电化学传感器在重金属离子检测中的研究进展

陈宏硕，张雪莉，崔传金

（1.华北理工大学学生处，河北唐山063009；2.华北理工大学冀唐学院，河北唐山063300；3.华北理工大学电气工程学院，河北唐山063009）

电化学传感器在重金属离子检测中的研究进展

陈宏硕1，张雪莉2，崔传金3

（1.华北理工大学学生处，河北唐山063009；2.华北理工大学冀唐学院，河北唐山063300；3.华北理工大学电气工程学院，河北唐山063009）

随着环境中的重金属污染现状日益加剧，重金属的定量分析变得尤为重要。电化学传感器以其反应速度快、灵敏度高、成本低廉、适合在线监测等优点在食品安全检测领域发挥着越来越重要的作用。本文主要阐述电化学传感器的类型及其在重金属离子检测中的应用现状，并对电化学传感器的发展方进行总结和展望。

电化学传感器；重金属；应用

随着经济的快速发展，工业化程度的不断提高，环境中的重金属污染食品现象日趋加剧。环境中的重金属污染物具有如下特点：一是在环境中难以降解，二是在动植物体内蓄积，三是可通过食物链逐步富集，从而对人体健康造成严重危害。因此，重金属的定量分析在食品安全检测领域变得尤为重要。与紫外可分光光度法（UV）、原子吸收法（AAS）、X荧光光谱（XRF）、电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）等传统检测方法相比，电化学传感器具有低功耗、高灵敏度、高精度、所用仪器简单、适宜现场快速检测等特性，是一种很好的痕量分析手段。本文主要综述不同类型的电化学传感器在重金属检测中的应用现状及研究进展，并对电化学传感器在重金属检测中的应用前景进行总结和展望。

1　电化学传感器的原理及组成

电化学传感器的工作原理如图1所示，将待测物质以适当形式置于某一种电化学反应池中，发生特定的某些物理化学变化，这些物理化学变化被电化学器件转换成可测量的电信号，通过测量其电信号（如电位、电流、电阻等）变化，从而实现对待测物质组成及含量的测定。

图1　电化学传感器检测原理Fig.1 The detecttion principleof electrochem icalsensor

如图2所示，典型的电化学传感器一般由传感电极（工作电极WE）和对电极（CE）组成，亦可在传感电极上进行材料修饰制作各种修饰型传感电极，提高检测限和灵敏度，并由一个薄电解层隔开。如果是在三电级体系中，则需要再增加一个参比电极（RE）。

图2　电化学传感器的基本构成Fig.2 The composition of electrochem icalsensor

2　电化学传感器的类型及其在重金属离子检测中的应用

根据电化学传感器在重金属检测过程中使用的识别物质或修饰材料的不同，主要分为电化学生物传感器及其他电化学传感器。

2.1电化学生物传感器在重金属离子检测中的应用

2.1.1免疫生物传感器

电化学免疫传感器就是把电化学技术和生物技术有机结合，运用高灵敏度的电化学传感技术将抗原与抗体高特异性结合反应转换为电信号（电位、电流、电场），信号变化可以通过电化学工作站进行监测。Hongwei Zhao等［1-2］把Cu（II）-EDTA复合体与载体蛋白共价耦合制成微悬臂免疫传感器用于Cu（II）-EDTA的检测，检测限可达1 ng/mL。Lin等［3］将单克隆抗体固定在金纳米颗粒光纤探针上，用于结合Pb2+螯合物，引起局域化表面等离子体振荡信号的变化，实现了检测Pb2+离子，检测限达0.27μg/L，并且在4℃、35 d后仍可实现检测结果重现性。Yasumoto Date等［4］将重金属离子（Cd2+、Cr6+、Pb2+）抗原微粒固定在固相支撑基质上，当待检物与金纳米颗粒标记抗体的混合物流经支撑基质时，剩余未与待检物结合的抗体可与固定抗原结合，实现竞争性间接检测待检物，检测信号与待检物浓度呈反比。该传感器检测时间短，7min内可完成Cd2+、Cr6+、Pb2+3种离子的检测，检测线性范围分别为5.7×10-10g/L～6.0×10-10g/L，0.03×10-9g/L～0.97×10-9g/L，0.04×10-9g/L～5.28×10-9g/L，均达到理论检测水平（抗体Kd限），实现了同时检测多种重金属。

2.1.2酶生物传感器

电化学酶传感器是基于酶反应所产生或者消耗电活性物种的监测而构建的应用最广、数量最多的一类生物传感器。连兰等［5］制作了葡萄糖氧化酶生物传感器，对缓冲溶液的pH、温度与响应信号关系进行了研究。试验结果表明在pH 6.86，25℃时响应电流最大。检测Cu2+时，线性响应范围为5μmol/L～40μmol/L，相关系数为0.97；检测Hg2+时，线性响应范围为2.5μmol/L～22.5μmol/L，相关系数为0.965 5。寇冬梅［6］等把脲酶用尼龙网固定，并以pH平面复合电极作为固定化酶的载体，成功制得酶膜生物传感器。结果表明Hg2+、Cu2+、Cd2+3种重金属离子的检测限分别为9、8、30μg/L，线性响应范围分别为0.01μg/mL～1.00μg/mL、0.01μg/mL～1.00μg/mL、0.10μg/mL～10μg/mL。MamboMoyo等［7］运用辣根过氧化物酶与多壁碳纳米管的静电作用力形成复合物共同修饰玻碳电极，傅立叶红外光谱与UV紫外光谱检测修饰后的辣根过氧化物酶未发生任何变性。Dixon and Cornish-Bowden分析表明其对重金属的抑制具有可逆性，检测结果显示Pb2+和Cu2+的抑制率分别0.092mg/L～0.55mg/L和0.068mg/L～2mg/L，检测限分别达到2.5μg/L和4.2μg/L。而且此生物传感器表现出良好的稳定性和重现性。

2.1.3全细胞生物传感器

全细胞生物传感器（Whole Cell Biosensor，WCB）利用全细胞作为生物识别元件，利用其可以特异性的对金属离子的刺激产生应激反映特性，并将信号放大。它既可对污染物的遗传毒性进行评价，也可对金属离子的有效作用部位进行检测，现已发展为重要的生物监测手段之一。张鹏幸等［8］以嗜热四膜虫为材料，构建了一种含有萤火虫荧光素酶基因的重组四膜虫WCB，并检测了该细胞株对重金属镉、汞、铜和锌的响应。实验结果表明重组四膜虫对重金属镉和汞的响应最敏感，可检测的最低限为5 ng/mL～10 ng/mL，达到国家标准检测限以内，该传感器能作为痕量重金属铅和汞的全细胞生物检测传感器。CelineChouteau等［9］利用微藻中的碱性磷酸酶和乙酰胆碱酶分别能够对重金属和杀虫剂有响应的特性，把藻类固定在牛血清白蛋白与戊二醛蒸汽沉积膜组成网状结构的交叉电极上，制作了双酶全细胞生物传感器。通过测定电导率变化，可以探测到藻类碱性磷酸酶和乙酰胆碱酯酶的活动，从而可以定量分析痕量重金属和杀虫剂的含量。实验表明，它对Zn2+、Cd2+的响应非常灵敏，30min的暴露时间检测限高达10×10-9g/L，而且没有协同作用或拮抗剂效应可以观察到。此生物传感器相对标准偏差不超过8％，而响应时间低至是5min～7min。

2.1.4微生物传感器

微生物传感器是通过固定化微生物的新陈代谢消耗溶解于溶液中的氧或者微生物新陈代谢将部分电活性物质产生出来进而发出光和热，通过对产生的光和热进行感应进而定量测定待测物质。赵红宁等［10］从污泥中筛选出活性毒性菌株枯草芽孢杆菌（Bacillus Subtilis），然后用聚碳酸酯膜直接固定枯草芽孢杆菌，成功制备了CellSense生物传感器。毒性分析实验测定了Cd2+、Cu2+、Zn2+、Cr6+对Bacillussubtilis的单一毒性和二元混合体系联合毒性。结果显示其抑制电流信号与重金属离子浓度正相关，表现出良好的双曲下降趋势，联合毒性也表现出拮抗作用。Minseok Kim等［11］利用微生物传感器制作的微流控平台来检测二价的铅离子和镉离子，能够显著增强其检测敏感性。研究结果表明：与传统检测方法相比，其检测限要低3个数量级，因此此平台能够广泛被应用于促进分子分析物的特异性与敏感性检测芯片上。Vivian Hsiu-Chuan Liao等［12］用基于绿色荧光蛋白表达控制下的cad启动子和金黄色葡萄球菌的质粒p I258 cadC基因，成功研制了绿色荧光蛋白细菌［Escherichia coli DH5α］生物传感器。利用其检测土壤中重金属的生物利用度，在检测时间不超过2 h条件下，Cd2+、Pb2+、Sb3+的最低检测浓度分别达：0.1、10 nmol/L和0.1 nmol/L。

2.2其他类型电化学传感器在重金属检测中的应用

2.2.1化学试剂修饰电化学传感器

化学试剂修饰电化学传感器的报道已经非常广泛，主要利用化学试剂与电极之间物理吸附、共价键等作用力来制作电化学传感器。刘波等［13］研究了1-（2-吡啶偶氮）-2-萘酚螯合物修饰玻碳电极的制备方法，并采用阳极溶出伏安法测定痕量汞。通过实验参数优化得出在-0.80V搅拌富集5min后，再-0.8 V到0.0V反向扫描得出Hg2+的检测限（3倍信噪比）为6× 10－10mol/L，平均回收率为99.88％。张星等［14］采用三聚氰胺共价修饰的玻碳电极，通过同位镀银膜，在乙酸盐缓冲溶液（pH=5.2）中测定Cu2+的响应。在最佳测试条件下，检测限为1.56×10-8mol/L，表明该电极对Cu2+具有良好的选择性。王雪梅等［15］成功制备了同位镀铋膜过氧化聚乙酰苯胺修饰的玻碳电极，运用方波溶出伏安法同时检测食用盐中Cd2+和Pb2+。结果显示：具有良好阳离子选择通透性的过氧化聚乙酰苯胺膜作为汞膜的替代物，使修饰电极的灵敏度和选择性及修饰电极对Cd2+和Pb2+的富集能力得到显著提高，其检测限分别达到0.015μg/L和0.029μg/L。

2.2.2新型纳米材料修饰电化学传感器

纳米材料（nanometermaterial）是指其结构单元的尺寸介于1 nm～100 nm范围之间。其尺度接近光的波长，并且具有大表面的特殊效应，因而表现出熔点、磁性、光学、导热、导电特性等不同于常规材料。黄柱进等［16］利用多壁碳纳米管大的比表面积、良好传质能力等特性，将羧基化多壁碳纳米管（MWCNTs）修饰在玻碳电极上，用阳极溶出伏安法研究了Pb2+的溶出伏安曲线。与裸玻碳电极相比，修饰电极显示出良好的峰电流，并检测限低至0.68μmol/L。许艳霞等［17］利用一种新型纳米材料纳米氧化铁具有力度小、催化能力强及分散性好的特性，滴涂法制备了纳米氧化铁-玻碳电极，采用微分脉冲阳极溶出伏安法测定了铅的伏安曲线。在最佳检测条件下，镉离子的检出限（S/N=3）为1.0×10-10mol/L。干扰实验显示其它常见金属离子对隔离子的检测无显著干扰，表明电极抗干扰性良好。

2.2.3分子印迹电化学传感器

分子印迹聚合物（MIPs）具有良好的目标分子选择性、热力学稳定性、机械强度，制备简单，可多次重复使用的优势。因此，将分子印迹聚合物作为识别元件用于新型的电化学传感器已有报道，这种电化学传感器灵敏度高，成本低，易于微型化。Wang ZH等［18］人利用席夫碱和金属离子之间强的相互作用在水溶液中制备了自组装单层膜（SAMs）分子印迹电化学传感器，该传感器对Pb2+离子具有高的灵敏度。在3.00× 10－7mol/L～5.00×10－5mol/L离子浓度范围内Pb2+与电流呈线性关系，线性方程为IP=0.155 8+0.044 66C（Pb2+），相关系数为0.995 0。与三维的分子印迹传感器相比较，该法制备的分子印记聚合物传感器，响应时间更短、敏感性更强、稳定性更好。主要是因为SAMs在某种程度上克服了模板分子的横向扩散，该法已成功用于检测黄河水中的Pb2+。Jianping Li等［19］制备了一种新型的分子印迹电化学传感器，运用Cu2+甘氨酸（Cu-Gly）和辣根过氧化物酶（合）标记Cu-Gly印迹聚合物膜修饰电极，检测依赖之间的竞争反应，最终使得Cu2+离子浓度在0.5nmol/L～30 nmol/L范围内呈线性关系，检测最低限42.4 pmol/L，均低于其它研究报道中的检测限。

2.2.4丝网印刷电极传感器

丝网印刷电极就是由丝网印刷技术制作而成，由于成本低、一次性可抛，且其重现性和灵敏度良好，这些特点使得丝网印刷电极在制作电化学传感器方面显示出了独特优势，其应用也越来越广泛。余丽等［20］用双硫腙能与重金属形成络合物的性质，制作了双硫腙丝网印刷玻碳电极。在乙酸-乙酸钠（0.1mol/L、pH 5.0）做缓冲液，富集电位-1.1V，富集时间210 s的条件下，检测茶汤中的Cu2+和Pb2+。阳极溶出溶出伏安曲线图显示Cu2+和Pb2+浓度分别在1.0×10－10mol/L～1.0×10－5mol/L、1.0×10－10mol/L～1.0×10－6mol/L范围内与峰电流呈良好的线性关系，检测限分别为0.35×10-10、0.41×10-10mol/L。HaoWan等制备了金纳米离子（GNPs）修饰丝网印刷金电极，实验证实修饰电极的表面积是未修饰的丝网印刷电极表面积的1.65倍，而且循环伏安图与方波阳极溶出伏安图都显示修饰电极增强了检测电流信号。因此，丝网印刷电极在重金属检测方面发挥了重要作用。

3　展望

电化学传感器在重金属检测方面应用已经非常广泛，这主要基于电化学传感器具有以下几大特点：高灵敏度、低成本、方便快捷等。随着新技术、新材料的发展，电化学传感器也在快速的发展。但目前电化学传感器的研究层次主要在于对重金属离子检测的概念验证，为了更好满足实际检测的需要，根据目前的研究发展现状，电化学传感器在重金属检测方面应该向以下几个方面发展：（1）开发电化学传感器与其他光谱检测手段相结合的技术，如拉曼光谱技术，可有效扩大其检测范围和检测的准确度；（2）利用纳米材料科学和微电子技术的研究新成果，开发更多经济的微型化电化学传感器。如各种不同修饰类型的丝网印刷电极和微流控检测芯片。（3）把现代物联网技术与4G网络技术结合，构建无限的传感网，实现重金属检测的远程传送、反馈、监控。（4）结合中国市场的现状，运用新原理、新技术、新材料、新工艺，开发智能化、免维护的实用型传感器。

总之，随着科技技术的进步，多样品多组分的自动化检测在电化学传感器的应用上将成为一种新的发展趋势。随着电化学传感器多元化的发展与新技术的不断成熟，相信它在食品安全检测方面有着广阔的应用前景。

［1］Hongwei Zhao，Changguo Xue，Tiegui Nan，et al.Detection of copper ions usingmicrocantilever immunosensors and enzyme-linked immunosorbentassay［J］.Analytica Chimica Acta，2010，676（8）：81-86

［2］Hongwei Zhao，Tiegui Nana，Guiyu Tan，et al.Development of two highly sensitive immunoassays for detection of copper ions and a suite of relevant immunochemicals［J］.Analytica Chimica Acta，2011，702（6）：102-108

［3］Lin T J，Chung M F.Usingmonoclonal antibody to determine lead ionswith a localized surface plasmon resonance fiber-optic biosensor［J］.Sensors，2008，8（1）：582-593

［4］Date Y，Terakado S，Sasaki K，et al.Microfluidic heavymetal immunoassay based on absorbance measurement［J］.Biosensors and Bioelectronics，2012，33（1）：106-112

［5］连兰，伍林，易德莲，等.葡萄糖生物传感器检测重金属离子的研究［J］，传感器世界，2006，12（4）：6-8

［6］寇冬梅.快速检测重金属离子的酶膜生物传感器及其应用研究［D］.重庆：西南大学，2008

［7］MamboMoyo，Jonathan OOkonkwo，NanaM.Agyei.An amperometric biosensor based on horseradish peroxidase immobilized onto maize tassel-multi-walled carbon nanotubesmodified glassy carbon electrode for determination of heavymetal ions in aqueous solution［J］.Analyticaland BioanalyticalChemistry，2014，56（5）：28-34

［8］张鹏幸，徐静，卢剑功，等.含荧光素酶四膜虫B2086-LUC全细胞生物传感器的构建及其对重金属离子的响应［J］.中国环境科学，2013，33（6）：1075-1080

［9］Celine Chouteau，Sergei Dzyadevych，Claude Durrieu，et al.A bienzymatic whole cell conductometric biosensor for heavymetal ions and pesticides detection in water samples［J］.Biosensors and Bioelectronics，2005，21（2）：273-281

［10］赵红宁，董晓静，王学江，等.基于枯草芽孢杆菌的CellSense生物传感器的重金属联合毒性分析［J］.环境污染与防治，2013，35（2）：71-77

［11］Minseok Kim，JiWon Lim，Hyun Ju Kim，etal.Chemostat-likemicrofluidic platform for highly sensitive detection of heavymetal ions usingmicrobial biosensors［J］.Biosensors and Bioelectronics，2015，65（10）：257-264

［12］Liao VHC，Chien M T，Tseng Y Y，etal.Assessmentofheavymetal bioavailability in contaminated sedimentsand soilsusing green fluorescent protein-based bacterial biosensors［J］.Environmental Pollution，2006，142（1）：17-23

［13］刘波，付丁强，牛明明，等.1-（2-吡啶偶氮）-2-萘酚修饰玻碳电极阳极溶出伏安法测定痕量汞［J］.湖北民族学院学报，2014，32（1）：57-59

［14］张星，肖健林，刘建允.三聚氰胺修饰玻碳电极同位镀银膜检测水中痕量铜（Ⅱ）［J］.分析科学学报，2013，29（3）：333-336

［15］王雪梅，吴守国，周磊，等.同位镀铋/过氧化聚乙酰苯胺/玻碳电极法测定食用盐中痕量镉和铅（英文）［J］.中国科学技术大学学报，2013，43（8）：661-670

［16］黄柱进，高川，刘雅琼，等.多壁碳纳米管修饰玻碳电极检测铅离子的研究［J］.分析科学学报，2014，30（1）：59-62

［17］许艳霞，胡成国，胡胜.水纳米氧化铁修饰玻碳电极检测痕量镉离子［J］.分析测试学报，2012，31（2）：221-224

［18］Zhihua Wang，Yaxin Qin，Chu Wang，et al.Preparation of electrochemicalsensor for lead（Ⅱ）based onmolecularly imprinted film［J］. Applied Surface Science，2012，258（6）：2017-2021

［19］Jianping Li，Lianming Zhang，Ge Wei，et al.Highly sensitive and doubly orientated selective molecularly imprinted electrochemical sensor for Cu2+［J］.Biosensorsand Bioelectronics，2015，69（25）：316-320

［20］余丽，叶永康，徐后传.双硫腙修饰丝网印刷电极同时检测茶汤中的Cu（II）和Pb（II）［J］.现代食品科技，2013，29（7）：1734-1736

Research Progress on Electrochem ical Sensor in the Way of Heavy Mental Detection

CHEN Hong-shuo1，ZHANG Xue-li2，CUI Chuan-jin3
（1.Student Affairs Office，North China University of Scienceand Technology，Tangshan 063009，Hebei，China；2.JiTang College of North China University of Scienceand Technology，Tangshan 063300，Hebei，China；3.College of Electrical Engineering，North China University of Scienceand Technology，Tangshan 063009，Hebei，China）

With the growing heavymental pollution status in the naturalenvironment，the quantitative analysis of heavymental has become especially important.The electrochemical sensor has played amore and more role in theway of the food safety detection，becauseof its following virtues：the faster reaction rate，thehighersensibility，the lower costand the real timeanalysisonlineetc.This thesismainly stated the typesand theapplication situation in theway ofheavymental ion detection，in addition，italso did the summary ofelectrochemical sensor developmentand had a look into the future.

electrochemicalsensor；heavymental；application

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.18.049

唐山市科技计划项目（14130246B）

陈宏硕（1981—），男（汉），讲师，硕士，研究方向：食品安全检测。

2015-11-06