周 莹

（南宁学院，广西壮族自治区 南宁 530200）

水质重金属污染问题形成的主要原因是一部分企业在工业生产阶段，将含有超标重金属离子的工业废水直接排放到自然水体中，破坏大自然的水生态环境，当重金属离子进入到人体内部将会引发慢性中毒，威胁到人类的生命安全。想要有效预防水质重金属污染，相关技术人员要围绕水质重金属污染程度制定出针对性的治理方案，水质重金属检测直接影响到水环境的治理水平。通过对电流型电化学传感器、电位型电化学传感器在水质重金属检测中的实际应用，结合微加工工艺、微丝电极、纳米带电极阵列等技术，探究电化学传感器的发展前景。

1 电化学传感器的应用原理和类型

1.1 应用原理

结合电化学传感器的基本原理进行实验技术分析，主要的测量方向是物质的电化学性质，通过实验探究观察物质的化学变化过程，并将其转化为电信号输出到检测系统中获取物质含量，合理进行物质分组。电化学传感器的构成原理主要分为自动化识别模块和转导模块，自动化识别模块能够分析物质之间产生的相互作用，将获取的化学参数按照一定的转换流程生成电信号；转导模块的主要作用是接收识别模块传输的信号，将其转化为电化学信号，直接输送综合管理系统，由管理系统进行信号放大并持续输出。在进行自动识别模块构建时，需要明确识别系统的特异性与选择性，保证分析过程的灵敏度，充分发挥出电化学检测的应用优势，电化学传感器的设计核心为工作电极与对电极，工作电极需要通过材料修饰具有较高的选择性。

1.2 主要类型

在进行电化学传感器分类的过程中，可以按照输出信号将其分别整理为电流型传感器（该类型传感器在电解质溶液与电流界面中始终处于恒定电位，通过氧化还原输出外电路电流，完成被测物质检测）电位型传感器（该类型传感器需要将检测物质溶解于电解质溶液，并与电极相互作用生成电动势，通过传感器输出完成物质检测）电容型传感器（该类型的传感器在电机和电解质溶液中，观察电容量的变化情况，实现物质检测）电导型传感器（该类型传感器将氧化还原后的被测物质所形成的电导变化，通过传感器输出，完成物质检测）等多种类型。除了四大分类之外，电化学传感器还包括气体传感器、生物传感器等等，不同类型的电化学传感器具有不同的检测作用，在水质重金属检测的过程中主要采用电流型电化学传感器和电位型电化学传感器，这也是文章的重点讨论方向。

2 电化学传感器在重金属检验中的关键技术

2.1 微电极阵列

单个微电极的电流较低，由大量微电极共同组成的传感器阵列，能够让电流信号翻倍，因此经常采用微电极阵列控制好微电极之间的距离，避免出现微电极扩散层重叠问题，充分发挥出微电极的传质能力。在进行微电极阵列设计的过程中，采用的微加工工艺主要负责沉积薄膜和图形生成两大工作，通常采用蒸发、光刻、氧化、电镀等多种形式。

蒸发工艺分为真空蒸发和电子蒸发，真空蒸发需要选择电加热与沉积得到的金属丝，金属冷凝会在基底的表面区域形成薄膜，或者通过电子束蒸发改变材料形成蒸汽，受到蒸发温度的影响沉积在基底。通过蒸发处理，沉积金属通过直流和射频驱动的方式，加速惰性离子，产生高能量等离子进行溅射沉积处理。激光沉积作为一种新型的薄膜沉积技术，借助激光术与靶材之间的相互作用力，将等离子体在基底区域沉积成膜，通常被应用到具有合成成分的薄膜制造中，传统的物理沉积法虽然能够解决薄膜生成问题，但同样存在许多缺点和不足，采用化学沉积法，能够激活物质气体，通过化学反应沉积形成固体薄膜。与物理沉积法相比温度较低，薄膜的厚度更加符合标准，薄膜十分均匀，能够降低对基底的损伤，整体操作过程更为便捷。

2.2 微丝电极

微电极具有与常规电极不同的电化学特性，微丝电极的有效应用能够实现对水质中汞和铜的电化学检测，在电极制备的过程中将金丝放置在微量吸管中，将铜丝与金丝进行有效连接，使金丝穿过微管，在石英炉中进行尖端溶化，保证金丝的密封性，在微丝电极处理阶段不需要进行抛光处理，将微丝电极放入到乙醇中进行超声清洗，在完成去离子水冲洗后，借助循环伏安扫描直到生成稳定的伏安曲线。例如：利用微丝电极进行水质金属三价砷的质量检测，观察三价砷的溶出伏安曲线，对比标准工作曲线进行样品扫描，按照检测步骤确定富集时间，通过对伏安曲线峰位观察，分析在一定范围内的线性关系。微丝电极具有较低的检测下限，能够实现多种重金属的同时检测，观察实验阶段残余电流，降低检测数值干扰，微丝电极的制备过程十分简便。

2.3 纳米电极

纳米电极整体尺寸不存在明确定义，纳米电极作为电化学传感器研究的重要领域，当电极尺寸减小到纳米时，会增加微电极的制作难度，释放出的信号较弱，检测过程会受到不同因素的干扰，纳米材料和纳米电极制备方法的创新研发，提高了实验仪器的整体性能。纳米电极的应用优势在于，不会对被检测生物造成损伤，传质速度较快，可以作为电化学反应中速率常数的测量工具，纳米生物传感器中纳米电极的应用渐受到人们的关注。在进行纳米电极制备阶段进行纳米电解，目前纳米电极的制备已经形成了环形、圆盘形等多种形状，将金属丝在腐蚀液中，加工处理纳米针尖，纳米电极阵列的制备方法具有多样性的发展特点，可以通过电沉积进行金属沉积。在微电极中纳米电极的表征无法采用传统的光学显微镜表征法，由于分辨率不足无法得到准确的观察结果，纳米电极主要采用电子显微镜和电化学的方式进行表征呈现，在观测阶段通常会造成不同程度的电极破坏，因此无法大规模常规性使用。通过电化学表征法借助氧化还原体系判断电极表面的形态，在进行纳米带电极阵列研发阶段，在电极之间安装绝缘材料，避免电极之间受到干扰。为了降低电极污染需要保证前端齐平，电极的尖端区域作为电极工作的重要区域，需要定期进行养护，采用惰性材料进行基底层制作，电极材料以贵金属和金属合金为主，通过微加工工艺的有效应用，制备纳米带电极阵列。

3 电化学传感器在水质重金属检测中的实际应用

3.1 电流型电化学传感器检测水质重金属

电流型电化学传感器在水质重金属检测过程中的有效应用，主要通过溶出伏安法。溶出伏安法指的是电解沉积与电解溶出两个检验过程，具体操作要求在特定的电位下，将被测电解沉积在电极上，利用反向扫描电极电位的方法，将沉积物质电解溶出，观察溶出阶段形成的伏安曲线。通常情况下峰电流的高低与被测重金属浓度之间成正比，结合基础原理进行测量分析，电解沉积操作属于浓缩富集，将被测物质沉积到电极上，浓度有所提高，将会产生电信号。整个操作阶段所采用的溶出伏安法分为阳极溶出伏安法和阴极溶出伏安法，两种类型。

阳极溶出伏安法主要被应用到金属离子的检测过程中，能够保证检测结果的准确性，同时可以实现多种金属的同时检测，通过电位作用将被测离子富集在工作电极，通过电位扫描得到伏安曲线，将其作为检测分析的重要依据。在进行金属原子合金溶出的阶段，可以采用电压脉冲的形式测量痕量金属，能够有效避免在检测过程中受到电流的干扰，保证线性范围和检测结果的准确性。通过差分脉冲获得准确的测量数值，以溶出伏安曲线的形式展现出来。

阴极溶出伏安法测量物质需要在正电位下，以难溶膜状物的形式富集在固体电极上，在持续改变电压的情况下溶出膜状物，观察半峰电位判断物质的主要特性，峰电流的大小会影响到物质的具体浓度，主要被应用到阴离子和有机阴离子的测定中。

例如：在进行痕量汞检测的过程中，利用电化学分析仪、铂片电极、电子分析天平、高频超声波清洗器等设备，准备好二氯甲烷、氯化铵、盐酸、硝酸等试剂。在检测前需要进行溶液配置，进行电极的预处理工作，在金相砂纸上将玻碳电极抛光处理，通过水洗去除污物，利用超声水域进行彻底清洗。通过反复扫描得到稳定的电化学信号，用二次蒸馏水进行玻碳电极彻底清洗，这样制作得到的修饰电极溶入到特定浓度的氨水中，记录线性扫描得到的溶出伏安曲线。通过观察分析，结合扫描结果判断电极在完成活化处理后，是否在表面存在其他的金属离子，在重金属测定阶段能够保证测量结果的准确性。探究玻碳电极的活化效果，并对比分析处理前后的峰电流数值，如果在活化处理后玻碳电极表面活性得到显著增强，可以通过去除表面杂质的方式改进电极性能。溶出伏安曲线能够真实反映出水质重金属汞的测定结果，在检测阶段需要对比不同富集电位下的富集效果，分析重金属元素汞在测定阶段的最佳富集时间，观察线性增加情况得出结论，浓度越低饱和吸附的时间越长。以此作为参考，选择最佳的富集时间，结合被测物质特性进行玻碳电极修饰，通过修饰电极开展电化学实验，测量水质重金属痕量汞的线性范围和最低浓度。

3.2 电位型电化学传感器检测水质重金属

电位型电化学传感器在水质重金属检测过程中的有效应用主要通过离子选择电极法以及计时性电位溶出分析法两种。离子选择电极是常见的一种电化学传感器，主要是观察电势与溶液针对离子活性所形成的线性关系，该装置的有效应用与传统的氧化还原反应体系存在明显差异。离子选择电极会对特殊活性物质以及溶液中离子活度有选择地发出响应，形成平衡电势，利用测量仪检测电池的电动势，以此为依据进行被测溶液中离子活性和浓度的检测。目前市场上与离子电极相关的测量仪器，作为一种现代化常见的化学分析手段，离子选择电极具有明显的应用优势，能够避免样品溶液形态的干扰，保证测量结果的准确性，离子电极分析设备简单、操作便捷、仪器轻便适合携带，经常被用于现场测定中，所投入的设备维护费用较低。

离子选择电极能够快速完成数据分析，通常情况下单次分析只需要通过两分钟左右，在样品中加入试剂稀释后进入电极，通过数值读取完成测量任务。通过反复多次测量降低测量误差，离子选择电极所输出的信号为电信号，不需要经过转换能够直接进行放大与记录，离子选择性电极能够保证连续多次测量，实现对测量结果的集中控制，用较少的时间和较低的资源完成检测工作。目前离子电极分析作为标准的分析方式存在，通过重金属在溶液和敏感膜之间的扩散产生离子选择性电极，电位随着被测物质活度的变化，膜电势同样发生变化，因此，将膜电势作为重金属活动测量的重要工具，根据能斯特方程原理完成水质重金属测定，了解重金属离子浓度。

计时性电位溶出分析法通过施加电压的方式，将被测金属离子富集到电极上，利用溶液中的特殊物质对被测金属进行氧化反应，观察溶出阶段的检测情况，确定富集金属量。计时电位溶出分析能够充分记录金属在溶液里所发生的形态变化，测量得到的信号值为二次氧化的过渡时间，该数值会受到稳定电压的影响，采用电位分析法进行重金属检测，采用的试剂简单、操作过程十分简便、能够降低样品消耗、保证测量结果的准确性。

3.3 纳米电化学传感器检测水质重金属

纳米电化学传感器的应用优势就在于纳米材料具有丰富的表面活性点，将纳米材料与电极化学进行有机结合，可以增加电子与物质之间的传输速度，保证传感器的稳定性，全面提高电化学分析效果。通过生物配体进行纳米材料修饰，实现对电极宏观性能的全面掌控，纳米材料修饰电极所形成的电化学传感器能源消耗较低、有机物干扰不强、能够快速完成属性分析，具有极强的稳定性。通过多种类型纳米材料共同修饰的手段，能够提高电化学传感器的灵敏度，解决水质重金属离子检测的关键性问题。纳米电化学传感器在检测阶段仍然采用微分脉冲阳极溶出伏安法进行金属材料离子的响应特性研究，与传统的电流型变化学传感器相比，纳米变化学传感器能够降低漏电流和背景电流，检测过程更为稳定。

4 总结

电化学传感器在水质重金属检测中的有效应用，要求工作人员明确电化学传感器的主要构造和基本的检测原理，根据输出的信号进行检测物质划分，采用具有针对性的电化学分析方法得出准确的检测结论。通过对比分析了解到电化学传感器具有灵活性、低成本、操作简便的发展特点。尤其是近年来新材料和微型技术的有效应用，改变了传统的检测方式，能够从根本上满足人们对水环境检测的需求。目前，电化学传感器正逐渐向着多功能性、微型化、自动化发展，能够通过实时检测快速获得检测结果，保证检测质量。