電化學(xué)傳感器發(fā)展步入“春天”
[導(dǎo)讀]電化學(xué)傳感器用來測定目標(biāo)分子或物質(zhì)的電學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)，從而進(jìn)行定性和定量的分析和測量。電化學(xué)傳感器的發(fā)展具有悠久的歷史，它的基本理論和技術(shù)發(fā)展與電分析化學(xué)密切相關(guān)，最早的電化學(xué)傳感器可以追溯到20世紀(jì)50
電化學(xué)傳感器用來測定目標(biāo)分子或物質(zhì)的電學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)，從而進(jìn)行定性和定量的分析和測量。電化學(xué)傳感器的發(fā)展具有悠久的歷史，它的基本理論和技術(shù)發(fā)展與電分析化學(xué)密切相關(guān)，最早的電化學(xué)傳感器可以追溯到20世紀(jì)50年代，并隨著微電子和材料加工技術(shù)不斷更新而發(fā)展。
1959年，捷克科學(xué)家海洛夫斯基發(fā)明伏安分析法而獲諾貝爾化學(xué)獎。伏安法之一的極譜法，可以區(qū)分不同價態(tài)的金屬離子或鍵合態(tài)及游離的金屬離子，因此可以對生物利用率和重金屬毒性進(jìn)行評估，使其成為環(huán)境分析所必須的技術(shù)。電極是伏安法儀器的核心部分，因為電極材料的限制，造成靈敏度低、檢測時間長、操作較復(fù)雜或重現(xiàn)性差等缺陷，使得伏安法沒有獲得廣泛的應(yīng)用。
20世紀(jì)60年代離子選擇性電極及酶電極相繼問世，電化學(xué)傳感器進(jìn)入了穩(wěn)定發(fā)展時期，在環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)藥分析、在線分析等方面獲得廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家利用化學(xué)修飾電極，改變電極表面結(jié)構(gòu)以控制電化學(xué)過程，標(biāo)志著電化學(xué)傳感器的功能化修飾和控制進(jìn)入分子水平。
近年來，隨著納米材料科學(xué)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，新原理、新技術(shù)、新材料和新工藝的廣泛采用，傳感器在小型化、微型化、智能化方向得到了日新月異的發(fā)展，具有特殊性能和優(yōu)點的電化學(xué)傳感器不斷涌現(xiàn)并進(jìn)入實際應(yīng)用。在歐美，伏安法已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的原子吸收法大量應(yīng)用于醫(yī)藥、生物和環(huán)境分析領(lǐng)域。
目前，采用納米技術(shù)，提高電化學(xué)傳感器的選擇性、靈敏度和多目標(biāo)同時測定，成了國內(nèi)外研究熱點，具體地說，集中在碳納米管和石墨烯傳感器的制備和產(chǎn)業(yè)化。
碳納米管被認(rèn)為是一種性能優(yōu)異的新型功能材料和結(jié)構(gòu)材料，世界各國均在其制備和應(yīng)用方面投入大量的研究開發(fā)力量，期望能占領(lǐng)該技術(shù)領(lǐng)域的“制高點”。碳納米管傳感器是目前納米傳感器的最重要平臺，在航天、機(jī)械、儀器儀表、汽車制造、油氣勘探、電子工程及醫(yī)療器械行業(yè)都有廣泛用途，并已經(jīng)成為相關(guān)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)條件。而石墨烯的出現(xiàn)，要比碳納米管更晚，但在近幾年已經(jīng)超越了碳納米管成為國際新熱點。
納米材料傳感器與電化學(xué)儀器的結(jié)合之所以成為熱點，主要還是因為在構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的成本和運營方面，比光譜類儀器有巨大的優(yōu)勢。隨著新型功能化納米材料的不斷涌現(xiàn)，電化學(xué)傳感器的一些缺陷將被克服，并在工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控和醫(yī)療領(lǐng)域展示其應(yīng)用價值，尤其是在新型的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中，可以應(yīng)用到生命科學(xué)、環(huán)境、健康、國防等眾多領(lǐng)域。
近年來，重金屬污染事故頻發(fā)，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。各級政府對重金屬污染的監(jiān)控和治理十分重視。其中，重金屬分析，特別是重金屬污染事故的快速跟蹤監(jiān)測技術(shù)，一直是人們關(guān)注和研究的課題。
目前檢測重金屬的技術(shù)主要有光譜法和電化學(xué)法，光譜法包括AAS、ICP-MS、ICP-AES、AFS等;電化學(xué)法包括伏安法、極譜法、電位分析法等。這些方法在不同的領(lǐng)域和檢測環(huán)境需求中發(fā)揮各自的優(yōu)勢。電化學(xué)傳感器技術(shù)屬于電化學(xué)法，在重金屬檢測中具有獨特特點和優(yōu)點，包括：
(1)便攜和低成本
隨著微電子技術(shù)和納米材料科學(xué)的快速發(fā)展，電化學(xué)傳感器朝著微型化和智能化發(fā)展，在重金屬檢測中具有便攜和低成本的明顯優(yōu)勢，特別是應(yīng)對重金屬突發(fā)事故，可以現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控，而且其使用和維護(hù)成本比較低。
(2)操作簡單、選擇性好、靈敏度高和多元素同時檢測
納米材料，比如碳納米管、金納米顆粒等，處于宏觀體系和微觀體系之間的過渡區(qū)域，是由數(shù)目極少的原子或分子組成的原子群。這一結(jié)構(gòu)特征使納米材料具有獨特的微尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子效應(yīng)，表現(xiàn)出不同于宏觀材料的電化學(xué)催化、特殊電子轉(zhuǎn)移性能等。納米材料在電化學(xué)傳感器的廣泛應(yīng)用，使電化學(xué)傳感器在重金屬檢測中具有操作簡單、選擇性好、靈敏度高和多元素同時檢測的優(yōu)點，極大的拓寬其在重金屬離子監(jiān)測的應(yīng)用范圍，在重金屬痕量分析方法中占有越來越重要的地位。
電化學(xué)傳感器具有十分廣闊的市場，僅經(jīng)典的pH傳感器，每年全球的市場近100億美元，另外一種電化學(xué)傳感器--血糖儀，其市場規(guī)模也達(dá)到50億美元以上。隨著無線技術(shù)、微電子技術(shù)和納米材料的快速發(fā)展，電化學(xué)傳感器在許多領(lǐng)域?qū)@得前所未有的機(jī)會，尤其在環(huán)境監(jiān)控、食品安全和原材料質(zhì)控等領(lǐng)域?qū)⒂兄鴺O廣泛的應(yīng)用前景。
國家在“十二五”規(guī)劃發(fā)展期間，環(huán)保設(shè)備和監(jiān)控領(lǐng)域的市場達(dá)5000億元，并且以每年15%的速度增長?？梢灶A(yù)見，利用新技術(shù)和新材料，緊密結(jié)合中國的市場實際，開發(fā)簡單、實用、自動化、免維護(hù)的傳感器，在水質(zhì)、大氣、工業(yè)過程監(jiān)測和健康監(jiān)控領(lǐng)域?qū)⒕哂惺謴V闊的市場。
1959年，捷克科學(xué)家海洛夫斯基發(fā)明伏安分析法而獲諾貝爾化學(xué)獎。伏安法之一的極譜法，可以區(qū)分不同價態(tài)的金屬離子或鍵合態(tài)及游離的金屬離子，因此可以對生物利用率和重金屬毒性進(jìn)行評估，使其成為環(huán)境分析所必須的技術(shù)。電極是伏安法儀器的核心部分，因為電極材料的限制，造成靈敏度低、檢測時間長、操作較復(fù)雜或重現(xiàn)性差等缺陷，使得伏安法沒有獲得廣泛的應(yīng)用。
20世紀(jì)60年代離子選擇性電極及酶電極相繼問世，電化學(xué)傳感器進(jìn)入了穩(wěn)定發(fā)展時期，在環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)藥分析、在線分析等方面獲得廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家利用化學(xué)修飾電極，改變電極表面結(jié)構(gòu)以控制電化學(xué)過程，標(biāo)志著電化學(xué)傳感器的功能化修飾和控制進(jìn)入分子水平。
近年來，隨著納米材料科學(xué)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，新原理、新技術(shù)、新材料和新工藝的廣泛采用，傳感器在小型化、微型化、智能化方向得到了日新月異的發(fā)展，具有特殊性能和優(yōu)點的電化學(xué)傳感器不斷涌現(xiàn)并進(jìn)入實際應(yīng)用。在歐美，伏安法已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的原子吸收法大量應(yīng)用于醫(yī)藥、生物和環(huán)境分析領(lǐng)域。
目前，采用納米技術(shù)，提高電化學(xué)傳感器的選擇性、靈敏度和多目標(biāo)同時測定，成了國內(nèi)外研究熱點，具體地說，集中在碳納米管和石墨烯傳感器的制備和產(chǎn)業(yè)化。
碳納米管被認(rèn)為是一種性能優(yōu)異的新型功能材料和結(jié)構(gòu)材料，世界各國均在其制備和應(yīng)用方面投入大量的研究開發(fā)力量，期望能占領(lǐng)該技術(shù)領(lǐng)域的“制高點”。碳納米管傳感器是目前納米傳感器的最重要平臺，在航天、機(jī)械、儀器儀表、汽車制造、油氣勘探、電子工程及醫(yī)療器械行業(yè)都有廣泛用途，并已經(jīng)成為相關(guān)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)條件。而石墨烯的出現(xiàn)，要比碳納米管更晚，但在近幾年已經(jīng)超越了碳納米管成為國際新熱點。
納米材料傳感器與電化學(xué)儀器的結(jié)合之所以成為熱點，主要還是因為在構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的成本和運營方面，比光譜類儀器有巨大的優(yōu)勢。隨著新型功能化納米材料的不斷涌現(xiàn)，電化學(xué)傳感器的一些缺陷將被克服，并在工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控和醫(yī)療領(lǐng)域展示其應(yīng)用價值，尤其是在新型的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中，可以應(yīng)用到生命科學(xué)、環(huán)境、健康、國防等眾多領(lǐng)域。
近年來，重金屬污染事故頻發(fā)，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。各級政府對重金屬污染的監(jiān)控和治理十分重視。其中，重金屬分析，特別是重金屬污染事故的快速跟蹤監(jiān)測技術(shù)，一直是人們關(guān)注和研究的課題。
目前檢測重金屬的技術(shù)主要有光譜法和電化學(xué)法，光譜法包括AAS、ICP-MS、ICP-AES、AFS等;電化學(xué)法包括伏安法、極譜法、電位分析法等。這些方法在不同的領(lǐng)域和檢測環(huán)境需求中發(fā)揮各自的優(yōu)勢。電化學(xué)傳感器技術(shù)屬于電化學(xué)法，在重金屬檢測中具有獨特特點和優(yōu)點，包括：
(1)便攜和低成本
隨著微電子技術(shù)和納米材料科學(xué)的快速發(fā)展，電化學(xué)傳感器朝著微型化和智能化發(fā)展，在重金屬檢測中具有便攜和低成本的明顯優(yōu)勢，特別是應(yīng)對重金屬突發(fā)事故，可以現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控，而且其使用和維護(hù)成本比較低。
(2)操作簡單、選擇性好、靈敏度高和多元素同時檢測
納米材料，比如碳納米管、金納米顆粒等，處于宏觀體系和微觀體系之間的過渡區(qū)域，是由數(shù)目極少的原子或分子組成的原子群。這一結(jié)構(gòu)特征使納米材料具有獨特的微尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子效應(yīng)，表現(xiàn)出不同于宏觀材料的電化學(xué)催化、特殊電子轉(zhuǎn)移性能等。納米材料在電化學(xué)傳感器的廣泛應(yīng)用，使電化學(xué)傳感器在重金屬檢測中具有操作簡單、選擇性好、靈敏度高和多元素同時檢測的優(yōu)點，極大的拓寬其在重金屬離子監(jiān)測的應(yīng)用范圍，在重金屬痕量分析方法中占有越來越重要的地位。
電化學(xué)傳感器具有十分廣闊的市場，僅經(jīng)典的pH傳感器，每年全球的市場近100億美元，另外一種電化學(xué)傳感器--血糖儀，其市場規(guī)模也達(dá)到50億美元以上。隨著無線技術(shù)、微電子技術(shù)和納米材料的快速發(fā)展，電化學(xué)傳感器在許多領(lǐng)域?qū)@得前所未有的機(jī)會，尤其在環(huán)境監(jiān)控、食品安全和原材料質(zhì)控等領(lǐng)域?qū)⒂兄鴺O廣泛的應(yīng)用前景。
國家在“十二五”規(guī)劃發(fā)展期間，環(huán)保設(shè)備和監(jiān)控領(lǐng)域的市場達(dá)5000億元，并且以每年15%的速度增長?？梢灶A(yù)見，利用新技術(shù)和新材料，緊密結(jié)合中國的市場實際，開發(fā)簡單、實用、自動化、免維護(hù)的傳感器，在水質(zhì)、大氣、工業(yè)過程監(jiān)測和健康監(jiān)控領(lǐng)域?qū)⒕哂惺謴V闊的市場。
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