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光电化学传感器在新污染物检测领域的应用.pdf
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1、第 卷第 期 年 月能 源 环 境 保 护 ,汤琳,湖南大学环境科学与工程学院院长、教授,博士生导师。环境生物与控制教育部重点实验室主任。、连续被评为“中国高被引学者”,、连续被英国皇家化学会()评为全球 高被引学者。长期从事固体废物资源化与湿地利用、环境智能传感与污染物动态监测等研究。主持国家重点研发计划项目,国家自然科学基金联合重点、面上,湖南省重点研发计划等科研项目 余项。研究成果获国家自然科学奖二等奖 项,国家技术发明奖二等奖 项等。主编著作 部,以第一发明人获授权国家发明专利 余项。移动扫码阅读刘天豪,欧阳细莲,程星洋,等 光电化学传感器在新污染物检测领域的应用 能源环境保护,():
2、,():收稿日期:;责任编辑:金丽丽 :基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:刘天豪(),男,湖南长沙人,硕士研究生,主要研究方向为环境污染物动态传感监测。:通讯作者:汤 琳(),女,安徽六安人,教授,主要研究方向为固体废物资源化、环境污染物动态传感监测等。:光电化学传感器在新污染物检测领域的应用刘天豪,欧阳细莲,程星洋,汤 晶,汤 琳,(湖南大学 环境科学与工程学院,湖南 长沙;湖南大学 环境生物与控制教育部重点实验室,湖南 长沙)摘要:近年来,各种新污染物因其潜在的毒性,对生态环境、生物体、人体健康造成了严重的威胁,已经被越来越多的研究者所关注。尽管传统的检测方法具有较高的灵敏度与准
3、确性,但它们往往依赖于大型且昂贵的检测设备以及复杂的操作过程。因此,对新污染物进行快速、精确、便捷的检测是环境污染防控的一个重要环节。在众多检测方法中,光电化学()传感器因其较低的背景信号,良好的灵敏度以及易于小型化等优点成为了新污染物检测领域的研究热点之一。本文系统详细的综述了 传感器的检测机理及其在新污染物检测领域的应用研究。介绍了目前 传感器常用的检测策略、识别策略、以及光电活性材料的改性策略。讨论了 对多类新污染物检测的研究进展。最后,对 传感器在新污染物检测领域的发展给出了一些建议和展望,提出了一些潜在的问题与可能的改进方法,以促进 传感器在新污染物检测领域的进一步发展与应用。关键词
4、:光电化学技术;传感器;新污染物;快速检测中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;(),):,刘天豪等 光电化学传感器在新污染物检测领域的应用,(),:;引 言城市化、工业化和农业生产现代化过程往往会向环境中输入一些有毒有害物质,这些污染物严重影响了生态环境,威胁着动物、植物和人类的健康。其中,许多新污染物因其在环境中广泛存在且具有潜在的毒性,已经成为近些年来重要的研究热点。新污染物通常指的是已经被人类检测到的,具有潜在有害影响,但尚未纳入监管框架或国家 国际法出台的监管标准的一类污染物,典型的有药品与个人护理产品()、微塑料、内分泌干扰物()、全氟化合物()、溴代阻燃剂()等。目前,许
5、多研究表明这些新污染物已广泛出现在地表水、废水、地下水、饮用水、土壤等环境中。它们可能通过食物链转移给人和动物,引起生殖缺陷、免疫缺陷、耐药细菌的产生等危害,对生态环境和人类健康造成威胁。然而到目前为止,大多数国家的水质立法、环境检测标准或保护政策还没有系统地将环境新污染物纳入监管范围。这主要是因为新污染物存在环境基质干扰效应明显、分析过程复杂等难以跨越的障碍,且人们依旧缺乏对其污染源、迁移途径、理化性质以及分析检测技术的知识,导致无法确立统一管控标准。因此,为了摸清环境中新污染物的分布情况,并为建立统一的监管标准提供数据支撑和技术保障,发展高效便捷的新污染物痕量分析测定技术至关重要。目前,许
6、多研究者针对环境新污染物的分析检测做了很多工作。传统的新污染物检测方法主要有气相色谱()分析方法、高效液相色谱()分析方法和毛细管电泳()分析方法。这些传统分析方法精确可靠,但通常需要较为繁琐的样品预处理(一般包括提取、过滤和衍生化)和昂贵的仪器支持。因此,快速、灵敏、低成本的新型分析方法成为新污染物检测技术的最具有前景的方向之一。光电化学()传感器因其良好的性能和稳定性已成为新污染物检测领域的研究热点。传感方法是基于光催化与电化学技术发展起来的新型分析方法。通过记录特异性识别元件与相应目标物之间的相互作用直接间接引起的电流 电压信号变化,来实现目标物的定量检测。基于 方法发展的传感器自然继承
7、了光催化技术的高效、低耗,以及电化学技术的灵敏、快速、易微型化等优势,在检测领域具有良好的发展潜力。针对 传感技术,本文全面综述了 传感技术的检测策略、光电化学活性材料以及 传感器特异性识别策略。此外,还综述了近几年 传感器在检测新污染物方面的应用,包括、和。最后,对 传感技术的发展提出了建议与展望。光电化学传感技术 光电化学传感技术的概况 技术以半导体材料为基础,结合了光催化技术与电化学分析技术的双重特性。过程是指光电活性材料在光照射下,激发电子空穴分离和载流子迁移的光电转换过程。具体来说,光能 源 环 境 保 护第 卷第 期电活性材料受到大于其带隙能量的光照射时,吸收光子并激发体相电荷分离
8、和转移,在界面处形成电子空穴对。光生载流子的转移引起体系内氧化还原反应的发生,从而导致输出的电信号发生改变,实现能量转换。图 阐述了基于半导体材料的 过程,并图示了其光电流信号产生方式。:导带;:价带;:电子;:空穴;:电子供体;:电子受体图 阳极光电流和阴极光电流的产生原理示意图 图 展示了 传感器的装置与工作原理,它通常由光源、单色仪、三电极系统、电化学工作站和信号采集系统组成。特异性识别元件(探针)用来捕获待测目标物并将其生化信息转化成特定因子的变化,光电活性材料(光敏层)充当换能器将其转换成光电流 光电位,由电化学工作站记录,信号采集系统显示检测结果。相比于传统的电化学传感器,传感器具
9、有更低的背景信号和更高的灵敏度,且其通常受益于电子空穴对的氧化还原特性,减少了对应用电位的依赖;与需要昂贵复杂设备的光学检测技术相比,传感器更加简单、便宜,更易于小型化。无论是在检测效率还是能耗方面,传感器都具有显著的优势,在未来的分析领域,将会为环境污染物的快速、准确检测开辟新平台。光电化学传感器的检测策略随着纳米技术和材料科学的进步,一系列新型 传感器被研发。光电流 光电压信号是基于电极 溶液界面上的 过程产生的,与体系内的电子供体 受体、光电极修饰材料及界面能量转移密切相关,因此,可以通过多种检测策略有效控制待测目标物和电信号之间的传导机制。考虑到影响 过程的因素较多,在此,将其分为三个
10、主要的类别:基于电子供体 受体的检测策略,空间位阻效应型策略和能量转移式策略。()基于电子供体 受体的检测策略在 传感体系中,电子供体 受体的反应图 传感器的装置示意图 影响着光电流 光电压信号的输出。通过电子供体 受体的原位消耗 产生或光活性物种的引入释放,可以影响体系内的氧化还原反应,从而对信号输出造成影响。对此进行深入的探究可研发多种传感策略,例如电子供体 受体的原位消耗 产生和光活性物质的引入 释放。()空间位阻效应型传感策略空间位阻能够有效地抑制电子供体 受体向光电极表面的转移和扩散,从而引起电信号的相应变化。特异性识别行为、生物催化沉淀是常用的引起空间位阻效应的方法。目前,基于空间
11、位阻效应开发的 传感器在任何检测策略中都属于信号降低模式,其策略的变化灵活度有限。()能量转移式策略 反应过程涉及到能量的转换与传递,目前,有三种有效的方法可以用于能量转移式的 传感策略的设计,分别是共振能量传递,表面等 离 子 共 振和 基 于 化 学 发 光 的 能 量转移。光电化学传感器特异性识别策略灵敏的光电活性材料可以为 传感器信号的产生提供基础,但由于其可以诱导许多化学反应,无法从复杂的环境中选择性捕获目标分子,导致所构建的 传感系统缺乏选择性。为了解决这一问题,引入各种具有特定识别能力的识别元件,包括抗原 抗体、生物酶及模拟酶、分子印迹聚合物()、核酸适配体等,可以极大地提高分析
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