印度齋浦爾馬拉維亞國家技術(shù)學(xué)院材料研究中心TrAC.：電化學(xué)傳感器在放射性核素全面檢測與分析中的應(yīng)用進

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在放射性核素中，鈾的檢測備受關(guān)注。多種修飾電極的電化學(xué)傳感器被用于鈾檢測，如PtRu-PCs/GCE傳感器通過在MOF衍生多孔碳上合成PtRu雙金屬NPs，展現(xiàn)出良好電化學(xué)性能，對鈾酰離子檢測限低至0.024μmol/L；IPTP/GR/CPE傳感器利用特定配體與石墨烯修飾電極，在特定條件下對鈾離子檢測線性關(guān)系良好，檢測限達0.00181μmol/L。

銫的檢測研究也取得進展，像MWCNT@Cs - IIP/GCE傳感器利用離子印跡技術(shù)合成復(fù)合材料修飾電極，對銫離子具有高選擇性，檢測限為4×10?2μmol/L；普魯士藍修飾的PBNPS/SPE傳感器在三電極體系中對銫離子電化學(xué)吸附性能良好。

對于釷的檢測，表現(xiàn)出快速響應(yīng)和pH獨立性，適用于實際樣品中Th(IV)離子的電化學(xué)分析。同時，多種電化學(xué)檢測技術(shù)如DPV、LSV、CV、EIS等在核素檢測中各有應(yīng)用，它們具有不同優(yōu)勢，也存在一定局限。總之，電化學(xué)傳感器在放射性核素檢測領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，未來仍有廣闊發(fā)展空間。

背景介紹

放射性核素自地球誕生以來便已存在，其具有不穩(wěn)定的原子核，會通過放射性衰變釋放出α、β或γ射線，這種衰變產(chǎn)生的輻射具備足夠能量使其他原子的電子發(fā)生位移，形成電離輻射。1896年，放射性被法國物理學(xué)家亨利·貝可勒爾發(fā)現(xiàn)，此后，居里夫婦等科學(xué)家在該領(lǐng)域持續(xù)深入研究，分離和表征了多種放射性元素，推動了人們對放射性核素的認識。

自然界中存在著眾多放射性同位素，其中超過320種已被識別，70種具有明顯放射性特性。它們的來源多樣，部分天然存在于地球地殼中，如釷（Th）、鈾（U）等元素的同位素，還有部分通過人類活動，如在實驗室、核電站、醫(yī)療機構(gòu)及核武器試驗等過程中產(chǎn)生。像鉛（Pb）、鉍（Bi）、鈁（Fr）、釙（Po）、砹（At）、鐳（Ra）、氡（Rn）和鏷（Pa）等放射性核素在地球上的出現(xiàn)就與232Th、23?U和23?U的衰變相關(guān)。

放射性核素在多個領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用，在醫(yī)療領(lǐng)域，用于醫(yī)學(xué)成像、輻射治療等，如??Co和13?Cs在癌癥治療的外部束輻射治療中是重要的輻射源；在工業(yè)上，13?Cs可用于工業(yè)放射成像。然而，這些放射性核素的衰變產(chǎn)物以及其本身的不穩(wěn)定性對人類和環(huán)境帶來巨大風(fēng)險。例如，歷史上的核事故，如福島第一核電站事故、切爾諾貝利災(zāi)難等，造成了放射性物質(zhì)泄漏，嚴重污染土壤、水和空氣，影響農(nóng)作物生長，危害水生生物，對人類健康產(chǎn)生諸多危害，包括基因突變、輻射病、癌癥風(fēng)險增加等，同時也帶來了巨大的經(jīng)濟損失。因此，對放射性核素進行有效的檢測和監(jiān)測，對于防范其危害、保障環(huán)境和人類健康至關(guān)重要。

研究出發(fā)點

放射性核素對人類與環(huán)境危害嚴重，其檢測與分析對于環(huán)境保護和人類健康意義非凡。傳統(tǒng)檢測方法如原子發(fā)射光譜法（AES）、中子活化分析（NAA）、伽馬（γ）和阿爾法（α）光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP - MS）、微分脈沖極譜法（DPP）和氣相色譜法（GS）等，雖具有一定優(yōu)勢，如部分方法靈敏度較高、檢測限較低，但普遍存在諸多局限性。這些方法所需設(shè)備昂貴，購置與維護成本高昂，操作過程復(fù)雜，對操作人員專業(yè)要求高，且樣品制備步驟繁瑣。同時，這些傳統(tǒng)方法缺乏便攜性，難以實現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測，無法滿足對放射性核素及時、高效檢測的需求。

電化學(xué)傳感器作為一種新興的檢測技術(shù)手段，具備諸多獨特優(yōu)勢。它具有便攜性，易于攜帶至現(xiàn)場進行檢測；操作簡便，無需復(fù)雜的專業(yè)操作技能；成本低廉，可降低檢測成本。此外，電化學(xué)傳感器的選擇性和靈敏度能夠通過對電極的修飾得到顯著提升。通過在電極表面修飾碳糊（CP）、鉑（Pt）、金（Au）、硼摻雜金剛石電極（BDDE）、玻璃碳（GC）、石墨（GR）等材料，并結(jié)合石墨烯、碳納米管（CNTs）等納米材料，能夠改變電極的表面性質(zhì)，增強其對放射性核素的吸附、催化等作用，從而提高檢測性能?；谝陨锨闆r，有必要對電化學(xué)傳感器在放射性核素檢測中的應(yīng)用進行深入研究，系統(tǒng)總結(jié)其檢測機制、方法、性能等方面的進展，為開發(fā)更高效、準(zhǔn)確、便捷的放射性核素檢測技術(shù)提供理論依據(jù)與實踐參考，以滿足環(huán)境保護、核安全監(jiān)測等領(lǐng)域?qū)Ψ派湫院怂貦z測日益增長的需求。

圖文解析

要點1：電化學(xué)傳感器在放射性核素檢測中的應(yīng)用研究具有重要意義。與傳統(tǒng)檢測方法相比，電化學(xué)傳感器具有便攜、低成本、易于操作等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場快速檢測，滿足對放射性核素及時監(jiān)測的需求。不同類型傳感器和檢測技術(shù)的研究為放射性核素檢測提供了多種選擇，可根據(jù)實際需求（如檢測核素種類、濃度范圍、檢測環(huán)境等）選擇合適的方法。對檢測性能影響因素的研究有助于進一步優(yōu)化傳感器性能，提高檢測的準(zhǔn)確性和選擇性，為環(huán)境保護、核安全監(jiān)測、核能利用等領(lǐng)域提供有力的技術(shù)支持。

圖1.電化學(xué)檢測方法的基本設(shè)置

要點2：闡述了多種鈾檢測傳感器的制備方法，如PtRu - PCs/GCE傳感器通過在MOF衍生多孔碳上合成PtRu雙金屬納米粒子并修飾于電極表面，IPTP/GR/CPE傳感器利用特定配體與石墨烯修飾碳糊電極。并深入分析不同電極材料和制備工藝對檢測性能的影響機制，如MOF結(jié)構(gòu)提供高比表面積和活性位點增強了對鈾酰離子的吸附和催化作用。

圖2.(a)修飾電極制備的圖示；(b)萃取和再結(jié)合機制；(c, d)不同UO?2?組成下IIP/GR/CPE的差分脈沖伏安（DPV）結(jié)果以及改性電極（IIP/GR/CPE）的校準(zhǔn)曲線。

要點3：介紹并分析離子印跡技術(shù)賦予傳感器高選擇性的原理，即通過模板離子制備的特異性識別位點與銫離子的強相互作用。同時，介紹普魯士藍修飾的PBNPS/SPE傳感器在檢測銫離子時的電化學(xué)吸附性能，如吸附容量（325±1mg/g）、分布系數(shù)（580±5L/g）等，并探討普魯士藍結(jié)構(gòu)特點對吸附銫離子的優(yōu)勢，如特殊晶格結(jié)構(gòu)對水化銫離子的結(jié)合能力。

圖3.(a)?多壁碳納米管@銫-離子印跡聚合物（MMWCNT@Cs-IIP）制備過程的圖示；(b)?當(dāng)暴露于濃度為1.0×10-4?M的銫離子時，pH對優(yōu)化傳感器電流輸出的影響；(c)?改性電極的重復(fù)性。

要點4：探究pH值影響鈾離子的存在形式（如UO?2?、UO?OH?等）和電極表面電荷狀態(tài)，進而影響檢測靈敏度和選擇性，如在pH為5 - 7時某些傳感器性能最佳。分析干擾離子（如常見陽離子Na?、K?、Ca2?等）與目標(biāo)核素競爭吸附位點或參與反應(yīng)的機制，探討提高傳感器選擇性的方法，如優(yōu)化電極修飾材料、選擇合適的檢測條件等。同時，以具體傳感器（如AgNDs - ERGO/ITO傳感器）為例，分析電極材料特性（如表面積、導(dǎo)電性、催化活性等）與檢測性能的關(guān)系，說明高表面積的AgNDs - ERGO復(fù)合膜如何提供更多吸附位點，良好的導(dǎo)電性加速電子轉(zhuǎn)移，從而提高鈾檢測性能，為傳感器的進一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。

圖4.（a）CG/Au@Ag納米復(fù)合材料的制備和制造過程的圖示；（b，c）修飾電極的循環(huán)伏安曲線。 ? 總結(jié)與展望 該文章系統(tǒng)綜述了電化學(xué)傳感器在放射性核素全面檢測與分析中的應(yīng)用進展。詳細闡述了多種放射性核素的檢測方法，通過各類電化學(xué)技術(shù)結(jié)合化學(xué)修飾電極，利用多種材料實現(xiàn)對放射性核素的檢測。該文中列舉了多種具體的傳感器研究實例，如利用PtRu - PCs檢測鈾，其展現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能；MMWCNT@Cs - IIP用于檢測銫，具有高選擇性等。

一方面，繼續(xù)開發(fā)新型的電極修飾材料，進一步提高傳感器的靈敏度和選擇性，使其能夠更精準(zhǔn)地檢測低濃度放射性核素。例如，探索具有特殊性能的納米材料或復(fù)合材料，以增強對特定核素的識別能力。另一方面，注重傳感器的穩(wěn)定性和抗干擾性研究，確保其在復(fù)雜環(huán)境中仍能準(zhǔn)確檢測，這對于實際應(yīng)用場景至關(guān)重要。同時，加強傳感器的微型化和便攜化設(shè)計，結(jié)合無線通信技術(shù)，實現(xiàn)實時、在線監(jiān)測，以便及時掌握放射性核素的污染情況，為環(huán)境保護和人類健康提供更有力的保障。此外，還應(yīng)深入研究檢測機制，為傳感器的進一步優(yōu)化提供理論依據(jù)，推動電化學(xué)傳感器在放射性核素檢測領(lǐng)域的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

審核編輯 黃宇