环境分析是指对环境中的各种物质进行定性和定量的检测，以评价环境质量和生态安全。环境分析涉及到空气、水、土壤、生物等多种介质和复杂的样品前处理，对分析方法和仪器提出了高效、灵敏、准确、稳定和便捷的要求。电化学传感器是一种利用电化学原理进行信号转换和放大的传感器，具有结构相对比较简单、成本低廉、响应快速、灵敏度较高、选择性好等优点，是环境分析的重要工具之一。
电化学传感器的基本组成部分包括电极系统、电路系统和信号处理系统。电极系统是电化学传感器的核心部分，它决定了传感器的灵敏度、选择性和稳定能力。电极系统通常由工作电极、参比电极和辅助电极组成，其中工作电极是与被测物质发生反应的部分，其材料和表面修饰是影响传感器性能的重要的条件。参比电极是提供恒定电位的部分，其材料和结构应保证其长期稳定。辅助电极是提供反应电流的部分，其材料应拥有非常良好的导电性和耐腐蚀性。
随着纳米技术的发展，纳米材料在电化学传感器中得到了广泛的应用，为提高传感器性能和拓展传感器功能提供了新的机遇和挑战。纳米材料是指尺寸在1-100 nm范围内的材料，具有高比表面积、高表面活性、高催化效率、高光学效应等特殊性质，可以显著改善电极的电化学行为和传感特征。纳米材料能够适用于制备新型的工作电极、参比电极和辅助电极，也能够适用于修饰传统的金属或碳基电极，以增强其与被测物质之间的相互作用和信号转换效率。本文将从几个维度介绍用于环境分析的电化学传感器平台的纳米制造。
工作电极是决定传感器灵敏度和选择性的关键部分，其材料应拥有非常良好的导电性、稳定性和生物相容性，并能与被测物质发生有效的反应或识别。纳米材料由于其独特的结构和性质，能够适用于制备新型的工作电极或修饰传统的工作电极，以提高其对环境中各种物质的检测能力。
纳米金属和合金：纳米金属和合金具有高导电性、高催化活性和高表面等效电荷密度，能够适用于制备或修饰工作电极，以增强其对环境中有机物、重金属离子、气体等的电化学检测。例如，纳米银能够适用于制备或修饰工作电极，以提高其对环境中的氨气、亚硝酸盐、苯等的检测灵敏度和选择性；纳米铂能够适用于制备或修饰工作电极，以提高其对环境中的一氧化碳、甲醇、乙醇等的检测灵敏度和选择性；纳米金能够适用于制备或修饰工作电极，以提高其对环境中的硫化氢、巯基、巯醇等的检测灵敏度和选择性。此外，纳米金属和合金还可以与其他纳米材料或生物分子复合，以进一步改善其传感性能。
纳米碳材料：纳米碳材料具备高导电性、高比表面积、高吸附能力和优异的机械强度，能够适用于制备或修饰工作电极，以增强其对环境中各种物质的电化学检测。例如，碳纳米管能够适用于制备或修饰工作电极，以提高其对环境中的重金属离子、有机污染物、生物分子等的检测灵敏度和选择性；石墨烯能够适用于制备或修饰工作电极，以提高其对环境中的氮氧化物、苯并[a]芘、DNA等的检测灵敏度和选择性；碳量子点能够适用于制备或修饰工作电极，以提高其对环境中的过氧化氢、亚硝酸盐、荧光染料等的检测灵敏度和选择性。此外，纳米碳材料还可以与其他纳米材料或生物分子复合，以进一步改善其传感性能。
纳米半导体材料：纳米半导体材料具备可调的能带结构、高光学效应和高催化活性，能够适用于制备或修饰工作电极，以增强其对环境中各种物质的光电化学检测。例如，二氧化钛纳米颗粒能够适用于制备或修饰工作电极，以提高其对环境中的苯酚类化合物、染料废水等的光电化学检测灵敏度和选择性。
纳米半导体材料：纳米半导体材料具备可调的能带结构、高光学效应和高催化活性，能够适用于制备或修饰工作电极，以增强其对环境中各种物质的光电化学检测。例如，二氧化钛纳米颗粒能够适用于制备或修饰工作电极，以提高其对环境中的苯酚类化合物、染料废水等的光电化学检测灵敏度和选择性；锌氧纳米棒能够适用于制备或修饰工作电极，以提高其对环境中的氮氧化物、重金属离子等的光电化学检测灵敏度和选择性；硫化镉量子点能够适用于制备或修饰工作电极，以提高其对环境中的有机污染物、生物分子等的光电化学检测灵敏度和选择性。此外，纳米半导体材料还可以与其他纳米材料或生物分子复合，以进一步改善其传感性能。
纳米复合材料：纳米复合材料是指由两种或两种以上不同成分的纳米材料组成的材料，具有多种功能和协同效应，能够适用于制备或修饰工作电极，以增强其对环境中各种物质的电化学检测。例如，金属-碳复合材料可通过金属的高催化活性和碳的高导电性和高比表面积，提升工作电极的电流响应和稳定能力；金属-半导体复合材料可通过金属的表面等效电荷密度与半导体的光学效应，提升工作电极的信号转换效率和灵敏度；碳-半导体复合材料可通过碳的高吸附能力与半导体的可调能带结构，提升工作电极的选择性和光电化学性能。
参比电极是提供恒定电位的部分，其材料和结构应保证其长期稳定。传统的参比电极通常由液态或凝胶状的内填液、盐桥、内金属片和外壳组成，具有体积大、易泄漏、易污染、不便携带等缺点。纳米材料由于其高比表面积、高表面活性、高稳定性等特点，能够适用于制备新型的固态或准固态参比电极，以提高其对环境变化的抗干扰的能力和常规使用的寿命。例如，纳米银/银氯化物复合材料能够适用于制备固态参比电极，以提高其对温度、pH值、离子强度等因素的稳定性；纳米碳/聚乙烯醇/钾氯化复合材料能够适用于制备准固态参比电极，以提高其对机械振动、压力、湿度等因素的稳定性。
辅助电极是提供反应电流的部分，其材料应拥有非常良好的导电性和抵抗腐蚀能力。传统的辅助电极通常由金属或碳材料制成，但在某些电化学反应中，会产生有毒或有害的副产物，如氯气、臭氧等，影响环境质量和人体健康。纳米材料由于其高催化效率、高表面活性、高导电性等特点，能够适用于制备新型的辅助电极，以提高其对环境友好的反应的选择性和效率。例如，纳米铂能够适用于制备辅助电极，以提高其对氧气还原反应的催化活性和稳定能力；纳米镍能够适用于制备辅助电极，以提高其对氢气析出反应的催化活性和稳定性。
利用纳米材料制备或修饰的电化学传感器，可以对环境中的各种物质进行快速、灵敏、准确和便捷的检测，为环境监视测定和评价提供了有效的手段。以下列举了一些典型的应用实例：
检测环境中的重金属离子：重金属离子是一种常见的环境污染物，对生态系统和人体健康导致非常严重的危害。利用纳米材料制备或修饰的电化学传感器，能轻松实现对重金属离子的原位、在线和多元素同时检测。例如，利用纳米银修饰玻碳电极，能轻松实现对水中铅、镉、锌等重金属离子的差分脉冲阳极溶出伏安法检测；利用纳米金/石墨烯复合材料修饰玻碳电极，能轻松实现对水中铜、铅、镉等重金属离子的方波阳极溶出伏安法检测；利用纳米铂/碳纳米管复合材料修饰玻碳电极，能轻松实现对水中汞离子的阳极溶出伏安法检测。
检测环境中的有机污染物：有机污染物是一种广泛存在于环境中的污染物，对水质和土壤质量导致非常严重的影响。利用纳米材料制备或修饰的电化学传感器，能轻松实现对有机污染物的快速、灵敏和选择性检测。例如，利用纳米钴/石墨烯复合材料修饰玻碳电极，能轻松实现对水中苯并[a]芘的循环伏安法检测；利用纳米钼硫化物/石墨烯复合材料修饰玻碳电极，能轻松实现对水中邻苯二甲酸二丁酯的差分脉冲伏安法检测。
纳米硫化物：纳米硫化物是一类具有多种价态和结构的纳米材料，具有高导电性、高催化活性、高光学效应等特点，能够适用于制备或修饰工作电极，以增强其对环境中各种物质的电化学检测。例如，纳米硫化镍能够适用于制备或修饰工作电极，以提高其对环境中的氨气、亚硝酸盐、乙醇等的检测灵敏度和选择性；纳米硫化钼能够适用于制备或修饰工作电极，以提高其对环境中的过氧化氢、苯并[a]芘、DNA等的检测灵敏度和选择性；纳米硫化铜能够适用于制备或修饰工作电极，以提高其对环境中的重金属离子、有机污染物、生物分子等的检测灵敏度和选择性。此外，纳米硫化物还可以与其他纳米材料或生物分子复合，以进一步改善其传感性能。
本文综述了用于环境分析的电化学传感器平台的纳米制造机遇和挑战，从纳米材料制备电极系统的三个部分：工作电极、参比电极和辅助电极，以及纳米材料在环境分析中的应用实例进行了介绍。纳米材料由于其独特的结构和性质，为提高电化学传感器的灵敏度、选择性、稳定性和便捷性提供了新的可能性和途径。然而，纳米材料在电化学传感器中的应用还面临着一些挑战和问题，如：
纳米材料的制备方法和条件对其形貌、结构、组成和性能有着重要的影响，要进一步优化和控制；
纳米材料在电极表面的修饰方式和密度对其与被测物质之间的相互作用和信号转换效率有着重要的影响，要进一步研究和调节；
纳米材料在复杂环境中的稳定性和可重复性还有待提升，要进一步改善和验证；
纳米材料在体内或体外的生物相容性和安全性还有待评估，要进一步考察和规范。
展望未来，随着纳米技术和电化学技术的持续不断的发展和融合，基于纳米材料的电化学传感器将在环境分析领域发挥更大的作用和价值，为环境监视测定和保护提供更有效的手段和方法。返回搜狐，查看更加多
