《Microchemical Journal》：Eco-friendly silver nanoparticles coupled with smartphone imaging for sensitive and selective colorimetric detection of mercury in water
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本研究开发了一种基于智能手机的便携式系统，用于检测水体中的Hg2+。采用香蕉皮提取物绿色合成银纳米颗粒（AgNPs），并通过UV-Vis、FTIR、SEM和TEM表征，证实其球形形貌、稳定性和400 nm附近的LSPR峰。系统配备定制HDPE外壳，结合RGB颜色分析，灵敏度及选择性高，检测限0.499 μM，与UV-Vis和CV-AAS验证结果一致，适用于资源有限地区的汞监测。
José Pinedo-Hernández|Betzaida Madera-Santos|Elena Ruiz-Barrios|Angela Aparicio Lozano|José Marrugo-Negrete|Sergi Díez
科尔多瓦大学，基础科学学院，化学系，水、应用与环境化学小组，哥伦比亚蒙特里亚
摘要
本研究提出了一种基于便携式智能手机的系统，用于通过比色法检测水中的Hg2+离子。该系统利用香蕉皮提取物作为还原剂和稳定剂，通过绿色合成方法制备银纳米颗粒（AgNPs）。通过紫外-可见光谱（UV–Vis spectroscopy）、傅里叶变换红外光谱（FTIR spectroscopy）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对合成的AgNPs进行了表征，确认了其球形形态、稳定性以及其在400 nm附近存在的局域表面等离子体共振（LSPR）带。检测系统由高密度聚乙烯（HDPE）制成的定制外壳组成，内置智能手机用于捕捉AgNPs与Hg2+离子之间的比色反应的数字图像。RGB颜色空间分析显示，即使在存在竞争性金属离子的情况下，该系统对Hg2+也具有高灵敏度和选择性。汞浓度与颜色强度之间存在强线性相关性，自来水和河水样品的回收率范围为94.9%至99.1%。该系统的检测限为0.499 μM，可与现有的基于AgNPs的比色方法相媲美。通过与紫外-可见光谱法和冷蒸气原子吸收光谱法（CVAAS）的比较，验证了该方法的有效性，证明了其准确性、精确性和可靠性。总体而言，这些发现支持将这种基于智能手机的比色平台作为在水环境中进行现场汞监测的强大、低成本且适应性强的工具。
引言
纳米技术结合创新分析方法的发展，已成为识别和控制环境污染物的一种有效策略。汞（Hg）因其高毒性、在环境中的持久性以及沿食物链的强生物累积潜力而被视为优先污染物，对人类健康和生态系统造成严重影响[1]。汞存在于多种环境介质中，尤其是在水中，主要以最稳定的无机形式Hg2+存在[2]。水是暴露途径之一，因为它在污染物扩散中起作用，并直接与人类消费、水生生物和农业用途相关。水体中的Hg2+会形成甲基汞（CH?Hg+，这是一种通过食物网生物放大的高神经毒性物质，即使在微量浓度下也对野生动物和人类健康构成重大风险。最近的研究表明，基于纳米颗粒的比色传感器在污染物定量和去除方面具有优势[3]、[4]、[5]、[6]，同时绿色合成的金（Au）和银（Ag）纳米颗粒也被用作比色传感探针[7]、[8]、[9]。
鉴于汞对公共健康和生态系统的潜在影响，对于能够监测水中汞含量的可靠分析工具的需求日益增加，特别是在缺乏传统实验室基础设施的地区。传统分析技术（如循环伏安法（CV）[3]、冷蒸气原子吸收光谱法（CV-AAS）[4]、石墨炉原子吸收光谱法（GFAAS）[5]、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）[6]、电感耦合等离子体光学发射光谱法（ICP-OES）[7]和冷蒸气原子荧光光谱法（CV-AFS）[8]）因其灵敏度和精确度而被广泛采用。然而，这些方法存在显著局限性，限制了其在农村地区或基础设施有限的场所的应用，包括设备成本高、需要高度专业的人员、分析时间长以及使用有害试剂[6]、[9]。尽管取得了这些进展，但在实验室检测方法和可现场部署的解决方案之间仍存在差距，后者需要结合分析可靠性、可持续性和可重复性。在这种情况下，数字图像比色法（DIC）作为一种有前景的替代分析技术应运而生。该方法利用电子设备（如智能手机）进行图像采集，并结合比色数据的计算分析，实现快速、低成本且直观的定量[10]。其操作简便性和便携性使其特别适合现场应用。最新研究表明，该方法能有效检测多种分析物，包括汞（Hg）、铜（Cu）、铬（Cr）、铁（Fe）和镍（Ni）等金属，以及有机和无机污染物，无论是通过直接反应还是使用基于可生物降解纳米材料的传感器[11]、[12]、[13]、[14]。在这些系统中，金（AuNPs）、银（AgNPs）和铜（CuNPs）等金属纳米颗粒因其光学、电学和催化性能而受到关注。特别是AgNPs，由于其局域表面等离子体共振（LSPR）特性、低成本和易于合成而表现出高灵敏度和多功能性[15]、[16]。然而，传统的合成方法通常涉及有毒有机溶剂、高温或污染性还原剂[17]，因此需要开发更可持续的合成路线。因此，提出了一种绿色合成AgNPs的方法，该方法高效、经济且环保。该方法利用含有黄酮类、皂苷类、萜类和多酚类次生代谢物的植物提取物，无需使用有毒化合物即可还原和稳定纳米颗粒[18]、[19]、[20]。在本研究中，香蕉皮提取物作为一种低成本且易于获得的农业废弃物被用作AgNPs合成的还原剂和稳定剂，因为其富含生物分子。该材料还被报道为有效的重金属生物吸附剂[21]，进一步增强了其在环境修复和增值过程中的潜力。
尽管之前的研究分别研究了AgNPs的绿色合成和基于智能手机的比色检测，但大多数报道的方法存在图像采集不规范和分析验证不足的问题。相比之下，本研究在一个便携式平台上集成了精心控制的设备设计、系统的数字图像处理和严格的多技术验证，显著提高了汞检测的可重复性和分析可靠性。
本研究的新颖之处在于开发了一种基于智能手机的便携式比色系统，用于检测Hg2+，该系统独特地将绿色合成的银纳米颗粒（AgNPs）与可控和标准化的成像平台相结合。这种方法通过确保在严格控制的条件下进行可重复的图像采集和精确的颜色数据处理，解决了以往智能手机传感器的常见问题。此外，该系统的分析性能已通过紫外-可见光谱法和冷蒸气原子吸收光谱法（CV-AAS）等成熟技术进行了严格验证，增强了其可信度。这些特点共同推动了当前智能手机比色传感策略的发展，实现了在水环境中监测汞的可持续性、可重复性和可靠定量。
因此，本工作的目标是设计和验证这一环保、经济且适应性强的传感平台，证明其在资源有限的环境中进行现场汞检测的可行性。
试剂和化学品
本研究使用了分析级试剂。去离子水（电阻率：18.2 MΩ·cm）来自Millipore水合成单元（Easypure II，Thermo Scientific），用于制备试剂和溶液；硝酸银（AgNO?，≥99.0%，Merck）、柠檬酸（C?H?O?，≥99.0%，Supelco）、乙醇（C?H?O，≥99.0%，Supelco）、氢氧化钠（NaOH，99.08%，Merck）以及可追溯至NIST SRM的标准溶液（1.000 μg/mL，Merck品牌）用于硝酸汞（Hg(NO?)?）和铜的测定。
AgNPs的表征
AgNPs的形成首先通过反应过程中出现的特征性红棕色得到证实，表明银离子（Ag+被BCE中的活性分子还原为金属银（Ag0）（图2a）。这种现象可归因于局域表面等离子体共振（LSPR）带的激发，这是贵金属的独特光学特性（Ghoshal等人，2018年）。紫外-可见光谱法进一步确认了这一现象。
结论
利用香蕉皮提取物绿色合成银纳米颗粒（AgNPs）是一种有效、可持续且可重复的方法，用于水溶液中Hg2+离子的比色检测。通过紫外-可见光谱法、傅里叶变换红外光谱法（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的全面表征，证实了形成的AgNPs具有稳定的形态和适合分析应用的光学性质。基于智能手机辅助图像捕获和RGB颜色空间的便携式系统
CRediT作者贡献声明
José Pinedo-Hernández：撰写——原始草稿、方法学、研究、数据管理。Betzaida Madera-Santos：数据管理。Elena Ruiz-Barrios：形式分析。Angela Aparicio Lozano：形式分析。José Marrugo-Negrete：项目管理、资金获取、概念构思。Sergi Díez：撰写——审稿与编辑、概念构思。
未引用的参考文献
[35], [50], [51], [52], [53], [54], [55], [56], [57], [58]
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者衷心感谢科尔多瓦大学毒理学与环境管理实验室在金属浓度分析方面的合作。同时，特别感谢奥里诺基亚研究所（IEO）、哥伦比亚国立大学的奥里诺基亚校区以及Diana Valentina Herrera Díaz在扫描电子显微镜分析方面的支持。
