電化學(xué)傳感器在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測通常采用離線、實(shí)驗(yàn)室分析方法，分析速度慢，操作復(fù)雜，分析儀器大且昂貴，無法進(jìn)行現(xiàn)場快速分析和連續(xù)在線監(jiān)測。電化學(xué)傳感器以成本低、易攜帶、多功能等優(yōu)點(diǎn)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。鑒于對電化學(xué)傳感器的靈敏度要求越來越高，很多納米材料如碳納米管、納米金屬顆粒、碳纖維、多孔納米材料等被廣泛用于電化學(xué)傳感器構(gòu)建，其中石墨烯作為一種新型的納米材料對電化學(xué)傳感器起到了很好的增敏作用。

電化學(xué)傳感器在食品安全、生物分析、生命醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等方面得到了高度重視和廣泛應(yīng)用。筆者主要綜述近幾年來國內(nèi)外基于石墨烯構(gòu)建的電化學(xué)傳感器在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展。

大規(guī)模制備高質(zhì)量的石墨烯晶體材料是所有應(yīng)用的基礎(chǔ)，發(fā)展簡單可控的化學(xué)制備方法是zui為方便、可行的途徑，這需要化學(xué)家們不懈的探索和努力。Novoselov等人zui初采用“微機(jī)械力分裂法”，即通過機(jī)械力從石墨晶體表面剝離石墨烯片層并轉(zhuǎn)移到氧化硅等載體表面上。雖然這種方法制備微米大小的石墨烯，但是其可控性較低，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模合成。

通過加熱SiC單晶表面，Berger等人在SiC表面上外延生長石墨烯結(jié)構(gòu)，這種擔(dān)載的石墨烯通過光刻過程直接做成電子器件。但是由于SiC晶體在高溫加熱過程中表面容易發(fā)生重構(gòu)，導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以得到面積大、厚度均一的石墨烯。相比較而言，化學(xué)氣相沉積法提供了一條有效可控的合成和制備石墨烯薄膜的途徑。以金屬單晶或金屬薄膜為襯底，在其表面上暴露并高溫分解含碳化合物生成石墨烯結(jié)構(gòu)，通過襯底的選擇、生長的溫度、前驅(qū)物的暴露量等生長參數(shù)能夠?qū)κ┑纳L進(jìn)行調(diào)控。另外化學(xué)或熱還原法也大量生產(chǎn)石墨烯。將石墨烯功能化，是將石墨烯進(jìn)行化學(xué)改性、摻雜、表面官能化以及合成石墨烯的衍生物。

如金屬納米粒子功能化的石墨烯，增強(qiáng)了石墨烯的導(dǎo)電性；合成磺酸化的石墨烯提高了石墨烯的水溶性，進(jìn)一步提高了石墨烯在電極表面的成膜性；合成N摻雜的石墨烯，由于氮元素有高的電子云密度，將N元素?fù)诫s于石墨烯中，進(jìn)一步改善了石墨烯的導(dǎo)電性；另外還有制備的光學(xué)性質(zhì)較好的卟啉石墨烯。將功能化石墨烯作為修飾電極基底材料，大大提高了修飾電極的導(dǎo)電性以及表面積，用此種修飾電極構(gòu)建一系列電化學(xué)傳感器，提高了傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

傳感器主要由敏感器(分子識別元件)、信號轉(zhuǎn)換器(換能器)和電子線路三部分組成。電化學(xué)傳感器是一類特殊的傳感器，是利用生物識別元件、信號轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)結(jié)合在一起的分析設(shè)備，能夠感受特定的被測量物質(zhì)并按照一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可識別的電信號，通過對電信號進(jìn)行處理，監(jiān)測出被測物質(zhì)及其濃度。