进行检测评估。

总结及未来展望

传统的水质传感器所存在的问题主要有成本高、不能现场测量、检测时间长、样品存在有变质、检测结果单一、灵敏度有限、结果存在主观因素等问题。低成本、结构简单、检测迅速、可再生性、高可靠性、高灵敏度并能同时检测多种水质指标是未来水质传感器的研究重点和发展方向。随着社会对水污染治理工作的日益重视和人们对生活质量要求的提高，研制一种能为人们家庭生活用水质量提供实时监测，以保障人们身体健康的简易智能水质传感器将具有广阔的市场和发展空间。