电化学传感技术及纳米材料应用探索范文

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摘要：电化学传感技术的质量直接影响着电化学分析技术的质量，相关专家发现，将纳米材料应用于电化学传感技术中，可有效提高电化学传感技术的效率和质量。本文主要对电化学传感技术进行讨论，并对纳米材料在其中的应用进行了研究分析。

关键词：电化学传感技术；纳米材料；石墨烯；金纳米；镍纳米；应用案例

1电化学传感技术概述

电化学传感技术中最为核心的技术就是电化学传感器。电化学传感器主要是通过物理或者化学中的共价键合、吸附以及聚合等方式，有方向地将具有光电、点色、催化等功能性的物质覆盖到传感器的电极上，从而使得电化学传感器具备新的功能，而这一过程也是电极修饰的过程，得到的新电极被称为修饰电极。根据电化学传感器的化学功能，我们可以将其分为以下4种类型：

（1）共价键合类型。它主要是将具有功能性的物质通过化学键合反应覆盖在传感器电极表面得到新的修饰电极，而它的电极又可根据物质属性不同分为碳电极、玻碳电极、金属电极等。

（2）吸附类型。它主要是将具有功能性的物质通过化学吸附作用覆盖在传感器电极表面得到新的修饰电极，而根据电极吸附能力的不同又可将其分为静电、平衡吸附性等。

（3）聚合类型。它主要是将具有功能性的物质通过化学聚合功能覆盖在传感器电极表面得到新的修饰膜电极，而根据电极制备不同方式又可将其分为等离子、电化学聚合等。

（4）其他类型。主要指无机物修饰电极。典型电化学传感器的规格如表1所示。

2电化学传感技术的原理

电化学传感技术中，电化学传感器主要分为分子识别系统和信号转换两个部分，需要进行测验的物质通过分子识别系统后，它的某一化学参数，如浓度与信号转换系统相连接，经过与待测物质发生作用，反测得到的化学参数被直接转换成为能够产生响应的电信号。其中，分子识别系统是整个电化学传感技术的核心部分，对电化学传感技术起着决定性作用。所以，电化学传感技术主要的研究问题是如何选择合理的分子识别系统以及分子识别系统同信号转换系统的有效联系。信号转换系统则主要是为了接受分子识别系统的响应信号，再利用传感器中的电机、光纤等敏感性元件将响应信号通过电压、电流等方式传输到电子系统进行放大或者转换输出，最终把信号转换系统接受的响应信号转换为可供大家研究分析的电信号，并对待测物质的数量进行相关检测。电化学传感技术的原理如图1所示。

3电化学传感技术与纳米材料应用

3.1石墨烯纳米复合材料在电化学传感器中的应用使用石墨烯纳米复合材料的电化学分析法主要包括：

（1）电化学阻抗法，它是指测量阻抗同正弦波频率变化关系来分析电化学系统的方法。该方法将电化学系统当作是一个由电阻、电容等基本电路结构组成的等效电路，然后在等效电路中输入扰动函数后输出相关的响应信号，对响应信号进行分析后来确定电化学系统的稳定性和有效性，但是，如果该系统的电极材料不同，那么它所产生的电流峰值也会有所差别。

（2）循环伏安法，它主要对电流的上下峰值以及电位差别进行比较，然后分析电化学性能。

（3）计时电流法，它主要是在电解液中加入不同浓度的测试物质，通过观察计时电流的曲线动态来分析电化学的方法。其中，由于壳聚糖具有较强的水溶性，且它自身的高成膜性以及高生物相容性使其能够较为均匀地分布在石墨烯纳米复合材料中，因此被广泛用于石墨烯纳米复合材料电化学传感中。同时，相关试验表明，壳聚糖具有固定生物酶的作用，从而为电化学传感器的制备提供条件，但石墨烯纳米复合材料在电化学传感器中的应用还属于初级阶段，存在较多的问题，需要对相关的理论和研究作进一步改进和完善。

3.2镍纳米复合材料在电化学传感器中的应用

镍纳米复合材料属于金属纳米复合材料的一种，由于镍纳米复合材料具有较强的耐腐蚀性，所以镍纳米复合材料经常被用于电化学传感器某些器具的制备中。首先，通过化学吸附作用将镍纳米黏连在碳电极的表面，然后再制备电化学传感器。相关实验人员的研究表明，镍本身的稳定性就比较强，在日常生活和化学领域研究中使用广泛，因此镍纳米复合材料也具有较高水平的敏感度、选择性以及稳定性，在电化学传感器中可以进行广泛的使用。同时，由于镍纳米复合材料中的镍原子虽然保留了它的金属特性，却又能够有效地减弱金属离子的聚集特点，它常被用于制作电化学传感器的催化剂。当镍原子与官能团子相结合后能够产生官能化的镍晶体，且镍晶体呈现出片状结构。以电化学传感器燃料电池的甲醇氧化反应举例，镍纳米复合材料在电化学传感器中主要发挥催化剂的功能，且电化学传感器的响应电流与催化剂中溶液的酸度呈现出正相关关系，而随着电化学传感器电流的上升，电化学传感器中会形成大片的镍富集区。其次，相关的研究表明，即使在镍纳米复合材料中加入3种氨基酸溶液，这3种溶液也无法影响电化学传感器的电流大小，由此证明使用镍纳米复合材料的电化学传感器具有较强的抗干扰能力。

3.3金纳米复合材料在电化学传感器中的应用

由于金纳米复合材料具有较强的催化性和可控性，且它的导电性能十分优越，所以该材料被广泛地用于电化学传感器中。当金纳米复合材料同防生机免疫功能分析有机结合时，金纳米复合材料在电化学传感器中的应用得到了进一步的拓展和变化。同时，由于金纳米复合材料具有较强的导电性，它可以有效地改变电化学传感器中的电子分布规律，使得传感器中光生电子的运行速度进一步加快，AuNPs与QDs附着到ITO的表面，由此形成了金纳米复合材料电化学传感器，但是需要对传感器的性能进行检测。而相关研究表明，金纳米复合材料电化学传感器的性能明显优于传统的电化学传感器，在检测金纳米复合材料电化学传感器性能的过程中，它可以用以下公式表示。QDs+hvQDs（e–—h+）（1）QDs（e–—h+）+H2O2（2）QDs（h+）+H2O+OH–（3）QDs+e–QDs（4）如果用金纳米复合材料代替金成为燃料电池氧化反应的催化剂，则可以有效地减少有害气体的释放。相关研究表明，用金纳米复合材料作为电化学传感器燃料电池甲醇氧化反应的催化剂，它的氧化反应峰值远远地高于仅作为催化剂的氧化反应峰值。虽然金纳米复合材料在电化学传感器中得到了一定应用，但是其应用范围还是较为狭窄，需要对其进行更进一步的研究，以拓宽其在电化学传感器中的应用渠道。

4实际应用案例

近年来，纳米材料的电化学传感器被广泛应用于各行各业，并在生命科学、医药行业、生物行业等方面得到了广泛的应用。其中，基于纳米材料的电化学传感器在生命分析科学的应用主要是被用于免疫分析，也是诊断癌症的重要方式。纳米材料的电化学传感器的免疫分析是电化学传感器与免疫学的有效结合，是一种具有较多选择性、较快测定速度以及操作简便的分析技术，对于癌症的诊断意义重大。同时，此种免疫分析技术有效解决了传统免疫分析技术存在放射活性物半衰期短、限制分析样品敏感度以及损害人体健康等问题。多年来，基于纳米材料的电化学传感器的实际应用案例较多。如，西南大学袁若教授的科研小组，将基于纳米材料的电化学传感器同时用到对4种不同的肿瘤标志物进行检测的过程中，他们将4种不同肿瘤的标志物通过化学吸附作用将其吸附到修饰电极磁性复合纳米材料颗粒物的表面。

5结语

科学技术的不断进步，必然会给我国的科学研究事业发展带来福音，尤其是对我国电化学分析技术的发展起到促进作用。由于电化学的分析不会对物体的测试系统造成损害，且在分析的过程中操作简便、不会受到颜色的影响，尤其在生物行业、医药行业、癌症确诊、生命科学等领域都得到了推广。但是，电化学传感器的质量会影响物质测试的质量，如何提高电化学传感器的质量是当前研究的重点。目前，我国对它的研究还处于初期探索阶段，存在较多的缺陷和不足，需要更进一步的研究。

[参考文献]

[1]于小雯，盛凯旋，陈骥，等.基于石墨烯修饰电极的电化学生物传感.[J].化学学报，2014（72）：319-322.

[2]兰新哲，金志浩，赵西成，等.PVP保护还原法制备纳米金溶胶[J].稀有金属材料与工程，2003，32（1）：50-53.

作者：沈爱平 单位：黄冈职业技术学院