基于铁-二氧化锰杂化纳米立方体的电化学传感器对重金属镉的检测

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Detection of heavy metal cadmium by iron?manganese dioxide hybrid Nanocubes based electrochemical sensor

纳米立方体复合材料检测重金属镉的环境应用研究。采用共沉淀法合成锰铁普鲁士蓝类似物，经煅烧得到Fe?O?-MnO?纳米立方体，通过方波阳极溶出伏安法优化检测性能，检测限0.59 μg/L，线性范围1-100 μg/L，并验证了真实水样的可靠性。

　　镉（Cd）是一种极具毒性的重金属，其污染对人类健康构成重大威胁。由于镉在环境中容易通过食物链和水体积累，长期接触可能导致严重的健康问题，包括肾功能损伤、基因突变、DNA相关酶活性抑制以及骨骼疾病等。随着工业活动的增加，镉的排放量也在不断上升，尤其是在电池、颜料、塑料稳定剂和特种合金等应用领域。因此，开发一种快速、灵敏且可靠的镉检测方法对于环境监测和公共健康保护具有重要意义。本研究聚焦于利用电化学传感器技术，结合新型纳米材料的合成与修饰，以提升镉离子检测的性能和效率。

在众多检测镉离子的方法中，电化学技术因其高灵敏度、便携性和操作简便性而受到广泛关注。其中，阳极溶出伏安法（Anodic Stripping Voltammetry, ASV）是一种特别有效的手段，它通过在电极表面富集金属离子，随后进行电化学剥离，从而实现对痕量镉的检测。然而，环境样品通常具有复杂的组成，干扰物质较多，因此需要一种具有高选择性和高亲和力的电极材料。为了满足这一需求，研究团队探索了基于普鲁士蓝类似物（Prussian Blue Analogues, PBAs）的纳米材料，这些材料因其可调的化学组成和多孔结构，在吸附、催化、生物医学和能源存储等领域展现出广泛的应用前景。

本研究中，科学家们采用共沉淀法合成了锰-铁普鲁士蓝类似物（MnFe-PBA），并通过煅烧工艺获得了锰-铁混合氧化物纳米立方体（Fe?O?-MnO? NCs）。这些材料不仅保留了普鲁士蓝类似物的纳米立方结构，而且在煅烧过程中形成了丰富的氧空位（Ov），这为镉离子的吸附和电化学反应提供了更多的活性位点。通过将这些纳米立方体修饰到电极表面，研究人员进一步优化了其电化学性能，从而显著提高了镉离子的检测能力。

为了评估该电极材料的检测性能，研究团队采用了方波阳极溶出伏安法（Square Wave Anodic Stripping Voltammetry, SWSV）。该方法通过在特定的缓冲溶液（HAc-NaAc，pH=5.0）中进行富集，再通过施加适当的电位和时间（-1.2 V，150 s）实现镉离子的高效检测。实验结果显示，该修饰电极在1至100 μg·L?1的线性范围内表现出良好的响应，其检测限为0.59 μg·L?1，这一结果在环境水样中也得到了验证，表明其在实际应用中具有较高的可靠性。

在实验过程中，研究人员还对多种干扰离子（如铜、汞、砷和铅）进行了测试，以确保该电极材料在复杂环境样品中的选择性。结果显示，该材料对镉离子具有较高的特异性，能够在存在其他重金属离子的情况下仍保持良好的检测效果。这一特性使其在实际环境监测中具有显著优势，尤其是在需要快速、现场检测的场景中。

此外，该研究还对电极材料的物理和化学性质进行了系统的表征。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等手段，研究人员确认了纳米立方体的结构特征和晶体排列方式。这些表征结果进一步支持了材料在吸附和催化方面的性能优势。同时，研究人员还对材料的表面化学性质进行了分析，发现氧空位的存在显著增强了其对镉离子的吸附能力，从而提高了电化学反应的效率。

本研究的成果不仅为镉污染的快速检测提供了新的技术手段，也为其他重金属离子的检测方法提供了参考。通过优化电极材料的合成和修饰工艺，研究团队成功开发出一种性能优越的电化学传感器，其检测限低于现有方法的平均水平，同时具备较高的稳定性和重复性。这一进展有望推动重金属污染监测技术的发展，特别是在水资源保护和环境治理领域，为实现更精准、高效的检测提供技术支持。

研究团队还对相关领域的研究现状进行了综述，指出现有镉检测方法的局限性。例如，尽管原子吸收光谱（AAS）和电感耦合等离子体光谱（ICP-OES）等传统方法具有较高的灵敏度和准确性，但它们通常需要昂贵的设备和复杂的样品前处理步骤，难以满足现场快速检测的需求。相比之下，基于普鲁士蓝类似物的纳米材料不仅具备良好的吸附性能，还能够在较低的检测限下实现对镉离子的准确识别。这种材料的合成和应用为开发新型电化学传感器提供了新的思路。

为了进一步验证该电极材料的实际应用价值，研究团队在真实水样中进行了加标实验。实验结果显示，该材料能够有效地检测水样中的镉离子，即使在存在其他干扰物质的情况下，也能保持较高的灵敏度和选择性。这一结果表明，该电极材料不仅适用于实验室环境，还具有良好的现场应用潜力。通过这种方式，研究人员能够更好地评估其在实际环境监测中的可行性。

综上所述，本研究通过合成和修饰锰-铁普鲁士蓝类似物，开发出一种性能优异的电化学传感器，用于镉离子的快速检测。该传感器不仅在实验室条件下表现出良好的检测性能，而且在真实水样中也显示出较高的可靠性。这一成果为重金属污染的监测提供了新的技术手段，同时也为未来相关研究奠定了基础。随着环境问题的日益突出，开发高效、灵敏的检测方法对于保障生态安全和公众健康具有重要意义。