基于三維多孔納米材料構建的電化學傳感器應用研究

張琦

摘 要：電化學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、抗干擾性強等優點。電化學傳感器在環境監測、臨床診斷、食品工業以及地球化學分析等領域都得到了高度的關注和廣泛的應用。文章針對兩種基于三維多孔納米材料構建的電化學傳感器，分別介紹了其工作原理和檢測性能，討論了電化學傳感器在地球化學分析中的應用，最后對電化學傳感器在地球化學分析領域的發展方向進行了展望。

關鍵詞：電化學傳感器；三維多孔納米材料；地球化學分析

1 電化學傳感器概述

電化學傳感器是以電化學電極作為換能器，以電流、電勢、阻抗或者電容作為特征檢測信號的一類傳感器。通過特定的反應使被測組分消耗或者產生相應化學計量數的電活性物質，從而將被測組分的濃度或者活度變化轉化為與其相關的電活性物質的濃度變化，并通過電極獲取電勢或電流等信息，經二次儀表放大并輸出，最后達到檢測待測物質濃度的目的[1]。電化學傳感器在食品檢驗、藥物分析、環境監測、臨床診斷和地球化學分析等領域都有著廣闊的應用前景。如環境中的污染氣體的檢測和控制，食品中農藥殘留成分或病原體的快速檢測，人體血液中病原體的實時檢測，地球化學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成網絡結構的材料。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）。隨著合成技術的不斷發展，具有各種不同孔結構和形貌的多孔納米材料被相繼合成出來，具有穩定的結構、較高的表面積、較大的孔容以及優越的性能使其在化學工業、生物技術以及能源、環保等不同領域體現出非凡的應用價值，日益成為當今材料領域的研究熱點之一。

2 電化學傳感器在地球化學分析中的應用展望

地球化學樣品分析是獲取地球化學信息資料的最重要環節。隨著科學技術的不斷進步，各種各樣的分析測試技術被應用到地球化學分析當中。其中，電化學分析技術如電導分析、電位分析和極譜分析在地球化學樣品分析中有著重要的作用。目前，電化學分析方法在地球化學分析中主要用于W，Mo的測定、pH，Eh、電導率測定、氟離子的測定等。

2.1 電化學傳感器在重金屬離子檢測中的應用

重金屬是一類最危險的污染物，往往長期積累在生物體內不可降解，在極其微量的情況下也會產生不良后果，各種生態系統都不同程度地受到重金屬的影響。電化學分析在重金屬離子檢測中有重要的實際應用價值。同時，基于電化學分析方法發展起來的傳感器具有巨大的應用價值。

應用在重金屬離子檢測領域的主要有酶傳感器和細胞傳感器[2]。酶傳感器對重金屬離子的檢測一般是通過酶抑制法或酶活化法。酶抑制電化學傳感器具有快速、簡便，對所分析樣品需要量少等優點，但是因為一些酶能夠被幾種重金屬離子，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，因為只有很少數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]。細胞電化學傳感器是活體微生物對特定的化學物質產生特定的量化信號。根據檢測的特異性，細胞電化學傳感器可以分為3類：非特異性、半特異性和特異性。細胞電化學傳感器具有快速、實時檢測等特點，主要應用于環境監測領域。

2.2 電化學傳感器在有機污染物檢測中的應用

有機污染物已經成為當今世界各國環境中最普遍存在的，而且是最重要的一類污染物。傳統的檢測有機污染物的檢測方法有比色法、氣相色譜-質譜（G-MS），液相色譜-質譜（LC-MC）、熒光光譜法和毛細管電泳法等。這些檢測方法雖然具有準確性好，靈敏度高等特點，但同時也存在設備昂貴、維護成本高，而且不適宜現場監測等缺點。電化學傳感器由于具有速度快、選擇性好、成本低、操作簡單等優點，已經被廣大分析工作者認為是現場監測的好方法。表1列出了目前電化學傳感器在有機污染物檢測中的應用實例。

2.3 電化學傳感器在其他物質檢測中的應用

電化學傳感器的應用范圍十分廣泛，可用于研制便攜式NO2檢測報警儀[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]、檢測蛋白質細胞色素[10]、測定半胱氨酸[11]、檢測農藥殘留[12]、檢測過氧化氫[13]、環境微生物功能基因[14]、分析中草藥成分[15]等。

如徐肖邢[16]研究了N，N-二甲基對苯二胺在碳印刷電極上的電化學行為及其對硫離子的電催化氧化，通過差分脈沖伏安法對硫離子進行檢測，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，相關系數為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修飾的金電極對紫杉醇進行了研究。結果表明，紫杉醇與DNA作用后導致鳥嘌呤堿基的峰電流強度降低，基于此實現了對紫杉醇的檢測并應用于血液樣品的分析。

3 結語

電化學傳感器作為一種新的檢測技術與以往的傳統分析方法相比具有諸多優勢。但是因其起步較晚發展尚不完善，仍有大量的工作要做。將各種具有優良性能的材料應用于電化學傳感器的構建中，能夠大大提升傳感器的性能，拓寬傳感器的適用范圍，為其在地球化學分析中的應用開辟新的道路。電化學傳感器極具發展潛力，未來的電化學傳感器將會和計算機實現完美結合，能夠自動采集、處理數據，更科學準確地提供結果，實現采樣、進樣、最終完成檢測的自動化系統。隨著納米技術、電化學技術、分子識別技術以及表面固定技術等關鍵性技術的不斷發展，電化學傳感器必將在地球化學分析領域占有一席之地。

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