《Microchemical Journal》：Graphene Based Nanocomposites: A State of the Art in Heavy Metal Detection
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重金属污染检测与石墨烯基纳米材料应用研究。本文综述了石墨烯及其纳米复合材料在汞、砷、镉、铅、铜离子检测中的最新进展，重点分析了电化学与光学传感机制，比较了不同复合材料的灵敏度（LOD低至ppb级）和线性范围（0.1-100 ppm），并系统总结了实验室成果向实际应用转化的挑战（如环境稳定性、成本控制）及未来方向。
阿努拉达·比斯瓦尔（Anuradha Biswal）| 苏索班·斯韦恩（Susobhan Swain）| 拉贾拉姆·米什拉（Rajaram Mishra）| 阿比希克塔·比斯瓦尔（Abhisikta Biswal）| 萨拉特·K·斯韦恩（Sarat K. Swain）
印度奥里萨邦桑巴尔普尔（Sambalpur）768018，布尔拉（Burla）维尔·苏伦德拉·赛技术大学（Veer Surendra Sai University of Technology）化学系
摘要
过去几十年里，人类活动的急剧增加使人类生活暴露在多种具有高毒性的重金属（HM）环境中，尤其是当这些金属的浓度超过允许限度时。因此，即使是以微量形式检测到这些元素，对于维持生活质量也至关重要。为了实现这一目标，人们采用了多种材料，其中石墨烯及其纳米复合材料在检测各种环境和食品样本中的重金属离子方面展现了巨大潜力，且检测限（LOD）非常低。石墨烯优异的大表面积以及其在光学、电学、热学和机械性能方面的优势，使其成为检测重金属离子的理想传感平台。本文简要介绍了石墨烯及其衍生物、检测方法，以及它们在检测不同介质中的汞、砷、镉、铅和铜离子中的应用。同时，还重点介绍了过去十年中基于石墨烯的智能纳米结构生物传感器的最新发展，这些传感器对这些有害物质具有极高的选择性和灵敏度，并具有无可比拟的稳定性，使其成为环境修复领域的重要工具。
引言
重金属（HM）因其极高的毒性而引发了广泛关注，这种毒性会对环境和生物体产生直接或间接的影响。重金属通常具有较大的相对密度、原子质量或原子序数。某些重金属是关键酶的重要组成部分，因为它们在人体内的生化及生理过程中参与氧化还原反应。例如铁（Fe）、钴（Co）、铜（Cu）、锰（Mn）、钼（Mo）和锌（Zn）等元素在生物体内以一定水平存在是必需的[1]。然而，铅（Pb）、铬（Cr）、镉（Cd）、汞（Hg）等重金属具有极强的毒性，会对植物和动物的细胞内生化过程造成破坏。如果这些重金属自由释放到水体或土壤中，生态系统将受到严重污染[2]。工业和农业活动的增加，以及含有重金属的废水排放，导致食品和水源受到污染，从而危及环境完整性和公众健康。人体内重金属浓度的升高还会引发慢性疾病。
石墨烯及其衍生物的特性使其成为检测重金属的理想材料。石墨烯由紧密排列的碳原子组成，形成二维蜂窝状结构，其中碳原子以sp2杂化方式连接[3]。石墨烯卓越的电学性能源于垂直于蜂窝平面的π电子网络，这些π电子来源于碳-碳（C-C）键中的三个π电子[4]。石墨烯中的π电子共轭作用使其具备出色的机械、电学和热学性能[5]。此外，石墨烯的衍生物，特别是氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（RGO），也表现出良好的传感潜力[6]。通过将石墨烯与不同金属、有机材料、聚合物和生物材料结合，可以进一步提高基于石墨烯的纳米复合材料的传感能力[7]。石墨烯出色的光学、机械、热学和电学性能使其成为电化学应用的理想材料。其极低的电噪声使其非常适合用于传感应用。基于石墨烯的纳米复合材料具有高迁移率、低成本、快速响应性和高灵敏度，非常适合用于检测重金属[8][9][10]。
本文全面系统地综述了基于石墨烯的纳米复合材料在重金属检测方面的应用，涵盖了光学和电化学传感平台。与以往的综述不同，本文详细提供了定量数据，如线性范围、检测限以及多种纳米复合材料的实际应用情况。通过对比最新检测技术和实际测试方法，为传感器性能提供了可靠参考。同时，本文还分析了技术进步面临的挑战，如可扩展性、成本、复杂基质中的选择性、稳定性以及早期文献中常被忽视的环境因素。Scopus数据库中关于重金属检测的现有文献在图1中进行了简要总结。鉴于该主题相关的研究文章数量众多，有必要对基于石墨烯的纳米复合材料在重金属离子检测方面的最新进展进行简要总结。将石墨烯及其衍生物与聚合物或纳米级填料结合使用，可进一步增强其光学和电学性能，从而为这些复合材料作为理想传感平台奠定基础。本文详细讨论了基于石墨烯的各种配方在检测汞、砷、镉、铅和铜离子方面的性能，这些元素过量摄入会对健康造成严重危害。多个对比表格详细阐述了基于石墨烯的纳米复合材料在土壤、水和食品中的传感效果，旨在帮助读者更好地理解相关技术。
部分摘录
定义
重金属是指相对密度、原子质量或原子序数较大的金属。某些重金属是关键酶的重要组成部分，在人体内的生化及生理过程中参与氧化还原反应。铁（Fe）、钴（Co）、铜（Cu）、锰（Mn）、钼（Mo）和锌（Zn）等元素在生物体内以一定水平存在是必需的。然而，铅（Pb）、铬（Cr）、镉（Cd）、汞（Hg）等重金属具有极高毒性，会对植物和动物的细胞内生化过程造成破坏。如果这些重金属释放到水体或土壤中，生态系统将受到严重污染[2]。工业和农业活动的增加以及含有重金属的废水排放会导致食品和水源污染，从而危及环境安全和公众健康。人体内重金属浓度的升高还会引发慢性疾病。
重金属的多种检测技术
石墨烯及其衍生物在电化学、热学、光学和导电性能方面展现出巨大潜力，因此在检测重金属离子方面具有广泛应用前景。由于其高导电性和独特的形态结构，在检测重金属离子方面表现优异。本研究主要关注两种检测方法：光学方法和电化学方法（图4）。光学方法包括荧光检测、表面增强Raman散射（SERS）和比色检测等技术
汞的检测
汞中毒可引发超过250种症状。因此，每天接触汞的人需要接受多种医学和物理检查以确定具体病情。在细胞层面，汞中毒会导致膜孔隙率变化、超分子结构改变以及DNA损伤[108,109]。这种结构变化是由于汞取代了大分子的多个功能基团所致。多年来，人们发现汞会抑制免疫系统
实际挑战与未来展望
基于石墨烯的纳米复合材料凭借其高导电性、较大的表面积和功能性表面化学性质，已成为生物和化学传感领域的动态平台。尽管在实验室层面取得了显著进展，但将这些材料转化为耐用的日常传感系统仍面临诸多挑战。虽然石墨烯在重金属检测方面非常高效且适应性强，但在实际应用中仍需进一步研究其长期稳定性
结论
清洁的饮用水和无污染的环境是人类生存的基本前提。本文阐述了基于石墨烯的纳米复合材料在多种重金属检测机制中的作用。石墨烯凭借其出色的光学、电学、热学和机械性能，结合聚合物和其他纳米材料（如碳纳米管（CNTs）、金属纳米颗粒和金属氧化物纳米颗粒），通过增加活性位点，展现了优异的传感性能
作者贡献声明
阿努拉达·比斯瓦尔（Anuradha Biswal）：撰写综述与编辑、初稿撰写、数据整理。
苏索班·斯韦恩（Susobhan Swain）：初稿撰写、数据整理。
拉贾拉姆·米什拉（Rajaram Mishra）：初稿撰写。
阿比希克塔·比斯瓦尔（Abhisikta Biswal）：初稿撰写。
萨拉特·K·斯韦恩（Sarat K. Swain）：结果验证、监督及正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
