基于碱辅助水热法构建氮掺杂碳点的pH/Fe2+双模式传感平台及硫物种检测阵列

研究人员针对环境污染中重金属离子（Fe2+）和硫衍生物（SO32?/S2O32?/S2?）的检测难题，通过NaOH介导水热法合成氮掺杂碳点（NCDs），开发了兼具pH响应（2-12）、Fe2+静态猝灭检测（LOD 0.169 μM）和硫物种PCA区分（方差95%）的多功能传感平台，为复杂环境监测提供了低成本、高选择性解决方案。

　　

随着工业化的快速发展，重金属污染和硫化物排放已成为全球性环境问题。铁离子（Fe²⁺）作为饮用水质量的关键指标，其浓度异常会导致细胞稳态失衡；而硫衍生物如亚硫酸盐（SO₃^2?）、硫代硫酸盐（S₂O₃^2?）和硫化物（S^2?）在食品工业中的广泛应用，其潜在毒性对生态系统构成威胁。传统检测方法存在成本高、耗时长、检测范围窄等缺陷，亟需开发新型多功能传感材料。

山西大学环境科学研究所（Shanxi University）的研究团队创新性地采用酚酞和间苯二胺为原料，通过碱辅助水热法合成氮掺杂碳点（NCDs），构建了集成化检测平台。该成果发表于《Journal of Hazardous Materials》，首次实现了pH宽范围检测（2-12）、Fe²⁺高灵敏度识别和硫物种阵列式分析的"三位一体"传感功能。

研究团队运用三大关键技术：1）NaOH调控的水热合成优化NCDs荧光特性；2）Hg²⁺介导的电子转移构建硫物种传感阵列（NCDs@Hg）；3）EDTA修饰增强Fe²⁺选择性静态猝灭。通过商业饮料样本验证和PCA分析（主成分1方差95%），建立了可靠的实际应用体系。

pH双模式传感机制
研究发现，原始NCDs在酸性环境（pH 2-7）通过荧光猝灭响应，碱性条件（pH 8-12）则产生肉眼可见的比色变化，这种源于酚酞结构pH依赖性的特性，在连续5次循环测试中保持稳定，成功应用于饮料pH检测。

硫物种阵列分析
通过Hg²⁺与NCDs的电子转移/氧化还原作用，构建"关-开-关"型传感阵列。三种硫化合物与NCDs@Hg体系作用后产生差异化的荧光恢复模式：SO₃^2?通过还原Hg²⁺、S^2?形成HgS沉淀、S₂O₃^2?生成[Hg(S₂O₃)₂]^2?络合物，最终实现PCA可视化区分。

Fe²⁺特异性检测
EDTA修饰使NCDs对Fe²⁺的检测限降至0.169 μM（线性范围2.25-45.00 μM），机理研究表明Fe²⁺与NCDs表面羧基/氨基的静态猝灭占主导作用，在实际水样检测中回收率达98.2%-103.5%。

这项研究开创性地通过单一纳米材料的多参数调控，解决了环境监测中多靶标检测的难题。NCDs的宽pH响应范围填补了传统传感器的技术空白，Hg²⁺介导的硫物种阵列实现了"一材多用"，EDTA修饰策略为重金属检测提供了新思路。该成果不仅为环境污染防控提供了高效工具，其模块化设计理念更为功能化纳米传感器的开发指明了方向。