传感器技术在环境检测中的应用与研究

传感器技术在环境检测中的应用与研究

陈道凯

山东正源检测科技有限公司 山东德州 251100

摘要：随着无线传感器网络的不断发展完善，其在环境监测过程中应用越来越广泛。而且人们越来越关注环境问题，需要采集的环境信息数据越来越多，无线传感器网络在环境监测中的应用有利于信息数据的获取，能够提升环境监测效率，所以要重视无线传感器网络在环境监测中的应用研究，不断提升无线传感器网络的应用水平。

关键词：传感器技术；环境检测；应用

前言

环境污染是一个持续性的问题，不仅影响着人类和其他物种的健康，还制约了社会经济的可持续发展。环境中存在的各种毒素、重金属和有机污染物，无论是人为合成的、还是自然发展进程中产生的都给环境带来了极大的威胁，因此，引起了科学研究工作者们的关注。纳米材料被应用于各种领域，包括电子、磁性、环境、制药、化妆品、能源、光电子、催化、等。在过去的十几年中，环境检测一直对使用纳米材料传感器来分析环境中的毒素、重金属离子和有机污染物感兴趣。纳米材料在电子、光子学和生物医学传感领域得到了广泛的研究，主要集中在疾病标记物检测方面。近年来，其在环境检测当中也得到了应用。纳米材料中的电子和空穴均具有强物理约束性，这使得纳米材料成为了传感器的候选材料，而且，由于纳米材料的体积较小，使其具有较大的比表面积。此外，其大小、组成和形状都可通过改变制备方法或是内部掺杂、表面改性等方法对其进行定制。表面改性纳米材料可提升其物理化学性能，比如表面修饰贵金属金、量子点、磁性材料和碳纳米管等。因此，纳米材料极微小的尺寸和优异的纳米级性能使其在新一代环境检测传感器中发挥了重要作用。

1传感器技术中环境检测的应用分析

要想实现可持续发展就必须将保护环境的行动立马实施起来，刻不容缓。在处理环境污染问题之前需要检测污染物的种类，才好“对症下药”，进行治理，而生物传感器检测速度快、精确度高，它解决了以往必须将标本带回实验室检测的难题，可实现在线检测。例如，工厂的废水排放，可实时检测其废水是否达到排放标准，不仅提升了检测人员的工作效率，也不影响工厂的正常运行。可测定废水中酚类微生物以及阴离子表面活性剂、土壤中重金属、内分泌干扰物和水体富营养化的监测等。

2环境监测中生物传感器的运用措施

2.1大气环境监测中的运用

2.1.1可以监测SO₂

对于SO₂的监测普遍运用基于氧电极以及肝微粒体制作而成的传感器。该传感器可以通过测量雨水内亚硫酸盐的浓度，来反映当前大气当中SO₂的占比。在实际工作中，传感器内的微粒体会与亚硫酸盐实现氧化反应，以此来损耗附近的氧，减少氧电极附近溶解氧的占比，从而引发传感器电流产生变化，最后反映出当前亚硫酸盐的浓度。这种检验方式的精确度以及重现性都十分理想。

2.1.2可以检验NO₂

对于NO₂的检验普遍运用氧电极和固定化硝化细菌以及多孔气体渗透膜联合制作而成的传感设备。在实际工作中，将亚硝酸盐视为单一的硝化细菌能源，当亚硝酸盐含量增加，则传感器的呼吸活性也随之加强。在传感器呼吸期间，通过氧电极开展溶解氧浓度降低量的检验，借此反映亚硝酸盐的浓度，进而判断大气当中NO₂的占比。其中，0.01mmol/L为检测的最低值，若亚硝酸盐浓度不高于0.59mmol/L，就说明亚硝酸盐浓度与传感设备电流之间形成正比关系，即传感设备拥有十分理想的抗干扰能力，选择性相对理想。

2.1.3可以检验CO₂温室效应

便是因CO₂含量升高而引发的环境危害。传统监测方式以电位传感器为主，往往会受到各种离子以及挥发性酸的影响。对此，在实际工作中可以尝试采用基于自养微生物与氧电极制作而成的电位传感设备进行监测，可以避免各类离子以及挥发性酸所产生的干扰。当传感器检验CO₂的含量处于3%—12%之间时存在线性响应，说明灵敏度更为理想。

2.2在杀虫剂类物质监测中的运用

杀虫剂类物质包括脱叶剂、除草剂以及各类杀昆虫剂等。各类杀虫剂中普遍含有许多对人体健康不利的物质，例如，杀真菌剂内含有硫化合物、铜化合物等，除草剂内含有有机化合物等。上述物质都会对人体健康产生严重的危害，例如，破坏机体造血功能、损害呼吸道、诱发神经系统病症等，其部分成分甚至有致癌性。现在，应用较为频繁的检验方式是气相色谱法。然而部分杀虫剂物质具备低挥发性以及对热不稳定等特征，并不适用于气相色谱法监测。而生物传感器可以有效解决上述问题。以有机磷农药为例，该农药可能在特定低浓度下实现对部分指定酶活性的限制，限制效果往往与有机磷农药浓度成正比关系。因此，可以通过酶传感设备实现对有机磷农药占比的监测。如制作乙酰胆碱酯酶传感器，乙酰胆碱本身为神经递质，处于红细胞以及生物神经组织内，可加速物质水解反应，形成含有乙酸的物质，引发反应相pH改变。因为乙酰胆碱酯酶对有机磷农药的敏感度较高，所以通过检验反应相pH的改变便可以了解酶活性受到的抑制程度，进而分析有机磷农药当前的含量占比。

2.3水环境监测中的运用

2.3.1用于BOD的检验水体当中污染物的类型及含量的监测可以依赖生物化学需氧量检验结果进行判断。传统监测手段以5d生化需氧量标准稀释检验方式为主，该方式操作较为复杂，且耗时较长，检验结果的精确度也并不理想。部分学者尝试从废水中提炼微生物，并经过培养制作为胶原膜，联合氧电极制作成传感器，用以检验BOD。许多学者对此展开研究，明确了该生物传感器的工作原理：在实验中，生物敏感元件运用了微生物多菌种或是某一菌种，如果BOD物质出现参与、降解代谢情况，便会转变生物内外源的呼吸方法，进而影响电流产生强弱的改变，传感器输出的电流数值在特定环境下与BOD含量占比之间形成线性关系。该检验方式精确度较高，且具有理想的灵敏性，耗时短，所以在水质在线持续性监测中的运用十分频繁。

2.3.2用于苯酚类化合物的检验

含苯化合物是当前污染环境的主要物质之一，大部分芳香类化合物都具有致癌性。近几年来，电化学传感设备不断进步，出现了将漆酶、过氧化物酶等作为敏感材料的传感设备，其中又以酪氨酸酶传感设备应用最为频繁。酪氨酸酶传感设备工作原理是：传感器以分子氧存在为基础，依赖酪氨酸酶对单酚类物质予以氧化，令其形成二酚，进而转变为苯醌类物质。因为苯醌可以借助电化学渠道吸收电子并转变为邻苯二酚，因此会对苯醌类物质的形成状况以及氧气损耗状况进行监测，以此达到及时监测苯酚类物质的效果[5]。酪氨酸酶传感设备监测方式在精确度、灵敏度以及选择性方面表现都十分理想。此外，苯酚生物传感设备将微生物菌体制作为识别材料，实现对苯酚类物质的检验，由于细菌往往包含降解质粒，因此假单胞菌属逐渐得到有关学者的重视。

2.3.3用于硝酸盐的检验

生物传感器运用在水环境内监测NO₃，主要是检验NO₃还原为NO₂期间所产生的还原电流，通过判断电流的大小，以确认当前NO₃的含量。这一传感设备在监测0.400μmol/L的NO₂时可以达到较为理想的效果。部分学者对传感设备电泳原理予以优化，在培养基池和受监测液内置入电极，促进NO₃与敏感元件更为靠近，会获得更为理想的监测效果。

结束语

经过多年发展，传感器技术已向纳米尺度发展，纳米材料由于其尺寸微小的原因，拥有块状物质所没有的性质。纳米材料传感器具有较高的选择性、灵敏度和稳定性，且成本较低而受到科学家的广泛关注，并通过改变纳米材料的种类和组合研制出针对重金属离子、乙醇以及其他物质的传感器，对环境检测领域做出重大贡献。

参考文献：

[1]苗春雷.无线传感器网络在环境监测中的应用[J].环境与发展，2017，29（10）：144+148.

[2]李建武，沈陆岭.无线传感器网络在环境监测中的应用[J].绿色环保建材，2017（3）：32.