电化学传感技术在海洋环境监测中的应用

2021-11-27 16:22隋小玉
皮革制作与环保科技 2021年19期
关键词:传感电化学重金属

隋小玉

(天津中环天元环境检测技术服务有限公司,天津 300450)

人类资源的索取从早期的陆地发展到现在的海洋,海洋生态环境受到了严重的污染,对人类生存和发展造成很大的威胁,所以保护海洋生态环境是国内外关注的热点。海洋环境监测是海洋保护的有效方法,可以实时为海洋环境生态灾害情况提供重要的数据,保证防范的时效性。

1 电化学传感技术的基本工作原理

对电化学传感技术而言,电化学传感器是十分重要的,它通过感应器与目标分析物相互作用产生特定的信号,再按一定规律将这种信号转换成可识别的、与目标分析物浓度成比例的电化学信号,从而实现对目标分析物的定性或定量分析,具有灵敏度高、选择性好、成本低、操作简单、能在复杂系统中进行在线监测甚至活体分析等优越性,已成为电分析化学中十分活跃的研究领域。电化学传感器的分类方法很多,按照其输出信号的不同可以分为电位型传感器、电流型传感器和电导性传感器。

2 海洋环境监测概述

海洋环境监测是海洋环境监督管理的主要手段之一,是海洋环境保护的强大技术保障,也是海洋环境管理执法体系和海洋环境科学研究的主要构成部分。利用海洋环境监测,有关部门和工作人员能够对海洋污染物的浓度以及种类数量进行合理估算,根据监测结果制定有效的防治污染新措施,研发新技术,以充分凸显海洋环境保护监督管理的合理化和规范化。

3 电化学传感技术在海洋环境监测中的应用现状

地球生命通常发源于海洋,海岸带让人类生存与发展拥有巨大的空间。新时期我国将重点促进海洋环境保护和资源综合开发利用,所以海岸带环境保护受到普遍重视。海洋环境保护与资源利用的有效手段是海洋环境监测新技术,当前国际研究的主要热点是如何促进海洋环境监测新技术发展。因为海水成分相当复杂,基体效应很大,海水中待测组分不仅含量很低,而且很有可能随着海流发生变化,所以提出的分析方法必须要有灵敏度高、选择性良好和检测过程迅速等特点[1]。电化学传感器是以待测物的电化学物质为依托,将待测物化学量转化为电学量来检测的装置,其具有诸多优越性能。现阶段,电化学传感器已经用于环境样品中很多物质的检测,比如:颗粒物、微生物等。

目前,在海岸带区域经济发展速度不断加快的背景下,我国海洋环境承受着越来越大的压力,随着国家环境保护目标的真正实现,对海洋环境监测的要求也日益严格。研发适合在海洋环境监测中应用的电化学传感器系统,实现环境多参数定点以及连续长期监测已经成为现阶段海洋环境监测工作人员必须要解决的重大难题。在计算机以及微电子加工等多项技术迅速发展的背景下,研究人员已经发展出许多选择性好且灵敏度高的电化学传感体系。

4 电化学传感技术在海洋环境监测中的具体应用

4.1 海洋环境参数的监测

在海洋水质pH值和盐度的测试中,已普遍应用电化学传感技术。伴随着技术不断提升,监测项目已逐渐延伸到到其他方面,比如:海洋化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、二氧化碳等[2]。首先,就海洋化学需氧量来讲,在监测过程中合理利用各种新型电极材料,比如:纳米铜以及合金等,利用输入海水,在电极阳极极化作用下,将监测信号变成电信号,可以掌握海洋化学需氧量的具体情况,将海水有机污染的实际情况充分反映出来。其次,就生化需氧量来讲,在监测过程中运用微生物传感技术,可以显著提升传感器灵敏度,使测量数据更加精确。再次,海洋二氧化碳浓度的监测,所运用的电化学传感技术通常是通过测量二氧化碳融入在海水里的pH值变化量来实现。海洋二氧化碳含量容易影响海洋生物,同时将大气对海洋环境造成的影响充分反映出来,监测水溶二氧化碳,可以科学预测今后大气二氧化碳含量和全球气候变化实际情况。

4.2 营养盐的监测

海水中包含多种类型的营养盐,比如:硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐、活性磷酸盐、硅酸盐等,在海水中若营养盐浓度偏高,会导致海水出现富营养化,海洋藻类迅速繁殖,消耗大量的海水溶解氧,造成许多海洋鱼类不能存活,甚至会出现赤潮,进而使海洋生态环境受到严重破坏,为了有效保护海洋生态环境,必须要做好海水营养盐类的监测工作[3]。硝酸盐是海水中重要的营养盐,对于海洋初级生产力和海水人工养殖具有重要意义。基于功能纳米材料的电位型微流控传感器,采用了电化学聚合方法合成的硝酸根掺杂聚吡咯纳米线,极大地提高了传感器的选择性和灵敏度,成功地应用于海水中硝酸盐的检测。磷酸盐不具有电化学活性,因此电化学传感器无法对磷酸盐进行直接检测。研究表明,在酸性条件下,磷酸根能够与钼酸盐发生化学反应,生成具有电化学活性的磷钼酸化合物。有报道称一种用于磷酸盐监测的电化学传感器,采用阳极氧化技术原位产生钼酸盐和氢离子,有效避免了额外试剂的加入,实现了传感器的在线使用。采用旋转电极技术以及微分脉冲伏安法,该传感器能够实现海水中磷酸盐的灵敏检测。酸性条件下,原硅酸同样能够与钼酸盐发生化学反应,生成具有电活性的硅钼酸化合物,基于上述原理,循环伏安法以及基于微电极和超微电极的计时电位检测技术,可用于海水中硅酸盐的检测。

4.3 重金属的监测

在我国工业迅速发展的背景下,没有经过处理的废气以及废渣的排放,让海洋重金属浓度每年都不断提高,直接威胁海洋生物的生存。海洋生物经捕捞被人类食用,重金属向人体进行转移累积,所以在海洋环境监测中海洋重金属监测是不可或缺的主要内容。就电化学传感技术来讲,溶出伏安法是一种普遍应用的重金属检测方法,具有诸多特点,比如:仪器体积较小、价格比较低等,可用于海水中金属离子铅、铜、锌、铬、镉等的监测,从而对重金属含量和结合情况进行合理分析[4]。当前,在电化学传感技术中,通过运用纳米技术可以为重金属监测注入源源不断的活力,纳米材料有多种作用,可以提高电极的灵敏度,简化溶出伏安法的处理过程。在电化学传感器中,离子选择电极是相当灵敏的,也是非常普遍应用的,主要用于海水中重金属的监测,包括三价铁离子以及汞离子等,实用价值相当高。

4.4 有机污染物的监测

伴随着海洋石油开发和工业生产的高速发展,海洋环境污染问题越来越严重,在海洋环境污染物中最典型的有机污染物包括多环芳烃、多氯联苯、二噁英、有机农药等[5]。在有机污染物的监测方面,电化学传感技术凭借自身显著的优势,可以在短时间内对海水中有机污染物的实际情况进行监测。在海水中有机污染物通常会发生多种反应,利用氧化还原反应可产生一些电化学活性相当强的物质。在海洋沉积物多氯联苯的检测中,基于丝网印刷电极的电化学免疫传感器,采用免疫磁珠实现了样品中多氯联苯的高效率、高选择性分离。多数有机污染物电化学性质比较稳定,不能够在功能化电极表面直接产生电化学响应。然而,多数有机化合物经过电化学氧化、还原或在线消解等衍生化过程能够产生具有电化学活性的物质,结合电化学传感器具有高的灵敏度,以及快速的电化学响应特性,发展在线快速检测电化学传感器具有广阔的应用空间。

4.5 致病菌和生物霉素的监测

海洋中的大部分致病菌来源途径是陆地,包括人体排泄物以及陆地牲畜死亡等。病菌种类有很多,常见的有志贺氏菌以及大肠杆菌。海洋致病菌容易危害海洋生物,也会对人类健康产生威胁。一般来说,致病菌具有诸多特点:传播迅速、繁殖速度较快等。免疫生物传感器凭借自身快捷以及特异性较强的优势,可以迅速检测各种海洋致病菌,以便防控人员立刻作出正确决策。现如今,伴随着人类分子生物学的不断发展,新型识别分子逐渐在电化学传感器中普遍应用,充分发挥了选择性较高以及分子亲和力较强的优势,真正做到迅速检测致病菌[6]。随着水产业的迅速发展和有害赤潮的频繁爆发,贝类以及有害藻类等生物毒素问题日益突出。在生物毒素监测中,电化学传感技术通常选用海洋藻毒素免疫生物传感器,运用该传感器可以对毒素等级进行科学测试。

5 结语

总而言之,我国海洋环境监测涵盖了海洋水质、海洋沉积物、海洋生物体等范围,尽管许多电化学传感技术都有重要的潜在应用价值,但还是非常有限。已成功研发的许多电化学传感器通常用于海水的环境监测,而且部分传感器在技术方面仍旧存在诸多不足,必须要进一步优化解决。有关人员应该结合海洋环境监测的实际需求,从各方面对海洋环境现场检测技术进行深层次研究,进而真正实现高选择性和高灵敏度监测,为海洋生态环境变化规律及生态预警提供技术参数。

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