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【45周年专辑Ⅱ】北京工业大学鲁理平等: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

引用本文: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,2024469:81-91.


DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2024.0358.

0358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.pdf

背景介绍



电化学传感器在环境污染物检测中发挥着关键作用,特别是在全球对环保要求日益严格的背景下,其重要性更加突出。传统检测方法通常依赖复杂的实验室设备和耗时的操作步骤,难以满足快速响应的现场检测需求。随着科技的进步,便携式电化学传感器的出现为环境监测提供了新的解决方案。这些传感器通过与智能手机结合,利用其强大的传输和计算功能,实现了对环境污染物的即时、精确检测。本文将探讨近年来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应用进展,并展望其未来的发展趋势。




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

不同于传统的电化学传感器,基于智能手机的电化学传感器需要采用外部便携式恒电位仪或集成电路板来产生电压,同时通过不同的数据传输方式连接到智能手机。随着通信技术的飞速发展,智能手机的数据传输方式经历了快速的演变,主要可以划分为两个发展阶段:有线传输和无线传输。

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[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[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

计时电流法是一种在固定电位下测量电流随时间变化的电化学技术。在此过程中,工作电极电位快速跳变至目标值以引发特定的氧化还原反应,随后记录随时间变化的电流。通过分析电流-时间曲线,可以获取反应物的扩散系数、反应动力学和其他电化学参数,使其成为研究快速电化学过程和传感器开发等领域的有力工具。

2.2  循环伏安法

作为一种常见的电分析技术,循环伏安法(CV)主要用于测量电活性氧化还原物种的电流曲线,通过分析峰值的位置、形状和大小,可以获得反应的动力学参数、反应速率、电化学活性物质的浓度以及反应的可逆性等信息。在循环伏安图中,峰值电流与分析物的浓度成正比,而峰值的位置主要取决于参与氧化或还原反应的化学和物理物种[53]

2.3  差分脉冲伏安法

差分脉冲伏安法(DPV)是一种在线性斜坡电位上施加振幅电位脉冲的电化学分析技术,通过在基线电位上叠加一系列等间隔的短脉冲,并测量脉冲前后电流的差异来探测样品。DPV通过降低背景电流具有比i-tCV更高的检测精度,特别适用于检测低浓度物质。同时提高了信噪率,增强了检测灵敏度和分辨率。这种方法在环境监测和临床诊断等领域的痕量分析中应用广泛[56]

2.4  方波伏安法

方波伏安法(SWV是最快、最灵敏的脉冲伏安技术之一。其检测限可与色谱和光谱技术相媲美。此外,分析该技术的特征参数还能评估所研究电极过程的动力学和机理[65]SWV的优势在于其高速性和高灵敏度,能够快速区分接近的氧化还原峰,并在复杂基质中检测低浓度物质。它常用于环境分析、食品安全检测、药物分析和生物标志物的监测等领域。通过调整方波的参数,如频率、步幅和幅度,可以优化方法以适应特定的分析需求。
2.5  溶出伏安法

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。

2.6  电化学阻抗谱法

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NyquistBode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]

2.7  电位法

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[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

本文从电化学传感模式的角度出发,综述了基于智能手机的便携式电化学传感器在检测环境污染物方面的研究进展,包括计时电流法、伏安法(循环伏安法、差分脉冲伏安法、方波伏安法、线性扫描伏安法)、电化学阻抗谱以及电位法,这些传感模式都可以与智能手机兼容使用。结果显示,基于智能手机的便携式电化学传感器正在朝着更高的灵敏度和选择性、更广的应用领域以及更深度的智能化和网络化方向发展,这将极大地扩展其在环境监测和科学研究等领域的应用,特别是在偏远地区和资源有限的环境中的应用价值。
而,在电化学传感器的发展过程中仍面临诸多挑战。(1)提高长期使用或在恶劣环境下的稳定性需通过改良材料和设计来解决。(2)为了实现商业化,应通过寻找经济材料、改进制造工艺和实现批量生产等方法来降低成本。(3)随着数据共享的增加,制定标准化测试方法、确保数据安全和用户隐私保护也是未来发展中必须克服的困难。(4)随着微型传感器的发展,集成电源、自供电等研究领域是未来的发展方向。只有不断攻克这些难关,基于智能手机的便携式电化学传感器才能在环境监测等领域实现更广泛的应用,为人类社会的可持续发展贡献力量