《Sensors and Actuators A: Physical》：Silver nanoparticle based chemochromic sensor for hydrogen sulfide detection
编辑推荐：
银纳米颗粒通过简便溶液相法合成并展现化学显色特性，检测H?S气体浓度范围为10-500 ppm，具有高选择性和长期稳定性。
朴俊贤|白光贤|张秀焕
韩国 Dankook 大学化学工程系，龙仁 16890
摘要
银纳米颗粒由于其対巯基（-SH）的强亲和力以及在暴露于硫化氢（H?S）时产生的独特颜色变化，成为化学显色传感材料的理想选择。在本研究中，通过一种简便的溶液相方法在 25°C 下合成了表面修饰有油酸的银纳米颗粒。该纳米颗粒薄膜在暴露于 H?S 时从深橙色转变为灰色，这一变化归因于配体替换和纳米颗粒聚集现象。当暴露于 500 ppm 的 H?S 时，颜色差异（dE）值为 144，且在 10–500 ppm 的浓度范围内薄膜均表现出可见的化学显色响应，这种响应可用肉眼观察到。该传感器还对其他气体（包括 N?、CO、CO?、CH?、H? 和 NH?）具有选择性。此外，该薄膜在常温条件下具有优异的长期稳定性，传感性能可保持两周以上。
引言
硫化氢（H?S）是一种有毒且具有腐蚀性的气体，通常在有机物厌氧分解或各种工业过程中产生。污水处理厂、炼油厂、造纸厂和垃圾填埋场都会产生 H?S。由于 H?S 的密度大于空气，因此容易在低洼区域积聚，从而增加窒息的风险 [1]、[2]。H?S 具有典型的臭鸡蛋气味，高浓度的 H?S 可以使人的嗅觉丧失，这使得仅依靠嗅觉进行检测变得不可靠，从而延误事故的及时处理。暴露于 H?S 对人类健康构成严重威胁。浓度在 500–700 ppm 时，30–60 分钟内就可能产生显著的不良影响；而浓度在 700–1,000 ppm 时，可能导致迅速失去意识、呼吸停止甚至死亡 [3]。鉴于这些危害，开发实时监测 H?S 的技术至关重要 [4]。
传统的 H?S 检测技术包括电化学检测、基于半导体的传感技术和色谱法 [5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。电化学传感器即使在低浓度下也具有高灵敏度和简单的结构，但它们容易受湿度影响，需要定期校准，并且长期使用后性能会下降。基于半导体的传感器在相对较高的温度下运行稳定，但对温度变化敏感且选择性较低。气相色谱法具有出色的分析精度，但设备体积庞大且复杂，不适合实时现场应用 [11]。为了克服这些局限性，能够通过直观的颜色变化来检测 H?S 的化学显色传感器正受到关注，成为有前景的替代方案。
化学显色检测利用传感器在暴露于 H?S 时的颜色变化来进行检测。这种方法适用于快速监测，因为泄漏的 H?S 可以立即通过视觉观察到，无需高成本或复杂的设备 [12]、[13]。此前已经开发出了基于金（Au）和铜（Cu）的化学显色传感器 [14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。然而，金的成本较高限制了其商业应用；而铜容易氧化，导致长期稳定性降低 [18]、[19]。相比之下，银（Ag）具有多个优势，例如与 H?S 中的硫（S）原子反应更强、纳米结构易于制备、成本更低以及抗氧化性更强，从而提高了其实用性和经济可行性 [12]、[21]、[22]、[24]。
包装上的肉类、家禽和鱼类的保质期往往无法可靠地指示其新鲜度，这导致了大量的食物浪费和潜在的健康风险。这些食物中含硫氨基酸的微生物降解会产生多种挥发性硫化物，其中 H?S 是变质的主要指标 [25]、[26]。与变质相关的细菌（如 Shewanella putrefaciens）会产生 H?S。变质肉类包装内的 H?S 浓度很容易达到 10 至 500 ppm 的范围 [27]。将低成本化学显色标签集成到智能包装中可以实时评估食品质量，比静态印刷的保质期更可靠 [17]、[25]。
H?S 化学显色检测的另一个有前景的应用领域是地热和沼气行业。H?S 会导致金属管道、涡轮机和加工设备发生严重腐蚀和硫化物应力开裂，从而导致运行故障和安全隐患。在原始沼气中，H?S 的浓度范围可以从 100 ppm 到超过 10,000 ppm [28]、[29]。在复杂管道网络中定位 H?S 泄漏源是在发生严重故障之前的主要维护挑战。可以将化学显色胶带或涂料应用于管道接头、焊缝和阀门，当 H?S 含量高的气体泄漏时，化学显色薄膜会发生变化，使泄漏位置在常规检查中立即可见。
在本研究中，合成了表面修饰有油酸的银纳米颗粒用于 H?S 的化学显色检测，并分析了其形态、成分和结构特性。研究了基于银纳米颗粒的薄膜对 H?S 气体的比色响应，并评估了其在不同条件下的传感性能。此外，提出了一种化学显色传感机制，该机制表现为在暴露于 H?S 时颜色从深橙色变为灰色。这种传感薄膜无需外部电源，且制造过程成本低廉，适用于环境监测和一次性安全传感应用。
实验部分
实验方法
银纳米颗粒是通过反胶束介导的相转移方法合成的。补充信息中的图 S1 展示了表面修饰有油酸的银纳米颗粒的合成示意图。首先，将 0.3397 g 的 AgNO? 溶解在 40 mL 的去离子水中，形成 Ag? 水溶液；然后将 14.5789 g 的 CTAB 溶解在 25 mL 的二甲苯中，制备 0.16 M 的 CTAB 二甲苯溶液。将两种溶液混合后在室温下剧烈搅拌。
银纳米颗粒的特性分析
图 1(a) 显示了在 25°C 下溶液中合成的银纳米颗粒的透射电子显微镜（TEM）图像。这些纳米颗粒的直径在 3 至 5 nm 之间，呈球形分布在整个铜制 TEM 格子上。如图 S1 所示，在合成过程中，由于 AgNO? 水溶液和 CTAB 二甲苯混合物的剧烈搅拌，形成了较小的二甲苯液滴。
结论
通过在 25°C 下采用简便的溶液相方法合成了表面修饰有油酸的银纳米颗粒，并系统研究了其化学显色传感特性。当暴露于 500 ppm 的 H?S 时，银纳米颗粒薄膜的颜色差异（dE）值为 144.4，并且在 25°C 下对 10 至 500 ppm 的 H?S 浓度范围有明显的响应。在与 H?S 相互作用时，纳米颗粒表面的油酸长碳链被替换为较短的结构。
CRediT 作者贡献声明
白光贤：撰写 – 审稿与编辑，监督。朴俊贤：撰写 – 原稿撰写，方法学设计，实验研究，数据整理。张秀焕：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源获取，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了 Dankook 大学 2025 年研究基金的支持。
朴俊贤于 2025 年在韩国 Dankook 大学的铸造工程系获得硕士学位。她的研究领域是纳米材料和化合物半导体器件的制备及其在气体传感中的应用。
