基于智能纸张的纳米传感器，用于同时监测环境中的硝酸盐和亚硝酸盐

《ACS Measurement Science Au》：Smart Paper-Based Nanosensor for Simultaneous Environmental eMonitoring of Nitrate and Nitrite

便携式IoT整合纸基荧光传感器用于现场同步检测硝酸盐和亚硝酸盐，基于碳量子点（CQDs）的荧光淬灭效应，结合锌还原反应实现硝酸盐的间接检测，配备手持光学分析仪和智能手机应用，灵敏度0.1 ppm，线性范围1-100 ppm，适用于多种水质样本的快速环境监测。

　　硝酸盐（NO??）和亚硝酸盐（NO??）的污染问题，已经成为全球范围内环境和公共卫生领域的重要挑战之一。这些污染物主要来源于农业肥料、食品添加剂以及工业废水，其广泛存在于水体中，并对生态系统和人类健康构成潜在威胁。由于硝酸盐和亚硝酸盐的高毒性及对健康的影响，国际上已对饮用水中的这两种物质设定了明确的最高允许浓度（MAC），例如世界卫生组织（WHO）和欧盟（EU）规定硝酸盐的MAC为50 ppm，而亚硝酸盐则为3 ppm。因此，开发一种能够快速、准确、便携地检测这两种污染物的系统，显得尤为迫切。

现有的检测方法虽然在灵敏度和准确性方面表现优异，如分光光度法、色谱法和电化学法等，但这些方法通常需要复杂的仪器设备、专业人员的操作以及较长的检测时间，难以满足现场快速检测的需求。此外，许多检测方法在成本和可操作性方面也存在一定的限制，这使得它们在资源有限的地区或野外环境中难以普及应用。为了解决这些问题，研究团队开发了一种集成了物联网（IoT）技术的便携式纸基荧光传感器，该传感器不仅满足WHO提出的REASSURED标准，还具备绿色、低成本、高效和智能化的特点，为环境监测提供了一种新的解决方案。

该传感器的核心原理基于碳量子点（CQDs）作为荧光探针的特性。CQDs是一种零维碳纳米材料，因其独特的光学性质、良好的稳定性和可调的荧光特性，被广泛应用于光学传感领域。通过在纸基基质中固定CQDs，研究团队构建了一个便携的检测平台，该平台能够实现对硝酸盐和亚硝酸盐的同时检测。此外，该系统还引入了一种简单的化学还原步骤，将硝酸盐在传感器上直接还原为亚硝酸盐，从而使得两种物质可以通过相同的荧光淬灭机制进行检测，提高了检测的效率和准确性。

在实验设计中，研究团队采用了一种多步骤的优化方法，以确保传感器的性能达到最佳状态。首先，他们对pH值、锌的负载量以及反应时间等关键变量进行了系统分析，确定了最适合的检测条件。例如，在pH值为3的条件下，传感器能够实现较高的荧光淬灭效果，从而提高检测的灵敏度。其次，通过调整锌的负载量，他们确保了硝酸盐能够被有效地还原为亚硝酸盐，进一步增强了系统的检测能力。最后，经过30分钟的反应时间，传感器的荧光信号趋于稳定，保证了检测结果的可靠性。

为了实现对检测信号的智能化处理，研究团队还开发了一款便携式光学分析仪。该分析仪集成了多通道光谱传感器、物联网微控制器以及定制的智能手机应用程序，能够实时采集和分析荧光信号，并通过无线方式传输数据至智能手机。这种设计不仅提升了检测的实时性，还使用户能够通过手机直接获取检测结果，从而实现快速决策和数据共享。同时，该分析仪的内置屏幕也可以直接显示检测结果，为现场使用提供了便利。

在实际应用方面，该传感器被用于不同类型的水样检测，包括自来水、地下水、河水、渠道水、矿泉水、湖水、绿地灌溉用水以及用于婴儿配方奶粉的灭菌水。这些水样在检测前未经过任何预处理，直接通过传感器进行分析。结果显示，该传感器在检测未添加污染物的水样时，具有较高的准确性，而在添加一定浓度的污染物后，能够实现91%至121%的回收率，进一步验证了其在实际环境中的适用性。此外，该传感器在检测过程中表现出良好的抗干扰能力，即使在存在其他常见离子（如氯离子、硫酸根离子、磷酸盐、钠离子、钾离子、钙离子、镁离子、铜离子、锰离子、镍离子、铅离子和镉离子）的情况下，其检测信号仍然稳定，表明其具有较高的选择性和可靠性。

从环境和健康的角度来看，硝酸盐和亚硝酸盐的检测不仅有助于评估水质安全，还能够为污染源的识别和治理提供重要依据。例如，较高的亚硝酸盐与硝酸盐比值可能表明近期的微生物活动或未经处理的污水排放，而硝酸盐浓度升高但亚硝酸盐含量较低则可能意味着农业肥料的过度使用或地下水污染。因此，能够同时检测这两种物质的传感器，为环境管理者提供了更全面的数据支持，有助于制定更有针对性的污染治理策略。

该传感器的优势在于其低成本、便携性和智能化。在成本方面，每个传感器的制造成本仅约为0.01美元，极大地降低了大规模应用的门槛。在便携性方面，该系统无需复杂设备即可完成检测，适合在野外或偏远地区使用。在智能化方面，通过集成物联网技术，该传感器能够实现数据的实时传输和远程监控，为环境监测提供了全新的可能性。此外，该传感器还符合绿色化学的理念，其材料来源广泛，且对环境友好，避免了传统检测方法中可能产生的有害物质排放问题。

综上所述，这种便携式纸基荧光传感器为硝酸盐和亚硝酸盐的现场检测提供了一种创新性的解决方案。它不仅在技术上实现了对这两种污染物的同时检测，还在成本、操作便捷性和环境友好性方面表现出显著优势。随着物联网和纳米技术的不断发展，这类传感器有望在未来成为环境监测和公共卫生管理的重要工具，特别是在资源有限的地区，其应用前景十分广阔。