基于木兰叶衍生生物炭的超灵敏光电化学适配体传感器用于作物土壤及农业水体中Cu2+检测

针对农业环境中铜离子(Cu2+)污染监测难题，研究人员开发了基于N/Si共掺杂生物炭修饰TiO2的光电化学(PEC)适配体传感器。该传感器通过生物炭拓宽光吸收范围、促进电荷分离，结合适配体特异性识别，实现了1×10?3-2×104 pM宽线性范围、0.3 fM超高灵敏度的Cu2+检测，为农业重金属监测提供了低成本高效解决方案。

　　

在农业生产中，铜离子(Cu²⁺)作为必需微量元素被广泛使用，但过量积累会通过土壤-作物-食物链传递威胁人类健康。现有检测技术如原子吸收光谱虽精确，却存在设备昂贵、前处理复杂等局限。针对这一难题，来自中国的研究团队创新性地利用木兰叶制备N/Si共掺杂生物炭(NSi-C)，通过微波辅助法构建TiO₂@NSi-C复合材料，开发出超灵敏光电化学(PEC)适配体传感器，相关成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

研究采用微波辅助水热法制备复合材料，通过X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征材料结构，利用电化学阻抗谱(EIS)和光电流响应测试评估性能。实际样本检测选取作物土壤和农业水体，采用标准加入法验证准确性。

材料表征与性能优化
XRD分析显示TiO₂@NSi-C保留了锐钛矿晶型，NSi-C的引入未改变晶体结构但显著增强可见光吸收。XPS证实N/Si成功掺杂，形成Ti-O-C键促进界面电荷传输。光电测试表明复合材料光电流强度较纯TiO₂提升4.8倍，归因于NSi-C的电子桥梁作用和缺陷位点捕获空穴的协同效应。

传感机制与性能评估
适配体通过氨基与TiO₂@NSi-C电极的羧基共价固定，Cu²⁺结合导致适配体构象变化脱离电极表面，加速电子转移使光电流增强。传感器在1×10^?3-2×10⁴ pM范围内呈线性响应，检出限低至0.3 fM，较传统方法灵敏度提高3个数量级。实际样本加标回收率91.3%-108.7%，且不受Fe³⁺、Pb²⁺等常见离子干扰。

结论与展望
该研究开创性地将木兰叶生物炭应用于PEC传感领域，NSi-C的掺杂不仅拓展了TiO₂的光响应范围，其独特的π共轭结构和异质原子缺陷更实现了光生载流子的高效分离。所构建传感器兼具超灵敏检测和抗干扰能力，为农业重金属污染现场监测提供了新思路。未来可通过开发便携式检测设备，推动该技术在精准农业中的实际应用。