阅读说明：本技术 饮用水重金属传感器及其使用方法 (Drinking water heavy metal sensor and use method thereof ) 是由 W-c·林 M·A·伯恩斯 于 2018-05-22 设计创作，主要内容包括：提供了一种用于检测水中的重金属的传感器。该传感器包括第一电极和第二电极,该第一电极和该第二电极具有互补的叉指表面,这些互补的叉指表面彼此间隔开第一间隙,该第一间隙的距离为大于或等于大约500nm至小于或等于大约10μm。该传感器还包括可连接到该第一电极和该第二电极的电源。该传感器被配置为针对重金属的存在而连续监测水。还提供了制作和使用该传感器的方法。(A sensor for detecting heavy metals in water is provided. The sensor includes a first electrode and a second electrode having complementary interdigitated surfaces spaced apart from each other by a first gap having a distance of greater than or equal to about 500nm to less than or equal to about 10 μm. The sensor also includes a power source connectable to the first electrode and the second electrode. The sensor is configured to continuously monitor the water for the presence of heavy metals. Methods of making and using the sensor are also provided.)

饮用水重金属传感器及其使用方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年5月22日提交的美国临时申请No.62/509,537的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及一种针对重金属(诸如铅)而监测家庭用水的传感器。

背景技术

本节提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。

饮用水中的重金属(诸如铅)对人类是危险的，并且已经制定了针对这些金属在饮用水中的最大允许浓度的法规以保护消费者。即使处于低水平的铅暴露，尤其是在婴儿和儿童中，铅造成神经系统损害。环境保护署(EPA)在最高污染物水平(MCL)中规定允许零铅，并且将15ppb的铅列为行动水平。除了铅以外，铜是另一种危险的重金属，长期暴露后导致肝和肾损害。铜的MCL为1.3mg/L，次级最高污染物水平(SMCL)为1.0mg/L。SMCL建议在饮用水中应尽量减少造成不良味道、颜色和气味的离子。锌和铁是饮用水中的其它两种常见元素，SMCL分别规定其为5mg/L和0.3mg/L。

铅泄漏到自来水中是美国在1986年之前建造的美国房屋中的主要问题，这些房屋通常在服务管线或阀门中都含有铅。当水流动通过这些铅部件时，铅可以通过各种复杂的电化学、地球化学和水力机制浸出到水中。因为铅可以是无色无味的，所以浸出常常在用户不知情的情况下发生。因此，如果未检测到金属污染物，那么用户通过被污染的水处于铅暴露的危险中。

铅的早期检测对于防止长期暴露是重要的，但是使用当前技术难以实现。因为水在房屋的结构内被污染，所以通过家庭监测进行端点检测对于铅泄漏检测至关重要。EPA建议的唯一合格方法是在合格的国家测试实验室中的电感耦合等离子体质谱(ICPMS)。因为铅泄漏典型地意外发生，所以建议的方法需要用户的自我意识，以定期将水送出进行检查。虽然已经提出了使用电化学电势法或比色法的用于家庭监测的最小化传感器，但是由于最小化参考电极的限制，大多数电势传感器寿命短，而比色传感器典型地是一次性使用的。因而，存在对开发在没有来自用户的输入的情况下检测水中的金属并且可以长时间操作的传感器的强烈需求。

发明内容

本节提供了本公开的总体概述，但不是其全部范围或其所有特征的全面公开。

当前技术提供了一种用于检测水中的重金属的传感器。该传感器包括：第一电极和第二电极，该第一电极和该第二电极具有互补的叉指(interdigitated)表面，这些互补的叉指表面彼此间隔开第一间隙，该第一间隙的距离为大于或等于大约500nm至小于或等于大约10μm；以及电源，可连接到该第一电极和该第二电极。该传感器被配置为针对重金属的存在而连续监测水。

在一个变体中，该第一电极是正电极，以及该第二电极是负电极。

在一个变体中，该第一电极的表面积为大于或等于大约0.4mm²至小于或等于大约0.5mm²，以及该第二电极的表面积为大于或等于大约0.3mm²至小于或等于大约0.4mm²。

在一个变体中，该传感器还包括第三电极和第四电极，该第三电极和该第四电极具有互补的叉指表面，这些互补的叉指表面彼此间隔开大于或等于大约500nm至小于或等于大约10μm的距离。该第二电极和该第三电极彼此间隔开第二间隙，该第二间隙的距离为大于或等于大约1μm至小于或等于大约1mm。

在一个变体中，该第一电极是正电极，以及该第四电极是负电极。

在一个变体中，该传感器还包括：第一引线，电连接到该第一电极；第二引线，电连接到该第二电极；第三引线，电连接到该第三电极；以及第四引线，电连接到该第四电极，其中该传感器被构建为使得该第一引线、该第二引线、该第三引线和该第四引线可以单独地耦接到电源和与电源解耦。

在一个变体中，该电源是电池、多个电池、光伏设备或建筑物的电力服务。

在一个变体中，该传感器连续且选择性地检测水中的铅。

在一个变体中，该传感器没有参考电极和配体。

在一个变体中，该传感器还包括基板部分，该基板部分通过部署在该基板部分与该第一电极和该第二电极之间的粘合剂层耦接到该第一电极和该第二电极。

在一个变体中，提供一种水管，该水管具有内部孔段，水流动通过该内部孔段，其中该传感器部署在该内部孔段内。

当前技术还提供了一种针对铅的存在而连续监测水的方法。该方法包括使传感器与水样本接触。该传感器包括：第一电极和第二电极，该第一电极和该第二电极具有互补的表面，这些互补的表面彼此间隔开大于或等于大约500nm至小于或等于大约10μm的距离；第三电极和第四电极，该第三电极和该第四电极具有互补的表面，这些互补的表面彼此间隔开大于或等于大约500nm至小于或等于大约10μm的距离，其中该第二电极和该第三电极彼此间隔开大于或等于大约1μm至小于或等于大约1mm的距离。该方法还包括在该第一电极和该第四电极之间施加第一电势；在该第一电极和该第二电极之间施加第二电势；测量该第一电极和该第二电极之间的第一电压；以及当将该第一电压与不包含可检测水平的铅的水中的基线电压进行比较时，确定该水样本中存在铅。

在一个变体中，该水样本被包含在水管中。

在一个变体中，该方法还包括当该第一电压不同于基线电压时生成警报。

在一个变体中，该方法还包括，在测量该第一电极和该第二电极之间的电压之后，在该第三电极和该第四电极之间施加第三电势；测量该第三电极和该第四电极之间的第二电压；以及当将该第二电压与不包含可检测水平的除铅以外的重金属的水中的第二基线电压进行比较时，确定水中存在除铅以外的重金属。

在一个变体中，该传感器没有参考电极或配体。

当前技术还包括一种制造选择性地检测水中的铅的电极的方法。该方法包括：将粘合剂层部署在基板上；将光致抗蚀剂部署到粘合剂层上；以及将光致抗蚀剂掩模部署在光致抗蚀剂上，其中该光致抗蚀剂掩模包括图案。该图案限定：第一电极和第二电极，该第一电极和该第二电极具有互补的表面，这些互补的表面彼此间隔开大于或等于大约500nm至小于或等于大约10μm的距离；以及第三电极和第四电极，该第三电极和该第四电极具有互补的表面，这些互补的表面彼此间隔开大于或等于大约500nm至小于或等于大约10μm的距离，其中该第二电极和该第三电极彼此间隔开大于或等于大约1μm至小于或等于大约1mm的距离。该方法还包括将光致抗蚀剂掩模的图案转移到粘合剂层中，以生成图案化的粘合剂层；以及将导电材料层部署到图案化的粘合剂层上。

在一个变体中，该粘合剂层包括钛、铂或其组合。

在一个变体中，该导电材料包括铂、金、银、铜或其组合。

在一个变体中，该基板包括二氧化硅。

根据本文提供的描述，其它应用领域将变得显然。本概述中的描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图出于仅仅所选择的实施例而不是所有可能的实施方式的说明性目的，并且不旨在限制本公开的范围。

图1是根据当前技术的各个方面的两电极传感器的图示。

图2是根据当前技术的各个方面的四电极传感器的图示。

图3A是示例性两电极传感器的照片。

图3B是图3A中所示的两电极传感器的图示。

图3C是利用图3A和3B中所示的两电极传感器检测水中重金属的系统的示意图。传感器被浸入100ml测试溶液中，并与两节AAA电池和一个100kΩ电阻器连接。测量电阻器两端的电压ΔV作为传感器输出。

图4A是根据当前技术的各个方面的四电极传感器几何形状的图示。

图4B是利用图4A中所示的四电极传感器检测水中重金属的系统的示意图。传感器被浸入100ml测试溶液中，并在操作时被连接为aA-Bb。当连接为aA-BB'时，电阻器两端的电压被测为ΔV₁；当连接为A'A-Bb时，电阻器两端的电压被测为ΔV₂。

图5A是来自间隙为5μm的两电极传感器的ΔV的读数。

图5B是来自间隙为10μm的两电极传感器的ΔV的读数。

图5C示出了在各种模拟解决方案中的来自间隙为5μm的两电极传感器的ΔV读数。

图6是示出根据当前技术的各个方面在两电极系统中的示意图，其中金属被还原或氧化成导电物质(如箭头画出的)。一些不导电的盐和铁锈(如圆圈画出的)也沉淀在传感器上。

图7示出了示例性两电极传感器(左上)在各种溶液中操作达两周之前和之后的照片。铅沉积在阳极上，而所有其它金属沉积或沉淀在阴极上。

图8是示出在四电极系统中铅在阳极上被氧化成导电的二氧化铅，而其它金属在阴极上被还原成导电物质(如箭头画出的)的图示。不导电的盐和铁锈(如圆圈画出的)也沉淀在阴极上。

图9A示出了在示例性四电极传感器的阳极处的原始ΔV₁读数。

图9B示出了部署在不同溶液中达两周的示例性四电极传感器的阴极处的原始ΔV₂读数。

图10A示出了标准金属铅、标准氧化铅(II)、样本Pb02(150ppb Pb)和Pb002(15ppbPb)的俄歇(Auger)电子能谱。插图以一阶导数扩展了Pb NOO俄歇跃迁。

图10B示出了具有“Pb 15ppb+Cu 1mg/L+Zn 5mg/L”的样本的阳极和阴极的俄歇电子能谱图。

图11A是在10kV和10nA的电子撞击下来自Pb02样本的Pb跃迁峰处的扫描电子显微镜图像和电子绘图(mapping)。

图11B是在10kV和10nA的电子撞击下来自Pb02样本的NOO跃迁峰处的扫描电子显微镜图像和电子绘图。

图11C是在10kV和10nA的电子撞击下来自Pb02样本的MNV跃迁峰处的扫描电子显微镜图像和电子绘图。

图12A示出了在Tap 1、Tap 2和Simultap中达四周的示例性四电极传感器的阳极处的原始ΔV₁读数。

图12B示出了在Tap 1、Tap 2和Simultap中达四周的示例性四电极传感器的阴极处的原始ΔV₂读数。

图13A示出了在Tap 1、15ppb和150ppb溶液中存储达两周的示例性四电极传感器的阳极侧。两周之后，四电极传感器正常工作。

图13B示出了在Tap 1、15ppb和150ppb溶液中存储达两周的示例性四电极传感器的阴极侧。两周之后，四电极传感器正常工作。

图13C示出了示例性四电极传感器的照片。这些照片示出，在开启传感器达两周之后，硬度物(hardness)沉淀在阴极侧，但是在关闭传感器达另两周后，硬度物大多数又再次溶解。

图13D示出了使用四电极传感器进行长期监测的第一示例性方法。在此，单个水管中有多个传感器。

图13E示出了使用四电极传感器进行长期监测的第二示例性方法。在此，两个电极交替使用。

贯穿附图的若干视图，对应的附图标记指示对应的部分。

具体实施方式

提供示例实施例，使得本公开将是透彻的，并将范围完全传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，诸如具体成分、部件、设备和方法的示例，以提供对本公开的实施例的透彻理解。对于本领域技术人员将显然的，具体细节不需要被采用，示例实施例可以以许多不同的形式来实施，并且二者都不应当被诠释为对本公开的范围的限制。在一些示例实施例中，未详细描述众所周知的处理、众所周知的设备结构和众所周知的技术。

本文使用的术语仅出于描述特定示例实施例的目的，而不旨在限制。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也可以旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。术语“包括”、“包括了”、“包含”和“具有”是包含性的，并且因此指定所述特征、元素、成分、步骤、整数、操作和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或其组的存在或添加。虽然开放式术语“包括”应理解为用于描述和要求保护本文所阐述的各种实施例的非约束性术语，但是在某些方面，该术语可以可替代地理解为是更加限制和约束性的术语，诸如“由...组成”或“基本上由...组成”。因此，对于叙述成分、材料、部件、元素、特征、整数、操作和/或工艺步骤的任何给定实施例，本公开还具体地包括由或基本上由这样的所述成分、材料、部件、元素、特征、整数、操作和/或工艺步骤组成的实施例。在“由...组成”的情况下，替代实施例排除任何附加的成分、材料、部件、元素、特征、整数、操作和/或工艺步骤，而在“基本上由...组成”的情况下，实质上影响基本和新颖的特征的任何附加的成分、材料、部件、元素、特征、整数、操作和/或工艺步骤从这种实施例中排除，但是不实质上影响基本和新颖的特征的任何成分、材料、部件、元素、特征、整数、操作和/或工艺步骤可以包括在实施例中。

本文描述的任何方法步骤、过程和操作都不应被诠释为必须要求它们以所讨论或图示的特定次序执行，除非被具体地识别为执行次序。还应理解的是，除非另外指示，否则可以采用附加或替代步骤。

当部件、元件或层被称为在另一个元件或层“上”，“接合到”、“连接到”或“耦接到”另一个元件或层时，它可以直接在该另一个部件、元件或层上，接合、连接或耦接到该另一个部件、元件或层，或者可以存在介于中间的元件或层。相比之下，当元件被称为“直接在”另一个元件或层“上”，“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦接到”另一个元件或层时，可以不存在介于中间的元件或层。应当以类似的方式来解释用于描述元件之间的关系的其它词(例如，“在...之间”与“直接在...之间”，“相邻”与“直接相邻”，等等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。

空间或时间相对术语(诸如“之前”、“之后”、“内部”、“外部”、“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等)可以在本文中为了便于描述而使用，以描述附图中所图示的一个元件或特征与另外一个(或多个)元件或特征的关系。空间或时间相对术语除了附图中所描绘的朝向之外，还可以旨在涵盖使用或操作中的设备或系统的不同朝向。

贯穿本公开，数值表示对范围的大概的测量或限制，以涵盖相对于给定值的微小偏差以及具有大约所提及的值以及具有确切所提及的值的实施例。在本说明书(包括所附的权利要求书)中参数(例如，数量或条件的参数)的所有数值都应理解为在所有情况下由术语“大约”修饰，无论“大约”是否实际上在数值之前出现。“大约”指示所述数值允许某个轻微的不精确性(具有对该值的准确性的某种接近；近似或适度地接近该值；几乎)。对于这个一般含义，如果在本领域中不另外理解由“大约”提供的不精确性，那么本文所使用的“大约”指示至少可以由测量和使用这种参数的普通方法引起的变化。

此外，范围的公开包括所有值以及在整个范围内进一步划分的范围的公开，包括针对该范围给出的端点和子范围。如本文所提到的，除非另外指出，否则范围包括端点，并且包括所有不同值以及整个范围内进一步划分的范围的公开。因此，例如，“从A到B”或“从大约A到大约B”的范围包括A和B。

现在将参考附图更充分地描述示例实施例。

用于检测水中的金属(诸如铅)的传感器有利地使用寿命长，因此该传感器可以***水管中达数年，直到发生铅泄漏为止。有利地，传感器可以自动通知用户，而无需定期检查。负担得起的传感器将使得大多数家庭能够例如在其供水管线的每个端点处安装一个传感器。因而，当前技术提供了仅约米粒大小(小于或等于约1mm³，不包括电源)的可以以高效和廉价工艺制成的传感器。传感器的小尺寸允许将传感器***管道中，并且它们仅需要简单的电路和容易地可得的电源，例如，通过非限制性示例，用于操作的两节AAA电池。传感器可以用惰性铂电极制成，并且适用于重金属的长期水监测。重金属的非限制性示例包括以下重金属，包括铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)、铁(Fe)、锑(Sb)、砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、汞(Hg)、镍(Ni)、硒(Se)、铊(Ti)、银(Ag)、锰(Mn)、钡(Ba)及其组合。

图1示出了根据当前技术的各个方面的两电极传感器10。两电极传感器10包括第一电极12和第二电极14。在各种实施例中，四电极传感器100没有参考电极或配体。第一电极12包括限定第一图案的第一表面16，第二电极14包括限定第二图案的第二表面18。该第一图案和该第二图案是彼此互补的，即，作为镜像或负片(negative)，使得它们配合在一起，在它们之间留下间隙或路径。例如，第一表面16和第二表面18彼此间隔开间隙，该间隙的距离为大于或等于大约500nm至小于或等于大约10μm，大于或等于大约750nm至小于或等于大约8μm，或者大于或等于大约1μm至小于或等于大约5μm。间隙距离基本上是恒定的，即，偏离小于平均距离的大约20％。在一些实施例中，该距离是大约1μm、大约2μm、大约3μm、大约4μm、大约5μm、大约6μm、大约7μm、大约8μm、大约9μm或大约10μm。

除了第一图案和第二图案彼此互补之外，第一图案和第二图案的设计不受限制。例如，第一图案可以包括至少一个峰和至少一个谷，其中该至少一个峰和该至少一个谷单独地为方形的、平坦的、弯曲的或尖锐的。因而，在当前技术的各个方面，第一图案和第二图案包括多个互补的复杂的峰和谷。换句话说，第一电极12和第二电极14具有通过间隙彼此间隔开的互补的叉指(且复杂的)表面。

第一电极12是正电极，并且第二电极14是负电极，并且每个电极12、14包括导电金属。但是，应该理解的是，可以切换电极12、14的电荷。导电金属的非限制性示例包括铂、金、银、铜及其组合。第一电极12和第二电极14的长度L₁为大于或等于大约500μm至小于或等于大约2mm，宽度W₁为大于或等于大约50μm至小于或等于大约1mm，并且厚度T₁为大于或等于大约

至小于或等于大约

而且，第一电极12的表面积为大于或等于大约0.4mm²至小于或等于大约0.5mm²，并且第二电极14的表面积为大于或等于大约0.3mm²至小于或等于大约0.4mm²。第一电极12和第二电极14的特征还在于，接触长度与表面积之比为大于或等于大约5cm^-1至小于或等于大约20cm^-1，其中该接触长度是电极之间的距离。但是，应该理解的是，第一电极12和第二电极14的维度可以取决于两电极传感器10将在其中使用的条件而放大或缩小。例如，当两电极传感器10被***小的水管中时，维度可以缩小，或者当将两电极传感器10***大的水管中时，维度可以放大。

如图1中所示，第一电极12和第二电极14可选地通过部署在第一电极12和第二电极14与基板20之间的粘合剂层22耦接到基板20。可选的粘合剂层22的厚度T₂为大于或等于大约50nm至小于或等于大约500nm。基板是结晶的或非晶的，并且包括二氧化硅(玻璃)或本领域已知的任何其它材料。作为非限制性示例，粘合剂层22包括钛、铬或其组合。此外，第一电极12和第二电极14可选地耦接到固体支撑物24。固体支撑物24包括非导电材料，诸如例如聚合物，诸如塑料、玻璃或印刷电路(PC)板。

第一电极12和第二电极14例如分别通过第一引线28和第二引线30连接到电源26。第一引线28和第二引线30是电线、印刷在电路板上的电路或其组合。电源26不受限制，并且可以是例如电池、多个电池、光伏设备或建筑物(诸如房屋)的电力服务。

两电极传感器10被配置为在不并入参考电极或配体的情况下检测水中的重金属。例如，当两电极传感器10接触包括重金属(作为非限制性示例，诸如铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)、铁(Fe)、锑(Sb)、砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、汞(Hg)、镍(Ni)、硒(Se)、铊(Ti)、银(Ag)、锰(Mn)、钡(Ba)及其组合)的水时，以及当在第一电极12和第二电极14之间施加电势时，铅被氧化为二氧化铅并且沉积在第一电极12上，而其它金属被还原并且沉积在第二电极14上。电压相对于在不存在可检测的重金属的情况下获得的基线值的改变指示重金属的存在。两电极传感器10间接地量化重金属浓度，因为操作传感器与记录电压改变(即，电极的短路)之间的时间越短，重金属浓度越高。

图2示出了根据当前技术的各个方面的四电极传感器100。四电极传感器100类似于图1中所示的两电极传感器10，但是具有一对第一电极12和一对第二电极14。更具体地，四电极传感器100包括第一电极102、第二电极104、第三电极106和第四电极108。在各种实施例中，四电极传感器100没有参考电极和配体。第一电极102包括限定第一图案的第一表面110，第二电极104包括限定第二图案的第二表面112，第三电极106包括限定第三图案的第三表面114，并且第四电极108包括限定第四图案的第四表面116。第一图案和第二图案是彼此互补的，以及第三图案和第四图案是彼此互补的，即，作为镜像或负片，使得它们配合在一起，在它们之间留下间隙或路径。例如，第一表面110和第二表面112以及第三表面114和第四表面116彼此间隔开单独的间隙，这些单独的间隙的距离为大于或等于大约500nm至小于或等于大约10μm，大于或等于大约750nm至小于或等于大约8μm，或者大于或等于大约1μm至小于或等于大约5μm。间隙距离基本上是恒定的，即，偏离小于平均距离的大约20％。在一些实施例中，该间隙距离是大约1μm、大约2μm、大约3μm、大约4μm、大约5μm、大约6μm、大约7μm、大约8μm、大约9μm或大约10μm。而且，第二电极104和第三电极106彼此间隔开大于或等于大约1μm至小于或等于大约500μm的距离，诸如间隔开大约10μm、大约20μm、大约30μm、大约40μm、大约50μm、大约60μm、大约70μm、大约80μm、大约90μm、大约100μm、大约250μm或大约500μm的距离。

除了第一图案和第二图案彼此互补以及第三图案和第四图案彼此互补之外，第一图案、第二图案、第三图案和第四图案的设计不受限制。例如，第一图案或第三图案可以包括至少一个峰和至少一个谷，其中该至少一个峰和至少一个谷单独地为方形的、平坦的、弯曲的或尖锐的。因而，在当前技术的各个方面，第一图案和第二图案包括多个互补的复杂的峰和谷，并且第三图案和第四图案包括多个互补的峰和谷。换句话说，第一电极102和第二电极104具有互补的叉指表面110、112，它们彼此间隔开第一间隙，并且第三电极106和第四电极108具有互补的(且复杂的)叉指表面114、116，它们彼此间隔开第二间隙。

在电镀操作模式下，第一电极102是正极，并且第四电极108是负极。但是，应该理解的是，可以切换电极102、108的电荷。第一电极102、第二电极104、第三电极106和第四电极108中的每一个包括如上面关于图1所描述的导电金属。第一电极102、第二电极104、第三电极106和第四电极108的长度L₁为大于或等于大约500μm至小于或等于大约2mm，宽度W₁为大于或等于大约50μm至小于或等于大约1mm，以及厚度T₁为大于或等于

至小于或等于

而且，第一电极102的表面积为大于或等于大约0.4mm²至小于或等于大约0.5mm²，第二电极104的表面积为大于或等于大约0.4mm²至小于或等于大约0.5mm²，第三电极106的表面积为大于或等于大约0.1mm²至小于或等于大约0.3mm²，以及第四电极108的表面积为大于或等于大约0.3mm²至小于或等于大约0.4mm²。第一电极102、第二电极104、第三电极106和第四电极108的特征还在于，接触长度与表面积之比为大于或等于大约5cm^-1至小于或等于大约20cm^-1。但是，应该理解的是，第一电极102、第二电极104、第三电极106和第四电极108的维度可以取决于四电极传感器100将在其中使用的条件而放大或缩小。例如，当四电极传感器100被***小的水管中时，维度可以缩小，或者当四电极传感器100被***大的水管中时，维度可以放大。

如图2中所示，第一电极102、第二电极104、第三电极106和第四电极108可选地通过部署在第一电极102、第二电极104、第三电极106和第四电极108与基板118之间的粘合剂层120而耦接到基板118。可选的粘合剂层120的厚度T₂为大于或等于大约50nm至小于或等于大约500nm。基板118是结晶的或非晶的，并且包括二氧化硅(玻璃)或本领域已知的任何其它材料。作为非限制性示例，粘合剂层120包括钛、铬或其组合。此外，第一电极102、第二电极104、第三电极106和第四电极108可选地耦接到固体支撑物122。固体支撑物122包括非导电材料，诸如例如聚合物，诸如塑料、玻璃或印刷电路(PC)板。

第一电极102、第二电极104、第三电极106和第四电极108分别电连接到第一引线126、第二引线128、第三引线130和第四引线132。而且，第一引线126、第二引线128、第三引线130和第四引线132可独立且单独地连接到电源124。换句话说，传感器100被配置为使得第一引线126、第二引线128、第三引线130和第四引线132可以单独地耦接到电源124和与电源124解耦。第一引线、第二引线、第三引线和第四引线28、30是电线、印刷在电路板上的电路或其组合。电源124不受限制，并且可以是例如电池、多个电池、光伏设备或建筑物(诸如房屋)的电力服务。电源124具有可连接的端部A和第二可连接的端部B。第一引线126具有可连接的端部a、第二引线128具有可连接的端部B'，第三引线具有可连接的端部A'，第四引线132具有可连接的端部b。可连接的端部a、B'、A'和b中的每一个可以单独地且可逆地电子连接到电池124的连接的端部A和B。例如，当经由aA-Bb连接向第一电极102和第四电极108施加电势时，取决于各个重金属的标准还原电势，重金属被电镀在要么第二电极104要么第三电极106上。

四电极传感器100被配置为在不并入参考电极或配体的情况下选择性地检测水中的铅。例如，四电极传感器100被放置在其中该四电极传感器100接触包含重金属(作为非限制性示例，诸如铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)、铁(Fe)、锑(Sb)、砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、汞(Hg)、镍(Ni)、硒(Se)、铊(Ti)、银(Ag)、锰(Mn)、钡(Ba)及其组合)的水的环境中。当电极100以aA-Bb构造连接时，在第一电极102和第四电极108之间施加电势(足以将铅离子还原成氧化铅)，铅被氧化成二氧化铅，并且二氧化铅被电镀到第二电极104上。在各种实施例中，施加1.5V。同时，剩余的重金属被还原并电镀到第三电极106上。然后，当电极以aA-BB'构造连接时，在第一电极102和第二电极104之间施加电势。电压相对于当电极100部署在不包含可检测水平的铅的水中时的基线测量的改变表示水中存在铅。然后，当电极以A'A-Bb构造连接时，在第三电极106和第四电极108之间施加电势。电压相对于当电极100部署在不包含可检测水平的重金属的水中时的基线测量的改变表示水中存在除铅以外的重金属。虽然未在图2中示出，但是在各种实施例中，四电极传感器100包括警报特征，当在水中检测到铅或另一种重金属中的至少一种时，该警报特征提供可听警报和视觉警报中的至少一种。四电极传感器100间接地量化重金属的浓度，因为操作传感器与记录电压改变(即，电极的短路)之间的时间越短，重金属的浓度越高。

因而，当前技术还提供一种具有内部孔段的水管，水流动通过该内部孔段，其中四电极传感器100部署在该内部孔段内。

当前技术还提供一种用于制造图1中所示的两电极传感器10或图2中所示的四电极传感器100的方法。该方法包括在基板上部署粘合剂层；将光致抗蚀剂部署到粘合剂层上；以及在光致抗蚀剂上部署光致抗蚀剂掩模。光致抗蚀剂掩模包括要么限定图1的两电极传感器10的第一电极12和第二电极14要么限定图2的四电极传感器100的第一电极102、第二电极104、第三电极106和第四电极108的图案。作为非限制性示例，图案可以限定：第一电极和第二电极，该第一电极和该第二电极具有互补的表面，这些互补的表面彼此间隔开的距离为大于或等于大约500nm至小于或等于大约10μm；第三电极和第四电极，该第三电极和该第四电极具有互补的表面，这些互补的表面彼此间隔开的距离为大于或等于大约500nm至小于或等于大约10μm；其中该第二电极和该第三电极彼此间隔开的距离为大于或等于大约1μm至小于或等于大约1mm。

然后，该方法包括将光致抗蚀剂掩模的图案转移到粘合剂层中以生成图案化的粘合剂层；以及将导电材料层部署到图案化的粘合剂层上。上面描述了基板、粘合剂层和导电材料中的每一个。

当前技术还提供一种用于针对重金属的存在而连续监测水样本的方法。在某些变体中，重金属包括(例如，在水样本中)铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)、铁(Fe)、锑(Sb)、砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、汞(Hg)、镍(Ni)、硒(Se)、铊(Ti)、银(Ag)、锰(Mn)、钡(Ba)及其组合。在某些优选的方面，重金属是铅(Pb)。该方法包括使传感器与水样本接触。水样本可以容纳在容器(vessel)中。容器是非限制性的，并且可以是例如管道或器皿(container)，诸如玻璃杯或水罐。例如，管道可以是建筑物(诸如房屋、公寓、公寓楼、办公室或商业建筑物)中的水管。传感器可以是上述的任何传感器。在当前技术的各个方面中，传感器包括：第一电极和第二电极，该第一电极和该第二电极具有互补的叉指表面，这些互补的叉指表面彼此间隔开第一间隙，该第一间隙具有大于或等于大约500nm至小于或等于大约10μm的第一距离；以及第三电极和第四电极，该第三电极和该第四电极具有互补的叉指表面，这些互补的叉指表面彼此间隔开第二间隙，该第二间隙具有大于等于或等于大约500nm至小于或等于大约10μm的第二距离。该第二电极和该第三电极彼此间隔开的距离为大于或等于大约1μm至小于或等于大约1mm。在各种实施例中，传感器是图2中描述的四电极传感器100。在各种实施例中，该方法无需使用参考电极或配体。

该方法还包括在第一电极和第四电极之间施加第一电势。该第一电势使得铅(Pb)氧化为二氧化铅(PbO₂)，二氧化铅(PbO₂)电镀在第二电极上。第一电势还引起其它重金属的还原，这些其它重金属电镀在第三电极上。

然后，该方法包括，在第一电极和第二电极之间施加第二电势，以及测量第一电极和第二电极之间的第一电压。将该第一电压与不包含可检测水平的铅的水中的基线电压进行比较。因此，该方法包括，当该第一电压与不包含可检测水平的铅的水中的基线电压不同时，确定水中存在铅。在一些实施例中，该方法包括，当该第一电压不同于不包含可检测水平的铅的水中的基线电压时，生成警报。该警报可以是可听警报和视觉警报中的至少一种。

在一些实施例中，该方法还包括，在测量第一电极和第二电极之间的第一电压之后，在第三电极和第四电极之间施加第三电势，以及测量第三电极和第四电极之间的第二电压。将第二电压与不包含可检测水平的除铅以外的重金属的水中的基线电压进行比较。因此，该方法包括，当该第二电压不同于不包含可检测水平的除铅以外的重金属的水中的基线电压时，确定水中存在除铅以外的重金属。在一些实施例中，该方法包括，当该第二电压不同于不包含可检测水平的重金属的水中的基线电压时，生成警报。该警报可以是可听警报和视觉警报中的至少一种。

通过以下非限制性实施例进一步说明本技术的实施例。

示例1

铅和其它重金属泄漏到饮用水中是严重的健康风险，而且其不容易检测。现在描述仅包含用于检测饮用水中重金属污染的铂电极的简单传感器。两电极传感器可以识别饮用水中各种重金属的存在，而四电极传感器可以区分溶液中的铅与其它重金属。当传感器被放置在被重金属污染的模拟和实际自来水中时，未生成假阳性响应。自来水中的常见离子的存在不影响四电极传感器上的铅检测。实验结果表明，这些传感器可以长期嵌在供水管线中，直到检测到铅或其它重金属为止。凭借其低成本(～$0.10/传感器)和长期运行，该传感器对于饮用水中的重金属检测是理想的。

方法

电极的制造。

传感器(图3A-图3B)是在500μm厚、4英寸直径的玻璃晶片上使用

Ti/Pt的物理气相沉积而构造的。在沉积速率分别为15和

的情况下，压力控制在2x10^{- 6}Torr以下。传感器与PC板集成，如图3A中所示。两电极系统在图3B中示出，并且电极以5μm或10μm的间隙间隔开。通过相同的方法但以不同的几何形状制造四电极传感器，如图4A中所示。左边两个电极之间的和右边两个电极之间的小的间隙为5μm，以及中间两个电极之间的大的间隙为50μm。

实验设置和阻抗的测量。

在图3C中，集成的两电极传感器与两节AAA电池和一个100kΩ电阻器连接。传感器浸在烧杯中的100ml测试溶液中。电阻器两端的电压差ΔV作为信号由Labview测量。ΔV反映了电极两端的总阻抗：当两个电极两端的阻抗减小时，ΔV增大。实验期间，每周都会改变所有溶液。四电极系统的示意图在图4B中示出。传感器连接有两节AAA电池和一个100kΩ电阻。当操作传感器并电镀金属时，传感器以aA-Bb连接。当传感器重新连接为aA-BB'时，电阻器两端的电压差将被测量为ΔV₁，以测量阳极和第二电极之间的阻抗。当传感器重新连接为A'A-Bb时，电阻器两端的电压差将被测量为ΔV₂，以检测阴极和第三电极之间的阻抗。

测试溶液。

在用Dl水制得的10^-2M NaCl中用PbCl₂、CuCl₂、ZnCl₂和FeCl₂制成模拟测试溶液，添加NaCl以将溶液的电导率增加到大约1000μS/cm，由EPA设置的饮用水的上限。在表1中列出了模拟自来水(Simultap)和Ann Arbor自来水的成分(信息搜集自2003-2015年度AnnArbor水质报告)。相对于真实的自来水，Simultap包含相对更高浓度的常见离子。真实样本Tap 1和Tap 2在美国密歇根的Ann Arbor收集。真实自来水样本中的重金属利用ICPMS检查，并在表2中列出。铅浓度在密歇根大学和由EPA批准的国家测试实验室中用ICPMS进行检查。Tap 1不包含铅，并且包含相对低浓度的所有重金属。Tap 2包含大约5ppb的铅(这小于行动水平(15ppb))以及0.7mg/L的铜(这相对高，但小于SMCL)。在Tap 1中添加PbCl₂以制成“Tap 1+Pb 150ppb”样本，但未添加额外的NaCl。

表1.模拟自来水(Simultap)和真实Ann Arbor，MI自来水中的离子浓度。

表2.自来水样本中的重金属离子的浓度和EPA规定。

俄歇能谱法。

针对标本在配备有场发射电子枪和圆柱镜能量分析仪(能量分辨率ΔE/E≈0.25％)的PHI 680俄歇纳米探针上收集俄歇能谱数据。测试室的基本压力大约为1.2×10^-9Torr。铬颗粒的天然氧化层通过Ar离子溅射被去除。为了避免绝缘样本在电子束辐照下的充电效应，将尺寸小于3μm的Pb氧化物粉末压制成锡箔或者碳型，从而高能电子束可以穿透这些氧化铅颗粒，而“设备”为了减小由入射电子束的深穿透所引起的嵌入电荷效应而被放置在倾斜台上。1nA的小电子束电流用于辐照标本。

结果和讨论

利用简单的铂电极实现用于检测饮用水中的重金属的简单传感器。当电极与2节AAA电池(～3.2V)连接时，重金属离子在阴极上被还原为导电金属。如表3中所示，还原的金属的电阻比饮用水小9至10个数量级。因此，当还原的金属连接电极之间的间隙时，电极两端的阻抗将大大降低。阻抗改变是水中重金属的存在的指标。

表3.还原和氧化的金属以及饮用水的电阻率。

两电极系统

具有5μm间隙的两电极传感器可以在没有错误响应的情况下检测到15ppb水平的铅离子。5μm间隙两电极系统的性能在图5A中示出，以及10μm间隙传感器的性能在图5B中示出。对于这两个传感器，ΔV在150ppb Pb²⁺溶液中在两天内显著增加并且变得大于1V。ΔV的增长表示在两个电极之间形成的导电层；因此，降低了阻抗。具有5μm间隙的传感器在三天内在15ppb Pb²⁺(行动水平)溶液中示出响应(ΔV大于1V)，但是具有10μm间隙的传感器在整个两周的实验期间未示出响应。这些结果表明，电极之间的5μm间隙比更大的间隙更敏感。两个传感器均无来自Simultap的假阳性响应，示出水中的常见离子未生成导电物质。

具有5μm间隙的两电极传感器对几乎所有具有重金属的溶液示出响应，并且没有示出假阳性响应。传感器在各种模拟溶液中进行了测试，这些溶液被设计为模仿表2中列出的EPA重金属规定，并且性能在图5C中绘出。在所有重金属溶液中，ΔV均增加，但在不包含重金属离子的Simultap中，ΔV保持不变。ΔV的波动是因为在两周的实验期间一些导电沉积会脱落，并且ΔV保持大于1V的时间并不是至关重要的。还在两个真实自来水样本以及真实自来水和铅的混合物中测试传感器。表4中示出了模拟样本和真实样本中的性能。具有高于行动水平的铅的溶液以蓝色突出，并且没有重金属离子的溶液以阴影显示。传感器示出了对铅、锌和铜溶液的快速响应(<3天)。在Simultap或Tap1中均未生成假阳性响应。

表4.不同溶液中的两电极传感器性能。

但是，在模拟的亚铁溶液以及真实自来水和铅离子的混合物中的响应要慢于预期。即使在非常高的浓度(为SMCL的20倍)下，传感器在模拟的亚铁溶液中也会生成缓慢而微弱的响应(第9天最大ΔV＝1V)。对于相同的15ppb Pb浓度，传感器在15ppb Pb溶液中在3天内响应，但未响应于Tap 1+15ppb Pb的混合物。与0.1mg/L Cu溶液相比，传感器对Tap 2(0.7mg/L Cu)的响应也更慢。

传感器的操作

传感器的性能可以借助图6进行解释。仅当导电沉积连接间隙并因此减小电极之间的阻抗时，传感器才会示出响应。金属离子还原成导电金属的趋势可以由标准还原电势E⁰表示。E⁰越高，离子越容易还原。表5中列出了受污染的饮用水中常见金属离子的E⁰值。E⁰ _acid是在酸性(pH＝0)条件下的E⁰，而E⁰ _basic是在碱性(pH＝14)条件下的值。当阴极上的电势小于-0.76时，Pb²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺和Cu²⁺可以被还原为导电金属。使用2节AAA电池，阴极上的电势足以还原重金属离子。

表5.饮用水中金属离子的标准电势E⁰。

铅离子是唯一可以在阳极周围沉积导电物质的离子。阳极周围的占优势的反应是氧化，而铅是唯一可以氧化成导电物质(即，二氧化铅)的元素。因为PbO₂/Pb₂ ⁺的E⁰为1.46V(表5)，所以有可能生成二氧化铅。二氧化铅被认为是导电的，因为其电阻率比饮用水和其它氧化金属小六至八个数量级(表3)。

自来水中的典型离子不可能产生假阳性响应。表1中列出了密歇根的Ann Arbor自来水中主要离子的浓度。尽管离子的浓度随地点的不同而不同，但物质大多相同。这些离子的标准还原电势在表6中列出。除非阴极电势小于-2.3V(比还原重金属所需的电势小1.4V)，否则任何导电物质都不可能会沉积在传感器表面上并降低阻抗。使用2节AAA电池，不太可能出现假阳性响应。

表6.饮用水中主要离子的标准电势E⁰。

尽管不太可能出现假阳性响应，但两电极传感器的性能会由于沉淀的硬度物和铁锈而延迟。由于主要组成部分为碳酸钙而为白色的水硬度物的溶解度随pH值的升高而降低。利用2节AAA电池(～3.2V)，传感器在操作期间电解水。因此，阳极周围的局部pH是酸性的，并且在阴极周围是碱性的。硬度物沉淀在阴极上，从而阻塞了电极之间的间隙，以及延迟传感器响应。大多是三氧化二铁和氧化亚铁的铁锈是由于更改的pH值而可能的另一种沉淀。尽管E⁰表明铁和亚铁离子有可能被还原成铁，但先前的研究示出了这些离子可能反而沉淀为铁锈。因此，传感器检测铁的能力低于检测其它金属的能力，所以传感器在亚铁溶液中示出比在其它重金属溶液中更微弱和缓慢的响应。

图7示出了在不同测试溶液中操作的传感器的图片，并证实了上述假设。铅是唯一沉积在阳极(+)上的元素，而锌和铜在阴极(-)上被还原。Simultap沉淀出白色硬度物，而铁溶液沉淀出红锈。因此，两电极传感器对于重金属检测是理想的，但不能区分铅与其它重金属。铅是饮用水中毒性最高的金属，并且应当为了用户的安全而识别。

四电极系统

为了区分毒性最高的元素铅与其它重金属，设计并测试了四电极传感器。如图4A和4B中所示，在阴极和阳极之间放置了两个额外的电极。左边两个电极之间的和右边两个电极之间的小的间隙为5μm。中间两个电极之间的大的间隙为50μm。如前面所解释的，铅离子是唯一会在阳极周围沉积导电物质的离子，而其它重金属仍可沉积在阴极上。因此，四电极传感器包含铅检测器以及重金属传感器二者。

四电极系统中的预期反应在图8中示出。铅离子在阳极周围氧化成二氧化铅，并连接阳极和第二电极之间的间隙。在阴极处，其它金属被还原，并且硬度物和铁锈由于pH改变而沉淀。因为铅是系统中唯一可以氧化成导电物质的离子，所以铅是唯一在阳极周围沉积导电化合物的元素。因此，在左边的两个电极是铅检测器，而在右边的两个电极是其它重金属传感器。

该概念已利用实验结果得到证实，并且在模拟自来水和真实自来水中在两侧均没有假阳性响应。四电极系统的原始读数在图9A和图9B中示出。在Simultap和Tap1中，ΔV₁和ΔV₂二者都保持小于1V的电压。ΔV₁在两种Pb²⁺溶液中显著增加，并且对高浓度的锌和铁未示出假阳性响应。ΔV₂检测所有其它重金属的存在，并在Zn²⁺、Cu²⁺和Fe²⁺溶液中显著增加。ΔV₂在15ppb Pb²⁺中不响应，因为离子浓度低，并且大多数Pb²⁺是在阳极上被氧化的。

一个缺点是，铜(也是EPA MCL规定的有毒金属)会在铅检测器上生成假的响应。1mg/L铜溶液中出现ΔV₁的迟来的响应(第12天)。该响应出现是因为铜是四种金属离子中最容易还原的离子(如表5中所列出的，Cu²⁺/Cu为0.34V)。在阳极上，氧化是主要反应，并且由于强制的电流而几乎不发生还原反应。但是，在中间的两个浮置电极上，氧化和还原二者都是可能的，这意味着铜也可以在这两个电极上被还原。当铜在第二电极上被还原时，阳极和电极可以被连接。这两个电极之间的阻抗显著下降，ΔV₁增加，并生成假阳性。

使用四电极传感器的铅检测可以在不受自来水中的主离子影响的情况下发生。表7列出了四电极传感器在各种溶液中的性能。其中铅水平高于行动水平的溶液以蓝色突出，并且没有重金属离子的溶液以阴影显示。铅传感器检测出铅水平高于行动水平的所有溶液，但是未检测出Tap 2中的低浓度(5ppb)的铅。铅检测的能力不受溶液中主要离子的影响。硬度物由于pH值改变而在阴极周围沉淀，并且其不阻塞铅检测器，因此行动水平样本“15ppb Pb”的响应天数与真实自来水样本“Tap 1+Pb 15ppb”的相同。另一方面，重金属传感器由于沉淀在阴极周围的硬度物而被延迟。对于相同浓度的铅、铜和锌，传感器在模拟溶液中的检测(1天)比在重金属和真实自来水的混合物中快得多。重金属检测器对Tap 2也未示出响应，Tap 2包含相对高浓度的铜(0.7mg/L)。

表7.四电极传感器在不同溶液中的性能。

利用俄歇能谱法验证

通过使用俄歇电子能谱法(AES)确认阳极和阴极上的金属沉积的成分。AES是一种表面敏感的表征技术，基于对一系列内部弛豫事件之后从激发原子发射的高能电子的分析。俄歇峰的能量位置和形状包含关于源离子的化学环境的大量信息。这种化学信息是由于原子能级、损耗结构和价带结构对局部键合的依赖性而产生的。与高且缓慢改变的反向散射电子背景相比，俄歇峰通常看起来小。一般，能谱的一阶导数用于突出化学改变。

可以通过比较价带俄歇电子的动能来验证阳极上的铅沉积的化学状态。在实验中，99.99％的Pb和99.999％的PbO是从Sigma Aldrich购买的，并用作验证标准。Pb02是在150ppb Pb溶液中操作达2周的传感器阳极，并且Pb002是在15ppb中操作达2周的传感器阳极。如从图10A(插图)看出的，电子束激发的Pb ONN俄歇跃迁对化学状态示出了高敏感性。金属Pb ONN俄歇电子(98.0eV)具有比PbO的俄歇电子(87.6eV)和标本的俄歇电子(86.5eV)更高的动能。在原始数据中的Pb MNV跃迁(1800eV～2300eV)处也发生了类似的观察结果(图10A)。俄歇电子的动能仅取决于所涉及的能级，但是不取决于初次激发的能级。这些能级与原子的类型和原子所处的化学环境相关。能级是特定于元素的，因此由样本发射的俄歇电子携带关于其化学成分的信息。结果所得的能谱被用于确定发射原子的身份以及关于其环境的一些信息。基本上，内壳能级受化学状态的影响要小得多，因此价带俄歇电子的动能可以直接反映源离子的化学状态。

验证化学状态的另一种方法是俄歇峰强度，并且利用NOO位置可以得出结论，阳极上的沉积具有PbO₂。俄歇峰强度由电离截面、俄歇屈服概率、平均逸出深度和反向散射因子决定。单独地量化这些因子非常困难。通常，可以将AES峰的强度(峰-谷高度)简化为灵敏度因子和元素浓度的乘积。基于从标准PbO得出的O和Pb元素的敏感度因子，可以从峰-谷高度计算出标本的原子浓度比(参见表8)。通过组合峰Pb NOO位置，可以得出结论，在15ppb Pb溶液中的沉积主要是PbO₂，而在150ppb溶液中的沉积是PbO₂、PbO和Pb的混合物。

表8.从所选择的点的AES数据获得的平均原子比。所有元素的误差估计为5％。

如从图10B看出的，当传感器在混合溶液(Pb 15ppb+Cu 1mg/L+Zn 5mg/L)中操作时，大多数Pb沉积在阳极上，而Cu和Zn沉积在阴极上。Pb(或痕量Pb)不沉积在阴极上，这确认传感器具有高的元素选择性。表8中列出了原子比，其是5个不同点的平均值，以便提供可再现性。所有元素的误差估计为5％。

电子激发的俄歇电子能谱法还提供了非常高的空间分辨率(大约10nm)，这使得其尤其适于小特征分析和元素绘图。样本Pb02(传感器在150ppb中达两周)的Pb分布使用PbNOO和MNV俄歇跃迁峰绘制，在图11A-图11C中显示。左上侧为阳极，而右下侧为第二电极。如电极之间更高的铅浓度所指示的，铅沉积在电极之间并连接电极。

四电极传感器的长期监测

重金属会在用户没有意识到的情况下泄漏到水中，并且因此，重金属传感器的最重要特征之一就是连续的长期监测。为了实现这个目标，需要使传感器长时间存储在溶液中或在溶液中操作，并且仍能正常工作。这里讨论的传感器对于这种操作是理想的，因为惰性电极没有使用寿命限制。如图12A和图12B中所示，在连续操作传感器达四周之后，传感器的两侧在Simultap、Tap 1和Tap 2中均表现良好。如图13A和图13B中所示，传感器在溶液中存储达两周之后还正常工作。在Tap 1、15ppb Pb和150ppb Pb溶液中，传感器在两侧的阻抗在存储期间(浸没在溶液中，而没有任何供电电压)基本保持恒定，并且传感器在激活之后正常工作。在15ppb铅溶液和150ppb铅溶液二者中，铅检测侧的ΔV₁显著增加(大于1V)，但自来水中的ΔV₁和ΔV₂二者都保持小于1V。在图13C中，传感器在Tap 1中操作(打开)两周，然后在Tap 1中存储(关闭)另外两周。在操作期间在阴极上沉淀的硬度物在存储之后大部分溶解，因此铅检测器和其它重金属传感器二者均保持畅通并且传感器可以被再次使用。

这些实验表明，使用两种方法有可能进行长期监测。如图13D中所示，第一种方法是将多个电极组合放在单个传感器上。传感器的表面积小于1mm²，但是重复的传感器可以容易地以这种或稍大的格式构建。在必要的情况下，可以在存储期间将蜡或其它材料施加在传感器上，以保护传感器的表面。就在操作之前用嵌入式Ti/Pt加热器熔化并去除材料，可以容易地去除这些材料。如图13E中所示，另一种方法是两个传感器交替。一个传感器操作两周，而另一个传感器浸没在相同的溶液中而没有施加功率。传感器的交替可以被编程并自动操作，并且没有施加功率的传感器将通过沉淀的离子的溶解而重生。

图7中15ppb Pb溶液的响应天数是7天，而图13C中为开启之后9天。因此，对于水安全监测而言，铅或其它危险重金属的行动水平的实时检测极其重要，并且可以例如离线地进行该水平的量化。

在长期监测期间，水温对传感器的影响可以忽略。例如，无论水温如何，铅都是唯一可能被氧化成导电物质的元素。而且，在居住范围内的水温(10-50℃)不会改变占优势的氧化还原反应。(对于氧化还原电势的温度系数，参见支持信息)。水温不会更改传感器的鉴定能力。尽管如此，硬度物溶解性会随着水温的升高而降低。例如，碳酸钙的溶解度从在25℃的0.53mM改变为在50℃的0.35mM。因此，在50℃时，更多的硬度物可以沉淀到阴极侧上，但是铅检测阳极不会由于pH值不同而受影响。

当前技术提供适用于长期监测饮用水中的铅的传感器。注意到的是，通过改变传感器的几何形状可以缩短响应时间。传感器的感测方法是在电极之间生长还原的金属或二氧化铅桥，以改变阻抗。因此，通过增加形成桥的概率，减少了响应时间。一些设计导致大多数重金属离子沉积在电极上而不是间隙之间。为了增加通过金属离子的桥形成并缩短响应时间，可以增加长度与表面积之比，或可以减小电极之间的间隙距离。

由本公开的各个方面提供的传感器可以在各种应用中检测铅或其它重金属的污染。四电极传感器在左边两个电极上检测铅，并在右边两个电极上检测其它重金属。惰性铂电极和实验结果指示该传感器具有长使用寿命，并且传感器可以轻松地***管道中以进行连续监测和检测。传感器可以执行出色的鉴定，这在铅污染的监测中是重要的。在美国，通过被污染的自来水而造成永久性伤害的有毒的铅暴露一直是受关注的问题，而当前传感器是用于检测此类铅爆发(outbreak)的解决方案。

出于说明和描述的目的，已经提供了实施例的前述描述。其并非旨在是详尽的或限制本公开。特定实施例的各个要素或特征一般而言不限于那个特定实施例，而是在适用的情况下是可互换的，并且即使未具体地示出或描述，也可以在所选择的实施例中使用。这些要素或特征也可以以许多方式变化。这样的变化不应被认为是背离本公开，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。