综述:电化学PFAS传感中潜在强大但常被忽视的变量——时间

【字体: 时间:2025年07月03日 来源:Current Opinion in Electrochemistry 7.9

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  这篇综述创新性地提出电化学传感领域应重视时间变量在检测全氟和多氟烷基物质(PFAS)中的关键作用。作者通过对比热力学(thermodynamics)与反应动力学(kinetics)的差异,指出分子印迹聚合物(MIPs)传感器在低浓度PFAS检测中需建立时间依赖性动力学模型,突破传统Langmuir等温线(Langmuir Isotherm)的局限,为环境污染物早期监测提供新思路。

  

时间:电化学PFAS传感中被低估的维度

Abstract
现代电化学过度依赖热力学测量,而忽略了分析物与传感器结合需要时间这一关键事实。针对全氟和多氟烷基物质(PFAS)这类新兴污染物,分子印迹聚合物(MIPs)展现出定性定量检测潜力,但需从热力学等温线模型转向时间依赖性动力学模型。

Introduction
1851年Ludwig Wilhelmy首次量化蔗糖酸催化转化速率时,科学界尚未意识到动力学的重要性。随着Gibbs热力学定律的盛行,人们忽视了大多数化学反应实际处于非平衡态。例如O2(g)与H2(g)反应虽热力学自发(ΔG=-237.16 kJ·mol-1),但动力学速率低至10-50——这正是生命得以存在的基础。电化学测量本身会打破平衡态,因此PFAS传感需更关注动力学过程。

The Need for PFAS Electrochemical Sensing
PFAS自1968年就被确认为持久性环境污染物,其碳氟键解离能(BDEs)高达544 kJ·mol-1,导致生物累积并引发神经毒性、生殖系统损伤等健康风险。传统色谱检测成本高昂,而电化学传感器可实现现场快速检测,但需解决低浓度下的灵敏度瓶颈。

Sensor–Analyte Interactions
"锁钥机制"结合过程并非瞬时完成:MIPs空腔与PFAS分子的结合效率取决于碰撞频率和驻留时间。抗体、适体等传感器虽各有优势,但MIPs耐极端环境的特性使其更适合野外监测。实验证明延长孵育时间可使检测限降低2个数量级。

Mathematical Approaches
现行Langmuir、Freundlich等温线模型仅考虑浓度变量,而忽略时间维度。新兴研究通过分光光度法测定MIPs吸附/解吸动力学,发现PFAS结合存在明显滞后阶段,这解释了为何短时检测会漏判低浓度样本。

Conclusions
当环境限值不断降低时,仅靠热力学模型会牺牲灵敏度。建议建立包含时间参数的动力学方程,例如引入二级速率常数k2来描述MIPs-PFAS结合过程。这种范式转换将推动下一代电化学传感器的设计革命。

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