引用本文:李晴,魏明杰,鲁理平.基于智能手机的便携式电化学传感器检测环境污染物的研究进展[J]. 化学试剂,2024,46(9):81-91.
DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2024.0358.
背景介绍
文章亮点
1.首次从传感模式角度系统总结了便携式电化学传感器与智能手机结合在环境污染物检测中的研究进展;
2.对基于智能手机的便携式电化学传感器在环境污染物检测中的实际应用进行了全面评估,分析了技术优势和面临的挑战;
3.展望了基于智能手机的便携式电化学传感器在环境监测领域的未来发展趋势,探讨了可能的技术改进方向和应用前景。
内容介绍
1 基于智能手机的电化学传感器原理
1.1 有线传输
耳机插孔和USB传输是有线传输的两种重要方式。Nemiroski等[26]是最早将基于智能手机的电化学传感器应用到环境污染物检测领域的。他们构建了一种简单、经济实惠的手持设备用来检测水中痕量重金属(铅、镉和锌)。使用音频插孔传输数据,保证了与现有手机或蜂窝网络的广泛兼容性。Wang等[27]开发了一种基于音频插孔的紧凑型移动传感平台MoboSens。如图2所示,它包含了光刻沉积的三电极传感器、APP和电路板,能在1 min内检测水中的硝酸盐浓度,在0.1 ~ 5 mmol/L线性范围内具有低检测限。
1.2 无线传输
随着无线传输技术的发展,采用蓝牙或WIFI代替有线传输可以打破手机型号的壁垒,实现短距离、低功耗的数据传输。目前,更为前沿的研究是将无线传输技术与智能手机上开发的APP连接,进而与物联网技术结合起来,打造一个无线的智能传输平台[29]。
2 用于环境污染物检测的便携式电化学传感器的传感模式
电化学传感器的工作原理是施加模拟电压并收集与电阻、电压和电流相关的信号。根据欧姆定律(V=IR),电化学传感器可以分为电导型、电位型和电流型,这种分类是基于传感器测量和分析电化学过程中特定电化学参数的方式,这些参数的变化能反映化学物质的存在、浓度或反应动力学。这些传感器可以结合不同的电化学技术进行化学物质的检测和分析[34],具体技术包括计时电流法、伏安法、电化学阻抗谱以及电位法。
2.1 计时电流法
2.2 循环伏安法
2.3 差分脉冲伏安法
2.4 方波伏安法
溶出伏安法是以恒电位电解法进行富集,然后改变电极的电位,使富集在该电极上的被测物质重新溶出,根据溶出过程所得的伏安曲线来进行定量分析的方法称为溶出伏安法。可用于微量或痕量样品的分析,尤其是在重金属的分析中具有实用价值,在环境监测、食品、生物试样中微量或痕量元素的测定中有广泛应用。
电化学阻抗谱法(EIS)是一种用于分析电极/电解质溶液界面电化学过程的技术,这是一种根据所研究电化学系统的频率响应建立的模型来识别和确定参数的方法。通过对工作电极施加一个小幅的交流电压并测量相应的电流响应,EIS能够在不同频率下绘制出阻抗的变化,形成Nyquist或Bode图谱。这些图谱提供了关于系统的电阻、电容和电化学反应动力学等综合信息。通过与等效电路模型的比较,EIS可以帮助解析电极界面的复杂行为,广泛应用于研究电池性能、腐蚀机理、传感器设计及其他电化学系统[70]。
电位法是一种静态界面的电化学分析技术,其核心原理是测量电解质溶液中的电极电位来确定化学物质的浓度或活性,广泛应用于pH测量、金属离子测定和其他各类化学物质的分析,因其简便、快速和灵敏而受到青睐。Yao等[74]开发了一种基于柔性独立式石墨烯纸的超灵敏无线电位适配体传感器检测卡那霉素。检测机理如图11所示,该电位生物传感系统引入了核酸酶辅助扩增策略显著提高检测灵敏度。
3 结论与展望