電化學傳感技術及納米材料應用研究

沈愛平

（黃岡職業技術學院，湖北 黃岡 438000）

1 電化學傳感技術概述

電化學傳感技術中最為核心的技術就是電化學傳感器。電化學傳感器主要是通過物理或者化學中的共價鍵合、吸附以及聚合等方式，有方向地將具有光電、點色、催化等功能性的物質覆蓋到傳感器的電極上，從而使得電化學傳感器具備新的功能，而這一過程也是電極修飾的過程，得到的新電極被稱為修飾電極。

根據電化學傳感器的化學功能，我們可以將其分為以下4種類型：（1）共價鍵合類型。它主要是將具有功能性的物質通過化學鍵合反應覆蓋在傳感器電極表面得到新的修飾電極，而它的電極又可根據物質屬性不同分為碳電極、玻碳電極、金屬電極等。（2）吸附類型。它主要是將具有功能性的物質通過化學吸附作用覆蓋在傳感器電極表面得到新的修飾電極，而根據電極吸附能力的不同又可將其分為靜電、平衡吸附性等。（3）聚合類型。它主要是將具有功能性的物質通過化學聚合功能覆蓋在傳感器電極表面得到新的修飾膜電極，而根據電極制備不同方式又可將其分為等離子、電化學聚合等。（4）其他類型。主要指無機物修飾電極。典型電化學傳感器的規格如表1所示。

表1 具有典型性的電化學傳感器的基本規格

2 電化學傳感技術的原理

電化學傳感技術中，電化學傳感器主要分為分子識別系統和信號轉換兩個部分，需要進行測驗的物質通過分子識別系統后，它的某一化學參數，如濃度與信號轉換系統相連接，經過與待測物質發生作用，反測得到的化學參數被直接轉換成為能夠產生響應的電信號。其中，分子識別系統是整個電化學傳感技術的核心部分，對電化學傳感技術起著決定性作用。所以，電化學傳感技術主要的研究問題是如何選擇合理的分子識別系統以及分子識別系統同信號轉換系統的有效聯系。信號轉換系統則主要是為了接受分子識別系統的響應信號，再利用傳感器中的電機、光纖等敏感性元件將響應信號通過電壓、電流等方式傳輸到電子系統進行放大或者轉換輸出，最終把信號轉換系統接受的響應信號轉換為可供大家研究分析的電信號，并對待測物質的數量進行相關檢測。電化學傳感技術的原理如圖1所示。

圖1 電化學傳感技術的測試原理示意

3 電化學傳感技術與納米材料應用

3.1 石墨烯納米復合材料在電化學傳感器中的應用

使用石墨烯納米復合材料的電化學分析法主要包括：（1）電化學阻抗法，它是指測量阻抗同正弦波頻率變化關系來分析電化學系統的方法。該方法將電化學系統當作是一個由電阻、電容等基本電路結構組成的等效電路，然后在等效電路中輸入擾動函數后輸出相關的響應信號，對響應信號進行分析后來確定電化學系統的穩定性和有效性，但是，如果該系統的電極材料不同，那么它所產生的電流峰值也會有所差別。（2）循環伏安法，它主要對電流的上下峰值以及電位差別進行比較，然后分析電化學性能。（3）計時電流法，它主要是在電解液中加入不同濃度的測試物質，通過觀察計時電流的曲線動態來分析電化學的方法。其中，由于殼聚糖具有較強的水溶性，且它自身的高成膜性以及高生物相容性使其能夠較為均勻地分布在石墨烯納米復合材料中，因此被廣泛用于石墨烯納米復合材料電化學傳感中。同時，相關試驗表明，殼聚糖具有固定生物酶的作用，從而為電化學傳感器的制備提供條件，但石墨烯納米復合材料在電化學傳感器中的應用還屬于初級階段，存在較多的問題，需要對相關的理論和研究作進一步改進和完善。

3.2 鎳納米復合材料在電化學傳感器中的應用

鎳納米復合材料屬于金屬納米復合材料的一種，由于鎳納米復合材料具有較強的耐腐蝕性，所以鎳納米復合材料經常被用于電化學傳感器某些器具的制備中。首先，通過化學吸附作用將鎳納米黏連在碳電極的表面，然后再制備電化學傳感器。相關實驗人員的研究表明，鎳本身的穩定性就比較強，在日常生活和化學領域研究中使用廣泛，因此鎳納米復合材料也具有較高水平的敏感度、選擇性以及穩定性，在電化學傳感器中可以進行廣泛的使用。同時，由于鎳納米復合材料中的鎳原子雖然保留了它的金屬特性，卻又能夠有效地減弱金屬離子的聚集特點，它常被用于制作電化學傳感器的催化劑。

當鎳原子與官能團子相結合后能夠產生官能化的鎳晶體，且鎳晶體呈現出片狀結構。以電化學傳感器燃料電池的甲醇氧化反應舉例，鎳納米復合材料在電化學傳感器中主要發揮催化劑的功能，且電化學傳感器的響應電流與催化劑中溶液的酸度呈現出正相關關系，而隨著電化學傳感器電流的上升，電化學傳感器中會形成大片的鎳富集區。其次，相關的研究表明，即使在鎳納米復合材料中加入3種氨基酸溶液，這3種溶液也無法影響電化學傳感器的電流大小，由此證明使用鎳納米復合材料的電化學傳感器具有較強的抗干擾能力。

3.3 金納米復合材料在電化學傳感器中的應用

由于金納米復合材料具有較強的催化性和可控性，且它的導電性能十分優越，所以該材料被廣泛地用于電化學傳感器中。當金納米復合材料同防生機免疫功能分析有機結合時，金納米復合材料在電化學傳感器中的應用得到了進一步的拓展和變化。同時，由于金納米復合材料具有較強的導電性，它可以有效地改變電化學傳感器中的電子分布規律，使得傳感器中光生電子的運行速度進一步加快，AuNPs與QDs附著到ITO的表面，由此形成了金納米復合材料電化學傳感器，但是需要對傳感器的性能進行檢測。而相關研究表明，金納米復合材料電化學傳感器的性能明顯優于傳統的電化學傳感器，在檢測金納米復合材料電化學傳感器性能的過程中，它可以用以下公式表示。

如果用金納米復合材料代替金成為燃料電池氧化反應的催化劑，則可以有效地減少有害氣體的釋放。相關研究表明，用金納米復合材料作為電化學傳感器燃料電池甲醇氧化反應的催化劑，它的氧化反應峰值遠遠地高于僅作為催化劑的氧化反應峰值。雖然金納米復合材料在電化學傳感器中得到了一定應用，但是其應用范圍還是較為狹窄，需要對其進行更進一步的研究，以拓寬其在電化學傳感器中的應用渠道。

4 實際應用案例

近年來，納米材料的電化學傳感器被廣泛應用于各行各業，并在生命科學、醫藥行業、生物行業等方面得到了廣泛的應用。其中，基于納米材料的電化學傳感器在生命分析科學的應用主要是被用于免疫分析，也是診斷癌癥的重要方式。納米材料的電化學傳感器的免疫分析是電化學傳感器與免疫學的有效結合，是一種具有較多選擇性、較快測定速度以及操作簡便的分析技術，對于癌癥的診斷意義重大。同時，此種免疫分析技術有效解決了傳統免疫分析技術存在放射活性物半衰期短、限制分析樣品敏感度以及損害人體健康等問題。多年來，基于納米材料的電化學傳感器的實際應用案例較多。如，西南大學袁若教授的科研小組，將基于納米材料的電化學傳感器同時用到對4種不同的腫瘤標志物進行檢測的過程中，他們將4種不同腫瘤的標志物通過化學吸附作用將其吸附到修飾電極磁性復合納米材料顆粒物的表面。

5 結語

科學技術的不斷進步，必然會給我國的科學研究事業發展帶來福音，尤其是對我國電化學分析技術的發展起到促進作用。由于電化學的分析不會對物體的測試系統造成損害，且在分析的過程中操作簡便、不會受到顏色的影響，尤其在生物行業、醫藥行業、癌癥確診、生命科學等領域都得到了推廣。但是，電化學傳感器的質量會影響物質測試的質量，如何提高電化學傳感器的質量是當前研究的重點。目前，我國對它的研究還處于初期探索階段，存在較多的缺陷和不足，需要更進一步的研究。