Nafion-Bi2O3修饰石墨纸/凝胶电极的创新应用：提升果蔬铅检测灵敏度与抗干扰性能

为解决食品中重金属快速检测的基质干扰问题，研究人员开发了一种Nafion-Bi2O3混合修饰的石墨纸/海藻酸钠凝胶电极（GGPE），显著提升了Pb(II)的电信号响应（峰值电流增加56.62%）并降低检测限至0.015 μg/L。该研究通过化学结合与静电作用优化电极表面特性，有效排斥有机酸干扰，为基于酸提取的现场重金属检测提供了便携、低成本解决方案，对食品安全监管具有重要意义。

　　

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论文解读

铅（Pb）作为典型的重毒重金属，在果蔬中的残留会通过食物链引发脑损伤、肾衰竭等不可逆健康危害。尽管欧盟（2021/1317）和中国（GB 2762-2022）对果蔬铅含量设定了0.1–0.3 mg/kg的严格限值，但现有检测技术面临两大瓶颈：一是传统电极（如玻碳电极GCE）需复杂修饰且难以现场制备；二是酸提取样品中的有机酸（如柠檬酸CA、奎宁酸QA）和金属离子（如Mg(II)）会产生协同干扰，导致检测结果失真。

针对这些问题，湖南某高校研究团队在《Food Chemistry》发表研究，创新性地将工业用石墨纸（GP）与海藻酸钠凝胶结合，开发出可现场滴涂修饰的Nafion-Bi₂O₃/GGPE电极。该电极通过Bi₂O₃与Nafion中SO₃^?的化学键合，不仅降低扩散电阻，还新增氧结合位点，使Pb(II)检测限降至0.015 μg/L，回收率达78.33%–106.45%。更关键的是，Nafion的负电荷排斥特性可屏蔽有机酸干扰，而Bi₂O₃的引入意外暴露了离子交换干扰的新机制，为后续抗干扰设计提供了新思路。

关键技术方法
研究采用差分脉冲伏安法（DPV）评估电极性能，通过混合滴涂法将Nafion溶液与Bi₂O₃粉末修饰于GGPE表面。优化过程中测试了0.1%–5.0% Nafion浓度梯度（图1A）和0.02%–1.0% Bi₂O₃配比（图1B），结合X射线光电子能谱（XPS）分析表面化学键合机制。实际样本检测选用含典型有机酸的果蔬基质，模拟酸提取（AE）处理条件。

研究结果

1. Nafion浓度与混合修饰剂量优化
   0.5% Nafion涂层使Pb(II)峰值电流（I_p-10）提升63.83%，但过高浓度（>0.1%）会因膜过厚抑制信号。Bi₂O₃与Nafion的协同作用使I_p再增56.62%，证实OH和SO₃^?基团的静电相互作用是关键。

2. 抗干扰性能
   Nafion有效排斥CA、QA等负电有机酸，但Bi₂O₃的引入放大了Mg(II)等二价离子的竞争吸附，揭示离子交换干扰新机制。

3. 实际样本验证
   在草莓和菠菜样本中，修饰电极的回收率显著优于传统GCE，且单次检测成本降低80%，满足现场快速筛查需求。

结论与意义
该研究首次将石墨纸工业材料转化为低成本一次性电极，通过Nafion-Bi₂O₃的“排斥-吸附”协同机制，实现了铅检测灵敏度与抗干扰性能的双重突破。特别是指出离子交换干扰的放大效应，为后续传感器设计提供了重要警示。这种“滴涂即用”的修饰策略，有望推动重金属检测从实验室走向田间地头，对完善食品安全快速监测网络具有实践价值。