电化学传感器的应用电化学传感器的应用

发布时间：2024-10-06 17:10:56

电化学传感器的应用

早在1950年电化学传感器就已用于氧（气）的监测；随着对于人身安全的重视与日俱增，便携式电化学传感器的需求显著增加。今天，电化学传感器已经普遍用在监测各种有害气体的便携设备中。

　　电化学传感器的原理是检测气体的化学反应所产生的电流，而这一电流与气体的浓度成比例。旧式电化学传感器基于两个电极配置；而为了达到优良的电化学稳定性，目前使用的是三电极系统。这三个电极彼此并联堆叠，由一个电解质薄层分隔，电解质在电极之间提供了离子的电接触。

　　传感器的功能当某一气体与传感器接触时，会通过一层薄的阻挡隔膜到达电极表面，进入的气体所遇到的个电极是工作电极（WE），设计工作电极以优化电化学的氧化反应（或降解被测气体），并产生一个正比于气体浓度的电流。

　　由于工作电极上电势变化的连续电化学反应，传感器的性能会随时间的延续而劣化。为了减少退化并维持一个恒定的且线性良好的灵敏度，靠近工作电极放入一个参考电极（RE）。参考电极的用途是使工作电极固定在正确的电势上工作。为了使参考电极能维持恒定的电势，参考电极上不应该有电流。

　　第3个电极，即计数电极（CE），用于导入或导出传感器的电流。当工作电极氧化一氧化碳时，计数电极还原其它分子，如氧分子，从而产生电流。这个电流正好与工作电极极产生的电流相平衡。在工作电极和计数电极之间的离子电流由电解质传输。

　　电化学传感器需要控制电路来进行工作。这个控制电路被称之为恒电势电路，所示为一个简化的恒电势电路，由两个放大器和一个场效应晶体管所组成。在实现这个电路时，有一些小的变化，但功能和结果是一样的。

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电化学传感器在水污染调查中的应用

◎ 张玉玺刘景涛周冰

近年来，我国水污染形势日趋严峻，水污染防治工作已被提到战略高度。调查监测是水污染防治工作的基础，调查的质量和效率也直接影响着污染防治工作的实施。现场快速测试技术是提高调查效率的有效手段，在水污染调查工作中发挥着重要作用。

区域地下水污染调查工作中，在工作量和经费有限的情况下，现场快速检测技术是筛选采样点以及精确掌握局部场地污染状况的重要手段。污染应急调查工作中，利用现场快速检测技术，能够第一时间对污染程度、范围及可能造成的损害做出判断，提升应急响应效率。

目前，现场快速分析技术已经成为污染调查技术的主要发展潮流，便于携带、使用方便且能够快速得出结果的小型分析仪器也成为监测仪器发展的重要方向。在众多现场快速检测方法中，电化学传感器凭借其操作简单、性能高效、检测快速、成本低廉的优点，占据着重要一席。

电化学传感器诞生于20世纪50年代，是以被测物质作为敏感源，电极作为转换元件，以电势、电流或电导等作为特征检测信号的分析传感器。通过将不同物质的化学信号转换为电信号，分析被检测物质的类型和浓度。水环境中电化学传感器的应用，始于20世纪70年代。目前，应用最为广泛的是针对pH值、电导率、溶解氧、温度等综合指标的测试，市场上已有成熟的便携式测试仪器，是目前野外现场调查过程中不可或缺也十分有效的工具。

电化学传感器原理示意图

而针对水环境的具体离子或化合物，如重金属（Cr(VI)、Cd2+、Pb2+、Hg2+、Zn2+、Cu2+）、无机盐（SO32-、NO2-、BrO3-）、有机物（五氯酚、萘酚、苯酚、苯胺、多氯联苯）、甚至是新型污染物（磺胺类、阿奇霉素），电化学检测也逐渐能够满足各类水质标准测试的要求，但更多还是用于实验室内的测试，实际野外调查应用则鲜有报道。

电化学传感器根据工作方式不同可以分为电导型、电位型和电流型三大类，其中电导型传感器是通过测定溶液导电性来判断溶液中离子浓度，一般只用来测量电导率；电位型传感器检测的是电极和离子之间的电动势信号，根据平衡电位值来确定物质浓度，主要用于pH测试；电流型传感器检测的是物质在特定电压环境下发生氧化还原反应产生的电流信号。由于每种物质都有特定的氧化还原电位，当把电极插入被检测溶液中后，通过持续改变电压，一旦电压达到该物质的氧化还原电位时，就会发生氧化还原反应，出现电子得失，从而电路中电流就会出现波动。波峰对应的电压就代表了物质种类，而电流大小则表示了这种物质的浓度大小。针对电流型传感器的研究相对最多，其应用范围较其他两类更广泛。

一个完整的电化学检测系统一般是由电脑、电化学工作站、电极、被测溶液等几个部分组成。电脑用于可视化操作，电化学工作站用于电化学分析，电极用来与被测溶液发生反应，是电化学研究的主要对象。起初，电极材料主要为裸金属或裸碳电极，但其电流响应程度往往有限。随后人们不断研究发现，可以通过共价键合法、吸附法、电聚合法等方法，将特殊性能的分子、离子、高聚物等附着在电极上，在分子级别上对电极的性能进行改进，提高电极的性能，称为修饰电极，修饰材料一般也称为催化剂。修饰电极自提出以来便得到了迅速地推广和发展，是当前电化学传感器研究的重点和前沿。

三电极检测系统

2016年至2018年，地质调查项目“珠江三角洲松散沉积含水层水质综合调查”实施过程中，基于电化学原理，以服务现场调查为目标，针对目前电化学方法的短板，产学研相结合，开展了电化学现场检测的研究与应用。项目组采用了一种廉价、不易损、且导电性好的柔性碳布电极替代了传统玻碳电极，采用了廉价、易获得、环保、且性能高效的碳基纳米材料作为催化剂，针对典型污染物Cr(VI)、Pb2+、NO2-、有机染料RhB等，研制了一系列高效、稳定的电化学传感器，并经过了稳定性、抗干扰性以及重复性的检验，与实验室传统方法的对比分析结果也令人满意。同时，还参与设计并制作了一种便携式电化学工作站，体积仅有手掌大小，但保留了常用的电化学分析功能，在灵敏度和准确性方面也无损失，并可用USB供电。结合便携式计算机与制备的电化学传感器，共同构成了水质现场电化学检测平台。目前，利用该技术已在多个污染场地取得了很好的应用效果。

总体来说，电化学传感器能为地下水污染调查提供一种高效便捷的测试手段，特别在污染应急调查工作中具有良好的应用前景。随着不断研究与改进，电化学传感器将在水污染调查和应急监测中发挥更加重要的作用。

（作者单位：中国地质科学院水文地质环境地质研究所）

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