基于三維多孔納米材料構(gòu)建的電化學(xué)傳感器應(yīng)用研究

張琦

摘 要：電化學(xué)傳感器因具有靈敏性高、選擇性好、制備成本低、操作簡單、攜帶方便、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。電化學(xué)傳感器在環(huán)境監(jiān)測、臨床診斷、食品工業(yè)以及地球化學(xué)分析等領(lǐng)域都得到了高度的關(guān)注和廣泛的應(yīng)用。文章針對(duì)兩種基于三維多孔納米材料構(gòu)建的電化學(xué)傳感器，分別介紹了其工作原理和檢測性能，討論了電化學(xué)傳感器在地球化學(xué)分析中的應(yīng)用，最后對(duì)電化學(xué)傳感器在地球化學(xué)分析領(lǐng)域的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)傳感器；三維多孔納米材料；地球化學(xué)分析

1 電化學(xué)傳感器概述

電化學(xué)傳感器是以電化學(xué)電極作為換能器，以電流、電勢、阻抗或者電容作為特征檢測信號(hào)的一類傳感器。通過特定的反應(yīng)使被測組分消耗或者產(chǎn)生相應(yīng)化學(xué)計(jì)量數(shù)的電活性物質(zhì)，從而將被測組分的濃度或者活度變化轉(zhuǎn)化為與其相關(guān)的電活性物質(zhì)的濃度變化，并通過電極獲取電勢或電流等信息，經(jīng)二次儀表放大并輸出，最后達(dá)到檢測待測物質(zhì)濃度的目的[1]。電化學(xué)傳感器在食品檢驗(yàn)、藥物分析、環(huán)境監(jiān)測、臨床診斷和地球化學(xué)分析等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。如環(huán)境中的污染氣體的檢測和控制，食品中農(nóng)藥殘留成分或病原體的快速檢測，人體血液中病原體的實(shí)時(shí)檢測，地球化學(xué)樣品中重金屬離子的檢測分析等等。

三維多孔納米材料是指一種由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料。按照孔徑大小的不同，可分為微孔材料（孔徑小于2 nm）、介孔材料（孔徑2～50 nm）和大孔材料（孔徑大于50 nm）。隨著合成技術(shù)的不斷發(fā)展，具有各種不同孔結(jié)構(gòu)和形貌的多孔納米材料被相繼合成出來，具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、較高的表面積、較大的孔容以及優(yōu)越的性能使其在化學(xué)工業(yè)、生物技術(shù)以及能源、環(huán)保等不同領(lǐng)域體現(xiàn)出非凡的應(yīng)用價(jià)值，日益成為當(dāng)今材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

2 電化學(xué)傳感器在地球化學(xué)分析中的應(yīng)用展望

地球化學(xué)樣品分析是獲取地球化學(xué)信息資料的最重要環(huán)節(jié)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種各樣的分析測試技術(shù)被應(yīng)用到地球化學(xué)分析當(dāng)中。其中，電化學(xué)分析技術(shù)如電導(dǎo)分析、電位分析和極譜分析在地球化學(xué)樣品分析中有著重要的作用。目前，電化學(xué)分析方法在地球化學(xué)分析中主要用于W，Mo的測定、pH，Eh、電導(dǎo)率測定、氟離子的測定等。

2.1 電化學(xué)傳感器在重金屬離子檢測中的應(yīng)用

重金屬是一類最危險(xiǎn)的污染物，往往長期積累在生物體內(nèi)不可降解，在極其微量的情況下也會(huì)產(chǎn)生不良后果，各種生態(tài)系統(tǒng)都不同程度地受到重金屬的影響。電化學(xué)分析在重金屬離子檢測中有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，基于電化學(xué)分析方法發(fā)展起來的傳感器具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

應(yīng)用在重金屬離子檢測領(lǐng)域的主要有酶傳感器和細(xì)胞傳感器[2]。酶傳感器對(duì)重金屬離子的檢測一般是通過酶抑制法或酶活化法。酶抑制電化學(xué)傳感器具有快速、簡便，對(duì)所分析樣品需要量少等優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)橐恍┟改軌虮粠追N重金屬離子，甚至是一些陰離子抑制，因此選擇性欠佳。酶活化則具有較高的選擇性，因?yàn)橹挥泻苌贁?shù)的金屬離子可以激活特定的酶。金屬離子只是作為輔助因子激活特定的酶，如鋅離子是激活堿性磷酸酶必需的輔助因子，基于此可將鋅離子的檢測濃度降低到0.02 ppb[3]。細(xì)胞電化學(xué)傳感器是活體微生物對(duì)特定的化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生特定的量化信號(hào)。根據(jù)檢測的特異性，細(xì)胞電化學(xué)傳感器可以分為3類：非特異性、半特異性和特異性。細(xì)胞電化學(xué)傳感器具有快速、實(shí)時(shí)檢測等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。

2.2 電化學(xué)傳感器在有機(jī)污染物檢測中的應(yīng)用

有機(jī)污染物已經(jīng)成為當(dāng)今世界各國環(huán)境中最普遍存在的，而且是最重要的一類污染物。傳統(tǒng)的檢測有機(jī)污染物的檢測方法有比色法、氣相色譜-質(zhì)譜（G-MS），液相色譜-質(zhì)譜（LC-MC）、熒光光譜法和毛細(xì)管電泳法等。這些檢測方法雖然具有準(zhǔn)確性好，靈敏度高等特點(diǎn)，但同時(shí)也存在設(shè)備昂貴、維護(hù)成本高，而且不適宜現(xiàn)場監(jiān)測等缺點(diǎn)。電化學(xué)傳感器由于具有速度快、選擇性好、成本低、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣大分析工作者認(rèn)為是現(xiàn)場監(jiān)測的好方法。表1列出了目前電化學(xué)傳感器在有機(jī)污染物檢測中的應(yīng)用實(shí)例。

2.3 電化學(xué)傳感器在其他物質(zhì)檢測中的應(yīng)用

電化學(xué)傳感器的應(yīng)用范圍十分廣泛，可用于研制便攜式NO2檢測報(bào)警儀[4]、快速檢測大腸桿菌[5]、檢測腎上腺素[6]、SO2在線檢測[7]、檢測CO[8]和甲醛氣體[9]、檢測蛋白質(zhì)細(xì)胞色素[10]、測定半胱氨酸[11]、檢測農(nóng)藥殘留[12]、檢測過氧化氫[13]、環(huán)境微生物功能基因[14]、分析中草藥成分[15]等。

如徐肖邢[16]研究了N，N-二甲基對(duì)苯二胺在碳印刷電極上的電化學(xué)行為及其對(duì)硫離子的電催化氧化，通過差分脈沖伏安法對(duì)硫離子進(jìn)行檢測，氧化峰電流與硫離子的濃度在8.0×10-7 mol/L～6.5×10-4 mol/L呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.997，檢測限為3.0×10-7 mol/L。紫杉醇是新型抗微管藥物，對(duì)肺癌、大腸癌、黑色素瘤等具有一定的療效，Mehdinia課題組[17]制備了DNA /SAM修飾的金電極對(duì)紫杉醇進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，紫杉醇與DNA作用后導(dǎo)致鳥嘌呤堿基的峰電流強(qiáng)度降低，基于此實(shí)現(xiàn)了對(duì)紫杉醇的檢測并應(yīng)用于血液樣品的分析。

3 結(jié)語

電化學(xué)傳感器作為一種新的檢測技術(shù)與以往的傳統(tǒng)分析方法相比具有諸多優(yōu)勢。但是因其起步較晚發(fā)展尚不完善，仍有大量的工作要做。將各種具有優(yōu)良性能的材料應(yīng)用于電化學(xué)傳感器的構(gòu)建中，能夠大大提升傳感器的性能，拓寬傳感器的適用范圍，為其在地球化學(xué)分析中的應(yīng)用開辟新的道路。電化學(xué)傳感器極具發(fā)展?jié)摿?，未來的電化學(xué)傳感器將會(huì)和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合，能夠自動(dòng)采集、處理數(shù)據(jù)，更科學(xué)準(zhǔn)確地提供結(jié)果，實(shí)現(xiàn)采樣、進(jìn)樣、最終完成檢測的自動(dòng)化系統(tǒng)。隨著納米技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)、分子識(shí)別技術(shù)以及表面固定技術(shù)等關(guān)鍵性技術(shù)的不斷發(fā)展，電化學(xué)傳感器必將在地球化學(xué)分析領(lǐng)域占有一席之地。

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