基于壳聚糖涂层塑料光纤的高灵敏度镉离子检测技术开发与环境应用研究

本研究针对水体中高毒性重金属Cd2+污染监测需求，开发了一种基于PVA-硼酸盐-壳聚糖水凝胶涂层的塑料光纤(POF)传感器。通过构建U型传感结构并优化涂层参数，实现了对Cd2+的高灵敏度检测（88.69 dB/ppm）和低检测限（1.13×10?4 ppm），证实其通过螯合作用有效吸附镉离子，为环境重金属监测提供了低成本、高选择性且环境友好的新型检测方案。

　　

随着工业化的快速发展，环境污染问题日益严重，特别是含有有毒重金属的工业废水被随意排放到环境中，造成了严重的生态和健康威胁。在众多重金属污染物中，镉（Cd²⁺）因其高毒性而备受关注。它曾被美国《综合环境反应、赔偿和责任法》列为275种有害物质中的第七位，其毒性仅次于汞。镉离子可通过消化系统和呼吸系统进入人体，积累在内脏器官中，导致生殖损害、贫血等多种健康问题。工业废水中的镉污染来源广泛，包括颜料、塑料稳定剂、电池、太阳能电池板、防腐钢材涂层、磷肥及农业用杀菌剂等。世界卫生组织和美国环境保护署规定饮用水中镉的限值为0.003 mg/L，印度尼西亚国家标准也采用了相同的限值。

目前，检测镉离子的常规方法包括电感耦合等离子体（ICP）、光学发射光谱、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、原子吸收光谱（AAS）、伏安法和极谱法等。然而，这些方法需要昂贵的仪器和复杂的样品制备过程，限制了其广泛应用。因此，开发一种低成本、高灵敏度且易于操作的新型检测技术具有重要意义。

光纤传感器因其高灵敏度、轻质、柔性、抗电磁干扰以及防火防化学危害等优势，成为环境监测领域的研究热点。各种光学传感方法，如反射法、荧光法和吸收法，已被用于金属离子检测。然而，反射法设计复杂，不适合多路传感系统；荧光法虽然灵敏度高，但制备工艺复杂且成本较高。本研究采用渐逝场传感原理，结合U型塑料光纤结构和PVA-硼酸盐-壳聚糖水凝胶涂层，旨在开发一种新型镉离子检测传感器。

本研究的主要技术方法包括：首先通过溶液混合法制备PVA-硼酸盐-壳聚糖水凝胶，采用X射线衍射（XRD）表征其结构；其次，对塑料光纤进行剥皮和去包层处理，并通过热成型工艺制备U型传感结构；然后采用浸涂法在光纤表面涂覆水凝胶层，并通过热处理固化涂层；最后利用自主搭建的光电检测系统（基于Autonics BF5）进行传感器性能测试，并结合扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDX）、光致发光（PL）、紫外-可见光谱（UV-Vis）和原子吸收光谱（AAS）等多种表征手段验证传感器的检测机制和性能。

3. Results and discussion

通过XRD分析发现，水凝胶的主要衍射峰位于2θ=20.4°和20.7°，与壳聚糖和PVA的特征峰相符，表明其结构主要由这两种组分决定。光学显微镜观察显示，涂层表面均匀性良好，随着涂层层数增加，光纤直径从498 μm增至1227 μm，有效增加了传感面积。传感器测试结果表明，输出光强随Cd²⁺浓度增加而降低，这归因于壳聚糖与Cd²⁺形成的螯合物改变了涂层的折射率。在10 wt%壳聚糖浓度和三层涂层条件下，传感器表现出最佳性能，灵敏度达88.69 dB/ppm，分辨率为1.13×10^?4 ppm。PL光谱显示，Cd²⁺的引入导致荧光淬灭，证实了非辐射复合过程的发生。SEM-EDX分析直接检测到涂层中的镉元素，且分布不均匀，表明Cd²⁺与涂层中的氨基和羟基发生了特异性结合。UV-Vis光谱显示测试后溶液吸光度增加，暗示水凝胶组分略有降解。AAS测试证实，溶液中Cd²⁺浓度平均降低了33.82%，证明了传感器对镉离子的有效吸附能力。

本研究成功开发了一种基于PVA-硼酸盐-壳聚糖涂层的塑料光纤传感器，用于水体中Cd²⁺的高灵敏度检测。通过优化涂层参数和传感结构，传感器表现出优异的性能指标，其检测机制基于壳聚糖与Cd²⁺的螯合作用，并通过多种表征手段得到了验证。尽管传感器在重复使用方面存在局限性（部分由水凝胶降解导致），但其高灵敏度、低成本和环境友好特性使其在水环境重金属监测领域具有广阔的应用前景。该研究为开发实时、在线的重金属污染监测设备提供了重要技术支撑，对环境保护和公共健康保障具有重要意义。未来研究可进一步探索传感器的特异性、稳定性和实际应用场景验证。