電化學傳感器在水質重金屬檢測中的應用研究
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摘 要：水環境重金屬污染的發生，將造成動植物死亡，并給人民用水帶來安全威脅，所以需要利用儀器設備加強水質檢測?；谶@種認識，本文對電化學傳感器應用特點展開了分析，然后其在水質重金屬檢測方面采用的離子選擇性電極法、溶出伏安法等方法進行了探討，以把握電化學傳感器的應用情況和發展方向。
關鍵詞：電化學傳感器；水質檢測；重金屬污染
在過去數十年經濟快速發展歷程中，我國走的是“先發展后治理”道路，造成了大量重工業廢水向水體中傾倒，引發了水環境重金屬污染。為加強水污染防治，還要加強水質重金屬實時檢測。目前，電化學傳感器能夠用于實現水質中多種重金屬在線分析，因此還需加強應用研究。
1 電化學傳感器在水質重金屬檢測中的應用特點
在水質重金屬檢測方面，需要對水體中重金屬種類和含量進行檢測，從而實現污染水平評估，提出有效治理方案。采用電化學傳感器進行水質檢測，主要采用電化學分析原因，能夠根據待測物電化學性質獲得相應化學信號，然后通過轉變為電信號輸出完成物質組分和含量分析。從結構上來看，該種傳感器包含識別系統和轉導系統，前者用于和被分析物發生選擇性的相互作用，能夠將得到的化學參數轉換為電化學信號，后者能夠對信號進行接收，然后傳輸至電子系統進行放大處理和輸出。通過突出體現識別層的特異性和選擇性，能夠使儀器獲得較高靈敏度和分析速度。由于電化學傳感器多由電極和薄膜電解層組成，所以成本較低，同時擁有較低檢出限，帶有操作便利等特點，能夠進行在線實時檢測，因此在水質重金屬檢測中發展潛力巨大。
2 電化學傳感器在水質重金屬檢測中的應用技術方法
2.1 現有檢測技術方法
現階段，在水質重金屬檢測中應用的電化學傳感器有多種。從總體上來看，主要采用離子選擇性電極法、溶出伏安法和計時電流法。
采用離子選擇性電極法，將選擇性電極當成是關鍵部件，能夠直接進行溶液中重金屬離子檢測。該種電極采用離子敏感膜，能夠將特定離子活度轉為膜電位，從而獲得相應電位信號。采用內參比電極和相應溶液，能夠將膜電位值導出。實際在電解質溶液中，重金屬離子將在膜兩邊進行擴散和交換，導致膜電勢的產生。在離子活度改變后，雙電層電勢差也將發生改變。在一定強度下，重金屬離子電極電位與活度的對數之間呈現出線性關系，滿足式（1）。
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式中E指的是選擇性電極電位，b則是參比電極電位，ai為離子活度，n是轉移的電子數，T為熱力學溫度，R和F分別為摩爾氣體常數和法拉第常數[1]。
在選擇性電極與參比電極相互配合的情況下，對電位差計進行連接，能夠實現多種重金屬離子濃度的檢測。
作為最常見方法，溶出伏安法能夠實現控制電位電解富集和伏安分析。在電解質溶液中重金屬離子溶出時，結合電極發生的氧化或還原反應，可以采取相應的陽極溶出或陰極溶出伏安法，利用記錄的電流i和電壓U進行函數曲線分析，從而實現重金屬離子的定量分析與檢測。對水體中的重金屬離子進行檢測，多采用陽極溶出伏安法。例如，針對Cu2+、Cd2+等重金屬離子進行檢測時，可以采用汞膜電極。在檢測期間，陰極將對重金屬離子進行還原，使電極方向富集金屬原子或汞合金。經過陽極氧化后，促使重金屬離子溶出，能夠得到相應伏安曲線，繼而完成離子濃度測定。
采用計時電位溶出分析法，同樣需要在電極上進行待測重金屬離子的富集。在實際操作中，需要進行電壓的施加，在離子富集后利用溶液中物質或附加電流促使電極上待測重金屬離子氧化，能夠促使定量重金屬的溶出。不同于伏安溶出法，其用于對重金屬在此氧化的過渡時間進行檢測，然后根據過渡時間與穩定電壓關系完成電位分析。
2.2 技術應用發展方向
從電化學傳感器發展方向來看，基于電化學檢測原理實現水質重金屬在線檢測，可以通過價態分析獲得電信號，檢測限能夠達到ppb級，并且靈敏度較高，能夠達到水質檢測要求。但伴隨著無線傳感器網絡技術的發展，想要在湖、河中實現傳感器廣泛分布，達到對水質進行實時監控的目標，還要推動該類傳感器的小型化、便攜化發展。從研究趨勢來看，國內外廠商普遍致力于便攜式水環境重金屬分析儀研制。在新材料得到研發基礎上，采用介孔氧化硅納米材料，憑借材料量子尺寸效應等性質，能夠對傳感器結構形貌進行調控，完成小型、高靈敏的光學式電化學傳感器設計，為無線傳感器網絡構建提供便利。在微加工工藝等新工藝得以產生的情況下，實現微電極列陣制作，能夠在芯片上實現三電極系統集成，促使電化學傳感器取得微型化發展。伴隨著電化學傳感器的快速發展，可以引入無線傳感器網絡，采用分布式傳感器+服務器數據中心模式進行水環境重金屬污染監測，為大面積水域治理提供技術支撐。
3 結論
綜上所述，在水質重金屬檢測中應用電化學傳感器，能夠采用溶出伏安法等各種方法實現污染物準確、高效檢測。而伴隨著新材料和新技術的出現，電化學傳感器將取得便攜化、小型化發展，未來能夠在湖域、河域等多個領域分布，通過對水質進行實時監控滿足水污染治理的迫切需求。
參考文獻：
[1]榮曉嬌，石磊，丁士明，等.基于納米材料的電化學傳感器在重金屬離子檢測中的應用[J].南京工業大學學報（自然科學版），2018，40（03）：115-121.
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