基于三维多孔纳米材料构建的电化学传感器应用研究

    张琦

    

    摘 要：电化学传感器因具有灵敏性高、选择性好、制备成本低、操作简单、携带方便、抗干扰性强等优点。电化学传感器在环境监测、临床诊断、食品工业以及地球化学分析等领域都得到了高度的关注和广泛的应用。文章针对两种基于三维多孔纳米材料构建的电化学传感器，分别介绍了其工作原理和检测性能，讨论了电化学传感器在地球化学分析中的应用，最后对电化学传感器在地球化学分析领域的发展方向进行了展望。

    关键词：电化学传感器；三维多孔纳米材料；地球化学分析

    1 电化学传感器概述

    电化学传感器是以电化学电极作为换能器，以电流、电势、阻抗或者电容作为特征检测信号的一类传感器。通过特定的反应使被测组分消耗或者产生相应化学计量数的电活性物质，从而将被测组分的浓度或者活度变化转化为与其相关的电活性物质的浓度变化，并通过电极获取电势或电流等信息，经二次仪表放大并输出，最后达到检测待测物质浓度的目的[1]。电化学传感器在食品检验、药物分析、环境监测、临床诊断和地球化学分析等领域都有着广阔的应用前景。如环境中的污染气体的检测和控制，食品中农药残留成分或病原体的快速检测，人体血液中病原体的实时检测，地球化学样品中重金属离子的检测分析等等。

    三维多孔纳米材料是指一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料。按照孔径大小的不同，可分为微孔材料（孔径小于2 nm）、介孔材料（孔径2～50 nm）和大孔材料（孔径大于50 nm）。随着合成技术的不断发展，具有各种不同孔结构和形貌的多孔纳米材料被相继合成出来，具有稳定的结构、较高的表面积、较大的孔容以及优越的性能使其在化学工业、生物技术以及能源、环保等不同领域体现出非凡的应用价值，日益成为当今材料领域的研究热点之一。

    2 电化学传感器在地球化学分析中的应用展望

    地球化学样品分析是获取地球化学信息资料的最重要环节。随着科学技术的不断进步，各种各样的分析测试技术被应用到地球化学分析当中。其中，电化学分析技术如电导分析、电位分析和极谱分析在地球化学样品分析中有着重要的作用。目前，电化学分析方法在地球化学分析中主要用于W，Mo的测定、pH，Eh、电导率测定、氟离子的测定等。

    2.1 电化学传感器在重金属离子检测中的应用

    重金属是一类最危险的污染物，往往长期积累在生物体内不可降解，在极其微量的情况下也会产生不良后果，各种生态系统都不同程度地受到重金属的影响。电化学分析在重金属离子检测中有重要的实际应用价值。同时，基于电化学分析方法发展起来的传感器具有巨大的应用价值。

    应用在重金属离子检测领域的主要有酶传感器和细胞传感器[2]。酶传感器对重金属离子的检测一般是通过酶抑制法或酶活化法。酶抑制电化学传感器具有快速、简便，对所分析样品需要量少等优点，但是因为一些酶能够被几种重金属离子，甚至是一些阴离子抑制，因此选择性欠佳。酶活化则具有较高的选择性，因为只有很少数的金属离子可以激活特定的酶。金属离子只是作为辅助因子激活特定的酶，如锌离子是激活碱性磷酸酶必需的辅助因子，基于此可将锌离子的检测浓度降低到0.02 ppb[3]。细胞电化学传感器是活体微生物对特定的化学物质产生特定的量化信号。根据检测的特异性，细胞电化学传感器可以分为3类：非特异性、半特异性和特异性。细胞电化学传感器具有快速、实时检测等特点，主要應用于环境监测领域。

    2.2 电化学传感器在有机污染物检测中的应用

    有机污染物已经成为当今世界各国环境中最普遍存在的，而且是最重要的一类污染物。传统的检测有机污染物的检测方法有比色法、气相色谱-质谱（G-MS），液相色谱-质谱（LC-MC）、荧光光谱法和毛细管电泳法等。这些检测方法虽然具有准确性好，灵敏度高等特点，但同时也存在设备昂贵、维护成本高，而且不适宜现场监测等缺点。电化学传感器由于具有速度快、选择性好、成本低、操作简单等优点，已经被广大分析工作者认为是现场监测的好方法。表1列出了目前电化学传感器在有机污染物检测中的应用实例。

    2.3 电化学传感器在其他物质检测中的应用

    电化学传感器的应用范围十分广泛，可用于研制便携式NO2检测报警仪[4]、快速检测大肠杆菌[5]、检测肾上腺素[6]、SO2在线检测[7]、检测CO[8]和甲醛气体[9]、检测蛋白质细胞色素[10]、测定半胱氨酸[11]、检测农药残留[12]、检测过氧化氢[13]、环境微生物功能基因[14]、分析中草药成分[15]等。

    如徐肖邢[16]研究了N，N-二甲基对苯二胺在碳印刷电极上的电化学行为及其对硫离子的电催化氧化，通过差分脉冲伏安法对硫离子进行检测，氧化峰电流与硫离子的浓度在8.0×10-7 mol/L～6.5×10-4 mol/L呈线性相关，相关系数为0.997，检测限为3.0×10-7 mol/L。紫杉醇是新型抗微管药物，对肺癌、大肠癌、黑色素瘤等具有一定的疗效，Mehdinia课题组[17]制备了DNA /SAM修饰的金电极对紫杉醇进行了研究。结果表明，紫杉醇与DNA作用后导致鸟嘌呤碱基的峰电流强度降低，基于此实现了对紫杉醇的检测并应用于血液样品的分析。

    3 结语

    电化学传感器作为一种新的检测技术与以往的传统分析方法相比具有诸多优势。但是因其起步较晚发展尚不完善，仍有大量的工作要做。将各种具有优良性能的材料应用于电化学传感器的构建中，能够大大提升传感器的性能，拓宽传感器的适用范围，为其在地球化学分析中的应用开辟新的道路。电化学传感器极具发展潜力，未来的电化学传感器将会和计算机实现完美结合，能够自动采集、处理数据，更科学准确地提供结果，实现采样、进样、最终完成检测的自动化系统。随着纳米技术、电化学技术、分子识别技术以及表面固定技术等关键性技术的不断发展，电化学传感器必将在地球化学分析领域占有一席之地。

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    [17]MEHDINIA A， HABIB K S， ZAHRA B S. Electrochemical studies of DNA immobilization onto the azide-terminated monolayers and its interaction with taxol[J]. Analytical Biochemistry， 2008（2）：331-338.