電化學傳感技術在海洋環境監測中的應用

隋小玉

（天津中環天元環境檢測技術服務有限公司，天津 300450）

人類資源的索取從早期的陸地發展到現在的海洋，海洋生態環境受到了嚴重的污染，對人類生存和發展造成很大的威脅，所以保護海洋生態環境是國內外關注的熱點。海洋環境監測是海洋保護的有效方法，可以實時為海洋環境生態災害情況提供重要的數據，保證防范的時效性。

1 電化學傳感技術的基本工作原理

對電化學傳感技術而言，電化學傳感器是十分重要的，它通過感應器與目標分析物相互作用產生特定的信號，再按一定規律將這種信號轉換成可識別的、與目標分析物濃度成比例的電化學信號，從而實現對目標分析物的定性或定量分析，具有靈敏度高、選擇性好、成本低、操作簡單、能在復雜系統中進行在線監測甚至活體分析等優越性，已成為電分析化學中十分活躍的研究領域。電化學傳感器的分類方法很多，按照其輸出信號的不同可以分為電位型傳感器、電流型傳感器和電導性傳感器。

2 海洋環境監測概述

海洋環境監測是海洋環境監督管理的主要手段之一，是海洋環境保護的強大技術保障，也是海洋環境管理執法體系和海洋環境科學研究的主要構成部分。利用海洋環境監測，有關部門和工作人員能夠對海洋污染物的濃度以及種類數量進行合理估算，根據監測結果制定有效的防治污染新措施，研發新技術，以充分凸顯海洋環境保護監督管理的合理化和規范化。

3 電化學傳感技術在海洋環境監測中的應用現狀

地球生命通常發源于海洋，海岸帶讓人類生存與發展擁有巨大的空間。新時期我國將重點促進海洋環境保護和資源綜合開發利用，所以海岸帶環境保護受到普遍重視。海洋環境保護與資源利用的有效手段是海洋環境監測新技術，當前國際研究的主要熱點是如何促進海洋環境監測新技術發展。因為海水成分相當復雜，基體效應很大，海水中待測組分不僅含量很低，而且很有可能隨著海流發生變化，所以提出的分析方法必須要有靈敏度高、選擇性良好和檢測過程迅速等特點[1]。電化學傳感器是以待測物的電化學物質為依托，將待測物化學量轉化為電學量來檢測的裝置，其具有諸多優越性能。現階段，電化學傳感器已經用于環境樣品中很多物質的檢測，比如：顆粒物、微生物等。

目前，在海岸帶區域經濟發展速度不斷加快的背景下，我國海洋環境承受著越來越大的壓力，隨著國家環境保護目標的真正實現，對海洋環境監測的要求也日益嚴格。研發適合在海洋環境監測中應用的電化學傳感器系統，實現環境多參數定點以及連續長期監測已經成為現階段海洋環境監測工作人員必須要解決的重大難題。在計算機以及微電子加工等多項技術迅速發展的背景下，研究人員已經發展出許多選擇性好且靈敏度高的電化學傳感體系。

4 電化學傳感技術在海洋環境監測中的具體應用

4.1 海洋環境參數的監測

在海洋水質pH值和鹽度的測試中，已普遍應用電化學傳感技術。伴隨著技術不斷提升，監測項目已逐漸延伸到到其他方面，比如：海洋化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、二氧化碳等[2]。首先，就海洋化學需氧量來講，在監測過程中合理利用各種新型電極材料，比如：納米銅以及合金等，利用輸入海水，在電極陽極極化作用下，將監測信號變成電信號，可以掌握海洋化學需氧量的具體情況，將海水有機污染的實際情況充分反映出來。其次，就生化需氧量來講，在監測過程中運用微生物傳感技術，可以顯著提升傳感器靈敏度，使測量數據更加精確。再次，海洋二氧化碳濃度的監測，所運用的電化學傳感技術通常是通過測量二氧化碳融入在海水里的pH值變化量來實現。海洋二氧化碳含量容易影響海洋生物，同時將大氣對海洋環境造成的影響充分反映出來，監測水溶二氧化碳，可以科學預測今后大氣二氧化碳含量和全球氣候變化實際情況。

4.2 營養鹽的監測

海水中包含多種類型的營養鹽，比如：硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽、活性磷酸鹽、硅酸鹽等，在海水中若營養鹽濃度偏高，會導致海水出現富營養化，海洋藻類迅速繁殖，消耗大量的海水溶解氧，造成許多海洋魚類不能存活，甚至會出現赤潮，進而使海洋生態環境受到嚴重破壞，為了有效保護海洋生態環境，必須要做好海水營養鹽類的監測工作[3]。硝酸鹽是海水中重要的營養鹽，對于海洋初級生產力和海水人工養殖具有重要意義。基于功能納米材料的電位型微流控傳感器，采用了電化學聚合方法合成的硝酸根摻雜聚吡咯納米線，極大地提高了傳感器的選擇性和靈敏度，成功地應用于海水中硝酸鹽的檢測。磷酸鹽不具有電化學活性，因此電化學傳感器無法對磷酸鹽進行直接檢測。研究表明，在酸性條件下，磷酸根能夠與鉬酸鹽發生化學反應，生成具有電化學活性的磷鉬酸化合物。有報道稱一種用于磷酸鹽監測的電化學傳感器，采用陽極氧化技術原位產生鉬酸鹽和氫離子，有效避免了額外試劑的加入，實現了傳感器的在線使用。采用旋轉電極技術以及微分脈沖伏安法，該傳感器能夠實現海水中磷酸鹽的靈敏檢測。酸性條件下，原硅酸同樣能夠與鉬酸鹽發生化學反應，生成具有電活性的硅鉬酸化合物，基于上述原理，循環伏安法以及基于微電極和超微電極的計時電位檢測技術，可用于海水中硅酸鹽的檢測。

4.3 重金屬的監測

在我國工業迅速發展的背景下，沒有經過處理的廢氣以及廢渣的排放，讓海洋重金屬濃度每年都不斷提高，直接威脅海洋生物的生存。海洋生物經捕撈被人類食用，重金屬向人體進行轉移累積，所以在海洋環境監測中海洋重金屬監測是不可或缺的主要內容。就電化學傳感技術來講，溶出伏安法是一種普遍應用的重金屬檢測方法，具有諸多特點，比如：儀器體積較小、價格比較低等，可用于海水中金屬離子鉛、銅、鋅、鉻、鎘等的監測，從而對重金屬含量和結合情況進行合理分析[4]。當前，在電化學傳感技術中，通過運用納米技術可以為重金屬監測注入源源不斷的活力，納米材料有多種作用，可以提高電極的靈敏度，簡化溶出伏安法的處理過程。在電化學傳感器中，離子選擇電極是相當靈敏的，也是非常普遍應用的，主要用于海水中重金屬的監測，包括三價鐵離子以及汞離子等，實用價值相當高。

4.4 有機污染物的監測

伴隨著海洋石油開發和工業生產的高速發展，海洋環境污染問題越來越嚴重，在海洋環境污染物中最典型的有機污染物包括多環芳烴、多氯聯苯、二噁英、有機農藥等[5]。在有機污染物的監測方面，電化學傳感技術憑借自身顯著的優勢，可以在短時間內對海水中有機污染物的實際情況進行監測。在海水中有機污染物通常會發生多種反應，利用氧化還原反應可產生一些電化學活性相當強的物質。在海洋沉積物多氯聯苯的檢測中，基于絲網印刷電極的電化學免疫傳感器，采用免疫磁珠實現了樣品中多氯聯苯的高效率、高選擇性分離。多數有機污染物電化學性質比較穩定，不能夠在功能化電極表面直接產生電化學響應。然而，多數有機化合物經過電化學氧化、還原或在線消解等衍生化過程能夠產生具有電化學活性的物質，結合電化學傳感器具有高的靈敏度，以及快速的電化學響應特性，發展在線快速檢測電化學傳感器具有廣闊的應用空間。

4.5 致病菌和生物霉素的監測

海洋中的大部分致病菌來源途徑是陸地，包括人體排泄物以及陸地牲畜死亡等。病菌種類有很多，常見的有志賀氏菌以及大腸桿菌。海洋致病菌容易危害海洋生物，也會對人類健康產生威脅。一般來說，致病菌具有諸多特點：傳播迅速、繁殖速度較快等。免疫生物傳感器憑借自身快捷以及特異性較強的優勢，可以迅速檢測各種海洋致病菌，以便防控人員立刻作出正確決策。現如今，伴隨著人類分子生物學的不斷發展，新型識別分子逐漸在電化學傳感器中普遍應用，充分發揮了選擇性較高以及分子親和力較強的優勢，真正做到迅速檢測致病菌[6]。隨著水產業的迅速發展和有害赤潮的頻繁爆發，貝類以及有害藻類等生物毒素問題日益突出。在生物毒素監測中，電化學傳感技術通常選用海洋藻毒素免疫生物傳感器，運用該傳感器可以對毒素等級進行科學測試。

5 結語

總而言之，我國海洋環境監測涵蓋了海洋水質、海洋沉積物、海洋生物體等范圍，盡管許多電化學傳感技術都有重要的潛在應用價值，但還是非常有限。已成功研發的許多電化學傳感器通常用于海水的環境監測，而且部分傳感器在技術方面仍舊存在諸多不足，必須要進一步優化解決。有關人員應該結合海洋環境監測的實際需求，從各方面對海洋環境現場檢測技術進行深層次研究，進而真正實現高選擇性和高靈敏度監測，為海洋生態環境變化規律及生態預警提供技術參數。