1、1试述传感器技术在环境检测中的应用摘要：传感器在环境检测中可分为气体传感器和液体传感器，其中气体传感器主要检测氮氧化合物和含硫氧化物；液体传感器主要检测重金属离子、多环芳香烃类、农药、生物来源类。本文阐述了传感器技术在环境检测方面的应用。 关键词：气体传感器 液体传感器 环境检测 中图分类号：O659 文献标识码：A 文章编号： 随着人们对环境质量越加重视，在实际的环境检测中，人们通常需要既能方便携带，又可以够实现多种待测物持续动态监测的仪器和分析设备。而新型的传感器技术就能够很好的满足上述需求。 传感器技术主要包括两个部分：能与待测物反应的部分和信号转换器部分。信号转换器的作用是将与待测物反
2、应后的变化通过电学或光学信号表示出来。根据检测方法的不同，我们将传感器分为光学传感器和电化学传感器；根据反应原理的不同，分为免疫传感器、酶生物传感器、化学传感器；根据检测对象不同，分为液体传感器和气体传感器。 1 气体传感器 气体传感器可以对室内的空气质量进行检测，尤其是有污染的房屋或楼道；也可以对大气环境中的污染物进行检测，如含硫氧化物、氮氧化合物等，检测过程快速方便地。 以含氮氧化物(NOx)为例。汽车排放的尾气是含氮氧化物的主要来源，2但随着时代的发展，国内消费水平的提高，汽车尾气的排放量呈逐年上升趋势。通过金属氧化物半导体对汽车尾气及工厂废气中的含氮氧化物进行直接检测。如 Dutta
3、设计的传感器，采用铂为电极，氧化钇和氧化锆为氧离子转换器，安装到气体排放口，可以检测到含量为 10-410-3的 NO。含硫氧化物是造成酸雨的主要物质，也是目前环境检测的重点项目，因为在大气环境中的含量低于 10-6，需要更高灵敏度的传感器。如高检测的灵敏度的表面声波设备。 Starke 等人采用直径为 816nm 的氧化锡、氧化铟、氧化钨纳米颗粒制作的纳米颗粒传感器，对 NO 和 NO2 的检测下限可达到 10-8，提高反应的比表面积，增加反应灵敏度，且工作温度比常规的传感器大大降低，减少了能源消耗。 2 液体传感器 在实际环境检测中，液体传感器大多应用于水的检测。由于水环境中的污染物种类广
4、泛，因此液体传感器比气体传感器的应用更为广泛和重要。水中的污染物除了少量的天然污染物以外，大部分都是人为倾倒的无机物和有机物。无机物中，重金属离子为重点检测对象；有机污染物包括杀虫剂、激素类代谢物、多环芳香烃类物质等。这些污染物的过度超标，会严重影响到所有生物体的健康和安全。 2.1 重金属离子检测 采水体中重金属离子的主要来源包括开矿、冶金、印染等企业排放的废水。这些生产废水往往混合了多种废水，所含的重金属离子种类繁多，常见的有汞、锰、铅、镉、铬等。重金属离子会不断发生形态的改3变和在不同相之间进行转移，若处置不当，容易形成二次污染。生物体从环境中摄取到的重金属离子，经过食物链，逐渐在高级生
5、物体内富集，最终导致生物体的中毒。因此如果供人类食用的鱼类金属离子超标，将对人类产生严重的影响，因此对于重金属离子的检测显得尤为重要。 Burge 等人发明的传感器，可以利用 1,2,2 联苯卡巴肼和分光光度计，可以检测地下水中的重金属铬浓度是否超标。 除了通过化学反应检测外，采用特殊的生物物质，也可以方便和灵敏地检测重金属离子。如大肠杆菌体内有一种蛋白质可以结合镍离子，有人在这种蛋白质的镍离子结合位点附近插入荧光基团，当蛋白质结合镍离子后，荧光基团会被淬灭，由于荧光的强度与镍离子浓度成反比，从而实现对镍离子的定量检测，检测范围未 10-810-2mol/L。日方法也可应用于检测 Cu2+、C
6、o2+、Fe2+和 Cd2+等几种离子中。他们还结合了微流体技术，该技术只需消耗几十纳升体积的待测液体，就可以对100nmol/L 以下浓度的 Pb2+进行检测。Matsunaga 小组将 TPPS 固定在多孔硅基质中，当环境中存在 Hg2+时，随着 Hg2+浓度的变化，TPPS 的颜色会从橘黄色逐渐转变成绿色，该传感器的检测限为 17.5nmol/L，通过加入硅铝酸去除干扰离子 Ni2+和 Zn2+。 利用传感器技术不仅可以准确测定待测物的浓度，而且由于传感器的微型化技术特点，还可以通过传感器的偶联，进行多项指标的检测。Lau 等人设计了基于发光二极管原理的传感器，可以同时检测 Cd2+和P
7、b2+，该传感器对 Cd2+和 Pb2+的检测限分别为 10-6 和 10-8。 2.2 农药残留物质的检测 4农药是一类特殊的化学品，它在防治农林病虫害的同时，也会对人畜造成严重的危害。中国是农业大国，每年的农药使用量相当庞大，因此有必要对其进行监测。采用钴-苯二甲蓝染料和电流计就能方便地检测三嗪类除草剂，无需脱氧，直接检测的下限为 50Lg/L，如果通过预处理进行样品浓缩后，检测限可以达到 200ng/L。 采用带有光纤的红外光谱传感器可以进行杀虫剂的快速检测。将光纤内壁涂覆经非极性有机物修饰的气溶胶材料后，能显著改善光纤中水分子对信号的耗散作用，并且能够提取出溶液中的有机磷类杀虫剂进行光
8、谱分析。此类传感器对于有机溶剂，如苯、甲苯、二甲苯的检测限则可达 10-88*10-8。 2.3 多环芳香烃类化合物的检测 多环芳香烃类物质是另外一大类有害的污染物质，这类物质具有致癌性，但在许多工业生产过程中均会使用或产生此类物质。水体中的多环芳香烃类物质含量非常低，一般在 10-9 范围内，因此需要借助高灵敏度的检测传感器，Schechter 小组发明了光纤光学荧光传感器。在直接检测过程中，待测样本中还可能存在一些如泥土这样的干扰物质，会降低检测信号值，如果用聚合物膜先将非极性的 PAH 富集，然后对膜上的物质进行荧光检测，从而解决信号干扰问题，报道称这种经膜富集后的传感器技术，对 pyr
9、ene 的检测可达到 6*10-11，蒽类物质则可达 4*10-10。Stanley 等人利用石英晶振微天平作为传感器，在芯片表面固定上蒽-碳酸的单分子膜，检测限可达到 2*10-9。 基于免疫分析原理，采用分子印迹的方法，在传感器表面印上能够5结合不同待测物质的抗体分子，可以实现多种不同物质的检测。近年来发展起来的微接触印刷技术，也可应用到该领域，这样制备得到的传感器体积可以更加微型化。 2.4 生物类污染物质 除了以上的无机和有机合成类污染物质，还有生物来源的一些潜在污染分子。如激素类分子及其代谢物的污染常常会引起生物体生长、发育和繁殖的异常。Gauglitz 带领的研究小组采用全内反射荧
10、光生物传感器和睾丸激素抗体，对河流中的睾丸激素直接进行了即时检测，其检测限为 0.2ng/L。该技术无需样品的预处理，对于不同地区的自然界水体均可以进行睾丸激素的现场直接检测，检测范围为 990ng/L。 另外，致病菌和病毒也是被检测的对象，水体中出现某些特定菌种，可以表明水体受到了某种污染，利用传感器技术非常容易检测到这些生物样本的存在，而且选择性非常高，如可以从烟草叶中快速地发现植物病毒烟草花叶病毒，采用 QCM 可以直接检测到酵母细胞的数量。 3 结论和展望 目前，传感器技术已开始应用于各环境监测机构的应急检测，但是实际应用中有诸多的局限性，比如在对大气中的某些有害物质进行检测时，由于其
11、含量往往低于传感器的最低检测限，因此在实际应用过程中，还需要进行气体的浓缩处理，这样就使传感器不容易实现微型化，或者需要借助更高灵敏度的传感器；同样，在野外水体检测时，常常会出现待测水体含有多种复杂干扰成分的情况，无法与实验室的标准化条件相比；在有些以膜分离分析技术为原理的传感器中，其膜的使用寿命往往6较短，而频繁更换新膜的价格较为昂贵，因此仍然无法得到广泛的应用。尽管如此，随着传感器技术的不断发展和完善，仍然有望应用于将来工厂企业排气、排污的现场直接检测和野外环境的动态无人监测，而且其结果能与实验室常规仪器的检测结果相符，这样将大大加快对环境监测和治理的步伐。 参考文献 1NaglS，eta.lTheAnalyst，2007，132:507-511. 2GuptaVK.Chimia，2005，59:209-217. 3HanrahanG，eta.lJournalofenvironmentalmonitoring，2004，6:657-664. 4HoneychurchKC，eta.lTrendsinAnalyticalChemistry，2003，22:456-469. 5AmineA，eta.lBiosensorsandBioelectronics，2006，21:1405-1423
