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環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用：電化學(xué)傳感器

發(fā)布日期：2014-05-29 瀏覽次數(shù) ：3259

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 近年來(lái),環(huán)境問(wèn)題愈來(lái)愈引起人們的重視。隨著工業(yè)化的進(jìn)展和環(huán)境污染的加劇，環(huán)境中存在的重金屬、有毒氣體、農(nóng)藥殘留、酚類(lèi)有機(jī)污染物等日益增多。環(huán)境監(jiān)測(cè)作為環(huán)境保護(hù)工作的一個(gè)重要方面，顯得也越來(lái)越重要了，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的要求也越來(lái)越高。

　     傳感器主要由敏感器(分子識(shí)別元件)、信號(hào)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(lèi)特殊的傳感器，是利用生物識(shí)別元件、信號(hào)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(cè)量物質(zhì)并按照一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的電信號(hào)，通過(guò)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，監(jiān)測(cè)出被測(cè)物質(zhì)及其濃度。
　　
　
　　傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)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(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速分析和連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。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(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。鑒于對(duì)電化學(xué)傳感器的靈敏度要求越來(lái)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的納米材料對(duì)電化學(xué)傳感器起到了很好的增敏作用。
　　
　　石墨烯具有六邊形晶格組成的二維晶體的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以看作是一層被剝離的石墨片層，碳原子之間是sp2雜化。石墨烯是形成其他維數(shù)炭質(zhì)材料（如零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨）的基本單元。石墨烯的柔韌性跟塑料包裝一樣好，可以隨意彎曲、折疊或者像卷軸一樣卷起來(lái)。不過(guò)，它比鉆石還硬，在室溫下比任何一種介質(zhì)的導(dǎo)電性都要好。石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其顯示出不同尋常的性質(zhì)。作為一種重要的材料，石墨烯在基礎(chǔ)研究及設(shè)備研發(fā)方面都得到了廣泛的應(yīng)用。由于石墨烯具有大的比表面積、良好的生物相容性、較高的導(dǎo)電性，被廣泛應(yīng)用到電化學(xué)傳感器的構(gòu)建。
　　
　　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(cè)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(lái)外基于石墨烯構(gòu)建的電化學(xué)傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jiǎn)單可控的化學(xué)制備方法是為方便、可行的途徑，這需要化學(xué)家們長(zhǎng)期不懈的探索和努力。Novoselov等人初采用“微機(jī)械力分裂法”，即通過(guò)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。雖然這種方法可以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(guò)加熱SiC單晶表面，Berger等人在SiC表面上外延生長(zhǎng)石墨烯結(jié)構(gòu)，這種擔(dān)載的石墨烯可以通過(guò)光刻過(guò)程直接做成電子器件。但是由于SiC晶體在高溫加熱過(guò)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可以生成石墨烯結(jié)構(gòu)，通過(guò)襯底的選擇、生長(zhǎng)的溫度、前驅(qū)物的暴露量等生長(zhǎng)參數(shù)能夠?qū)κ┑纳L(zhǎng)進(jìn)行調(diào)控。另外化學(xué)或熱還原法也可以大量生產(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基底材料，大大提高了修飾電的導(dǎo)電性以及表面積，用此種修飾電構(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。