过程控制中的分子水平微观量传感系统研究.pdfVIP

过程控制中的分子水平微观量传感系统 朱 箭 陈 涛 方艳湘 徐晓轩 张存洲 南开大学位理学院光子学中心 天体 300 摘 要 本丈对过租拉制中的分子水平橄观圣传感器(物理全、化学全、生物全)进行 了评述。 关位侧 传感器 橄观全 过程控创 传感翻有多种多样，而且从不同的角度可有若干分类方法，在一定意义上，传感器荃本 上可分为两大类:一类为宏观t传感器(传感物质的压力、沮度、位移、速度、电场、磁场等宏 观物理皿);一类为徽观f传感器(传感物质的徽观原子与分子组份、徽观结构和徽观运动能 f状态等徽观物理月、化学f和生物I).宏观二传感器发展较早，也较成熟，而徽观f传感 器是新发展起来的一类传感器。 一、倍息获取所面临的挑故 传感器处于研究对象与测试系统的接口位f，即检测与控制系统之首。一切自动化生 产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传翰与处理的电信号。科 学技术越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。所以，如何采用新技术、新工 艺、新材料以及探索新理论，发展新的传感器技术，迎接信息获取所面临的挑战，则是一项重 要而紧迫的任务。 在过程控制的信息获取方面，目前存在一个突出的间题就是，不少成份和物性变t仍不 能直接连续侧f，只能抽取样品在实验室中间歇地分析。流程工业中这类变ti很多.而且是 表征生产状况的关链性变量[I]。在许多流程工业的自动化技术中，尽管我们要的中间和最 终产品是它的成份指标，然而，多年来却一直用沮度、压力、流t和物位作为工业流程中连续 生产的主要检侧与控制系统的荃本参to 那些成份和物性变f可称为特殊变f，实际上它们是一类徽观物理I、化学全和生物 f。在实验室中，这些徽观全是用庞大复杂的仪器系统去侧A的。运用的原理多是建立在盆 子力学墓础上的。这些仪器，绝大部分都局限于实验室内使用，很难到现场(生产线、试验场 和自然环境)去工作，原因不仅是因为设备庞大、笨重，而且由于过程分析的实时性和连续 性，分析对象的复杂性与采样技术的困难，对采样、数据处理都要求提高徽型化、集成化、自 动化和智能化水平，特别是对系统的可靠性有更严格的要求。甸 ，如何将庞大笨重的分析 仪器系统变成适应过程分析所需要的传感器系统将是一项意义重大而艰巨的工作。 2石习 二、徽观且传感技术的落本作用机理 若达到定性定f地检侧物质的成份及其有关状态，就必须事先精确地研究比较被侧物 质的物理、化学和生物特征，才鹅取得有用的信息。也就是说，只有掌握了物性特征才能获 取级有愈义的成份信息[2,3] 人们首先是剖析和捕捉物质三态(气相、液相和固相)中突出表征出来的信息去设计分 子水平传感器的。例如，利用气体的导热率，顺滋性、反应热而研制成的二暇化碳，氮等热导 式气体分析仪、暇分析器和使用催化敏感器件的可嫌气体分析仪;在液态下，利用比宜、密度 和独度这些液态物理参数分别制成比盆计、密度计和浊度计。同时，人们根据电化学现象， 利用不同形式和结构的电极构造了电导式分析仪、PH计、微f氧分析仪。上述的方式仍然 具有很大的局限性，远远满足不了人们对获取徽观信息的要求。 墓于电徽辐射与物质相互作用的机理(t子力学原理)，通过各种物质对不同波长的电 磁辐射能f的发射、吸收、反射、透射和散射等变f的侧f，可较精确地确定它们的化学成 份、徽观结构和能f状态。从X射线直到徽波，这广阔范围的电磁波段已有一系列成熟的 谱仪供使用。另外利用物质受橄发产生电离或在液体中产生电解现象以取得样品的分解， 然后在可变电场或磁场下予以分离并进行鉴定。最后达到确定其成份的目的.这就形成了质 谱仪，极谱仪和核磁共振波谱仪等。上述成份分析仪器大多庞大笨重，系统复杂，局限于实 脸室使用.能做到在线侧t的还不多。 从二十世纪七十年代以来，开始出现作为检测化学成份的化学传感器和生物传感 器川、化学传感器实际上是一类佬选择地将分析对象的化学信息，例如化学组份与浓度连 续转变为易侧t的物理信号的装里。所有的化学传感器，不论其响应机理如何，都具有从混 合物中选择性识别分析对象的共同特性，与感兴趣的分析对象产生选择性相互作用，同时伴 有可检侧的信号产生。化学传感器的化学修饰敏感层含有与感兴趣的分析对象产生选择性 特定化学反应的试剂，并产生易检侧的光、电、磁、热、声等信号，其化学反应具有离度的选择 性和灵教度。与化学传感