電化學傳感器在環(huán)境監(jiān)測中應用

隨著工業(yè)化的進展和環(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、酚類有機污染物等日益增多。

2008年云南省文山州富寧縣衡昆高速公路發(fā)生一起交通事故，事故造成33.6t粗酚泄漏，對下游25km處的廣西白色水庫造成威脅；2009年河南6個城市堆放52萬t鉻渣數(shù)十年，以致持久性污染；龍江鎘污染事件是2012年第一起震驚全國的重金屬污染事件，也是2012年中國城市水源地的第一次告急。此外，汽車尾車中含有的CO、NO和碳氫化合物等有害氣體充斥著交通環(huán)境；各種殺蟲劑、農(nóng)藥等對環(huán)境和人體造成了不同程度的危害……環(huán)境污染事件的頻頻發(fā)生，使環(huán)境監(jiān)測顯得越來越重要，對環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的要求也越來越高。

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測通常采用離線、實驗室分析方法，分析速度慢，操作復雜，分析儀器大且昂貴，無法進行現(xiàn)場快速分析和連續(xù)在線監(jiān)測。電化學傳感器以成本低、易攜帶、多功能等優(yōu)點在環(huán)境監(jiān)測領域的應用日益廣泛。鑒于對電化學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。不過，它比鉆石還硬，在室溫下比任何一種介質(zhì)的導電性都要好。石墨烯獨特的結(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，石墨烯在基礎研究及設備研發(fā)方面都得到了廣泛的應用。由于石墨烯具有大的比表面積、良好的生物相容性、較高的導電性，被廣泛應用到電化學傳感器的構(gòu)建。

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

大規(guī)模制備高質(zhì)量的石墨烯晶體材料是所有應用的基礎，發(fā)展簡單可控的化學制備方法是最為方便、可行的途徑，這需要化學家們長期不懈的探索和努力。Novoselov等人最初采用“微機械力分裂法”，即通過機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)，這種擔載的石墨烯可以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)，導致表面結(jié)構(gòu)較為復雜，難以得到面積大、厚度均一的石墨烯。相比較而言，化學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�墨烯的生長進行調(diào)控。另外化學或熱還原法也可以大量生產(chǎn)石墨烯。將石墨烯功能化，是將石墨烯進行化學改性、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，增強了石墨烯的導電性；合成磺酸化的石墨烯提高了石墨烯的水溶性，進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元素摻雜于石墨烯中，進一步改善了石墨烯的導電性；另外還有制備的光學性質(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電性以及表面積，用此種修飾電極構(gòu)建一系列電化學傳感器，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，通過對電信號進行處理，監(jiān)測出被測物質(zhì)及其濃度。