综述：基于WS2的气体传感器：性能优化策略与新趋势

本综述系统探讨了以新型稀土硼酸盐（DyBO3）作为电活性材料构建丝网印刷电极（SPE），用于快速、高灵敏检测环境及消费品中氢醌（HQ）污染的分析策略。文章重点阐述了采用松木锯屑生物模板法合成具有多层次分级结构（HSM）的硼酸镝晶体，其在SPE上展现出优异的电化学活性、宽线性范围和低检测限，为开发便携式电化学传感器（EC-sensor）提供了创新材料解决方案。

　　

Abstract

氢醌（HQ）对水体的污染已成为一个严峻问题，其在日化和工业产品中作为防腐成分的持续增长使用，加之排放控制不足，对公众健康构成长期威胁。开发快速、可靠的分析方法以监测水、食品及消费品中的HQ含量至关重要。电化学方法以其简便、经济、高选择性及灵敏度成为理想选择，其性能常可与色谱和光谱法相媲美。丝网印刷电极（SPE）作为三电极系统的平面化版本，极大简化了电化学方法的应用，但其稳定性和灵敏度有待提升。本研究致力于开发一种基于SPE的可靠HQ分析方案，采用具有分级结构的稀土硼酸盐作为前景广阔的电活性二元氧化物。通过以松木锯屑为模板合成结晶硼酸镝（DyBO₃），获得了展现多层次结构 hierarchy 的材料。该形态复杂的硼酸盐表现出优异的电化学性能，据此开发的HQ传感器具有更宽的线性范围和更低的检测限，其重复性和稳定性满足实时检测要求。

Introduction

氢醌广泛用作医药制剂、护肤品及某些工业过程中的抗氧化剂和增亮剂。过量暴露可能导致疲劳、心动过速、肝损伤、肾功能障碍等健康问题。其在生产和使用过程中渗入地下水和开放水体，造成环境污染。因此，对HQ含量进行定期监测，尤其是在接触人体或暴露于环境的产品中，显得尤为重要。现有分析方法如液相色谱和分光光度法虽灵敏准确，但设备昂贵、操作复杂，限制了其现场和大规模监测应用。电化学方法以其成本低、便携、功耗低、响应快、分析性能高等优势，成为满足现场快速决策需求的理想替代方案。

电化学传感器的核心——电催化剂，需具备高比表面积以提供丰富活性位点（增强灵敏度）、强选择性以区分目标分析物与干扰物，以及高电化学活性、良好的化学/热稳定性和低电荷转移电阻。稀土元素的独特电化学性质源于其受5s²和5p⁶轨道屏蔽的4f电子壳层，形成了局域化的窄能级，赋予其丰富的电子构型、多重氧化态及卓越的催化和光学性质。纳米化后，其高比表面积进一步增强了这些特性。稀土金属硼酸盐（REM Borates）是一类具有高热/化学稳定性及独特光/电化学特性的化合物，广泛应用于高性能发光、磁阻器件、电极和催化剂。将其适配于电化学分析，可为环境监测提供稳健、选择性好的手段。

具有发达表面的电活性基底能增加氧化还原反应中心的数量，提高灵敏度。介孔结构则有利于分析物的传质。分级结构材料（HSM）作为有序系统，由纳米粒子、纳米片、纳米线等纳米结构单元构建，相比单调或不规则形态结构，具有更高的比表面积、孔隙率、渗透性和机械稳定性，为电化学传感提供了新型高效电催化剂。

金属硼酸盐分级结构的合成方法包括化学烧结、水热法、声化学法及模板法。水热法可通过调节温度、浓度、表面活性剂等参数控制产物形态。烧结法，特别是结合生物模板，是合成稀土金属硼酸盐的有效方法，高温过程有助于形成坚固且保持模板形态的结构。生物模板法（如锯屑）是一种环境友好、成本低廉的制备高孔隙率复杂形态材料的方法。木材的主要成分（纤维素、木质素、半纤维素）经炭化后形成理想的开通通道，有利于质量传输。以锯屑为模板的工艺简单、高效，能将锯屑的多孔结构复制到材料中，提供更发达的表面和吸附能力，这对电化学传感器至关重要。

分析方法和设备的微型化是现代分析化学的主流趋势。丝网印刷电极（SPE）不仅能减少分析时间和成本，其便携性以及与智能手机等数据处理设备的集成能力，使其非常适合现场分析。

本研究将前景广阔的稀土氧化物材料与微型化分析系统相结合，将基于锯屑生物模板合成的分级结构硼酸镝（DyBO₃）适配于丝网印刷电极（SPE），旨在实现HQ的快速、稳定、选择性、灵敏电化学分析。

Reagents

实验所用试剂包括硝酸镝、硼酸、松木锯屑、柠檬酸、磷酸、乙酸、氢氧化钠等，均为化学纯，直接使用。银浆、石墨浆、聚合物油墨及绝缘油墨购自俄罗斯公司。

Synthesis of porous dysprosium borate

通过将硝酸镝与硼酸在松木锯屑模板存在下，经过特定温度程序烧结，合成了多孔硼酸镝材料。

Material characterization

扫描电子显微镜（SEM）显微照片显示，所得样品具有分级组织的珊瑚状分支多孔结构，形似褶皱的蕾丝片，片宽约100-200纳米，推测其形态复制自锯屑的薄壁毛细管结构。这种结构有利于电子和离子传输。

Conclusion

开发稳定、灵敏、选择性好且快速的分析方法是一项复杂任务，往往需要权衡妥协。新型SPE电极的出现带来了缩短分析时间的希望，但其重现性和灵敏度仍有不足。本研究成功合成了具有蕾丝状分级结构的高结晶度DyBO₃，并将其应用于SPE，为HQ检测提供了一种高性能解决方案，展示了稀土硼酸盐在电化学传感领域的应用潜力。

CRediT authorship contribution statement

Funding

本研究由俄罗斯科学基金会资助。

Declaration of competing interest

作者声明无已知竞争性财务利益或个人关系影响本研究。