芯片级传感技术的发展与应用

传感芯片是一类综合了芯片和传感器优点的新型芯片，其在保持传统芯片高通量、可寻址和并行处理等特点的基础上，与传感器技术相结合，进一步提高了芯片检测的灵敏度和特异性。常见的传感芯片主要有光纤传感芯片、表面等离子体共振传感芯片、热传感芯片和压电晶体传感芯片等，可用于智能电网和能源互联网融合网各环节的状态参数检测和信号感知。

20世纪90年代至今，随着信息技术的迅速发展，传感器的研究速度、规模和种类令人瞩目，成为现代信息技术的重要领域之一。多功能传感芯片的出现，把芯片和传感器两种技术有机地结合在一起。在传感芯片中，芯片分析实际上也就是传感器分析的组合，芯片点阵中的每一个单元都是一个传感器的探头，传感器技术被应用于芯片的发展；同时，阵列检测可以大大提高检测效率，减少工作量，增加可比性，促进芯片和传感器两项技术的共同发展^[1]。传感芯片的常见类型如下：

（1）光纤传感器芯片

光纤传感器芯片的基本原理是将探针标记物经生化反应产生的特征光学信号（荧光、颜色变化等）通过光纤探头传递至光检测器，经光电转换，进而测定出感知参数。其特点为检测特征光信号选择性强，易于排除过程中非特异性吸附的干扰，测定准确；因不采用放射性同位素标记探针，安全性好。不足之处在于选择的发光反应信号较弱，检测灵敏度低，有待完善^[2]。

（2）表面等离子体共振传感芯片

基于表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）的SPR传感芯片的基本原理：将某种分子结合在金属膜表面，使金属膜与溶液界面的折射率上升，从而导致共振角度改变。如果固定入射光角度，就能根据共振角的改变程度对互补进行定量。与纳米技术等先进技术的联合应用，使SPR技术被广泛用来研究生物分子之间相互作用的反应动力学、结合位点和反应物浓度等信息，其优越性是常规分析技术所无法比拟的^[3]。

（3）热传感芯片

热传感芯片是在热传感器基础上建立起来的。这种传感芯片将量热的广泛适用性和酶学反应的专一性等结合，适用于大多数样品的分析，不受光、电化学物质等干扰因素的影响，且引入参比部件，外界对测量结果的影响很小。随着各种性能优越的新型热传感器问世，近年来热传感芯片正越来越广泛地应用于环境监测、食品卫生和工业过程监测等方面^[4]。(www.xing528.com)

（4）压电晶体传感芯片

压电晶体传感芯片的基本原理：先将探针固定于压电晶体表面，通过频率-毫伏变换测出增加物质的量。该方法的优点与SPR传感芯片类似，能实时监测，且成本远比SPR传感芯片低。其不足之处是难以排除非特异性吸附的干扰，检测灵敏度还需进一步提高^[5]。

（5）磁致阻抗传感芯片

致阻抗传感器芯片是一类较新的传感器芯片。磁致阻抗传感器芯片将生物分子之间的相互结合力、磁性微球、抗磁计算机记忆技术结合起来，可制备成具有上百万转换器的传感器芯片，因而可以测定和筛选成千上万的分析对象。这种装置由抗磁传感器芯片、流通池和电磁装置构成，可将探针直接固定于传感器表面，信号强度与位置显示样品浓度与特性。可同时测定多个分析对象。另外，通过检测修饰层与环境相互作用时共振频率和阻尼因子变化而完成测定的微组装聚合物薄膜修饰的硅共振传感芯片，已用于化学战剂及其模拟物的测定^[6]。

（6）电化学传感芯片

电化学传感芯片是近几年迅速发展起来的，是基于电化学传感器的一种全新传感芯片，已有将该技术用于检测pH值、温度、氧含量和其他生物量浓度等的报道。随着技术的发展，电化学传感芯片的应用日益广泛，但其稳定性、重现性和灵敏度等都还有待提高^[7]。