電化學傳感器在環(huán)境檢測中的應用研究

劉立紅+++車文實+++孫晶+++陳麗華+++代立梅+++楊柳+++朱道玉

摘 要：文章主要對電化學傳感器技術的原理及其在環(huán)境檢測各個方面的應用研究進展進行了綜述，最后對電化學傳感器技術存在的問題和發(fā)展方向進行了展望。

關鍵詞：電化學傳感器；環(huán)境檢測；應用研究

引言

環(huán)境問題是現(xiàn)代世界統(tǒng)一關注的問題，在社會經濟飛速發(fā)展的今天，環(huán)境污染問題也越來越嚴重，給人們的生活、健康、經濟都帶來深遠的影響。電化學分析技術是現(xiàn)代環(huán)境污染物以及環(huán)境微檢測技術中新興起來的一種技術。目前電化學傳感器主要應用在對土壤環(huán)境、水體環(huán)境中金屬離子的檢測，對大氣環(huán)境中二氧化硫、二氧化氮等氣體的檢測等。

1 電化學傳感器的基本原理

電化學傳感器是化學傳感器的一種，是現(xiàn)代化學分析測定中的一類特殊傳感器。主要是利用污染物質在電極表面發(fā)生電化學反應，再通過特定的換能器將這種感知信息轉換成可識別的，與目標物質濃度變化成比例的電信號被人們識別，從而達到定性或定量的分析檢測目標物質的一種儀器設備。

2 電化學傳感器在環(huán)境檢測中的應用

2.1 電化學傳感器對重金屬離子的檢測

目前重金屬離子檢測方法有光譜法、質譜法、電化學方法等。電化學方法由于測定操做步驟簡單、價格低廉而在重金屬離子的檢測領域發(fā)揮著重要作用。華東理工大學的陳晨[1]等人采用絲網(wǎng)印刷技術與模板復雜合成法制備了多孔絲網(wǎng)印刷碳電極，并用鉍膜對該電極進行了修飾，實現(xiàn)了對鉛和鎘兩種重金離子的檢測，檢測限達到0.03ug/L和0.34ug/L。中國農業(yè)大學的王志強[2]等人采用導電物質分子導線作為粘合劑，制作了一種新型碳糊電極，并用Nafion膜和錫膜在電極表面進一步修飾，利用該電極對多個農田灌溉水水中的鎘離子進行了測定，檢測限為0.13ug/L，并把檢測結果與原子吸收光譜法測量結果對照，分析表明該傳感器具有良好的檢測準確性和可靠性。鄒紹芳等人研究了重金屬電化學傳感器在海水檢測中的應用并研制了用于多元素重金屬檢測的集成微型傳感器用于測定鋅、銅、錳、砷、鐵、鉻等多種元素。Lau等人研究了可以同時檢測Pb2+和Cd2+的電化學傳感器，該傳感器是利用發(fā)光二極管（LED）原理設計的，對兩種金屬離子的檢測限都能達到nmol/L。

2.2 電化學傳感器對有機污染物的檢測

2.2.1 電化學傳感器對多環(huán)芳烴物質的檢測

多環(huán)芳香烴類物質（PAH）是一大類有毒有害的污染物質，且有致癌性，水體中的 PAH含量非常低，一般在1×10-9ng/mL范圍內，很難檢測，這樣就需要開發(fā)靈敏度較高的檢測傳感器實現(xiàn)對水體中PAN的檢測。Schechter等人發(fā)明了光纖光學熒光傳感器，這種傳感器對（PAH）的檢測限可達到 4×10-11μmol/L，對蒽類物質的監(jiān)測限為5×10-10μmol/L。江南大學梁剛、劉新會[3]教授等通過特定的熒光分子亮度可以大致的分析出蒽的濃度。相對于傳統(tǒng)的檢測手段精度更高，檢測結果容易觀察，且節(jié)省了檢測時間，為后續(xù)傳感器上敏感元件上特殊材料的使用提供了依據(jù)。

2.2.2 電化學傳感器對酚類化合物的檢測

酚類化合物是一類普遍存在的有機污染物，在體內蓄積可產生細胞毒性，危害人體健康。是一種優(yōu)先監(jiān)測的有機污染物。宋偉[4]等人采用電聚合方法制備了可拋型的茜素紅—石墨烯修飾絲網(wǎng)印刷電極，并把該電極應用于水中酚類化合物的測定，該修飾電極對對苯二酚和鄰苯二酚具有明顯的催化作用，檢出限分別達4.34×10-6mol/L，3.42×10-6mol；張婷婷等人將有序介孔碳修飾到玻碳電極上構建了電化學傳感器，并應用到硝基苯酚異構體以及苯酚衍生物的酸度系數(shù)的測定上，檢測限分別為0.1、0.08μmol/L。除此之外Zheng[5]課題組采用DNA/多壁碳納米管（MWCNTs）修飾的玻碳電極，實現(xiàn)對苯酚、甲基酚及兒茶酚等酚類污染物的檢測，此種技術的出現(xiàn)標志著檢測技術已經到達了分子水平。

2.2.3 對農藥殘留的檢測

農藥在農產品的生產、儲存過程中以及在危害防治中起著重要的作用。尤其是人口多、耕地面積有限的今天，農藥保證了糧食的豐產豐收，滿足人們對農副產品的需求等方面發(fā)揮著重要的作用，為人類創(chuàng)造了巨大的經濟效益。但農藥的過度使用造成了對環(huán)境的污染，農產品農藥殘留超標，嚴重危害著人體健康。薛瑞[6]等人以石墨烯-Nafion復合物作為固相吸附劑，制備用于檢測有機磷農藥的電化學傳感器；張偉龍[7]等人研究了聚苯乙烯磺酸鈉功能化石墨烯的新型電化學發(fā)光傳感器，實現(xiàn)了對抗蚜威、啶蟲脒和吡蟲啉三種農藥的檢測，檢出限分別為0.667ng/mL，40ng/mL，50ng/mL。

2.2.4 電化學傳感器對氣體污染物的檢測

電化學氣體傳感器主要是通過觀查電流變化來監(jiān)測氣體的濃度和成分的。簡家文等[8]采用Pt為電極，YSZ（鉑-氧化釔-氧化鋯）為氧離子轉換器，可以檢測1×10-4μmol/L4～1×10-3μmol/L范圍的NO。Moon等人采用氧化鎢（WO3）的納米顆粒，對NO2的檢測限達到800ppb，達到了對大氣檢測的要求。

3 展望

電化學傳感器技術與以往的傳統(tǒng)方法相比具有諸多優(yōu)勢，在環(huán)境監(jiān)測領域的研究應用已經深入到各個角落，但是目前大部分還是處于大量的理論研究過程中，真正到實際應用仍有大量的工作要做。例如，檢測氣體時需要傳感器的微型化；在檢測郊野水源水質檢驗的時候，檢測環(huán)境和條件難以達到要求；另外，目前大多數(shù)電化學傳感器一般只能對單一污染物進行研究，缺乏對某一類污染物的系統(tǒng)性研究等等。雖然困難重重，但是隨著電化學傳感器技術的不斷改進與創(chuàng)新，未來依然有希望在相關企業(yè)單位的廢氣排放、污水排放的現(xiàn)場徑直檢驗和郊野環(huán)境的動態(tài)沒有人監(jiān)控下的實時監(jiān)測，電化學生物傳感器具有環(huán)境污染小、樣品用量少、對樣品損傷程度低能與微制造技術相兼容等特性，使電化學傳感器在原位、實時、連續(xù)監(jiān)測等方面擁有巨大的應用潛力和良好的發(fā)展前景。

參考文獻

[1]陳晨.用于重金屬離子檢測的電化學傳感器的研究[D].上海：華東理工大學，2011.

[2]王志強.農產品及其產地環(huán)境中重金屬快速檢測關鍵技術研究[D].

北京：中國農業(yè)大學，2014.

[3]梁剛，劉新會.電化學DNA生物傳感器在檢測環(huán)境有機污染物中的應用[J].環(huán)境化學，2013（7）：88-97.

[4]宋偉.基于納米材料的可拋式電化學傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應用[D].上海：華東理工大學，2011.

[5]Y.Q.ZhengYang，C.Z，W.Helal，Carbon nanotule-based DNA bicisenson for moni-toring phenolic pollutants [J].Microchun Acta，2009，16（1）：21-26.

[6]薛瑞.納米材料電化學傳感界面的構建及農藥殘留檢測應用[D].北京：北京工業(yè)大學，2014.

[7]張偉龍.納米金與石墨烯修飾農藥殘留電化學傳感器研制及其應用研究[D].無錫：江南大學，2013.

[8]簡家文，楊邦朝，楊益燦.Pt/YSZ電極結構形貌對傳感器特性的影響[J].電子測量與儀器學報，2004，18（4）：10-15.