電化學傳感器在重金屬離子檢測中的研究進展

陳宏碩，張雪莉，崔傳金

（1.華北理工大學學生處，河北唐山063009；2.華北理工大學冀唐學院，河北唐山063300；3.華北理工大學電氣工程學院，河北唐山063009）

電化學傳感器在重金屬離子檢測中的研究進展

陳宏碩1，張雪莉2，崔傳金3

（1.華北理工大學學生處，河北唐山063009；2.華北理工大學冀唐學院，河北唐山063300；3.華北理工大學電氣工程學院，河北唐山063009）

隨著環境中的重金屬污染現狀日益加劇，重金屬的定量分析變得尤為重要。電化學傳感器以其反應速度快、靈敏度高、成本低廉、適合在線監測等優點在食品安全檢測領域發揮著越來越重要的作用。本文主要闡述電化學傳感器的類型及其在重金屬離子檢測中的應用現狀，并對電化學傳感器的發展方進行總結和展望。

電化學傳感器；重金屬；應用

隨著經濟的快速發展，工業化程度的不斷提高，環境中的重金屬污染食品現象日趨加劇。環境中的重金屬污染物具有如下特點：一是在環境中難以降解，二是在動植物體內蓄積，三是可通過食物鏈逐步富集，從而對人體健康造成嚴重危害。因此，重金屬的定量分析在食品安全檢測領域變得尤為重要。與紫外可分光光度法（UV）、原子吸收法（AAS）、X熒光光譜（XRF）、電感耦合等離子質譜法（ICP-MS）等傳統檢測方法相比，電化學傳感器具有低功耗、高靈敏度、高精度、所用儀器簡單、適宜現場快速檢測等特性，是一種很好的痕量分析手段。本文主要綜述不同類型的電化學傳感器在重金屬檢測中的應用現狀及研究進展，并對電化學傳感器在重金屬檢測中的應用前景進行總結和展望。

1　電化學傳感器的原理及組成

電化學傳感器的工作原理如圖1所示，將待測物質以適當形式置于某一種電化學反應池中，發生特定的某些物理化學變化，這些物理化學變化被電化學器件轉換成可測量的電信號，通過測量其電信號（如電位、電流、電阻等）變化，從而實現對待測物質組成及含量的測定。

圖1　電化學傳感器檢測原理Fig.1 The detecttion principleof electrochem icalsensor

如圖2所示，典型的電化學傳感器一般由傳感電極（工作電極WE）和對電極（CE）組成，亦可在傳感電極上進行材料修飾制作各種修飾型傳感電極，提高檢測限和靈敏度，并由一個薄電解層隔開。如果是在三電級體系中，則需要再增加一個參比電極（RE）。

圖2　電化學傳感器的基本構成Fig.2 The composition of electrochem icalsensor

2　電化學傳感器的類型及其在重金屬離子檢測中的應用

根據電化學傳感器在重金屬檢測過程中使用的識別物質或修飾材料的不同，主要分為電化學生物傳感器及其他電化學傳感器。

2.1電化學生物傳感器在重金屬離子檢測中的應用

2.1.1免疫生物傳感器

電化學免疫傳感器就是把電化學技術和生物技術有機結合，運用高靈敏度的電化學傳感技術將抗原與抗體高特異性結合反應轉換為電信號（電位、電流、電場），信號變化可以通過電化學工作站進行監測。Hongwei Zhao等［1-2］把Cu（II）-EDTA復合體與載體蛋白共價耦合制成微懸臂免疫傳感器用于Cu（II）-EDTA的檢測，檢測限可達1 ng/mL。Lin等［3］將單克隆抗體固定在金納米顆粒光纖探針上，用于結合Pb2+螯合物，引起局域化表面等離子體振蕩信號的變化，實現了檢測Pb2+離子，檢測限達0.27μg/L，并且在4℃、35 d后仍可實現檢測結果重現性。Yasumoto Date等［4］將重金屬離子（Cd2+、Cr6+、Pb2+）抗原微粒固定在固相支撐基質上，當待檢物與金納米顆粒標記抗體的混合物流經支撐基質時，剩余未與待檢物結合的抗體可與固定抗原結合，實現競爭性間接檢測待檢物，檢測信號與待檢物濃度呈反比。該傳感器檢測時間短，7min內可完成Cd2+、Cr6+、Pb2+3種離子的檢測，檢測線性范圍分別為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，均達到理論檢測水平（抗體Kd限），實現了同時檢測多種重金屬。

2.1.2酶生物傳感器

電化學酶傳感器是基于酶反應所產生或者消耗電活性物種的監測而構建的應用最廣、數量最多的一類生物傳感器。連蘭等［5］制作了葡萄糖氧化酶生物傳感器，對緩沖溶液的pH、溫度與響應信號關系進行了研究。試驗結果表明在pH 6.86，25℃時響應電流最大。檢測Cu2+時，線性響應范圍為5μmol/L～40μmol/L，相關系數為0.97；檢測Hg2+時，線性響應范圍為2.5μmol/L～22.5μmol/L，相關系數為0.965 5。寇冬梅［6］等把脲酶用尼龍網固定，并以pH平面復合電極作為固定化酶的載體，成功制得酶膜生物傳感器。結果表明Hg2+、Cu2+、Cd2+3種重金屬離子的檢測限分別為9、8、30μg/L，線性響應范圍分別為0.01μg/mL～1.00μg/mL、0.01μg/mL～1.00μg/mL、0.10μg/mL～10μg/mL。MamboMoyo等［7］運用辣根過氧化物酶與多壁碳納米管的靜電作用力形成復合物共同修飾玻碳電極，傅立葉紅外光譜與UV紫外光譜檢測修飾后的辣根過氧化物酶未發生任何變性。Dixon and Cornish-Bowden分析表明其對重金屬的抑制具有可逆性，檢測結果顯示Pb2+和Cu2+的抑制率分別0.092mg/L～0.55mg/L和0.068mg/L～2mg/L，檢測限分別達到2.5μg/L和4.2μg/L。而且此生物傳感器表現出良好的穩定性和重現性。

2.1.3全細胞生物傳感器

全細胞生物傳感器（Whole Cell Biosensor，WCB）利用全細胞作為生物識別元件，利用其可以特異性的對金屬離子的刺激產生應激反映特性，并將信號放大。它既可對污染物的遺傳毒性進行評價，也可對金屬離子的有效作用部位進行檢測，現已發展為重要的生物監測手段之一。張鵬幸等［8］以嗜熱四膜蟲為材料，構建了一種含有螢火蟲熒光素酶基因的重組四膜蟲WCB，并檢測了該細胞株對重金屬鎘、汞、銅和鋅的響應。實驗結果表明重組四膜蟲對重金屬鎘和汞的響應最敏感，可檢測的最低限為5 ng/mL～10 ng/mL，達到國家標準檢測限以內，該傳感器能作為痕量重金屬鉛和汞的全細胞生物檢測傳感器。CelineChouteau等［9］利用微藻中的堿性磷酸酶和乙酰膽堿酶分別能夠對重金屬和殺蟲劑有響應的特性，把藻類固定在牛血清白蛋白與戊二醛蒸汽沉積膜組成網狀結構的交叉電極上，制作了雙酶全細胞生物傳感器。通過測定電導率變化，可以探測到藻類堿性磷酸酶和乙酰膽堿酯酶的活動，從而可以定量分析痕量重金屬和殺蟲劑的含量。實驗表明，它對Zn2+、Cd2+的響應非常靈敏，30min的暴露時間檢測限高達10×10-9g/L，而且沒有協同作用或拮抗劑效應可以觀察到。此生物傳感器相對標準偏差不超過8％，而響應時間低至是5min～7min。

2.1.4微生物傳感器

微生物傳感器是通過固定化微生物的新陳代謝消耗溶解于溶液中的氧或者微生物新陳代謝將部分電活性物質產生出來進而發出光和熱，通過對產生的光和熱進行感應進而定量測定待測物質。趙紅寧等［10］從污泥中篩選出活性毒性菌株枯草芽孢桿菌（Bacillus Subtilis），然后用聚碳酸酯膜直接固定枯草芽孢桿菌，成功制備了CellSense生物傳感器。毒性分析實驗測定了Cd2+、Cu2+、Zn2+、Cr6+對Bacillussubtilis的單一毒性和二元混合體系聯合毒性。結果顯示其抑制電流信號與重金屬離子濃度正相關，表現出良好的雙曲下降趨勢，聯合毒性也表現出拮抗作用。Minseok Kim等［11］利用微生物傳感器制作的微流控平臺來檢測二價的鉛離子和鎘離子，能夠顯著增強其檢測敏感性。研究結果表明：與傳統檢測方法相比，其檢測限要低3個數量級，因此此平臺能夠廣泛被應用于促進分子分析物的特異性與敏感性檢測芯片上。Vivian Hsiu-Chuan Liao等［12］用基于綠色熒光蛋白表達控制下的cad啟動子和金黃色葡萄球菌的質粒p I258 cadC基因，成功研制了綠色熒光蛋白細菌［Escherichia coli DH5α］生物傳感器。利用其檢測土壤中重金屬的生物利用度，在檢測時間不超過2 h條件下，Cd2+、Pb2+、Sb3+的最低檢測濃度分別達：0.1、10 nmol/L和0.1 nmol/L。

2.2其他類型電化學傳感器在重金屬檢測中的應用

2.2.1化學試劑修飾電化學傳感器

化學試劑修飾電化學傳感器的報道已經非常廣泛，主要利用化學試劑與電極之間物理吸附、共價鍵等作用力來制作電化學傳感器。劉波等［13］研究了1-（2-吡啶偶氮）-2-萘酚螯合物修飾玻碳電極的制備方法，并采用陽極溶出伏安法測定痕量汞。通過實驗參數優化得出在-0.80V攪拌富集5min后，再-0.8 V到0.0V反向掃描得出Hg2+的檢測限（3倍信噪比）為6× 10－10mol/L，平均回收率為99.88％。張星等［14］采用三聚氰胺共價修飾的玻碳電極，通過同位鍍銀膜，在乙酸鹽緩沖溶液（pH=5.2）中測定Cu2+的響應。在最佳測試條件下，檢測限為1.56×10-8mol/L，表明該電極對Cu2+具有良好的選擇性。王雪梅等［15］成功制備了同位鍍鉍膜過氧化聚乙酰苯胺修飾的玻碳電極，運用方波溶出伏安法同時檢測食用鹽中Cd2+和Pb2+。結果顯示：具有良好陽離子選擇通透性的過氧化聚乙酰苯胺膜作為汞膜的替代物，使修飾電極的靈敏度和選擇性及修飾電極對Cd2+和Pb2+的富集能力得到顯著提高，其檢測限分別達到0.015μg/L和0.029μg/L。

2.2.2新型納米材料修飾電化學傳感器

納米材料（nanometermaterial）是指其結構單元的尺寸介于1 nm～100 nm范圍之間。其尺度接近光的波長，并且具有大表面的特殊效應，因而表現出熔點、磁性、光學、導熱、導電特性等不同于常規材料。黃柱進等［16］利用多壁碳納米管大的比表面積、良好傳質能力等特性，將羧基化多壁碳納米管（MWCNTs）修飾在玻碳電極上，用陽極溶出伏安法研究了Pb2+的溶出伏安曲線。與裸玻碳電極相比，修飾電極顯示出良好的峰電流，并檢測限低至0.68μmol/L。許艷霞等［17］利用一種新型納米材料納米氧化鐵具有力度小、催化能力強及分散性好的特性，滴涂法制備了納米氧化鐵-玻碳電極，采用微分脈沖陽極溶出伏安法測定了鉛的伏安曲線。在最佳檢測條件下，鎘離子的檢出限（S/N=3）為1.0×10-10mol/L。干擾實驗顯示其它常見金屬離子對隔離子的檢測無顯著干擾，表明電極抗干擾性良好。

2.2.3分子印跡電化學傳感器

分子印跡聚合物（MIPs）具有良好的目標分子選擇性、熱力學穩定性、機械強度，制備簡單，可多次重復使用的優勢。因此，將分子印跡聚合物作為識別元件用于新型的電化學傳感器已有報道，這種電化學傳感器靈敏度高，成本低，易于微型化。Wang ZH等［18］人利用席夫堿和金屬離子之間強的相互作用在水溶液中制備了自組裝單層膜（SAMs）分子印跡電化學傳感器，該傳感器對Pb2+離子具有高的靈敏度。在3.00× 10－7mol/L～5.00×10－5mol/L離子濃度范圍內Pb2+與電流呈線性關系，線性方程為IP=0.155 8+0.044 66C（Pb2+），相關系數為0.995 0。與三維的分子印跡傳感器相比較，該法制備的分子印記聚合物傳感器，響應時間更短、敏感性更強、穩定性更好。主要是因為SAMs在某種程度上克服了模板分子的橫向擴散，該法已成功用于檢測黃河水中的Pb2+。Jianping Li等［19］制備了一種新型的分子印跡電化學傳感器，運用Cu2+甘氨酸（Cu-Gly）和辣根過氧化物酶（合）標記Cu-Gly印跡聚合物膜修飾電極，檢測依賴之間的競爭反應，最終使得Cu2+離子濃度在0.5nmol/L～30 nmol/L范圍內呈線性關系，檢測最低限42.4 pmol/L，均低于其它研究報道中的檢測限。

2.2.4絲網印刷電極傳感器

絲網印刷電極就是由絲網印刷技術制作而成，由于成本低、一次性可拋，且其重現性和靈敏度良好，這些特點使得絲網印刷電極在制作電化學傳感器方面顯示出了獨特優勢，其應用也越來越廣泛。余麗等［20］用雙硫腙能與重金屬形成絡合物的性質，制作了雙硫腙絲網印刷玻碳電極。在乙酸-乙酸鈉（0.1mol/L、pH 5.0）做緩沖液，富集電位-1.1V，富集時間210 s的條件下，檢測茶湯中的Cu2+和Pb2+。陽極溶出溶出伏安曲線圖顯示Cu2+和Pb2+濃度分別在1.0×10－10mol/L～1.0×10－5mol/L、1.0×10－10mol/L～1.0×10－6mol/L范圍內與峰電流呈良好的線性關系，檢測限分別為0.35×10-10、0.41×10-10mol/L。HaoWan等制備了金納米離子（GNPs）修飾絲網印刷金電極，實驗證實修飾電極的表面積是未修飾的絲網印刷電極表面積的1.65倍，而且循環伏安圖與方波陽極溶出伏安圖都顯示修飾電極增強了檢測電流信號。因此，絲網印刷電極在重金屬檢測方面發揮了重要作用。

3　展望

電化學傳感器在重金屬檢測方面應用已經非常廣泛，這主要基于電化學傳感器具有以下幾大特點：高靈敏度、低成本、方便快捷等。隨著新技術、新材料的發展，電化學傳感器也在快速的發展。但目前電化學傳感器的研究層次主要在于對重金屬離子檢測的概念驗證，為了更好滿足實際檢測的需要，根據目前的研究發展現狀，電化學傳感器在重金屬檢測方面應該向以下幾個方面發展：（1）開發電化學傳感器與其他光譜檢測手段相結合的技術，如拉曼光譜技術，可有效擴大其檢測范圍和檢測的準確度；（2）利用納米材料科學和微電子技術的研究新成果，開發更多經濟的微型化電化學傳感器。如各種不同修飾類型的絲網印刷電極和微流控檢測芯片。（3）把現代物聯網技術與4G網絡技術結合，構建無限的傳感網，實現重金屬檢測的遠程傳送、反饋、監控。（4）結合中國市場的現狀，運用新原理、新技術、新材料、新工藝，開發智能化、免維護的實用型傳感器。

總之，隨著科技技術的進步，多樣品多組分的自動化檢測在電化學傳感器的應用上將成為一種新的發展趨勢。隨著電化學傳感器多元化的發展與新技術的不斷成熟，相信它在食品安全檢測方面有著廣闊的應用前景。

［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］連蘭，伍林，易德蓮，等.葡萄糖生物傳感器檢測重金屬離子的研究［J］，傳感器世界，2006，12（4）：6-8

［6］寇冬梅.快速檢測重金屬離子的酶膜生物傳感器及其應用研究［D］.重慶：西南大學，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］張鵬幸，徐靜，盧劍功，等.含熒光素酶四膜蟲B2086-LUC全細胞生物傳感器的構建及其對重金屬離子的響應［J］.中國環境科學，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］趙紅寧，董曉靜，王學江，等.基于枯草芽孢桿菌的CellSense生物傳感器的重金屬聯合毒性分析［J］.環境污染與防治，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］劉波，付丁強，牛明明，等.1-（2-吡啶偶氮）-2-萘酚修飾玻碳電極陽極溶出伏安法測定痕量汞［J］.湖北民族學院學報，2014，32（1）：57-59

［14］張星，肖健林，劉建允.三聚氰胺修飾玻碳電極同位鍍銀膜檢測水中痕量銅（Ⅱ）［J］.分析科學學報，2013，29（3）：333-336

［15］王雪梅，吳守國，周磊，等.同位鍍鉍/過氧化聚乙酰苯胺/玻碳電極法測定食用鹽中痕量鎘和鉛（英文）［J］.中國科學技術大學學報，2013，43（8）：661-670

［16］黃柱進，高川，劉雅瓊，等.多壁碳納米管修飾玻碳電極檢測鉛離子的研究［J］.分析科學學報，2014，30（1）：59-62

［17］許艷霞，胡成國，胡勝.水納米氧化鐵修飾玻碳電極檢測痕量鎘離子［J］.分析測試學報，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］余麗，葉永康，徐后傳.雙硫腙修飾絲網印刷電極同時檢測茶湯中的Cu（II）和Pb（II）［J］.現代食品科技，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

唐山市科技計劃項目（14130246B）

陳宏碩（1981—），男（漢），講師，碩士，研究方向：食品安全檢測。

2015-11-06