[科普中國(guó)]-重金屬薄膜

環(huán)境中重金屬的監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到人們的重視，方便快捷準(zhǔn)確靈活的在線檢測(cè)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(duì)重金屬離子敏感的離子選擇性薄膜，實(shí)現(xiàn)微型化重金屬檢測(cè)傳感器。

簡(jiǎn)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(duì)生物體的作用機(jī)理方面，一般認(rèn)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?gòu)V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(dá)到有害的程度。隨著城市的擴(kuò)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(jìn)入水體的化學(xué)物質(zhì)，或者通過(guò)飲水，或者通過(guò)食物鏈危害人體健康，即使數(shù)量很少，通過(guò)生物富集，最終也會(huì)危害人類。所以環(huán)境中重金屬的監(jiān)測(cè)變得越來(lái)越重要。

檢測(cè)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(yáng)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(jì)測(cè)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，即現(xiàn)場(chǎng)采樣后進(jìn)行離線分析，測(cè)量周期長(zhǎng)，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(diǎn)。在有些情況下，需要及時(shí)知道環(huán)境污染情形，以便及時(shí)迅速制定相應(yīng)的處理對(duì)策，因此現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境檢測(cè)方法、移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室和便攜式檢測(cè)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(zhǎng)期可靠且對(duì)不同種類液態(tài)重金屬離子敏感性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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?；诹?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(duì)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?gòu)V泛分布于各種水體，通過(guò)飲水、食物鏈以及生物富集等方式正在嚴(yán)重危害人體健康。重金屬的監(jiān)測(cè)迫在眉睫。中國(guó)海域海水水質(zhì)污染加劇，特別是近岸海域污染嚴(yán)重，海洋生態(tài)系統(tǒng)繼續(xù)惡化，因此，在“十五”期間國(guó)家提出了建立國(guó)家海洋生態(tài)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)快速監(jiān)測(cè)示范系統(tǒng)的計(jì)劃，通過(guò)海上實(shí)時(shí)采樣、檢測(cè)和分析來(lái)監(jiān)測(cè)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(kuò)散。另一方面，重金屬傳感器的研究及其實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)也是國(guó)際上一個(gè)重要的前沿研究課題。

研究進(jìn)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(duì)模型中各參數(shù)的影響進(jìn)行了評(píng)估分析，把電化學(xué)動(dòng)力學(xué)理論與半導(dǎo)體能帶理論相結(jié)合，對(duì)LAPS的原理進(jìn)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(qiáng)度引起的靜電吸附電位)會(huì)改變LAPS的Fermi能級(jí)，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(huì)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(duì)重金屬薄膜LAPS傳感器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(duì)其性能進(jìn)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(xiàn)者為:

劉軍 - 副研究員 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所