文丨三胖有话讲
编辑丨三胖有话讲
前言电化学传感器将电化学氧化还原反应所携带的信息转化为适用的定量或定性信号。这些传感器可以产生数字信号的电子输出，可以进一步进行分析。根据识别机制，传感器可以是化学传感器或生物传感器。
电化学在医疗技术、法医学、食品、环境科学、国防领域、农业等领域发挥着至关重要的作用。电化学传感器和检测器在许多应用领域中具有很大吸引力，例如现场监测环境污染物、满足各种环境需求、健康监测、检测食品样品中的掺假物、法医药物分析等等。许多现场环境扫描的规范都通过传感器来满足。
它们对电活性物种具有内在的敏感性和选择性，而且快速、可靠、便携、紧凑和经济。传感器的主要组成部分是转换器和化学识别系统，这两个部分共同构成一个感测电极。在电化学传感器中，工作电极和对电极之间施加电势差，根据样品在电极界面引起的氧化还原反应，测量得到的电流响应。
可以使用伏安法、电势法、安培法或电导法来研究生物或化学信号向电信号的转换。自发明以来，电化学传感器一直受到广泛研究，用于高效生物传感器、免疫传感器、特殊电极设计自动化系统和微电极等领域。随着纳米材料设计和合成以及基于碳和其他类型基材的纳米颗粒固有性能评估等方面的最新进展，纳米电化学在电感应领域已经开始加速发展。
伏安法伏安法是一种电分析方法，通过改变电位然后测量产生的电流来获得有关样品的信息。在伏安法中，电位扫描在工作电极和对电极之间相对于参比电极施加，产生的电流被测量为分析信号。由于电位可以以多种方式变化，因此有许多形式的伏安法可供选择，例如直流极谱法、微分脉冲极谱法、微分阶梯极谱法、循环伏安法、线性扫描伏安法、正脉冲和反脉冲伏安法。循环伏安法是最广泛使用的电分析方法之一。
电势法在电势法中，分析信号是工作电极和参比电极之间的开路电压。根据分析物的浓度，这个信号可以增加或减少。在这里，涉及浓度和电位之间的关系由奈斯特方程控制。电势法提供了有关氧化还原反应中离子活性的有用信息。通常使用离子选择性电极来实现电势传感器的低检测限。此外，电势传感器非常适合测量小样品体积中的低浓度分析物，因为它们不会对样品产生化学影响。
安培法安培法与伏安法相似，不同之处在于这里使用恒定或步进电位来测量电流作为电信号，而在伏安法中，则是通过控制电压的变化来测量电流。事实上，一些科学家将伏安法仅归类为安培法的一种类型，因为这两种技术都是通过改变电位来测量电流。
在这里，连续测量电流，并且这个电流是由生化反应中的分析物氧化或还原产生的。在这里，测得电流的峰值直接指示了电活性物种的体积浓度。葡萄糖生物传感器是最广泛使用的安培法传感器之一。许多科学实践者声称，在灵敏度方面，安培法传感器优于电势法传感器。
电导法电导法传感器用于测量水溶液中电解质的浓度。记录的溶液电阻用于计算导致溶液电导的已知电解质的摩尔浓度。电导率可以直接用电导率计测量，也可以通过电导滴定间接测量。电解质电导法分析长期以来一直被使用。亨利·卡文迪许和安德烈亚斯·鲍姆加特纳利用电导法方法分析矿泉水和盐溶液。
基于应用的传感器类型化学传感器：化学传感器将分析物的物理和/或化学特性转化为可测量的信号。可测量信号的强度通常与分析物的浓度成正比。化学传感器可以进一步分为以下几类：
pH传感器：这些传感器对溶液的pH变化非常敏感，用于测量水溶液和其他溶液中的酸碱度。正确使用这些设备可以确保产品的安全和质量，以及废水处理或不同制造业中进行的各种过程的安全性。
气体传感器：这些传感器用于检测特定环境中气体的类型和量或浓度。任何气体组成的变化都可以通过这些传感器与电信号相关联。
醇传感器：技术上称为MQ3传感器，醇传感器是一种非接触呼吸传感器，主要用于检测空气中的乙醇。当醉酒者在醇传感器附近呼吸时，传感器会检测到其呼气中的乙醇，并根据酒精的浓度提供输出。
离子选择性传感器：离子选择性电极是一种电势计型设备。许多电极系统在溶液中的氧化还原物种的活性和测量电极电位之间表现出奈斯特关系。膜表面对于典型氧化还原物种的亲和力以及膜上的最小离子导电性是离子选择性电极发展的重要要求。
湿度传感器：湿度传感器是一种用于检测、测量和报告空气中的相对湿度或气体混合物或纯气体中水蒸气存在量的装置。湿度传感与水的吸附和脱附有关。湿度传感器可用于工业和农业产品的监测。孵化器、灭菌器和制药加工厂都使用湿度传感器。
生物传感器：生物传感器是一种强大、高效和创新的分析设备，其结合了生物感知元件，并具有广泛的应用领域，如环境监测、诊断、生物医学、食品安全与处理、药物研发、国防和安全等。在生物传感器中，生物感知层和电极之间发生电子交换，这种交换可以转换成可读的信号。
氨电感应器的工作原理是在电极表面施加一个恒定的工作电位，当与参考电极相比时，在电极表面由于电化学反应产生的电流被测量作为分析信号。氨电感应器可以由两电极或三电极组成。
这些传感器用于测量两个电极之间施加的电位差，当它们之间没有电流流动时。然后使用测得的电位来检测或定量感兴趣的溶液中的分析物。在一般的电位计传感器中，信号遵循Nernst方程。
光学传感器是基于研究介质中光敏感分析物与识别元素相互作用时特定光的波长变化的原理而工作。位置敏感二极管、光电晶体管、光电阻、光电二极管和二极管阵列是一些常用的光传感器。
在这些传感器中，环境或机械能量的变化被转换成电信号或反之亦然。这些环境或机械能量的变化可能包括应变、振动、压力、力等。压电传感器可以分为两种类型，即被动型和主动型。
在这些传感器中，分子识别反应期间产生的热量量与分析物的浓度相关联。量热传感器的工作原理是通过研究观察对象中任何物理吸附过程或化学反应产生的焓变的变化来检测分析物的存在或测量其浓度。量热传感器也被称为化学电阻计，化学电阻计有两种类型，即低温化学电阻计和高温化学电阻计。
纳米材料在电感技术中的应用纳米颗粒直径大约是人类头发细丝直径的十万分之一。与许多其他技术或科学领域一样，纳米材料在电化学、生物感应应用中显示出了其适用性和价值。对这些纳米材料的巧妙应用已经明显地提高了性能，提高了特异性、灵敏度，并极大地降低了检测限。
此外所有纳米对象的高比表面积允许在生物传感器中固定更多的生物接受体单位。在纳米材料的合成过程中进行直接功能化或涂覆特定功能聚合物，使得这些纳米材料具备所需功能，同时不改变
金纳米颗粒AuNPs的特性，如其光学和电子性质，其生物相容性和相对简单的生产和修改，使它们在贵金属纳米颗粒类中具有很高的优先级和实用性。
当AuNPs被特定波长的光辐射时，其电子在导带中振荡，这种AuNPs的光学行为使其在光学传感领域具有广泛的应用。利用表面等离子体共振传导的金纳米颗粒用于感测应用是基于研究金膜随着传播表面等离子体的介电常数的变化。
在这里，使用反射光的强度、角度或相位的变化来监测分析物。采用绿色化学方法辅助植物合成的植物-AuNPs在催化和生物活性方面具有活性、生物相容性和稳定性。但尽管它们有着强大的应用潜力，但它们还没有得到足够的探索。
量子点量子点是由科学家创造的纳米尺度晶体，它们能够传导电子。这些半导体量子点显示出当紫外光照射它们时，能够发射各种颜色的特性。这些半导体纳米颗粒在荧光生物标记、电化学传感、太阳能电池和复合材料等领域中找到了广泛的应用。
纳米颗粒的光学特性可以通过控制它们的大小来改变，因此这些颗粒还可以调节或调控以发射特定波长的光。此外，形状、组成和结构等是影响量子点各种性质的其他关键参数。量子点的另一个重要应用是作为单电子晶体管。但研究表明，在某些情况下，这些半导体纳米颗粒可能对生物体产生有害影响。
磁性纳米颗粒性质：磁性纳米颗粒可以被吸附到传感器的转换材料上，或者在样品中被散布，然后被外部磁场吸引到传感器的活性识别表面。由于纳米尺寸的磁性颗粒中的磁区域较少，因此它们表现出与大块材料不同的磁性行为，表现为超顺磁行为。
这意味着在非常短的时间内，磁化可以快速地、随机地翻转方向，当外部磁场不存在时，磁化将平均为零。这是一个温度依赖的现象，在磁性矩通过外部磁场的排列时消失。磁性纳米颗粒在生物传感器、光学传感器和电化学传感器中提供了高灵敏度的传感技术。
碳纳米管由于碳纳米管的独特电子性质，近年来人们广泛研究了它们作为电感器件的实用性。非功能化的碳纳米管对许多化学物质没有很高的选择性，但通过与不同化学基团的功能化，可以克服这个缺点。
在电感应用中，碳纳米管可以与特定金属或功能性基团进行功能化。特定分子在碳纳米管表面的吸附和结合会导致电位-电流曲线的变化，这形成了这些器件的工作原理。碳纳米管作为传感器的性质主要取决于它们的形状。
碳纳米管的直径是一到几个纳米米，长度可能达到几微米。它们的表面由有序的六角石墨烯环或石墨卷组成，取决于纳米管的合成条件，可能形成单层或多层的管状结构。
碳纳米管的特性使得纳米技术为感测应用提供了有前景的平台。在这个领域的一些新兴研究包括：设计基于太赫兹亚表面的单壁碳纳米管，合成碳纳米管的感测压阻材料，利用碳纳米管诊断胰腺和肝癌等。
纳米颗粒在感应技术中的作用或功能在构建传感器时，化学功能团或生物分子被固定在传感器表面，决定了传感器的稳定性、灵敏度、选择性和再现性。因此固定所需分子到固体支持材料上有多种方法。其中一些方法包括吸附、共价键合、包埋、共聚合或交联和包覆。
纳米颗粒作为异相催化剂在电化学反应中的应用近年来增加。在绿色化学条件下，纳米催化剂可以有效地促进电化学反应。将催化性纳米颗粒纳入电化学传感器中，可以降低许多重要的电化学反应的过电位。
此外纳米催化剂还可以实现一些在传统未修饰电极上原本不可逆的氧化还原反应的可逆性。一些商业上或能源上重要的电化学反应，如通过可再生能源电解水产生氢气、将二氧化碳还原为碳氢化合物，以及将生物质产物转化为高价值化学品等，都使用了纳米催化剂。
结论
纳米颗粒在电化学传感技术中的广泛应用得益于它们的卓越特性，如显著的选择性和灵敏度、高表面能、能够展现形态和功能多样性、便携性、经济性、易于构造和操作。因此，电化学和纳米技术的结合在检测和定量化化学和生物目标分子的广泛电传感应用方面取得了重要进展。
