[科普中國]-重金屬薄膜

環(huán)境中重金屬的監(jiān)測越來越受到人們的重視，方便快捷準確靈活的在線檢測手段是研究人員一直所追求的。我們研究的基于硫系玻璃材料合成的新型薄膜傳感器，采用脈沖激光等離子體成膜(PLD)技術(shù)，在LAPS傳感器上制備對重金屬離子敏感的離子選擇性薄膜，實現(xiàn)微型化重金屬檢測傳感器。

簡介概述重金屬元素，特別是汞、鎘、鉛、鉻等具有顯著的生物毒性。在研究重金屬對生物體的作用機理方面，一般認為重金屬的自由離子和不穩(wěn)定的絡(luò)合物是主要的毒性形態(tài)。重金屬及其化合物的數(shù)目很多，重金屬廣泛分布于大氣圈、巖石圈、生物圈和水圈中。在正常情況下，其自然本底濃度難以達到有害的程度。隨著城市的擴大和大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展以及大范圍地施用農(nóng)藥，大量的生活污水和工業(yè)廢水排入水體，進入水體的化學(xué)物質(zhì)，或者通過飲水，或者通過食物鏈危害人體健康，即使數(shù)量很少，通過生物富集，最終也會危害人類。所以環(huán)境中重金屬的監(jiān)測變得越來越重要。

檢測重金屬的方法有很多，如原子吸收光譜、原子發(fā)射光譜、中子活化分析法、陽極溶出伏安法、x射線熒光光譜法、等離子體感應(yīng)光譜、雙硫腙比色法和用懸液計測量懸液法等“oJ'。這些方法一般都是成本比較高，需要復(fù)雜的儀器和熟練的操作人員，不能或不方便在戶外使用，一般是在實驗室進行，即現(xiàn)場采樣后進行離線分析，測量周期長，分析步驟復(fù)雜，分析儀器昂貴，采樣頻率低以及樣品不易保存等缺點。在有些情況下，需要及時知道環(huán)境污染情形，以便及時迅速制定相應(yīng)的處理對策，因此現(xiàn)場環(huán)境檢測方法、移動實驗室和便攜式檢測儀器等概念被許多研究人員提出。

硫系玻璃材料硫系玻璃是有前景的一種材料，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、長期可靠且對不同種類液態(tài)重金屬離子敏感性強等優(yōu)點。硫系玻璃化合物主要是以砷主族的硫化物、硒化物和碲化物為基礎(chǔ)制成的。基于硫?qū)俨ＡР牧虾兔}沖激光成膜技術(shù)研制的薄膜微型傳感器，在LAPS上首次制備了對Fe3+敏感的薄膜。1

相關(guān)資料重金屬離子選擇傳感器隨著工業(yè)化大規(guī)模的發(fā)展，重金屬廣泛分布于各種水體，通過飲水、食物鏈以及生物富集等方式正在嚴重危害人體健康。重金屬的監(jiān)測迫在眉睫。中國海域海水水質(zhì)污染加劇，特別是近岸海域污染嚴重，海洋生態(tài)系統(tǒng)繼續(xù)惡化，因此，在“十五”期間國家提出了建立國家海洋生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場快速監(jiān)測示范系統(tǒng)的計劃，通過海上實時采樣、檢測和分析來監(jiān)測海洋水質(zhì)的狀況，從而能夠快速做出決策以防止和制止污染的擴散。另一方面，重金屬傳感器的研究及其實時檢測技術(shù)也是國際上一個重要的前沿研究課題。

研究進展已經(jīng)提出一種光尋址電位傳感器(Light-Addressable Potenntiometric Sensor， LAPS)等效電路模型，對模型中各參數(shù)的影響進行了評估分析，把電化學(xué)動力學(xué)理論與半導(dǎo)體能帶理論相結(jié)合，對LAPS的原理進行了新的闡述，指出靜電電位(外置偏壓和電解質(zhì)溶液離子強度引起的靜電吸附電位)會改變LAPS的Fermi能級，影響空間電荷區(qū)的厚度，從而影響光生電流；離子交換產(chǎn)生的特性吸附會影響LAPS的平帶電位，從而改變空間電荷區(qū)電容，導(dǎo)致影響光生電流。最后，基于等效電路模型和LAPS原理，對重金屬薄膜LAPS傳感器進行了優(yōu)化設(shè)計。首次研制出了基于LAPS和脈沖激光沉積(Pulsed Laser Deposition， PLD)技術(shù)的一種玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)的Fe離子選擇薄膜傳感器。合成了一種Fe離子選擇電極(Fe—ISE)，并對其性能進行了研究。以該電極為PLD的靶材，在LAPS上制備了一種玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)的Fe薄膜傳感器(Fe-LAPS)。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

劉軍 - 副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所