电化学传感器在环境检测中的应用研究

刘立红+++车文实+++孙晶+++陈丽华+++代立梅+++杨柳+++朱道玉

摘 要：文章主要对电化学传感器技术的原理及其在环境检测各个方面的应用研究进展进行了综述，最后对电化学传感器技术存在的问题和发展方向进行了展望。

关键词：电化学传感器；环境检测；应用研究

引言

环境问题是现代世界统一关注的问题，在社会经济飞速发展的今天，环境污染问题也越来越严重，给人们的生活、健康、经济都带来深远的影响。电化学分析技术是现代环境污染物以及环境微检测技术中新兴起来的一种技术。目前电化学传感器主要应用在对土壤环境、水体环境中金属离子的检测，对大气环境中二氧化硫、二氧化氮等气体的检测等。

1 电化学传感器的基本原理

电化学传感器是化学传感器的一种，是现代化学分析测定中的一类特殊传感器。主要是利用污染物质在电极表面发生电化学反应，再通过特定的换能器将这种感知信息转换成可识别的，与目标物质浓度变化成比例的电信号被人们识别，从而达到定性或定量的分析检测目标物质的一种仪器设备。

2 电化学传感器在环境检测中的应用

2.1 电化学传感器对重金属离子的检测

目前重金属离子检测方法有光谱法、质谱法、电化学方法等。电化学方法由于测定操做步骤简单、价格低廉而在重金属离子的检测领域发挥着重要作用。华东理工大学的陈晨[1]等人采用丝网印刷技术与模板复杂合成法制备了多孔丝网印刷碳电极，并用铋膜对该电极进行了修饰，实现了对铅和镉两种重金离子的检测，检测限达到0.03ug/L和0.34ug/L。中国农业大学的王志强[2]等人采用导电物质分子导线作为粘合剂，制作了一种新型碳糊电极，并用Nafion膜和锡膜在电极表面进一步修饰，利用该电极对多个农田灌溉水水中的镉离子进行了测定，检测限为0.13ug/L，并把检测结果与原子吸收光谱法测量结果对照，分析表明该传感器具有良好的检测准确性和可靠性。邹绍芳等人研究了重金属電化学传感器在海水检测中的应用并研制了用于多元素重金属检测的集成微型传感器用于测定锌、铜、锰、砷、铁、铬等多种元素。Lau等人研究了可以同时检测Pb2+和Cd2+的电化学传感器，该传感器是利用发光二极管（LED）原理设计的，对两种金属离子的检测限都能达到nmol/L。

2.2 电化学传感器对有机污染物的检测

2.2.1 电化学传感器对多环芳烃物质的检测

多环芳香烃类物质（PAH）是一大类有毒有害的污染物质，且有致癌性，水体中的 PAH含量非常低，一般在1×10-9ng/mL范围内，很难检测，这样就需要开发灵敏度较高的检测传感器实现对水体中PAN的检测。Schechter等人发明了光纤光学荧光传感器，这种传感器对（PAH）的检测限可达到 4×10-11μmol/L，对蒽类物质的监测限为5×10-10μmol/L。江南大学梁刚、刘新会[3]教授等通过特定的荧光分子亮度可以大致的分析出蒽的浓度。相对于传统的检测手段精度更高，检测结果容易观察，且节省了检测时间，为后续传感器上敏感元件上特殊材料的使用提供了依据。

2.2.2 电化学传感器对酚类化合物的检测

酚类化合物是一类普遍存在的有机污染物，在体内蓄积可产生细胞毒性，危害人体健康。是一种优先监测的有机污染物。宋伟[4]等人采用电聚合方法制备了可抛型的茜素红—石墨烯修饰丝网印刷电极，并把该电极应用于水中酚类化合物的测定，该修饰电极对对苯二酚和邻苯二酚具有明显的催化作用，检出限分别达4.34×10-6mol/L，3.42×10-6mol；张婷婷等人将有序介孔碳修饰到玻碳电极上构建了电化学传感器，并应用到硝基苯酚异构体以及苯酚衍生物的酸度系数的测定上，检测限分别为0.1、0.08μmol/L。除此之外Zheng[5]课题组采用DNA/多壁碳纳米管（MWCNTs）修饰的玻碳电极，实现对苯酚、甲基酚及儿茶酚等酚类污染物的检测，此种技术的出现标志着检测技术已经到达了分子水平。

2.2.3 对农药残留的检测

农药在农产品的生产、储存过程中以及在危害防治中起着重要的作用。尤其是人口多、耕地面积有限的今天，农药保证了粮食的丰产丰收，满足人们对农副产品的需求等方面发挥着重要的作用，为人类创造了巨大的经济效益。但农药的过度使用造成了对环境的污染，农产品农药残留超标，严重危害着人体健康。薛瑞[6]等人以石墨烯-Nafion复合物作为固相吸附剂，制备用于检测有机磷农药的电化学传感器；张伟龙[7]等人研究了聚苯乙烯磺酸钠功能化石墨烯的新型电化学发光传感器，实现了对抗蚜威、啶虫脒和吡虫啉三种农药的检测，检出限分别为0.667ng/mL，40ng/mL，50ng/mL。

2.2.4 电化学传感器对气体污染物的检测

电化学气体传感器主要是通过观查电流变化来监测气体的浓度和成分的。简家文等[8]采用Pt为电极，YSZ（铂-氧化钇-氧化锆）为氧离子转换器，可以检测1×10-4μmol/L4～1×10-3μmol/L范围的NO。Moon等人采用氧化钨（WO3）的纳米颗粒，对NO2的检测限达到800ppb，达到了对大气检测的要求。

3 展望

电化学传感器技术与以往的传统方法相比具有诸多优势，在环境监测领域的研究应用已经深入到各个角落，但是目前大部分还是处于大量的理论研究过程中，真正到实际应用仍有大量的工作要做。例如，检测气体时需要传感器的微型化；在检测郊野水源水质检验的时候，检测环境和条件难以达到要求；另外，目前大多数电化学传感器一般只能对单一污染物进行研究，缺乏对某一类污染物的系统性研究等等。虽然困难重重，但是随着电化学传感器技术的不断改进与创新，未来依然有希望在相关企业单位的废气排放、污水排放的现场径直检验和郊野环境的动态没有人监控下的实时监测，电化学生物传感器具有环境污染小、样品用量少、对样品损伤程度低能与微制造技术相兼容等特性，使电化学传感器在原位、实时、连续监测等方面拥有巨大的应用潜力和良好的发展前景。

参考文献

[1]陈晨.用于重金属离子检测的电化学传感器的研究[D].上海：华东理工大学，2011.

[2]王志强.农产品及其产地环境中重金属快速检测关键技术研究[D].

北京：中国农业大学，2014.

[3]梁刚，刘新会.电化学DNA生物传感器在检测环境有机污染物中的应用[J].环境化学，2013（7）：88-97.

[4]宋伟.基于纳米材料的可抛式电化学传感器在环境监测中的应用[D].上海：华东理工大学，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.纳米材料电化学传感界面的构建及农药残留检测应用[D].北京：北京工业大学，2014.

[7]张伟龙.纳米金与石墨烯修饰农药残留电化学传感器研制及其应用研究[D].无锡：江南大学，2013.

[8]简家文，杨邦朝，杨益灿.Pt/YSZ电极结构形貌对传感器特性的影响[J].电子测量与仪器学报，2004，18（4）：10-15.