電化學(xué)傳感器在環(huán)境檢測中的應(yīng)用

郭 杰

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鶴壁 458000）

電化學(xué)傳感器主要包括感應(yīng)元件以及換能器兩個(gè)部分，其是通過電化學(xué)傳感器對(duì)檢測目標(biāo)實(shí)施測試以及分析的一種傳感設(shè)備。電化學(xué)傳感器產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用在對(duì)氧氣的檢測中，一直到20世紀(jì)80年代，才逐漸被運(yùn)用在對(duì)各類含毒氣體的檢測上，并且展現(xiàn)了其優(yōu)越的性能。目前，電化學(xué)傳感器已在很多行業(yè)廣泛運(yùn)用，特別是在食品工業(yè)領(lǐng)域、環(huán)境檢測領(lǐng)域等。

1 電化學(xué)傳感器的構(gòu)成、基本原理及優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.1 電化學(xué)傳感器的構(gòu)成

一個(gè)完善的電化學(xué)檢測設(shè)備通常是由計(jì)算機(jī)、電化學(xué)工作站、電極片、被測液體等多個(gè)部分組合而成。計(jì)算機(jī)主要用于可視化管理操控，電化學(xué)工作站主要用于電化學(xué)分析，電極片用作與被測液體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，是電化學(xué)探究的核心目標(biāo)。最初，電極材料一般為裸碳電極片或者裸金屬片，但其瞬時(shí)電流響應(yīng)的能力通常有一定的局限。研究發(fā)現(xiàn)，可以利用共價(jià)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(jí)別上對(duì)電極的特性實(shí)施改善，增強(qiáng)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(jìn)步，是目前電化學(xué)傳感器探究的核心和前端。

1.2 電化學(xué)傳感器的基本原理

電化學(xué)傳感器是利用測定目標(biāo)解析物的物理化學(xué)或電化學(xué)特性，完成定量分析或定性分析的一種檢測方法。電化學(xué)傳感器的基本工作原理：目標(biāo)分析物經(jīng)過分散直達(dá)指定的作業(yè)電極片表層，在電極片表層形成電極反應(yīng)，生成電化學(xué)數(shù)據(jù)信號(hào)并利用信號(hào)切換組件轉(zhuǎn)換為工作電壓、瞬時(shí)電流、電導(dǎo)等電子信號(hào)，隨后電化學(xué)分析儀對(duì)電子信號(hào)實(shí)施擴(kuò)大、切換等處置，最終將處置后的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送至電腦實(shí)施轉(zhuǎn)換顯示，就可以完成對(duì)試品中目標(biāo)分析物成分的檢查 測量。

近幾年，隨著納米技術(shù)的發(fā)展壯大，很多科研工作者將納米技術(shù)運(yùn)用于電化學(xué)傳感器的建設(shè)。研究發(fā)現(xiàn)，依托于納米技術(shù)的創(chuàng)新型電化學(xué)傳感技術(shù)有希望解決目前電化學(xué)傳感器所碰到的瓶頸。利用將創(chuàng)新型的納米技術(shù)表達(dá)到作業(yè)電極表層，制備出的創(chuàng)新型電化學(xué)傳感器，可以合理穩(wěn)固目標(biāo)檢測物，如生態(tài)有機(jī)污染物質(zhì)、重金屬離子、生態(tài)廢氣大分子、生物小分子等，并加快其與作業(yè)電極相互間的電子轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生氧化作用或還原反應(yīng)，達(dá)到高靈敏的現(xiàn)場即時(shí)檢查測量。

1.3 電化學(xué)傳感器的優(yōu)勢(shì)

1.3.1 選擇性和靈敏性

電化學(xué)傳感器可以得到環(huán)保檢測機(jī)構(gòu)和有關(guān)科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的重視，是由于這類傳感器擁有很強(qiáng)的可選擇性和靈敏度，可以在環(huán)保檢測過程中激發(fā)出巨大的功效。例如相對(duì)于別的環(huán)保設(shè)備，電化學(xué)傳感器可以對(duì)生態(tài)中的檢測成分實(shí)施選取，并合理地提升環(huán)保檢測的精準(zhǔn)效果。

1.3.2 運(yùn)用成本低

電化學(xué)傳感器的經(jīng)濟(jì)性不僅體現(xiàn)在其設(shè)備價(jià)格的優(yōu)勢(shì)上，同時(shí)，其在實(shí)施環(huán)保檢測作業(yè)的過程中所需損耗的電量較低，具有較好的節(jié)能降耗的作用；另外，電化學(xué)傳感器的可移動(dòng)特點(diǎn)也具有顯著的效果，既便于環(huán)保檢測人員的基本操作，又有效緩解了人工負(fù)擔(dān)，減少運(yùn)用成本。

1.3.3 適用現(xiàn)場檢測

電化學(xué)傳感器可針對(duì)空氣中的氧氣、有毒氣體、生態(tài)環(huán)境等實(shí)施有效的現(xiàn)場檢查測量，當(dāng)前已被普遍運(yùn)用到了眾多行業(yè)領(lǐng)域中，是目前環(huán)保檢測領(lǐng)域發(fā)展中不可缺少的核心檢測設(shè)備。

1.3.4 操作簡單分析快捷

電化學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)特征為線性導(dǎo)出、低耗能以及優(yōu)良的屏幕分辨率；另外，其擁有較好的反復(fù)性和精確性。如果校對(duì)到已知濃度值，傳感器將形成可反復(fù)的、精準(zhǔn)的目標(biāo)氣體數(shù)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(huì)遭受眾多差異化標(biāo)準(zhǔn)的限制，造成制備用時(shí)較長，而且整個(gè)制備的實(shí)施步驟也比較麻煩，增加了操作人員的作業(yè)量，為相應(yīng)作業(yè)的如期完成造成了眾多的困擾。必須要特別注意的是，在對(duì)傳感器材料進(jìn)行制備的環(huán)節(jié)中，會(huì)運(yùn)用各種有毒有害的成分，例如聯(lián)氨（N2H4）等。這就導(dǎo)致制備出的材料可能會(huì)對(duì)操作人員的安全與健康產(chǎn)生危害，而且還會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，非常無益于對(duì)環(huán)境的分析和檢查測量。因此，在制備材料的環(huán)節(jié)中必須牽扯到毒性成分，那么當(dāng)檢查測量結(jié)果顯示有毒有害時(shí)，不管是環(huán)保問題或是材料的原因，均會(huì)對(duì)檢測數(shù)據(jù)的精確性產(chǎn)生直接影響。所以，在材料的制備環(huán)節(jié)中所運(yùn)用的方式方法以及具體的流程有待優(yōu)化與完善。

1.4.2 有限的溫度范圍

由于電化學(xué)傳感器對(duì)環(huán)境溫度十分敏銳，因此傳感器通常都實(shí)施了內(nèi)層溫度補(bǔ)償，盡量保證環(huán)境溫度平穩(wěn)。

1.4.3 預(yù)期壽命較短

電化學(xué)傳感器通常只有半年到1a的存放期限，時(shí)間的長短主要由運(yùn)用的環(huán)境條件以及被檢驗(yàn)的氣體決定，最多不會(huì)超過3a。在任務(wù)氣體中儲(chǔ)放的用時(shí)越長，使用壽命就越短。此外，環(huán)境溫度較高以及濕度較低的環(huán)境中，會(huì)造成傳感器的電解質(zhì)溶液變干。在使用過程中存在任務(wù)氣體或干預(yù)氣體交叉也會(huì)耗光傳感器內(nèi)的電解質(zhì)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(xué)傳感器的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但同樣也是一個(gè)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(huì)傳感器產(chǎn)生影響，盡早找到隱藏的問題并予以解決。

2 電化學(xué)傳感器的分類

電化學(xué)傳感器的分類方式主要包括根據(jù)傳輸信號(hào)存在的差異性實(shí)施分類和根據(jù)檢測物成分的差異性實(shí)施分類兩種。根據(jù)傳輸信號(hào)的差異性實(shí)施分類，電化學(xué)傳感器可以分成電容傳感器、電導(dǎo)傳感器、電位傳感器和電流傳感器。電容傳感器把在電解質(zhì)溶液和電極界面間被測量的改變轉(zhuǎn)換成電容值的改變，完成對(duì)被測成分檢驗(yàn)的最終目的。電導(dǎo)傳感器是將被測成分進(jìn)行氧化反應(yīng)后，將電解質(zhì)溶液中電導(dǎo)的改變當(dāng)作傳感器的輸出，完成對(duì)被測成分檢驗(yàn)的最終目的。電位傳感器是把被測成分融化于電解質(zhì)溶液中，并影響于電極進(jìn)而形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將其當(dāng)作傳感器的輸出，完成對(duì)被測成分檢驗(yàn)的最終目的。電流傳感器指的是在電解質(zhì)溶液和電流的界面中維持一個(gè)定態(tài)的電位，對(duì)被測成分進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，最終流過外電路的電流當(dāng)作傳感器的輸出，完成對(duì)被測成分檢驗(yàn)的最終 目的。

根據(jù)檢驗(yàn)成分的差異性實(shí)施分類，電化學(xué)傳感器還能分成化學(xué)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(xué)傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 在金屬離子檢測中的應(yīng)用

目前的重金屬離子檢驗(yàn)方式一般可分成三類。電化學(xué)傳感器檢驗(yàn)的方式操作步驟比較簡單，而且其耗費(fèi)的投入較低，所以此類重金屬離子的檢驗(yàn)方式已經(jīng)獲得比較普遍的運(yùn)用，對(duì)相應(yīng)行業(yè)也產(chǎn)生了較大的影響。所以必須要對(duì)電化學(xué)傳感器的運(yùn)用和技術(shù)創(chuàng)新實(shí)施多方面的關(guān)注。在重金屬離子檢驗(yàn)的過程中，借助運(yùn)用多工藝互相融合的方式，可以對(duì)電極實(shí)施一定的修飾，并實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子鉛鎘的檢驗(yàn)。依據(jù)相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)對(duì)金屬離子實(shí)施檢驗(yàn)，并全面比照每一項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)論，對(duì)傳感器檢驗(yàn)結(jié)論的精確性提高有較大的作用，而且利用這樣的檢驗(yàn)可以獲得科學(xué)、平穩(wěn)的使用性能。

3.2 在酚類化合物檢測中的應(yīng)用

當(dāng)電化學(xué)傳感器在檢測酚類化合物的環(huán)節(jié)中，務(wù)必注意這類成分本身所具備的風(fēng)險(xiǎn)性。因?yàn)榉宇惢衔镌谏鐣?huì)環(huán)境與生態(tài)環(huán)境中有著比較寬泛的分布范圍，會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)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(xué)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(huì)出現(xiàn)比較顯著的催化反應(yīng)，這對(duì)生產(chǎn)制造電化學(xué)傳感器具有較大的作用，所以，在對(duì)酚類物質(zhì)的酸值指數(shù)實(shí)施檢查測量時(shí)需用加強(qiáng)電化學(xué)傳感器的 應(yīng)用。

3.3 對(duì)農(nóng)藥品殘留物進(jìn)行檢測之中的應(yīng)用

在實(shí)施農(nóng)業(yè)種植時(shí)，農(nóng)藥殺蟲劑是一種常用的成分，而且對(duì)農(nóng)副產(chǎn)品的害蟲防治具有十分關(guān)鍵的作用。但是，伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程建設(shè)進(jìn)度的持續(xù)加快，為了保證農(nóng)副產(chǎn)品的生產(chǎn)率與品質(zhì)不受影響，需要對(duì)農(nóng)藥殺蟲劑的運(yùn)用實(shí)施相應(yīng)的管控。唯有盡量科學(xué)規(guī)范地運(yùn)用農(nóng)藥殺蟲劑，才能更為合理地促進(jìn)社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)價(jià)值的增強(qiáng)；因?yàn)檗r(nóng)藥殺蟲劑的頻繁運(yùn)用，會(huì)對(duì)大眾的生活環(huán)境產(chǎn)生較大的隱患，比如農(nóng)副產(chǎn)品中農(nóng)藥殺蟲劑頻繁或是超出標(biāo)準(zhǔn)地使用，會(huì)對(duì)大眾的身體健康產(chǎn)生很大的不良影響。所以，研究者在對(duì)其進(jìn)行探究的過程中，生產(chǎn)制造了這種可以檢測農(nóng)作物商品中是否含有毒物質(zhì)以及有毒成分是否超出標(biāo)準(zhǔn)的電化學(xué)傳感器，運(yùn)用電化學(xué)傳感器，能實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)副產(chǎn)品中不同有毒物質(zhì)的檢查測量。這就是電化學(xué)傳感器在農(nóng)業(yè)種植中的合理運(yùn)用，要足夠重視這類傳感器在農(nóng)副產(chǎn)品中揮發(fā)的重大功效，并按照具體情況實(shí)施持續(xù)的工藝改善。

3.4 在多環(huán)芳烴物檢測中的應(yīng)用

在對(duì)多環(huán)芳香烴類的成分實(shí)施檢查測量時(shí)，應(yīng)綜合考慮到這類成分具備的有毒有害特征和致癌性。因?yàn)樵摮煞衷谒械亩喹h(huán)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(huán)節(jié)較難完成。因此，對(duì)于這一現(xiàn)象，研究者研發(fā)了敏感度較高的電化學(xué)傳感器，便于更精準(zhǔn)合理地完成在水環(huán)境中多環(huán)芳香烴類化合物的檢查測量。經(jīng)過實(shí)操表明，光纖光學(xué)熒光檢測傳感器對(duì)多環(huán)芳香烴類化合物的檢出限的數(shù)值可達(dá)5×10-10μmol/L。與此同時(shí)，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(duì)于過去的檢查測量方法來講，光纖光學(xué)熒光檢測傳感器的檢查測量結(jié)論較精準(zhǔn)，現(xiàn)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(yīng)用

環(huán)境濕度是大氣自然環(huán)境的一個(gè)主要指標(biāo)，大氣的環(huán)境濕度與人身體蒸發(fā)熱相互間擁有密切聯(lián)系，高熱高濕時(shí)，因?yàn)樯眢w水分含量揮發(fā)不便而覺得炙熱，高濕低溫時(shí)，人體內(nèi)排熱流程強(qiáng)烈，易于引發(fā)風(fēng)寒和受凍。人體最適宜的溫度是18～22℃，空氣相對(duì)濕度為35%～65%RH。在自然環(huán)境與衛(wèi)生檢測中，經(jīng)常使用于濕球溫濕計(jì)、手動(dòng)式濕測溫器和通風(fēng)濕測溫器等儀器設(shè)備測量空氣相對(duì)濕度。

近些年，許多資料報(bào)道用傳感器測量空氣相對(duì)濕度。用來測量空氣相對(duì)濕度的涂敷壓電式石英晶體用傳感器，通過光刻技術(shù)和化學(xué)工業(yè)刻蝕技術(shù)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(duì)環(huán)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(zhuǎn)變，選擇恰當(dāng)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(yīng)線形、照應(yīng)時(shí)刻、選擇性、遲滯情況和使用期限等關(guān)鍵在于涂膜的性質(zhì)。

3.6 對(duì)二氧化硫檢測的應(yīng)用

二氧化硫是產(chǎn)生酸雨的關(guān)鍵因素，也是導(dǎo)致大氣污染的關(guān)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(zhǔn)度。測試時(shí)，離子交換膜為固態(tài)高分子化合物，膜的一側(cè)含反電極和參比電極的內(nèi)部電解液，另一側(cè)嵌入鉑電極，構(gòu)成二氧化硫傳感器。

4 電化學(xué)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起和大眾對(duì)自然環(huán)境關(guān)注度的持續(xù)提升，電化學(xué)傳感器在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的使用也更為普遍。電化學(xué)因?yàn)轶w型小，敏感度高，安裝快捷成為傳感器領(lǐng)域的新型產(chǎn)品。隨著功能性納米材料的出現(xiàn)，電化學(xué)傳感器的某些問題將被攻克，并在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域呈現(xiàn)其使用意義，尤其是在新型的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建中，電化學(xué)更將展現(xiàn)出其意義。

電化學(xué)傳感器可以用在對(duì)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(jī)氰化物、硫化物、硫氧化物質(zhì)、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(huán)境和土壤環(huán)境污染物質(zhì)測試的重要方式，能測量很多陰、陽離子及有機(jī)化合物，包含鹵素、氰化物、各種金屬離子、有機(jī)酸根，有機(jī)污染物質(zhì)等，pH和氟的測量是較經(jīng)典的使用。有些離子傳感器還可用作氣體污染物質(zhì)分析。

電化學(xué)生物傳感器可以用在水環(huán)境測試和空氣環(huán)境檢測中，如測試水環(huán)境的富營養(yǎng)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(xué)傳感器將被普遍運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)、科研開發(fā)、國防安全、環(huán)境等領(lǐng)域。在很多的傳感器種類中，電化學(xué)傳感器已經(jīng)變成科研領(lǐng)域最多、運(yùn)用范圍最廣、技術(shù)最穩(wěn)定的一種傳感器。將來，傳感器在實(shí)用化、小型化、數(shù)字化角度會(huì)獲得了蒸蒸日上的發(fā)展，具備特殊作用和優(yōu)勢(shì)的電化學(xué)傳感器可能會(huì)層出不窮并進(jìn)入社會(huì)實(shí)踐運(yùn)用。

5 結(jié)束語

要想讓電化學(xué)傳感器在環(huán)境監(jiān)測環(huán)節(jié)中揮發(fā)出最優(yōu)作用，就需要對(duì)電化學(xué)傳感器的基本原理和特征實(shí)施全方位了解，并且還需要對(duì)危害電化學(xué)傳感器運(yùn)用功效的不利條件實(shí)施仔細(xì)探究。針對(duì)環(huán)境監(jiān)測環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的缺點(diǎn)與不足，應(yīng)聯(lián)系實(shí)際狀況，對(duì)問題形成的根本原因?qū)嵤┳屑?xì)探討，并制定出切實(shí)可行的改進(jìn)方案，減少不利條件對(duì)環(huán)境監(jiān)測品質(zhì)的干擾。相信在未來，大量現(xiàn)代化的技術(shù)方法和設(shè)備儀器會(huì)被運(yùn)用到環(huán)境監(jiān)測作業(yè)中，為各行業(yè)的發(fā)展打下良好基礎(chǔ)的同時(shí)，促進(jìn)社會(huì)自然融洽的發(fā)展。