電化學傳感器在環境檢測中的應用

郭 杰

（鶴壁職業技術學院，河南鶴壁 458000）

電化學傳感器主要包括感應元件以及換能器兩個部分，其是通過電化學傳感器對檢測目標實施測試以及分析的一種傳感設備。電化學傳感器產生于20世紀50年代，當時主要應用在對氧氣的檢測中，一直到20世紀80年代，才逐漸被運用在對各類含毒氣體的檢測上，并且展現了其優越的性能。目前，電化學傳感器已在很多行業廣泛運用，特別是在食品工業領域、環境檢測領域等。

1 電化學傳感器的構成、基本原理及優缺點分析

1.1 電化學傳感器的構成

一個完善的電化學檢測設備通常是由計算機、電化學工作站、電極片、被測液體等多個部分組合而成。計算機主要用于可視化管理操控，電化學工作站主要用于電化學分析，電極片用作與被測液體產生化學反應，是電化學探究的核心目標。最初，電極材料一般為裸碳電極片或者裸金屬片，但其瞬時電流響應的能力通常有一定的局限。研究發現，可以利用共價鍵合、吸附、電解聚合等方式，將特定特性的分子、離子、高分子化合物等依附在電極片上，在分子級別上對電極的特性實施改善，增強電極片的特性，叫作修飾電極片，修飾物料通常也叫作催化劑。修飾電極片自推出至今便獲得了飛速地推行和進步，是目前電化學傳感器探究的核心和前端。

1.2 電化學傳感器的基本原理

電化學傳感器是利用測定目標解析物的物理化學或電化學特性，完成定量分析或定性分析的一種檢測方法。電化學傳感器的基本工作原理：目標分析物經過分散直達指定的作業電極片表層，在電極片表層形成電極反應，生成電化學數據信號并利用信號切換組件轉換為工作電壓、瞬時電流、電導等電子信號，隨后電化學分析儀對電子信號實施擴大、切換等處置，最終將處置后的數據信號傳送至電腦實施轉換顯示，就可以完成對試品中目標分析物成分的檢查 測量。

近幾年，隨著納米技術的發展壯大，很多科研工作者將納米技術運用于電化學傳感器的建設。研究發現，依托于納米技術的創新型電化學傳感技術有希望解決目前電化學傳感器所碰到的瓶頸。利用將創新型的納米技術表達到作業電極表層，制備出的創新型電化學傳感器，可以合理穩固目標檢測物，如生態有機污染物質、重金屬離子、生態廢氣大分子、生物小分子等，并加快其與作業電極相互間的電子轉移，產生氧化作用或還原反應，達到高靈敏的現場即時檢查測量。

1.3 電化學傳感器的優勢

1.3.1 選擇性和靈敏性

電化學傳感器可以得到環保檢測機構和有關科學研究團隊的重視，是由于這類傳感器擁有很強的可選擇性和靈敏度，可以在環保檢測過程中激發出巨大的功效。例如相對于別的環保設備，電化學傳感器可以對生態中的檢測成分實施選取，并合理地提升環保檢測的精準效果。

1.3.2 運用成本低

電化學傳感器的經濟性不僅體現在其設備價格的優勢上，同時，其在實施環保檢測作業的過程中所需損耗的電量較低，具有較好的節能降耗的作用；另外，電化學傳感器的可移動特點也具有顯著的效果，既便于環保檢測人員的基本操作，又有效緩解了人工負擔，減少運用成本。

1.3.3 適用現場檢測

電化學傳感器可針對空氣中的氧氣、有毒氣體、生態環境等實施有效的現場檢查測量，當前已被普遍運用到了眾多行業領域中，是目前環保檢測領域發展中不可缺少的核心檢測設備。

1.3.4 操作簡單分析快捷

電化學傳感器的數據特征為線性導出、低耗能以及優良的屏幕分辨率；另外，其擁有較好的反復性和精確性。如果校對到已知濃度值，傳感器將形成可反復的、精準的目標氣體數值。

1.4 存在的不足

1.4.1 制備材料方面的問題

在傳感器材料的制備過程中，會遭受眾多差異化標準的限制，造成制備用時較長，而且整個制備的實施步驟也比較麻煩，增加了操作人員的作業量，為相應作業的如期完成造成了眾多的困擾。必須要特別注意的是，在對傳感器材料進行制備的環節中，會運用各種有毒有害的成分，例如聯氨（N2H4）等。這就導致制備出的材料可能會對操作人員的安全與健康產生危害，而且還會對生態環境造成破壞，非常無益于對環境的分析和檢查測量。因此，在制備材料的環節中必須牽扯到毒性成分，那么當檢查測量結果顯示有毒有害時，不管是環保問題或是材料的原因，均會對檢測數據的精確性產生直接影響。所以，在材料的制備環節中所運用的方式方法以及具體的流程有待優化與完善。

1.4.2 有限的溫度范圍

由于電化學傳感器對環境溫度十分敏銳，因此傳感器通常都實施了內層溫度補償，盡量保證環境溫度平穩。

1.4.3 預期壽命較短

電化學傳感器通常只有半年到1a的存放期限，時間的長短主要由運用的環境條件以及被檢驗的氣體決定，最多不會超過3a。在任務氣體中儲放的用時越長，使用壽命就越短。此外，環境溫度較高以及濕度較低的環境中，會造成傳感器的電解質溶液變干。在使用過程中存在任務氣體或干預氣體交叉也會耗光傳感器內的電解質溶液。

1.4.4 與其他氣體的交叉靈敏性較大

存在較大的與別的氣體的交叉靈敏性，雖然是電化學傳感器的一個優勢，但同樣也是一個弊端。某些傳感器極易遭受來源于別的氣體的影響，因此需要非常清晰地了解哪類氣體也許會傳感器產生影響，盡早找到隱藏的問題并予以解決。

2 電化學傳感器的分類

電化學傳感器的分類方式主要包括根據傳輸信號存在的差異性實施分類和根據檢測物成分的差異性實施分類兩種。根據傳輸信號的差異性實施分類，電化學傳感器可以分成電容傳感器、電導傳感器、電位傳感器和電流傳感器。電容傳感器把在電解質溶液和電極界面間被測量的改變轉換成電容值的改變，完成對被測成分檢驗的最終目的。電導傳感器是將被測成分進行氧化反應后，將電解質溶液中電導的改變當作傳感器的輸出，完成對被測成分檢驗的最終目的。電位傳感器是把被測成分融化于電解質溶液中，并影響于電極進而形成感應電動勢，將其當作傳感器的輸出，完成對被測成分檢驗的最終目的。電流傳感器指的是在電解質溶液和電流的界面中維持一個定態的電位，對被測成分進行氧化還原反應，最終流過外電路的電流當作傳感器的輸出，完成對被測成分檢驗的最終 目的。

根據檢驗成分的差異性實施分類，電化學傳感器還能分成化學傳感器、離子傳感器、生物分子傳感器和生物傳感器。

3 電化學傳感器在環境監測中的應用

3.1 在金屬離子檢測中的應用

目前的重金屬離子檢驗方式一般可分成三類。電化學傳感器檢驗的方式操作步驟比較簡單，而且其耗費的投入較低，所以此類重金屬離子的檢驗方式已經獲得比較普遍的運用，對相應行業也產生了較大的影響。所以必須要對電化學傳感器的運用和技術創新實施多方面的關注。在重金屬離子檢驗的過程中，借助運用多工藝互相融合的方式，可以對電極實施一定的修飾，并實現對重金屬離子鉛鎘的檢驗。依據相應的檢測標準對金屬離子實施檢驗，并全面比照每一項檢驗結論，對傳感器檢驗結論的精確性提高有較大的作用，而且利用這樣的檢驗可以獲得科學、平穩的使用性能。

3.2 在酚類化合物檢測中的應用

當電化學傳感器在檢測酚類化合物的環節中，務必注意這類成分本身所具備的風險性。因為酚類化合物在社會環境與生態環境中有著比較寬泛的分布范圍，會對人體健康產生非常大的傷害，所以，酚類化合物作為需限制檢查測量的成分在電化學傳感器占有很大的空間。在電極的影響下，苯二酚和鄰苯二酚會出現比較顯著的催化反應，這對生產制造電化學傳感器具有較大的作用，所以，在對酚類物質的酸值指數實施檢查測量時需用加強電化學傳感器的 應用。

3.3 對農藥品殘留物進行檢測之中的應用

在實施農業種植時，農藥殺蟲劑是一種常用的成分，而且對農副產品的害蟲防治具有十分關鍵的作用。但是，伴隨著社會經濟的發展，城市化進程建設進度的持續加快，為了保證農副產品的生產率與品質不受影響，需要對農藥殺蟲劑的運用實施相應的管控。唯有盡量科學規范地運用農藥殺蟲劑，才能更為合理地促進社會效益與經濟價值的增強；因為農藥殺蟲劑的頻繁運用，會對大眾的生活環境產生較大的隱患，比如農副產品中農藥殺蟲劑頻繁或是超出標準地使用，會對大眾的身體健康產生很大的不良影響。所以，研究者在對其進行探究的過程中，生產制造了這種可以檢測農作物商品中是否含有毒物質以及有毒成分是否超出標準的電化學傳感器，運用電化學傳感器，能實現對農副產品中不同有毒物質的檢查測量。這就是電化學傳感器在農業種植中的合理運用，要足夠重視這類傳感器在農副產品中揮發的重大功效，并按照具體情況實施持續的工藝改善。

3.4 在多環芳烴物檢測中的應用

在對多環芳香烴類的成分實施檢查測量時，應綜合考慮到這類成分具備的有毒有害特征和致癌性。因為該成分在水中的多環芳烴占比較少，其含量范疇通常在1×10-9na/mL。因此，該成分的檢查測量環節較難完成。因此，對于這一現象，研究者研發了敏感度較高的電化學傳感器，便于更精準合理地完成在水環境中多環芳香烴類化合物的檢查測量。經過實操表明，光纖光學熒光檢測傳感器對多環芳香烴類化合物的檢出限的數值可達5×10-10μmol/L。與此同時，研究人員也指出，使用各種飽和度的熒光檢測分子，也能解析出蒽的含量。相對于過去的檢查測量方法來講，光纖光學熒光檢測傳感器的檢查測量結論較精準，現場采樣也較短，是一種較合理的檢查測量方法。

3.5 在空氣濕度檢測中的應用

環境濕度是大氣自然環境的一個主要指標，大氣的環境濕度與人身體蒸發熱相互間擁有密切聯系，高熱高濕時，因為身體水分含量揮發不便而覺得炙熱，高濕低溫時，人體內排熱流程強烈，易于引發風寒和受凍。人體最適宜的溫度是18～22℃，空氣相對濕度為35%～65%RH。在自然環境與衛生檢測中，經常使用于濕球溫濕計、手動式濕測溫器和通風濕測溫器等儀器設備測量空氣相對濕度。

近些年，許多資料報道用傳感器測量空氣相對濕度。用來測量空氣相對濕度的涂敷壓電式石英晶體用傳感器，通過光刻技術和化學工業刻蝕技術制作而成的小型的石英奪電晶體，在AT割切的10MHz石英晶體上涂了四種成分，對環境濕度擁有較高的性能靈敏度。這種晶狀體是振蕩電路里的共振器，其頻次可隨性能轉變，選擇恰當涂抹，可以用來測量各種氣體中的濕度。傳感器的敏感度、照應線形、照應時刻、選擇性、遲滯情況和使用期限等關鍵在于涂膜的性質。

3.6 對二氧化硫檢測的應用

二氧化硫是產生酸雨的關鍵因素，也是導致大氣污染的關鍵因素。使用傳感器測試二氧化硫，可提高檢測效率，提升測試精準度。測試時，離子交換膜為固態高分子化合物，膜的一側含反電極和參比電極的內部電解液，另一側嵌入鉑電極，構成二氧化硫傳感器。

4 電化學傳感器的發展趨勢

隨著物聯網技術的興起和大眾對自然環境關注度的持續提升，電化學傳感器在環境保護領域的使用也更為普遍。電化學因為體型小，敏感度高，安裝快捷成為傳感器領域的新型產品。隨著功能性納米材料的出現，電化學傳感器的某些問題將被攻克，并在現代農業、環境監測和醫療衛生領域呈現其使用意義，尤其是在新型的物聯網技術構建中，電化學更將展現出其意義。

電化學傳感器可以用在對氣體的測試上，它幾乎可以測試全部的空氣污染物，包含有機氰化物、硫化物、硫氧化物質、二氧化碳、氮氧化合物、氮的還原物和別的氣體成分。

離子傳感器則是水環境和土壤環境污染物質測試的重要方式，能測量很多陰、陽離子及有機化合物，包含鹵素、氰化物、各種金屬離子、有機酸根，有機污染物質等，pH和氟的測量是較經典的使用。有些離子傳感器還可用作氣體污染物質分析。

電化學生物傳感器可以用在水環境測試和空氣環境檢測中，如測試水環境的富營養化，BOD和重金屬離子濃度值，空氣中二氧化硫、二氧化碳和二氧化 氮等。

在將來，電化學傳感器將被普遍運用于工業生產、科研開發、國防安全、環境等領域。在很多的傳感器種類中，電化學傳感器已經變成科研領域最多、運用范圍最廣、技術最穩定的一種傳感器。將來，傳感器在實用化、小型化、數字化角度會獲得了蒸蒸日上的發展，具備特殊作用和優勢的電化學傳感器可能會層出不窮并進入社會實踐運用。

5 結束語

要想讓電化學傳感器在環境監測環節中揮發出最優作用，就需要對電化學傳感器的基本原理和特征實施全方位了解，并且還需要對危害電化學傳感器運用功效的不利條件實施仔細探究。針對環境監測環節中出現的缺點與不足，應聯系實際狀況，對問題形成的根本原因實施仔細探討，并制定出切實可行的改進方案，減少不利條件對環境監測品質的干擾。相信在未來，大量現代化的技術方法和設備儀器會被運用到環境監測作業中，為各行業的發展打下良好基礎的同時，促進社會自然融洽的發展。