水葫芦生物质羧甲基纤维素稳定银纳米颗粒用于Hg2+离子比色检测传感器的构建与研究

《RSC Advances》：The synthesis and study of carboxymethyl cellulose from water hyacinth biomass stabilized silver nanoparticles for a colorimetric detection sensor of Hg( ii) ions

本研究针对汞离子(Hg2+)环境污染问题，开发了一种基于水葫芦生物质羧甲基纤维素(CMC)稳定的银纳米颗粒(CMC-AgNPs)比色传感器。该传感器通过Hg2+与AgNPs之间的氧化还原反应实现可视化检测，检测限达3.14 μM，并成功制备检测薄膜，为重金属污染监测提供了绿色高效的解决方案。

　　

汞污染已成为全球性的环境健康威胁，这种有毒重金属通过工业排放和农业活动进入水体，最终通过食物链富集对人体神经系统、心血管系统和免疫系统造成严重损害。传统检测方法虽然精准但操作复杂、成本高昂，难以满足现场快速检测的需求。与此同时，入侵物种水葫芦的泛滥成灾也给水域生态系统带来了巨大挑战，如何将这种有害生物质转化为高附加值材料成为研究者关注的重点。

在这项发表于《RSC Advances》的研究中，泰国孔敬大学研究团队创新性地将环境治理与传感技术相结合，利用水葫芦生物质开发出一种高效汞离子检测传感器。研究人员首先从水葫芦中提取纤维素，通过碱化和酯化反应合成羧甲基纤维素(CMC)，随后以其为稳定剂和还原剂，采用绿色合成法制备了银纳米颗粒(CMC-AgNPs)。当该纳米材料与汞离子接触时，基于标准还原电势差异发生氧化还原反应，形成Ag-Hg汞齐，导致溶液颜色从黄褐色变为无色，从而实现汞离子的可视化检测。

关键技术方法包括：从水葫芦生物质中提取纤维素并合成CMC；利用CMC绿色合成银纳米颗粒；通过UV-vis、XRD、FTIR、TEM等技术表征材料性质；系统优化检测条件(pH、反应时间、浓度等)；制备PVA/淀粉复合薄膜传感器；应用实际水样验证检测性能。

3.1. 水葫芦羧甲基纤维素的表征

研究人员通过碱处理、酸水解和漂白三步法从水葫芦中提取纤维素，SEM显示其呈现无序纤维形态。XRD分析表明合成CMC的结晶度降低，FTIR在1587 cm^-1处确认了羧甲基特征峰，证明成功制备出水溶性良好的CMC材料。

3.2. 羧甲基纤维素的合成

合成过程涉及羟基的钠化取代和羧甲基化反应，甲醇洗涤去除未反应基团，乙酸中和完成离子交换，最终获得取代度良好的CMC产品。

3.3. 纤维素和羧甲基纤维素的表征

对比分析显示CMC相比纤维素结晶度降低，SEM显示CMC呈现不规则形态且有表面裂纹，这种结构变化有利于提高其水溶性和反应活性。

3.4. CMC-AgNPs的表征

UV-vis在410 nm处出现表面等离子体共振峰，TEM显示纳米颗粒平均尺寸为13.9±2.6 nm且分布均匀，XRD确认面心立方结构，XPS证明CMC成功修饰在银纳米颗粒表面。

3.5. Hg²⁺检测的比色传感器

检测机理基于Hg²⁺/Hg(0)（0.85 V）与Ag⁺/Ag(0)（0.80 V）的标准还原电势差，Hg²⁺氧化AgNPs形成Ag-Hg汞齐，TEM观察到颗粒尺寸增大至20.3±4.5 nm，zeta电位从-26.2 mV升至-5.89 mV，证实了 amalgam形成。

3.6. Hg²⁺传感的pH影响

在pH 3.0条件下检测灵敏度最高，符合软酸-软碱作用原理，适度质子化的羧基更有利于与Hg²⁺形成稳定配合物。

3.7. CMC-AgNPs浓度对Hg²⁺传感的影响

确定最佳检测浓度为0.47 nM（100 μL），较高浓度下吸光度变化更显著，便于观察检测结果。

3.8. 反应时间对Hg²⁺传感的影响

反应在4分钟内达到平衡，颜色变化迅速，满足快速检测的需求。

3.9. 选择性研究

传感器对Hg²⁺表现出高度特异性，常见金属离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺等）均无显著干扰，裸眼观察仅Hg²⁺引起明显变色反应。

3.10. 光学传感器对Hg²⁺检测的分析性能

在5-45 μM浓度范围内呈良好线性关系（R²=0.9914），检测限和定量限分别为3.14 μM和10.45 μM，满足环境监测要求。

3.11. CMC-AgNPs在实际水样中Hg²⁺离子测定的应用

加标回收实验显示回收率达99.01%-100.65%，RSD小于2.58%，证明方法在实际水样中具有良好适用性。

3.12. CMC-AgNPs在复合薄膜中测定Hg²⁺离子的应用

基于PVA/木薯淀粉的复合薄膜在30分钟内可实现2-10 mM浓度范围的Hg²⁺检测，浓度越高变色越明显，提升了检测便利性。

该研究成功将环境污染物水葫芦转化为高价值功能材料，开发出具有高选择性和灵敏度的汞离子检测传感器。CMC-AgNPs不仅解决了纳米颗粒易聚集的技术难题，还通过薄膜化设计实现了检测设备的便携化。这种"以废治毒"的策略为重金属污染监测提供了新思路，在环境治理、食品安全和公共卫生领域具有广阔应用前景。特别是将入侵生物质资源化利用的模式，为类似环境问题的解决提供了可借鉴的范例。