利用MXene和碳纳米纤维改性的丝网印刷电极对新兴污染物进行创新的电化学检测

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Innovative electrochemical detection of emerging pollutants using MXene and carbon nanofiber modified screen-printed electrodes

MXene和碳纳米纤维复合印刷电极用于环境样品中酸红1和卡巴肼的高灵敏检测，优化方波伏安法显示6.2×10^-7~7.2×10^-6 mol/L线性范围，检测限分别为1.2×10^-7和5.2×10^-7 mol/L，具有高选择性和稳定性。

　　这项研究介绍了一种新型的电化学传感器，它基于碳墨水修饰的MXene和碳纳米纤维（CNF）制成的可弃式丝网印刷电极（SPEs），用于环境样品中酸红1（AR）和克百威（CAR）的高灵敏度检测。这类新兴污染物或污染物是自然或合成来源的物质，它们在生物体中可能引发各种副作用，这与它们的组成中所含的生物活性特性有关。由于这些污染物在环境中的存在是近年来才被发现的，因此关于它们对环境影响的研究仍较为有限。

合成染料是人工制造的有机化合物，广泛用于食品、药品、化妆品和纺织品的着色。当这些染料被排放到废水中时，由于其溶解性、稳定性和难以生物降解的特性，会对所有生物体造成重大威胁。例如，酸红1是一种纺织染料，属于偶氮染料类，具有致敏和致癌的特性，因此在环境废水中的识别和定量至关重要。另一方面，克百威是一种非特异性杀虫剂，常用于农作物、草坪、树木以及动物身上，因其高效的杀虫作用和相对较短的残留时间而被允许使用。然而，过度使用克百威可能导致其在食物或水中积累，并通过食物链进一步富集。在人体中，职业性接触克百威可能导致神经系统影响、恶心、呕吐、昏迷、呼吸衰竭甚至死亡。

在环境监测和污染治理方面，已有多种技术被应用，其中包括高效液相色谱（HPLC）、紫外-可见分光光度法（UV–Vis）、荧光和电化学分析等。电化学方法因其在分析目标物质方面的高灵敏度而受到广泛关注。电化学分析方法的一个重要优势是样品制备过程简单，样品和试剂的体积需求较小，仪器成本较低，且仪器可适配为便携和微型化设备，这对于现场分析具有重要意义。近年来，研究者对不同材料与碳基材料的组合应用表现出浓厚兴趣，因为这种组合能够产生协同效应，从而获得适合电化学传感器的材料，这些材料具有较大的电位窗口，同时成本较低。

为了提高传感器的性能，研究者在工作电极表面引入了MXene和碳纳米纤维。MXene是一种二维的过渡金属碳化物和氮化物，具有广阔的应用前景，特别是在抗菌、抗污染膜和重金属净化方面。Ti?C?Tx-MXene纳米片是一种新兴的二维纳米材料，具有可调控的化学性质、亲水表面和较大的比表面积。MXene还表现出良好的导电性、机械性能和离子插层行为，这使其成为电化学传感器的理想材料。碳纳米纤维具有独特的纳米纤维网络结构，良好的导电性和化学稳定性，但其比表面积较小，导致检测灵敏度相对较低。通过在碳墨水中引入MXene和碳纳米纤维，研究者开发出了一种性能更优的电化学传感平台。

该研究采用了循环伏安法（CV）和方波伏安法（SWV）对AR和CAR的电化学特性进行了研究。实验在0至1.2伏的电位范围内进行，扫描速率为50毫伏/秒，使用0.10摩尔/升的磷酸盐缓冲液（pH 7.0）作为支持电解质。在阳极扫描过程中，观察到了两个氧化峰，分别出现在0.55伏和1.05伏的位置。在优化后的方波伏安法条件下，该丝网印刷传感器被用于构建分析曲线，其线性浓度范围分别为6.2×10??至7.2×10??摩尔/升（AR）和2.0×10??至3.9×10??摩尔/升（CAR）。对于AR和CAR的检测限分别为1.2×10??和5.2×10??摩尔/升。此外，该传感器表现出高度的选择性、灵敏度、稳定性和可重复性，同时具有较低的成本，并且不受其他潜在干扰物质的影响。通过实验验证，该传感器在实际环境样品分析中记录了接近100%的回收率。

在材料选择方面，MXene和碳纳米纤维的结合被证明是提高传感器性能的有效策略。MXene的二维结构使其能够提供更大的比表面积，从而增强对目标物质的吸附能力。碳纳米纤维的高导电性和机械性能则有助于提高电极的响应速度和耐用性。这两种材料的协同作用使得电化学传感器在灵敏度、选择性和稳定性方面均得到显著提升。此外，由于这些材料具有良好的可加工性，因此可以轻松地将其集成到丝网印刷电极中，从而实现快速、低成本的传感器制备。

实验中使用的试剂和仪器均经过严格筛选。所有试剂均使用电阻率不低于18.2兆欧·厘米的超纯水制备，通过Millipore Milli-Q Direct-0.3系统进行净化。MXene、CNF、AR、CAR和PEDOT:PSS等材料均来自Sigma-Aldrich公司。KH?PO?、K?HPO?、NaOH和KCl则由Acros公司提供，碳墨水来自Electrodag公司，聚酯片来自Folien（美国）。电化学实验在Autolab电化学工作站（型号PGSTAT-30，Eco Chemie，荷兰乌得勒支）上进行，该设备由GPES 4.9软件控制。

通过显微镜和化学分析方法对材料的形态和化学特性进行了表征。图1A展示了不同尺寸的碳纳米纤维的形态特征，其平均直径为0.15微米。图1B和图1C则展示了在超声处理过程中产生的MXene碎片。图1D展示了这些材料的化学分析结果。这些表征结果为传感器的性能优化提供了重要依据。

该研究的主要结论是，开发出了一种新颖的电化学技术，用于环境样品中AR和CAR的检测。通过简单且成本效益高的方法，即切割和丝网印刷，制备了可弃式SPEs，并将其作为电化学传感平台。在工作电极表面引入MXene和碳纳米纤维，显著提高了传感器的性能。该传感器在实际应用中表现出良好的稳定性和可重复性，同时具有较低的成本，并且能够有效排除其他潜在干扰物质的影响。此外，该传感器在环境样品分析中记录了接近100%的回收率，表明其在实际应用中具有较高的准确性和可靠性。

本研究的成果不仅为环境监测提供了新的技术手段，也为未来的传感器开发提供了有价值的参考。通过结合MXene和碳纳米纤维，研究者成功开发出了一种高效、低成本的电化学传感平台，这在环境分析领域具有重要的应用价值。该研究还强调了电化学方法在环境监测中的优势，如样品制备过程简单、试剂用量少、仪器成本低以及便于现场使用。这些特点使得电化学方法成为分析环境污染物的有力工具。

此外，该研究还涉及对MXene和碳纳米纤维的进一步研究。MXene的二维结构使其能够提供较大的比表面积，从而增强对目标物质的吸附能力。碳纳米纤维的高导电性和机械性能则有助于提高电极的响应速度和耐用性。这两种材料的协同作用使得电化学传感器在灵敏度、选择性和稳定性方面均得到显著提升。研究者还探讨了不同材料组合对电化学性能的影响，认为这些组合能够产生协同效应，从而获得性能更优的电化学传感平台。

在实际应用中，该传感器能够有效检测环境样品中的AR和CAR，其检测限较低，表明其具有较高的灵敏度。同时，该传感器在实际样品分析中表现出良好的回收率，说明其在实际应用中具有较高的准确性和可靠性。这些特性使得该传感器在环境监测和污染治理方面具有重要的应用价值。此外，该研究还为未来传感器的开发提供了思路，即通过引入新型材料，如MXene和碳纳米纤维，提高传感器的性能。

本研究的成果表明，通过结合不同的材料，可以开发出性能更优的电化学传感器。这种结合不仅提高了传感器的灵敏度和选择性，还降低了成本，使得电化学方法在环境分析领域更加实用。MXene和碳纳米纤维的协同作用为电化学传感器的设计和优化提供了新的方向。研究者还强调了电化学方法在环境监测中的重要性，认为其具有广泛的应用前景，特别是在现场检测和实时监测方面。

通过本研究，科学家们不仅开发出了一种新型的电化学传感器，还验证了其在实际环境样品分析中的有效性。该传感器的高灵敏度和选择性使其能够准确检测AR和CAR，而其稳定性、可重复性和低成本则使其在实际应用中更加可行。这些特性表明，该传感器在环境监测和污染治理方面具有重要的应用价值。同时，该研究也为未来的传感器开发提供了思路，即通过引入新型材料，提高传感器的性能。

在环境科学领域，新兴污染物的检测和治理是一个重要的研究方向。由于这些污染物对生态系统和人类健康可能造成严重威胁，因此需要开发高效、低成本的检测方法。电化学方法因其在检测灵敏度和选择性方面的优势，成为研究的热点。通过结合不同的材料，如MXene和碳纳米纤维，可以进一步提高电化学传感器的性能。本研究的成功表明，这种材料组合在环境监测中具有重要的应用潜力。

综上所述，这项研究为环境污染物的检测提供了一种新的解决方案。通过结合MXene和碳纳米纤维，科学家们成功开发出了一种性能优异、成本低廉的电化学传感器，这种传感器在实际应用中表现出良好的稳定性和可重复性，同时具有较高的灵敏度和选择性。该研究不仅拓展了电化学方法的应用范围，还为未来的传感器开发提供了有价值的参考。