综述：碳纳米材料基电化学修饰剂用于环境污染物检测的进展与展望

《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Progress and perspectives of carbon nanomaterials based electrochemical modifiers for the detection of environmental contaminants

本综述系统评述了碳纳米材料（如石墨烯、碳纳米管）作为电化学传感器修饰剂在环境污染物检测中的应用进展。文章重点阐述了其对酚类化合物、药物、农药及重金属离子（HMIs）检测性能的提升，包括极低的检测限（pM-μM）、宽线性范围、高稳定性、优异选择性及灵敏度，并展望了该领域面临的挑战与未来发展方向。

　　

Advantages of carbon-based nanomaterials for scalable electrochemical sensors fabrication

碳纳米材料是由碳原子以不同方式排列构成的化合物。碳是地球上最丰富的元素之一，能与自身或其他物质形成大量连接。碳除了其同素异形体外，还能以sp、sp²和sp³形式杂化。由于sp、sp²或sp³杂化过程，碳是变化最少的元素之一，并以具有不同性质的各种同素异形体形式存在。正是这些独特的性质使碳纳米材料成为电化学传感器修饰的理想选择。它们具有优异的机械性能、化学稳定性和卓越的电学性质（如高导电性），这些特性共同作用，显著增强了传感器的性能。碳纳米材料的大比表面积提供了更多的活性位点，有利于分析物的富集和电子转移，从而提高了传感器的灵敏度。此外，其可调节的表面化学性质允许进行功能化，以特异性识别目标污染物，从而提升选择性。基于碳纳米材料的电化学传感器还具有制造简便、成本相对较低以及易于微型化和集成化的潜力，这使得它们非常适合大规模生产和现场实时监测应用。

An overview of environmental contaminants

环境污染物已被确定为现代时代新出现的关切问题，因为它们持续对生态系统的可持续性和人类健康构成威胁。关于新兴污染物在生态系统中的存在和排放的担忧与日俱增。环境污染物的一大关切点是其清理、检测、缓解和修复，这源于其持久性、化学物质的多样性组成以及潜在的生物累积性和毒性。主要的污染物类别包括重金属离子（HMIs），如铅（Pb²⁺）、镉（Cd²⁺）、汞（Hg²⁺）和砷（As³⁺/As⁵⁺），它们即使浓度很低也具有高毒性。酚类化合物，通常来自工业废水，对水生生物和人类健康有害。农药，包括有机磷和氨基甲酸酯类，在农业中广泛使用，可能导致水源污染并对非目标生物产生不利影响。药物和个人护理品（PPCPs）以及抗生素，通过污水处理厂不完全去除或农业径流进入环境，可能促进抗生素耐药性的发展。这些污染物的检测对于环境监测、风险评估和法规遵从至关重要。

Carbon-based nanomaterials for the electrochemical detection of environmental contaminants

电化学传感器因其易于使用、响应快速、价格实惠、选择性好和实用性强而受到广泛关注，可用于快速检测感兴趣的小分子。电化学传感器的分析能力主要取决于电极材料对分析物/目标的催化功能、分子功能的有效负载以及相互作用向可测量电信号的有效转换。碳纳米材料作为电极修饰剂通过多种机制显著增强了这些方面。例如，石墨烯及其氧化物衍生物具有高导电性和丰富的含氧官能团，有利于重金属离子的吸附和还原。碳纳米管（CNTs）的一维纳米结构为电子转移提供了通道，并可用于固定识别元件，如适配体或酶，用于特异性检测农药或药物。其他碳材料，如碳点（CDs）或纳米多孔碳，也因其独特的光电性质和大的比表面积而被探索使用。将碳纳米材料与其他纳米材料（如金属纳米粒子或金属氧化物）复合可以产生协同效应，进一步提高 electrocatalytic 活性和稳定性。这些修饰电极已成功应用于各种电化学技术，如循环伏安法（CV）、差分脉冲伏安法（DPV）和方波伏安法（SWV），用于检测实际样品（如水、土壤、食品）中的多种污染物，表现出优异的分析性能。

Conclusions and future perspectives

近几十年来，城市化、工业化和农业扩张的快速发展导致了空气、土壤和水污染水平升高，对生物多样性保护、公共健康和生态系统构成了严峻挑战。本文介绍了环境修复、新出现的困难以及减轻污染影响的创新方法方面的最新进展。鉴于环境挑战的范围和复杂性，开发先进、灵敏和选择性的检测方法至关重要。碳纳米材料基电化学传感器在这一领域显示出巨大的前景。本综述讨论了碳基纳米材料作为电化学修饰剂在检测重金属离子、酚类化合物、药物和农药等环境污染物方面的最新趋势和发展。碳纳米材料的独特性质，如高比表面积、优异的导电性和可功能化性，使其能够构建具有极低检测限、宽线性范围、高稳定性、优异选择性和灵敏度的传感器。尽管取得了显著进展，该领域仍面临一些挑战，包括纳米材料在实际环境基质中的长期稳定性、可能存在的干扰、传感器重现性以及大规模生产的成本效益。未来的研究应侧重于开发更稳健、更具选择性的识别界面，探索新型碳同素异形体或复合材料，将传感器与微流体或物联网（IoT）平台集成用于实时监测，以及进行全面的实际样品验证和毒性研究。通过解决这些挑战，碳纳米材料基电化学传感器有望成为环境监测的强大工具，为保护人类健康和生态系统做出贡献。