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基于石墨烯构建的电化学传感器在环境监测中的应用

2014-05-29 00:07
夜隼008
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   随着工业化的进展和环境污染的加剧,环境中存在的重金属、有毒气体、农药残留、酚类有机污染物等日益增多。2008年云南省文山州富宁县衡昆高速公路发生一起交通事故,事故造成33.6t粗酚泄漏,对下游25km处的广西白色水库造成威胁;2009年河南6个城市堆放52万t铬渣数十年,以致持久性污染;龙江镉污染事件是2012年第一起震惊全国的重金属污染事件,也是2012年中国城市水源地的第一次告急。此外,汽车尾车中含有的CO、NO和碳氢化合物等有害气体充斥着交通环境;各种杀虫剂、农药等对环境和人体造成了不同程度的危害……环境污染事件的频频发生,使环境监测显得越来越重要,对环境监测技术的要求也越来越高。

  传统的环境监测通常采用离线、实验室分析方法,分析速度慢,操作复杂,分析仪器大且昂贵,无法进行现场快速分析和连续在线监测。电化学传感器以成本低、易携带、多功能等优点在环境监测领域的应用日益广泛。鉴于对电化学传感器的灵敏度要求越来越高,很多纳米材料如碳纳米管、纳米金属颗粒、碳纤维、多孔纳米材料等被广泛用于电化学传感器构建,其中石墨烯作为一种新型的纳米材料对电化学传感器起到了很好的增敏作用。

  石墨烯具有六边形晶格组成的二维晶体的结构,这种结构可以看作是一层被剥离的石墨片层,碳原子之间是sp2杂化。石墨烯是形成其他维数炭质材料(如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本单元。石墨烯的柔韧性跟塑料包装一样好,可以随意弯曲、折叠或者像卷轴一样卷起来。不过,它比钻石还硬,在室温下比任何一种介质的导电性都要好。石墨烯独特的结构使其显示出不同寻常的性质。作为一种重要的材料,石墨烯在基础研究及设备研发方面都得到了广泛的应用。由于石墨烯具有大的比表面积、良好的生物相容性、较高的导电性,被广泛应用到电化学传感器的构建。

  电化学传感器在食品安全、生物分析、生命医学、环境监测等方面得到了高度重视和广泛应用。笔者主要综述近几年来国内外基于石墨烯构建的电化学传感器在环境监测领域的发展。

  1基于石墨烯构建的电化学传感器

  1.1石墨烯的合成及功能化

  大规模制备高质量的石墨烯晶体材料是所有应用的基础,发展简单可控的化学制备方法是最为方便、可行的途径,这需要化学家们长期不懈的探索和努力。Novoselov等人最初采用“微机械力分裂法”,即通过机械力从石墨晶体表面剥离石墨烯片层并转移到氧化硅等载体表面上。虽然这种方法可以制备微米大小的石墨烯,但是其可控性较低,难以实现大规模合成。通过加热SiC单晶表面,Berger等人在SiC表面上外延生长石墨烯结构,这种担载的石墨烯可以通过光刻过程直接做成电子器件。但是由于SiC晶体在高温加热过程中表面容易发生重构,导致表面结构较为复杂,难以得到面积大、厚度均一的石墨烯。相比较而言,化学气相沉积法提供了一条有效可控的合成和制备石墨烯薄膜的途径。以金属单晶或金属薄膜为衬底,在其表面上暴露并高温分解含碳化合物可以生成石墨烯结构,通过衬底的选择、生长的温度、前驱物的暴露量等生长参数能够对石墨烯的生长进行调控。另外化学或热还原法也可以大量生产石墨烯。将石墨烯功能化,是将石墨烯进行化学改性、掺杂、表面官能化以及合成石墨烯的衍生物。如金属纳米粒子功能化的石墨烯,增强了石墨烯的导电性;合成磺酸化的石墨烯提高了石墨烯的水溶性,进一步提高了石墨烯在电极表面的成膜性;合成N掺杂的石墨烯,由于氮元素有高的电子云密度,将N元素掺杂于石墨烯中,进一步改善了石墨烯的导电性;另外还有制备的光学性质较好的卟啉石墨烯。将功能化石墨烯作为修饰电极基底材料,大大提高了修饰电极的导电性以及表面积,用此种修饰电极构建一系列电化学传感器,提高了传感器的灵敏度、稳定性和重现性。

  1.2电化学传感器

  传感器主要由敏感器(分子识别元件)、信号转换器(换能器)和电子线路三部分组成。电化学传感器是一类特殊的传感器,是利用生物识别元件、信号转换装置、数据处理系统和显示系统结合在一起的分析设备,能够感受特定的被测量物质并按照一定规律将其转换成可识别的电信号,通过对电信号进行处理,监测出被测物质及其浓度。

  1.3石墨烯用于电化学传感器的构建

  石墨烯良好的生物相容性这一优点,使其在电化学生物传感器构建方面得到了广泛的应用,目前,主要应用于生物分子检测、癌症疾病诊断、环境监测等。

  2基于石墨烯构建的电化学传感器在环境监测中的应用

  基于石墨烯构建的电化学传感器具有体积小、简便、快速、灵敏度高、重现性好等优点,可对多种环境污染物进行原位在线分析,在环境监测中具有十分广阔的应用前景。

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