综述：用于监测新兴土壤污染物的电化学传感器进展：创新、挑战与环境影响

本综述系统评述了用于新兴土壤污染物（ECs）监测的电敏传感器（electrochemical sensors）的最新进展，重点介绍了新型电极材料、传感器设计及其在不同传感平台的应用。文章强调了传感器在提升检测限、拓宽分析物范围及增强土壤条件下稳定性方面的突破，并探讨了将传感器与物联网（IoT）、人工智能（AI）结合用于土壤污染智能监测的潜力，为环境可持续发展提供了创新视角。

　　

电化学传感器监测新兴土壤污染物的创新与挑战

引言

土壤健康取决于其支持动植物生产力、维持环境质量和增强生态系统功能的能力。健康土壤能促进植物生长、改善水质、调节养分循环、分解有机物并净化空气，从而减少温室气体排放。土壤健康受养分、pH值、有机质、温度、湿度和质地六个关键因素影响。新兴污染物（ECs）是指那些尚未被常规监测但可能对生态系统和人类健康造成已知或潜在不利影响的合成或天然化学物质。它们通常缺乏既定的监管限值，包括因分析技术进步而新检测到的物质，以及先前未被认识其风险污染物。随着社会发展，更多化学物质被用于日常活动，ECs被有意或无意释放到环境中。制药、农业和日常家用产品等行业是ECs主要来源。ECs如重金属和持久性有机污染物会破坏微生物群落、降低肥力并影响养分循环，从而降低土壤质量。其积累会改变土壤性质，降低农业生产力，并通过生物累积和毒性危害生态系统。此外，ECs会渗入水源，污染水生生态系统和饮用水，其中全氟和多氟烷基物质（PFAS）等持久性化合物带来长期风险。

电化学（生物）传感器的原理与重要性

测定土壤中痕量ECs至关重要，因为即使微量也可能影响生态系统、人类健康和水质。具有生物活性的ECs，如药品和农药，可能导致内分泌干扰、生物累积和耐药性。在各种分析技术中，电化学（生物）传感器因其高灵敏度、快速响应、低成本和便携性而成为检测土壤污染物的有前景策略。与基于实验室的传统方法不同，它们可在实验室外使用，实现污染物的及时检测。其多功能性允许通过定制传感器表面和识别元件来检测从重金属到农药和药品的各种污染物。这种适应性加上简单的仪器，使其适用于发达和资源有限环境的大规模土壤监测。在实地应用中，电化学（生物）传感器可与物联网（IoT）网络和基于AI数据分析结合，用于土壤污染模式的连续智能监测。

电化学传感器在检测土壤ECs中的应用

如第2节所述，电化学（生物）传感器通过电极界面发生的氧化还原或电荷转移过程运作。在土壤应用中，这些基本原理保持不变；然而，土壤的复杂组成（如可变pH值、离子强度和有机物存在）会显著影响传感响应。这些因素可能影响电子转移效率、分析物吸附和整体信号稳定性，因此电极设计和材料选择对确保在真实土壤环境中可靠性能至关重要。电化学传感器已应用于检测多种土壤ECs，包括农药、药品、重金属和内分泌干扰化合物（EDCs）。例如，基于碳纳米材料、导电聚合物、金属有机框架（MOFs）、MXenes和混合复合材料的传感器已被开发出来，以提高检测限、选择性和稳定性。这些传感器利用其材料的独特性能，如大比表面积、高电导率和可定制化学性质，来实现对目标污染物的灵敏和选择性检测。

挑战

纳米材料基电化学传感器具有高灵敏度、选择性和快速响应时间，是极具前景的环境监测工具，但仍面临若干重大挑战。解决这些挑战对于充分利用先进传感技术进行全面和可持续环境监测的潜力至关重要。

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  传感器准确性和精密度： 在不同基质中可靠检测低浓度污染物仍然是一个挑战，特别是在存在干扰物质的复杂土壤环境中。
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  选择性和稳定性： 提高传感器在复杂土壤基质中的选择性和长期稳定性是关键需求。
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  干扰克服： 需要克服共存物质的干扰，以确保准确检测目标分析物。
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  超痕量检测灵敏度： 需要增强超痕量检测的灵敏度。
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  坚固设备开发： 需要开发用于长期原位监测的坚固设备。
  此外，大多数现有研究集中于实验室条件，报道的真实实地应用有限。需要标准化方案和在不同环境条件下对传感器的全面验证。解决这些研究差距对于将电化学传感技术转化为土壤质量评估和环境保护的实用工具至关重要。

结论

本综述全面概述了基于纳米材料的电化学传感器检测土壤中ECs的最新进展。与以往关注水系统、特定污染物类别或单一材料类型的综述不同，本工作独特地整合了多种类别的纳米材料、传感器设计和污染物类别，强调了它们的协同特性，如增强的比表面积、改进的电导率和可定制的化学性质。讨论了当前挑战和未来机遇，包括将传感器与IoT平台集成、开发便携式现场设备以及AI辅助数据处理等新兴趋势。通过结合土壤特异性焦点、广泛材料覆盖和对最新创新的关注，本工作提供了超越现有综述范围的新见解，并为这一关键领域的未来研究指明了方向。