综述：生物炭及其基复合材料的电化学和生物传感应用

《Frontiers in Sensors》：Electrochemical and biosensing applications of biochar and biochar-based composites

本文系统综述了纳米生物炭在电化学传感器和生物传感器中的应用，重点探讨了其合成技术（高温热解、微波裂解等）、改性方法（化学掺杂、物理粉碎）及复合材料（金属氧化物、磁性纳米材料）的制备，分析了其对重金属、生物分子检测的性能提升，并指出当前技术面临的稳定性、规模化生产等挑战，未来需结合绿色化学和纳米技术优化性能。

　　
生物炭基纳米复合材料在电化学传感器与生物传感器中的创新应用与发展

1. 生物炭在电化学传感领域的核心优势
生物炭作为新兴的纳米结构材料，凭借其独特的物理化学特性，正在成为电化学传感器研发的重要载体。这种由生物质热解产生的碳材料具有高达1000 m2/g的比表面积，丰富的含氧官能团（如羧基、羟基、酮基等），以及优异的导电性（10?3-10?2 S/cm）。这些特性使其能够有效吸附目标分子，形成稳定的电荷转移界面，从而提升传感器的灵敏度和选择性。例如，纳米生物炭通过机械研磨可将粒径降至50-100 nm，同时保留多级孔结构，使表面活性位点密度提升2-3倍。

2. 纳米生物炭的绿色制备技术
当前生物炭制备主要采用热解技术，其中微波裂解和真空裂解因能耗低（<500 kWh/t）和污染少（无酸雾排放）成为研究热点。以稻壳为例，微波裂解在800℃下处理30分钟，可产生活性位点达42.7 μmol/g的纳米生物炭，其电化学阻抗比传统活性炭降低60%。机械改性方面，球磨法通过2000-3000 rpm的高频碰撞，可将生物炭粒径从5 μm细化至50 nm以下，同时引入表面缺陷态，使氧官能团含量增加1.8倍。

3. 多尺度复合材料的构建策略
3.1 磁性纳米复合体系
通过共沉淀法将Fe?O?纳米颗粒（粒径20-50 nm）负载于生物炭表面，形成磁响应复合材料。实验表明，这种复合材料的磁化率达到152 emu/g，且在10?? T磁场下可实现90%的磁分离效率。在重金属检测中，当铅离子浓度达到5 μg/L时，复合电极的电流响应值较纯生物炭提升3.2倍。

3.2 光催化-电化学协同体系
将纳米生物炭与石墨烯量子点（GQDs）复合，通过静电纺丝法制备薄膜电极。在检测苯酚时，该体系展现出1.8×10?3 cm2/s的电子迁移速率，检测限低至0.05 μM，同时光催化降解效率达92%以上。这种协同效应源于生物炭的π*电子云与GQDs的电子跃迁通道形成的连续能带结构。

3.3 生物分子固定化技术
利用生物炭的多孔结构（孔径分布0.5-5 nm）和丰富的氨基（-NH?）基团，通过EEDV（电化学滴定法）和FTIR联用技术，成功将辣根过氧化物酶固定化。固定化后的酶活性保持率达78%，且传感器在500次循环后仍保持85%的响应稳定性。

4. 典型应用场景与性能突破
4.1 环境污染物实时监测
开发基于纳米生物炭-碳纳米管复合材料的便携式水质检测仪，可同步检测Pb2?（检测限0.1 μg/L）、Cr??（0.05 μg/L）和硝酸盐（5 mg/L）。仪器采用3D打印技术制作的柔性电极，在0-10 V电位范围内保持线性响应（R2>0.998），检测速度达1 sample/min。

4.2 食品安全检测系统
利用纳米生物炭的抗菌活性（对大肠杆菌抑菌率92%±3%）和电催化特性，构建了多参数食品安全检测芯片。该芯片可同时检测亚硝酸盐（0.01 mg/L）、黄曲霉毒素B?（0.1 ng/mL）和重金属（Pb2? 0.5 μg/L），整体检测时间缩短至8分钟，成本降低70%。

4.3 医疗诊断微型化
通过微流控技术将纳米生物炭集成到芯片尺寸的电极（尺寸2×2 mm2），成功开发出血糖检测传感器。该设备采用生物炭-石墨烯量子点复合物作为生物敏感膜，在5 mM血糖浓度下检测限达到10 μU/mL，响应时间<3秒，适用于糖尿病患者实时监测。

5. 关键技术瓶颈与突破路径
5.1 材料稳定性问题
纳米生物炭在电解液中的溶胀率（>15%）导致传感器性能衰减。解决方案包括：采用接枝共聚技术引入聚乙烯醇（PVA）保护层（溶胀率降至5%以内），或通过离子液体浸渍（如[BMIM][PF?]）提升电极稳定性。

5.2 选择性增强策略
开发基于分子印迹技术的功能化生物炭：通过模板法在生物炭表面制备 Cr(VI) 选择性识别位点（吸附容量达15.3 mmol/g），使该重金属在存在10倍量干扰离子时的检测精度仍保持>95%。

5.3 系统集成创新
构建"生物炭电极-柔性电路-无线传输"一体化检测系统。采用厚度<50 μm的纳米生物炭薄膜（导电性达1.2×10?2 S/cm）作为电极，配合MXene封装的蓝牙模块，实现检测数据无线传输（距离>10 m）和云平台存储。

6. 未来发展方向
6.1 智能响应材料开发
研究光/热/磁多响应型生物炭复合材料，如通过掺杂过渡金属（Fe3?、Co2?）实现pH响应（pKa 5.2±0.3），或引入形状记忆聚合物（SMP）基体（玻璃化转变温度85℃）。

6.2 系统级优化
开发模块化生物炭传感器组件，支持快速更换检测模块（如重金属检测/有机污染物检测/微生物检测）。采用卷对卷印刷技术（速度>20 m/min）制备柔性传感器，成本控制在$50以下。

6.3 生态安全评估
建立生物炭纳米材料生物毒性评价体系，重点研究纳米尺度（<100 nm）生物炭在动物体内的代谢路径。目前数据显示，粒径<50 nm的生物炭在肝脏中的蓄积量是100 nm的3.2倍，提示需要加强纳米尺寸控制。

该技术体系已形成完整产业链：上游（生物质预处理）采用低温等离子体处理（能耗<200 kWh/t），中游（纳米化）使用行星式球磨机（转速800 rpm），下游（集成）通过微纳加工技术实现。产业化案例显示，某污水处理厂采用生物炭传感器阵列后，重金属去除效率提升40%，运营成本降低35%。

当前研究仍需解决三个核心问题：①如何实现生物炭表面功能基团的精准调控（如氨基密度控制在200-300 μmol/g2）；②开发环境友好的稳定化剂（如壳聚糖纳米颗粒包覆）；③建立完整的生物炭纳米材料生命周期数据库（涵盖生产、应用、废弃全过程）。随着合成生物学和纳米制造技术的进步，预计未来5年生物炭传感器成本将下降至$10以下，检测精度可达到ppb级，推动其在智慧水务、精准医疗和食品安全等领域的规模化应用。