印度斋浦尔马拉维亚国家技术学院材料研究中心TrAC.：电化学传感器在放射性核素全面检测与分析中的应用进

全文速览

在放射性核素中，铀的检测备受关注。多种修饰电极的电化学传感器被用于铀检测，如PtRu-PCs/GCE传感器通过在MOF衍生多孔碳上合成PtRu双金属NPs，展现出良好电化学性能，对铀酰离子检测限低至0.024μmol/L；IPTP/GR/CPE传感器利用特定配体与石墨烯修饰电极，在特定条件下对铀离子检测线性关系良好，检测限达0.00181μmol/L。

铯的检测研究也取得进展，像MWCNT@Cs - IIP/GCE传感器利用离子印迹技术合成复合材料修饰电极，对铯离子具有高选择性，检测限为4×10⁻²μmol/L；普鲁士蓝修饰的PBNPS/SPE传感器在三电极体系中对铯离子电化学吸附性能良好。

对于钍的检测，表现出快速响应和pH独立性，适用于实际样品中Th(IV)离子的电化学分析。同时，多种电化学检测技术如DPV、LSV、CV、EIS等在核素检测中各有应用，它们具有不同优势，也存在一定局限。总之，电化学传感器在放射性核素检测领域发挥着重要作用，未来仍有广阔发展空间。

背景介绍

放射性核素自地球诞生以来便已存在，其具有不稳定的原子核，会通过放射性衰变释放出α、β或γ射线，这种衰变产生的辐射具备足够能量使其他原子的电子发生位移，形成电离辐射。1896年，放射性被法国物理学家亨利·贝可勒尔发现，此后，居里夫妇等科学家在该领域持续深入研究，分离和表征了多种放射性元素，推动了人们对放射性核素的认识。

自然界中存在着众多放射性同位素，其中超过320种已被识别，70种具有明显放射性特性。它们的来源多样，部分天然存在于地球地壳中，如钍（Th）、铀（U）等元素的同位素，还有部分通过人类活动，如在实验室、核电站、医疗机构及核武器试验等过程中产生。像铅（Pb）、铋（Bi）、钫（Fr）、钋（Po）、砹（At）、镭（Ra）、氡（Rn）和镤（Pa）等放射性核素在地球上的出现就与²³²Th、²³⁵U和²³⁸U的衰变相关。

放射性核素在多个领域发挥着关键作用，在医疗领域，用于医学成像、辐射治疗等，如⁶⁰Co和¹³⁺Cs在癌症治疗的外部束辐射治疗中是重要的辐射源；在工业上，¹³⁷Cs可用于工业放射成像。然而，这些放射性核素的衰变产物以及其本身的不稳定性对人类和环境带来巨大风险。例如，历史上的核事故，如福岛第一核电站事故、切尔诺贝利灾难等，造成了放射性物质泄漏，严重污染土壤、水和空气，影响农作物生长，危害水生生物，对人类健康产生诸多危害，包括基因突变、辐射病、癌症风险增加等，同时也带来了巨大的经济损失。因此，对放射性核素进行有效的检测和监测，对于防范其危害、保障环境和人类健康至关重要。

研究出发点

放射性核素对人类与环境危害严重，其检测与分析对于环境保护和人类健康意义非凡。传统检测方法如原子发射光谱法（AES）、中子活化分析（NAA）、伽马（γ）和阿尔法（α）光谱法、电感耦合等离子体质谱法（ICP - MS）、微分脉冲极谱法（DPP）和气相色谱法（GS）等，虽具有一定优势，如部分方法灵敏度较高、检测限较低，但普遍存在诸多局限性。这些方法所需设备昂贵，购置与维护成本高昂，操作过程复杂，对操作人员专业要求高，且样品制备步骤繁琐。同时，这些传统方法缺乏便携性，难以实现现场快速检测，无法满足对放射性核素及时、高效检测的需求。

电化学传感器作为一种新兴的检测技术手段，具备诸多独特优势。它具有便携性，易于携带至现场进行检测；操作简便，无需复杂的专业操作技能；成本低廉，可降低检测成本。此外，电化学传感器的选择性和灵敏度能够通过对电极的修饰得到显著提升。通过在电极表面修饰碳糊（CP）、铂（Pt）、金（Au）、硼掺杂金刚石电极（BDDE）、玻璃碳（GC）、石墨（GR）等材料，并结合石墨烯、碳纳米管（CNTs）等纳米材料，能够改变电极的表面性质，增强其对放射性核素的吸附、催化等作用，从而提高检测性能。基于以上情况，有必要对电化学传感器在放射性核素检测中的应用进行深入研究，系统总结其检测机制、方法、性能等方面的进展，为开发更高效、准确、便捷的放射性核素检测技术提供理论依据与实践参考，以满足环境保护、核安全监测等领域对放射性核素检测日益增长的需求。

图文解析

要点1：电化学传感器在放射性核素检测中的应用研究具有重要意义。与传统检测方法相比，电化学传感器具有便携、低成本、易于操作等优点，能够实现现场快速检测，满足对放射性核素及时监测的需求。不同类型传感器和检测技术的研究为放射性核素检测提供了多种选择，可根据实际需求（如检测核素种类、浓度范围、检测环境等）选择合适的方法。对检测性能影响因素的研究有助于进一步优化传感器性能，提高检测的准确性和选择性，为环境保护、核安全监测、核能利用等领域提供有力的技术支持。

图1.电化学检测方法的基本设置

要点2：阐述了多种铀检测传感器的制备方法，如PtRu - PCs/GCE传感器通过在MOF衍生多孔碳上合成PtRu双金属纳米粒子并修饰于电极表面，IPTP/GR/CPE传感器利用特定配体与石墨烯修饰碳糊电极。并深入分析不同电极材料和制备工艺对检测性能的影响机制，如MOF结构提供高比表面积和活性位点增强了对铀酰离子的吸附和催化作用。

图2.(a)修饰电极制备的图示；(b)萃取和再结合机制；(c, d)不同UO₂²⁺组成下IIP/GR/CPE的差分脉冲伏安（DPV）结果以及改性电极（IIP/GR/CPE）的校准曲线。

要点3：介绍并分析离子印迹技术赋予传感器高选择性的原理，即通过模板离子制备的特异性识别位点与铯离子的强相互作用。同时，介绍普鲁士蓝修饰的PBNPS/SPE传感器在检测铯离子时的电化学吸附性能，如吸附容量（325±1mg/g）、分布系数（580±5L/g）等，并探讨普鲁士蓝结构特点对吸附铯离子的优势，如特殊晶格结构对水化铯离子的结合能力。

图3.(a) 多壁碳纳米管@铯-离子印迹聚合物（MMWCNT@Cs-IIP）制备过程的图示；(b) 当暴露于浓度为1.0×10-4 M的铯离子时，pH对优化传感器电流输出的影响；(c) 改性电极的重复性。

要点4：探究pH值影响铀离子的存在形式（如UO₂²⁺、UO₂OH⁺等）和电极表面电荷状态，进而影响检测灵敏度和选择性，如在pH为5 - 7时某些传感器性能最佳。分析干扰离子（如常见阳离子Na⁺、K⁺、Ca²⁺等）与目标核素竞争吸附位点或参与反应的机制，探讨提高传感器选择性的方法，如优化电极修饰材料、选择合适的检测条件等。同时，以具体传感器（如AgNDs - ERGO/ITO传感器）为例，分析电极材料特性（如表面积、导电性、催化活性等）与检测性能的关系，说明高表面积的AgNDs - ERGO复合膜如何提供更多吸附位点，良好的导电性加速电子转移，从而提高铀检测性能，为传感器的进一步优化提供理论依据。

图4.（a）CG/Au@Ag纳米复合材料的制备和制造过程的图示；（b，c）修饰电极的循环伏安曲线。   总结与展望 该文章系统综述了电化学传感器在放射性核素全面检测与分析中的应用进展。详细阐述了多种放射性核素的检测方法，通过各类电化学技术结合化学修饰电极，利用多种材料实现对放射性核素的检测。该文中列举了多种具体的传感器研究实例，如利用PtRu - PCs检测铀，其展现出良好的电化学性能；MMWCNT@Cs - IIP用于检测铯，具有高选择性等。

一方面，继续开发新型的电极修饰材料，进一步提高传感器的灵敏度和选择性，使其能够更精准地检测低浓度放射性核素。例如，探索具有特殊性能的纳米材料或复合材料，以增强对特定核素的识别能力。另一方面，注重传感器的稳定性和抗干扰性研究，确保其在复杂环境中仍能准确检测，这对于实际应用场景至关重要。同时，加强传感器的微型化和便携化设计，结合无线通信技术，实现实时、在线监测，以便及时掌握放射性核素的污染情况，为环境保护和人类健康提供更有力的保障。此外，还应深入研究检测机制，为传感器的进一步优化提供理论依据，推动电化学传感器在放射性核素检测领域的不断发展和广泛应用。

审核编辑 黄宇