使用托伦斯试剂对银纳米粒子（AgNPs）进行改性，以实现甲醛的选择性比色检测

《Results in Chemistry》：Modification of silver nanoparticles (AgNPs) with tollens reagent for selective colorimetric detection of formaldehyde

甲醛检测基于银纳米颗粒修饰托伦试剂的比色传感器研究，通过UV-Vis光谱和TEM表征发现，甲醛还原Ag(I)生成AgNPs并导致表面等离子体共振（SPR）峰红移至420 nm，线性范围10-100 μM，检测限11.20 μM，对其他醛类干扰小。

　　本研究旨在开发一种基于银纳米颗粒（AgNPs）与托伦斯试剂（Tollens' reagent）的新型比色传感器，用于检测甲醛。随着对空气质量和环境健康问题的关注不断增加，甲醛作为一种常见的挥发性有机化合物，因其潜在的健康危害而受到广泛关注。世界卫生组织（WHO）和国际癌症研究机构（IARC）已将甲醛列为对人类健康具有潜在危害的物质，特别是在室内空气中，其浓度可能因建筑材料、家具和清洁产品等而升高，从而对居民的健康构成威胁。因此，开发一种快速、简便且经济的检测方法具有重要意义。比色传感器作为一种直观且易于操作的检测手段，已被广泛研究用于检测多种污染物。本研究通过引入一种改进的AgNPs-Tollens系统，进一步提升了甲醛检测的灵敏度和选择性，为环境监测和健康防护提供了新的技术路径。

AgNPs在传感器技术中具有独特的优势。其表面等离子体共振（SPR）特性使其能够对光产生强烈的吸收和散射，这一特性在纳米材料领域中备受关注。AgNPs的高比表面积使其能够与目标分子发生有效的相互作用，从而产生可观察的光学变化。然而，为了提升AgNPs在检测甲醛时的性能，研究人员对其进行了表面修饰，使其在特定条件下表现出更高的灵敏度和选择性。托伦斯试剂作为一种经典的氧化还原试剂，通常用于检测醛类化合物，其能够与甲醛发生反应，将其还原为金属银，从而引发AgNPs的生长或聚集。这种反应不仅改变了溶液的颜色，还影响了AgNPs的光学特性，使其能够通过比色变化来指示甲醛的存在。

在本研究中，AgNPs的合成采用了柠檬酸钠和单宁酸作为还原剂和稳定剂。这两种物质的协同作用不仅有助于AgNPs的形成，还能防止其在溶液中发生团聚。通过紫外-可见光谱（UV–Vis）、X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）等技术对AgNPs进行了表征，验证了其形貌、尺寸和晶体结构。UV–Vis光谱显示，AgNPs在约417 nm处具有明显的表面等离子体共振（LSPR）峰，表明其成功合成。XRD分析进一步确认了AgNPs的面心立方（fcc）结构，这是银纳米材料的典型结构特征。TEM图像则直观地展示了AgNPs的球形形态及其均匀的尺寸分布，平均粒径约为26.91 nm，表明其在合成过程中具有良好的可控性。

为了提升AgNPs在检测甲醛时的性能，研究人员将托伦斯试剂引入AgNPs的合成体系中。这种修饰方法不仅保留了AgNPs的光学特性，还增强了其对甲醛的响应能力。通过实验，研究人员发现AgNPs@Tollens系统在甲醛存在时能够产生显著的吸收峰变化，而其他醛类化合物如乙醛和苯甲醛则表现出较弱或无响应。这种选择性是由于甲醛具有更高的还原能力，其化学结构使其能够有效地还原银离子（Ag?），而其他醛类化合物由于分子结构的复杂性或空间位阻的存在，其还原能力相对较弱。因此，AgNPs@Tollens系统能够特异性地识别甲醛，为实际应用提供了可靠的基础。

在实验过程中，研究人员还探讨了不同参数对传感器性能的影响，包括AgNO?的浓度、反应时间以及传感器的灵敏度。通过调整AgNO?的浓度，发现0.08 mM是最佳选择，因为该浓度下的AgNPs能够产生最强的吸收信号。此外，反应时间的优化表明，100分钟的反应时间能够使AgNPs充分生长或聚集，从而获得最高的检测灵敏度。然而，过长的反应时间可能导致信号饱和，因此需要在灵敏度和检测速度之间找到平衡。通过比较不同浓度下的吸收光谱，研究人员还发现甲醛浓度与AgNPs的吸收强度之间存在良好的线性关系，这为定量检测提供了依据。最终，该传感器的检测限（LOD）被确定为11.20 μM，表明其在低浓度甲醛检测方面具有较高的灵敏度。

为了进一步验证AgNPs@Tollens系统对甲醛的选择性，研究人员对其与其他潜在干扰物的反应进行了比较。实验结果表明，当AgNPs@Tollens与甲醛反应时，其吸收峰显著增强，而与乙醛、苯甲醛等其他醛类化合物反应时则几乎无变化。这说明该系统对甲醛具有高度的选择性，能够在复杂环境中有效区分目标分子。此外，研究人员还通过Zeta电位分析研究了AgNPs@Tollens系统的稳定性。在未添加甲醛的情况下，AgNPs@Tollens的Zeta电位为-54.1 mV，表明其具有良好的分散性。然而，当加入甲醛后，Zeta电位显著降低至-21.4 mV，这表明AgNPs之间的静电排斥力减弱，导致其更容易发生团聚。这种团聚现象与TEM分析结果一致，进一步证明了AgNPs@Tollens在甲醛存在时的物理和化学变化。

本研究的成果不仅体现在AgNPs@Tollens系统的性能优化上，还体现在其在实际应用中的潜力。该传感器的检测过程无需复杂的仪器设备，仅需紫外-可见光谱仪即可完成检测，这使得其在资源有限的环境中具有较高的实用性。此外，该传感器的检测方法具有良好的可重复性和可再生性，使其能够用于多次检测，从而降低了成本。其快速的检测时间（100分钟）和直观的颜色变化也使其适用于现场快速检测。这些特性使得AgNPs@Tollens比色传感器成为一种理想的检测工具，特别是在室内空气质量监测和公共场所健康防护方面。

在对比其他已报道的甲醛检测方法时，AgNPs@Tollens系统展现出了独特的优势。例如，一些基于银纳米颗粒的传感器虽然具有较高的灵敏度，但往往需要复杂的表面修饰或特定的检测条件。相比之下，本研究的AgNPs@Tollens系统在操作简便性、成本效益和选择性方面表现更优。此外，该系统在检测过程中无需外部电源或其他辅助设备，使其在便携性和易用性方面具有显著优势。这些特点使其在实际应用中具有广泛的可能性，包括用于家庭环境、工业场所或公共场所的甲醛检测。

从实验数据来看，AgNPs@Tollens系统在检测甲醛时的性能表现优异。其吸收光谱在420 nm处出现明显的峰值，而其他醛类化合物则未能引发类似的响应。这种显著的光谱变化不仅表明了AgNPs与甲醛之间的特异性反应，还为定量检测提供了依据。通过建立校准曲线，研究人员进一步验证了AgNPs@Tollens系统在不同甲醛浓度下的响应一致性。校准曲线的R2值达到0.99761，表明其具有良好的线性关系，适用于定量分析。此外，该系统的检测限（LOD）为11.20 μM，这在实际环境中具有重要的意义，因为许多甲醛污染源的浓度可能接近这一水平。

在实际应用中，AgNPs@Tollens比色传感器具有广泛的适用性。其不仅适用于实验室环境下的精确检测，还能够用于现场快速检测，特别是在资源有限或需要即时反馈的场合。此外，该系统可以与其他材料或技术结合，如纸基传感器或光纤传感器，从而拓展其在不同环境中的应用范围。这种灵活性使得AgNPs@Tollens系统能够适应多种检测需求，从简单的定性检测到复杂的定量分析。同时，该传感器的可再生性也使其在长期使用中具有成本优势，减少了重复制备的需要。

尽管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些局限性。例如，检测时间较长（100分钟）可能影响其在某些实时监测场景中的适用性。此外，该系统可能对某些其他还原性物质产生干扰，因此在实际应用中需要进一步优化以提高其抗干扰能力。未来的研究可以探索更短的检测时间或更高效的修饰方法，以提升传感器的性能。同时，可以结合其他检测技术，如荧光检测或电化学检测，以实现更全面的甲醛监测。此外，研究者还可以考虑将该传感器集成到智能设备中，实现自动化检测和数据记录，从而提高其在环境监测中的应用价值。

总的来说，本研究开发的AgNPs@Tollens比色传感器为甲醛检测提供了一种新颖、简便且经济的方法。其基于AgNPs的光学特性，结合托伦斯试剂的还原能力，实现了对甲醛的特异性识别和高灵敏度检测。该系统不仅能够通过颜色变化直观地显示甲醛的存在，还能够通过紫外-可见光谱进行定量分析。这种检测方法具有广阔的应用前景，尤其是在需要快速、低成本和便携式检测的环境中。未来，随着对传感器性能的进一步优化，AgNPs@Tollens系统有望成为甲醛检测领域的主流技术之一，为保障人类健康和环境安全提供强有力的支持。