基于BIM/SBA-15的高重现性便捷电化学传感器用于Pb(II)离子检测

本研究针对环境中Pb(II)离子污染监测需求，开发了一种基于新型双吲哚甲烷(BIM)衍生物与介孔二氧化硅SBA-15复合材料的电化学传感器。该传感器在-0.52 V (vs Ag/AgCl)电位下对Pb(II)离子表现出特异性响应，线性检测范围为1×10-5-4×10-3 M，检测限(LOD)达6.8×10-6 M，重现性高(RSD=2.5%)，在韭菜样品检测中回收率达97.61%。该研究为重金属污染实时现场监测提供了低成本、高选择性的解决方案。

　　

在环境污染与食品安全问题日益受到关注的今天，重金属铅污染因其毒性强、易在生物体内富集且不可降解而成为全球性挑战。铅离子(Pb(II))通过废水灌溉进入农田土壤，被农作物吸收后通过食物链进入人体，对神经系统造成严重损害。世界卫生组织(WHO)规定蔬菜中铅离子允许限值为4.83×10^-7 M，然而实际监测发现某些蔬菜样本铅含量严重超标，如Oymak等研究报告显示蔬菜中铅浓度高达4.20×10^-6至1.59×10^-5 M。在马来西亚，韭菜(Allium tuberosum)作为日常烹饪中广泛使用的蔬菜，其安全性监测尤为重要。

传统重金属检测方法如原子吸收光谱法(AAS)、电感耦合等离子体光谱法等虽然灵敏度高，但存在设备昂贵、操作复杂、需要专业人员、样品前处理繁琐等局限性，难以满足现场快速检测的需求。因此，开发低成本、高选择性、易于操作的电化学传感器成为当前研究的热点。

在这一背景下，马来西亚伊斯兰科学大学的研究团队在《Sensing and Bio-Sensing Research》上发表了一项创新性研究，他们成功开发了一种基于新型双吲哚甲烷(BIM)衍生物与介孔二氧化硅SBA-15复合材料的电化学传感器，用于选择性检测Pb(II)离子。这项研究的独特之处在于首次将BIM衍生物与SBA-15结合应用于Pb(II)离子传感，通过合理的分子设计实现了对铅离子的高选择性识别。

研究人员采用了几项关键技术方法开展本研究：通过有机合成方法制备了新型BIM衍生物，利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)和X射线衍射(XRD)对材料进行表征，采用差分脉冲伏安法(DPV)和循环伏安法(CV)评估电化学性能，通过紫外-可见分光光度法进行结合特性研究，结合密度泛函理论(DFT)计算阐明结合机制，并使用真实韭菜样品进行方法验证，以原子吸收光谱法(AAS)作为参考方法对比结果。

3.1. 合成BIM的表征

通过红外光谱(IR)和核磁共振谱(NMR)验证了BIM配体的成功合成。红外光谱中醛基羰基伸缩振动的消失证实了取代吲哚与羧基苯甲醛衍生物之间的成功缩合。¹H NMR谱显示甲川质子CH在5.75 ppm处出现尖锐单峰，¹³C NMR谱显示甲川碳在21.5 ppm处出现信号，这些结果与吲哚衍生物的典型特征一致，表明新化合物BIM的成功形成。

3.2. 使用比色传感和通过UV-Vis滴定进行结合研究来筛选金属离子

比色传感实验显示，BIM配体与Pb(II)离子作用后产生最明显的颜色变化（从黄色变为橙色），而与其他金属离子（Fe(III)、Cd(II)、Co(II)、Cu(II)、Hg(II)和Mn(II)）仅产生轻微颜色变化或无变化。UV-Vis滴定研究表明，BIM与Pb(II)离子结合后吸收光谱发生红移（从429 nm移至488 nm），等吸收点出现在452 nm，表明[BIM-Pb]复合物的形成。结合常数(K_a)计算为9.57×10⁴ M^-1，表明配体与Pb(II)离子具有优异的结合能力。DFT计算进一步揭示了Pb(II)离子通过吡咯碳原子与BIM配体结合的机制，平均键长为2.378 ?。

3.3. 基于双吲哚甲烷衍生物的电化学Pb(II)离子传感器的开发

3.3.1. fabricated传感器系统的电化学行为

循环伏安法(CV)分析表明，SBA-15修饰的碳丝网印刷电极(CSPE)比裸CSPE表现出更高的峰值电流和更小的峰峰分离(ΔEp)，说明SBA-15改善了电子传输速率。随着BIM配体固定化和Pb(II)离子的加入，电催化响应进一步增强。差分脉冲伏安法(DPV)在-0.52 V处观察到Pb(II)离子的特征氧化峰，证实了传感器对Pb(II)离子的特异性响应。

3.3.2. developed传感器系统的物理表征

FESEM图像显示SBA-15保持了六方棒状结构，表明BIM配体成功负载到SBA-15孔道中。XRD分析显示，随着BIM配体的负载，SBA-15的衍射峰强度降低，结晶度下降0.04%，表明配体成功固定化；而加入Pb(II)离子后结晶度增加0.02%，表明配体与金属离子配位后结构稳定性提高。

3.4. developed电化学传感器的优化

优化研究表明，传感器在pH 4的醋酸缓冲液中响应最佳，最佳缓冲液浓度为0.5 M，最佳BIM配体浓度为30 μM，最佳响应时间为10分钟。传感器在Pb(II)离子浓度1×10^-5至4×10^-3 M范围内呈现良好线性关系(R²=0.9963)，检测限(LOD)为6.8×10^-6 M。

3.5. developed电化学传感器的性能研究

性能评估显示，传感器具有高重现性(RSD=2.5%)，可进行三次重复使用循环，对Pb(II)离子表现出高选择性，在-0.52 V电位下其他金属离子无干扰信号。干扰实验表明，即使存在其他金属离子，传感器对Pb(II)离子的响应仍保持稳定。

3.6. 真实样品分析

将传感器应用于韭菜样品中Pb(II)离子的检测，回收率达到90.4%-97.6%，与AAS方法结果高度一致，证实了传感器在实际样品检测中的可靠性和准确性。

该研究成功开发了一种基于BIM/SBA-15复合材料的电化学传感器，用于Pb(II)离子的高选择性、高重现性检测。传感器的创新之处在于首次将BIM衍生物与SBA-15介孔材料结合，利用BIM配体的氮供体位点与Pb(II)离子的特异性结合能力，结合SBA-15的大比表面积和良好电子传输性能，实现了对Pb(II)离子的灵敏检测。该方法操作简便、成本低廉、适用于现场快速检测，为环境和食品中重金属污染监测提供了有效工具，对保障食品安全和公共健康具有重要意义。值得注意的是，该传感器虽然检测限高于WHO对蔬菜中铅的限值要求，但低于饮用水标准，仍适用于污染水平较高的样品筛查和农业环境监测。