电化学传感器在环境检测中的应用

郭 杰

（鹤壁职业技术学院，河南鹤壁 458000）

电化学传感器主要包括感应元件以及换能器两个部分，其是通过电化学传感器对检测目标实施测试以及分析的一种传感设备。电化学传感器产生于20世纪50年代，当时主要应用在对氧气的检测中，一直到20世纪80年代，才逐渐被运用在对各类含毒气体的检测上，并且展现了其优越的性能。目前，电化学传感器已在很多行业广泛运用，特别是在食品工业领域、环境检测领域等。

1 电化学传感器的构成、基本原理及优缺点分析

1.1 电化学传感器的构成

一个完善的电化学检测设备通常是由计算机、电化学工作站、电极片、被测液体等多个部分组合而成。计算机主要用于可视化管理操控，电化学工作站主要用于电化学分析，电极片用作与被测液体产生化学反应，是电化学探究的核心目标。最初，电极材料一般为裸碳电极片或者裸金属片，但其瞬时电流响应的能力通常有一定的局限。研究发现，可以利用共价键合、吸附、电解聚合等方式，将特定特性的分子、离子、高分子化合物等依附在电极片上，在分子级别上对电极的特性实施改善，增强电极片的特性，叫作修饰电极片，修饰物料通常也叫作催化剂。修饰电极片自推出至今便获得了飞速地推行和进步，是目前电化学传感器探究的核心和前端。

1.2 电化学传感器的基本原理

电化学传感器是利用测定目标解析物的物理化学或电化学特性，完成定量分析或定性分析的一种检测方法。电化学传感器的基本工作原理：目标分析物经过分散直达指定的作业电极片表层，在电极片表层形成电极反应，生成电化学数据信号并利用信号切换组件转换为工作电压、瞬时电流、电导等电子信号，随后电化学分析仪对电子信号实施扩大、切换等处置，最终将处置后的数据信号传送至电脑实施转换显示，就可以完成对试品中目标分析物成分的检查 测量。

近几年，随着纳米技术的发展壮大，很多科研工作者将纳米技术运用于电化学传感器的建设。研究发现，依托于纳米技术的创新型电化学传感技术有希望解决目前电化学传感器所碰到的瓶颈。利用将创新型的纳米技术表达到作业电极表层，制备出的创新型电化学传感器，可以合理稳固目标检测物，如生态有机污染物质、重金属离子、生态废气大分子、生物小分子等，并加快其与作业电极相互间的电子转移，产生氧化作用或还原反应，达到高灵敏的现场即时检查测量。

1.3 电化学传感器的优势

1.3.1 选择性和灵敏性

电化学传感器可以得到环保检测机构和有关科学研究团队的重视，是由于这类传感器拥有很强的可选择性和灵敏度，可以在环保检测过程中激发出巨大的功效。例如相对于别的环保设备，电化学传感器可以对生态中的检测成分实施选取，并合理地提升环保检测的精准效果。

1.3.2 运用成本低

电化学传感器的经济性不仅体现在其设备价格的优势上，同时，其在实施环保检测作业的过程中所需损耗的电量较低，具有较好的节能降耗的作用；另外，电化学传感器的可移动特点也具有显著的效果，既便于环保检测人员的基本操作，又有效缓解了人工负担，减少运用成本。

1.3.3 适用现场检测

电化学传感器可针对空气中的氧气、有毒气体、生态环境等实施有效的现场检查测量，当前已被普遍运用到了众多行业领域中，是目前环保检测领域发展中不可缺少的核心检测设备。

1.3.4 操作简单分析快捷

电化学传感器的数据特征为线性导出、低耗能以及优良的屏幕分辨率；另外，其拥有较好的反复性和精确性。如果校对到已知浓度值，传感器将形成可反复的、精准的目标气体数值。

1.4 存在的不足

1.4.1 制备材料方面的问题

在传感器材料的制备过程中，会遭受众多差异化标准的限制，造成制备用时较长，而且整个制备的实施步骤也比较麻烦，增加了操作人员的作业量，为相应作业的如期完成造成了众多的困扰。必须要特别注意的是，在对传感器材料进行制备的环节中，会运用各种有毒有害的成分，例如联氨（N2H4）等。这就导致制备出的材料可能会对操作人员的安全与健康产生危害，而且还会对生态环境造成破坏，非常无益于对环境的分析和检查测量。因此，在制备材料的环节中必须牵扯到毒性成分，那么当检查测量结果显示有毒有害时，不管是环保问题或是材料的原因，均会对检测数据的精确性产生直接影响。所以，在材料的制备环节中所运用的方式方法以及具体的流程有待优化与完善。

1.4.2 有限的温度范围

由于电化学传感器对环境温度十分敏锐，因此传感器通常都实施了内层温度补偿，尽量保证环境温度平稳。

1.4.3 预期寿命较短

电化学传感器通常只有半年到1a的存放期限，时间的长短主要由运用的环境条件以及被检验的气体决定，最多不会超过3a。在任务气体中储放的用时越长，使用寿命就越短。此外，环境温度较高以及湿度较低的环境中，会造成传感器的电解质溶液变干。在使用过程中存在任务气体或干预气体交叉也会耗光传感器内的电解质溶液。

1.4.4 与其他气体的交叉灵敏性较大

存在较大的与别的气体的交叉灵敏性，虽然是电化学传感器的一个优势，但同样也是一个弊端。某些传感器极易遭受来源于别的气体的影响，因此需要非常清晰地了解哪类气体也许会传感器产生影响，尽早找到隐藏的问题并予以解决。

2 电化学传感器的分类

电化学传感器的分类方式主要包括根据传输信号存在的差异性实施分类和根据检测物成分的差异性实施分类两种。根据传输信号的差异性实施分类，电化学传感器可以分成电容传感器、电导传感器、电位传感器和电流传感器。电容传感器把在电解质溶液和电极界面间被测量的改变转换成电容值的改变，完成对被测成分检验的最终目的。电导传感器是将被测成分进行氧化反应后，将电解质溶液中电导的改变当作传感器的输出，完成对被测成分检验的最终目的。电位传感器是把被测成分融化于电解质溶液中，并影响于电极进而形成感应电动势，将其当作传感器的输出，完成对被测成分检验的最终目的。电流传感器指的是在电解质溶液和电流的界面中维持一个定态的电位，对被测成分进行氧化还原反应，最终流过外电路的电流当作传感器的输出，完成对被测成分检验的最终 目的。

根据检验成分的差异性实施分类，电化学传感器还能分成化学传感器、离子传感器、生物分子传感器和生物传感器。

3 电化学传感器在环境监测中的应用

3.1 在金属离子检测中的应用

目前的重金属离子检验方式一般可分成三类。电化学传感器检验的方式操作步骤比较简单，而且其耗费的投入较低，所以此类重金属离子的检验方式已经获得比较普遍的运用，对相应行业也产生了较大的影响。所以必须要对电化学传感器的运用和技术创新实施多方面的关注。在重金属离子检验的过程中，借助运用多工艺互相融合的方式，可以对电极实施一定的修饰，并实现对重金属离子铅镉的检验。依据相应的检测标准对金属离子实施检验，并全面比照每一项检验结论，对传感器检验结论的精确性提高有较大的作用，而且利用这样的检验可以获得科学、平稳的使用性能。

3.2 在酚类化合物检测中的应用

当电化学传感器在检测酚类化合物的环节中，务必注意这类成分本身所具备的风险性。因为酚类化合物在社会环境与生态环境中有着比较宽泛的分布范围，会对人体健康产生非常大的伤害，所以，酚类化合物作为需限制检查测量的成分在电化学传感器占有很大的空间。在电极的影响下，苯二酚和邻苯二酚会出现比较显著的催化反应，这对生产制造电化学传感器具有较大的作用，所以，在对酚类物质的酸值指数实施检查测量时需用加强电化学传感器的 应用。

3.3 对农药品残留物进行检测之中的应用

在实施农业种植时，农药杀虫剂是一种常用的成分，而且对农副产品的害虫防治具有十分关键的作用。但是，伴随着社会经济的发展，城市化进程建设进度的持续加快，为了保证农副产品的生产率与品质不受影响，需要对农药杀虫剂的运用实施相应的管控。唯有尽量科学规范地运用农药杀虫剂，才能更为合理地促进社会效益与经济价值的增强；因为农药杀虫剂的频繁运用，会对大众的生活环境产生较大的隐患，比如农副产品中农药杀虫剂频繁或是超出标准地使用，会对大众的身体健康产生很大的不良影响。所以，研究者在对其进行探究的过程中，生产制造了这种可以检测农作物商品中是否含有毒物质以及有毒成分是否超出标准的电化学传感器，运用电化学传感器，能实现对农副产品中不同有毒物质的检查测量。这就是电化学传感器在农业种植中的合理运用，要足够重视这类传感器在农副产品中挥发的重大功效，并按照具体情况实施持续的工艺改善。

3.4 在多环芳烃物检测中的应用

在对多环芳香烃类的成分实施检查测量时，应综合考虑到这类成分具备的有毒有害特征和致癌性。因为该成分在水中的多环芳烃占比较少，其含量范畴通常在1×10-9na/mL。因此，该成分的检查测量环节较难完成。因此，对于这一现象，研究者研发了敏感度较高的电化学传感器，便于更精准合理地完成在水环境中多环芳香烃类化合物的检查测量。经过实操表明，光纤光学荧光检测传感器对多环芳香烃类化合物的检出限的数值可达5×10-10μmol/L。与此同时，研究人员也指出，使用各种饱和度的荧光检测分子，也能解析出蒽的含量。相对于过去的检查测量方法来讲，光纤光学荧光检测传感器的检查测量结论较精准，现场采样也较短，是一种较合理的检查测量方法。

3.5 在空气湿度检测中的应用

环境湿度是大气自然环境的一个主要指标，大气的环境湿度与人身体蒸发热相互间拥有密切联系，高热高湿时，因为身体水分含量挥发不便而觉得炙热，高湿低温时，人体内排热流程强烈，易于引发风寒和受冻。人体最适宜的温度是18～22℃，空气相对湿度为35%～65%RH。在自然环境与卫生检测中，经常使用于湿球温湿计、手动式湿测温器和通风湿测温器等仪器设备测量空气相对湿度。

近些年，许多资料报道用传感器测量空气相对湿度。用来测量空气相对湿度的涂敷压电式石英晶体用传感器，通过光刻技术和化学工业刻蚀技术制作而成的小型的石英夺电晶体，在AT割切的10MHz石英晶体上涂了四种成分，对环境湿度拥有较高的性能灵敏度。这种晶状体是振荡电路里的共振器，其频次可随性能转变，选择恰当涂抹，可以用来测量各种气体中的湿度。传感器的敏感度、照应线形、照应时刻、选择性、迟滞情况和使用期限等关键在于涂膜的性质。

3.6 对二氧化硫检测的应用

二氧化硫是产生酸雨的关键因素，也是导致大气污染的关键因素。使用传感器测试二氧化硫，可提高检测效率，提升测试精准度。测试时，离子交换膜为固态高分子化合物，膜的一侧含反电极和参比电极的内部电解液，另一侧嵌入铂电极，构成二氧化硫传感器。

4 电化学传感器的发展趋势

随着物联网技术的兴起和大众对自然环境关注度的持续提升，电化学传感器在环境保护领域的使用也更为普遍。电化学因为体型小，敏感度高，安装快捷成为传感器领域的新型产品。随着功能性纳米材料的出现，电化学传感器的某些问题将被攻克，并在现代农业、环境监测和医疗卫生领域呈现其使用意义，尤其是在新型的物联网技术构建中，电化学更将展现出其意义。

电化学传感器可以用在对气体的测试上，它几乎可以测试全部的空气污染物，包含有机氰化物、硫化物、硫氧化物质、二氧化碳、氮氧化合物、氮的还原物和别的气体成分。

离子传感器则是水环境和土壤环境污染物质测试的重要方式，能测量很多阴、阳离子及有机化合物，包含卤素、氰化物、各种金属离子、有机酸根，有机污染物质等，pH和氟的测量是较经典的使用。有些离子传感器还可用作气体污染物质分析。

电化学生物传感器可以用在水环境测试和空气环境检测中，如测试水环境的富营养化，BOD和重金属离子浓度值，空气中二氧化硫、二氧化碳和二氧化 氮等。

在将来，电化学传感器将被普遍运用于工业生产、科研开发、国防安全、环境等领域。在很多的传感器种类中，电化学传感器已经变成科研领域最多、运用范围最广、技术最稳定的一种传感器。将来，传感器在实用化、小型化、数字化角度会获得了蒸蒸日上的发展，具备特殊作用和优势的电化学传感器可能会层出不穷并进入社会实践运用。

5 结束语

要想让电化学传感器在环境监测环节中挥发出最优作用，就需要对电化学传感器的基本原理和特征实施全方位了解，并且还需要对危害电化学传感器运用功效的不利条件实施仔细探究。针对环境监测环节中出现的缺点与不足，应联系实际状况，对问题形成的根本原因实施仔细探讨，并制定出切实可行的改进方案，减少不利条件对环境监测品质的干扰。相信在未来，大量现代化的技术方法和设备仪器会被运用到环境监测作业中，为各行业的发展打下良好基础的同时，促进社会自然融洽的发展。