综述：基于氧化钨（WO3）纳米结构的电化学传感技术最新进展：综合综述

《Talanta》：Recent advances in electrochemical sensing using tungsten oxide (WO3) nanostructures: A comprehensive review

　　莫赫德·阿里|苏弗纳·特里维迪|阿布尔·卡拉姆|德班詹·吉恩|钱德拉·谢卡尔·帕蒂·特里帕蒂
印度拉达克地区卡吉尔市昆巴唐，拉达克大学物理系，邮编194103

**摘要**
纳米结构氧化钨（WO3）因其高表面积、强电催化活性以及优异的电荷转移性能，成为电化学传感领域极具前景的材料。本文综述了基于WO3的纳米复合材料的最新进展，重点介绍了其合成策略、结构设计以及在电化学传感应用中的表现。将WO3与多种功能性纳米材料结合使用，显著提升了其对各类化学和生物分析物的灵敏度、选择性和检测限。文中还特别探讨了形态、表面性质以及复合结构设计在提升传感效率中的作用。同时，针对导电性有限、带隙宽以及稳定性等问题进行了深入分析，并将其与新兴传感材料进行了比较。最后，提出了未来研究方向，旨在开发出更可靠、高性能的基于WO3的电化学传感器，以应用于环境和生物医学领域。

**引言**
纳米科学和纳米技术涉及对纳米尺度（通常为1–100纳米）的材料和结构的研究、操控及应用。纳米材料独特的特性，尤其是其高表面积与体积比以及更高的反应活性，使其区别于传统块体材料[1]。这些特性使得纳米结构在分析应用中具有极大优势，有助于开发先进的传感和检测技术。作为一门跨学科领域，纳米技术探索了纳米尺度上的现象与工程策略，为科学、工业和技术领域的进步提供了机遇。纳米技术的快速发展推动了医疗诊断、环境监测、药物分析以及食品安全等领域创新方法的诞生[1,2]。研究人员越来越看重纳米技术突破传统块体材料局限性的潜力，从而推动了多个领域中开创性方法的出现。

半导体金属氧化物是一类重要的纳米结构材料，在高性能电子系统、先进的能量转换与存储技术以及环境修复应用中发挥着关键作用。这类材料的价值在于其独特的物理化学性质，使其在众多实际应用中具有不可替代的作用。其中，氧化钨（WO3）作为一种优良的间接n型半导体，受到了广泛关注。其宽且可调控的带隙（2.4–3.6电子伏特），加上低毒性、成本较低以及在酸性环境中的优异稳定性，使得WO3成为提升电化学性能的理想材料[3]。WO3存在多种晶体相，包括立方相、三斜相、单斜相、正交相、四方相和六方相，这些不同的晶体结构赋予了它多样的功能特性。由于其高熔点、良好的机械强度和热稳定性，WO3被广泛应用于光学和电子领域。此外，纳米结构的WO3具有较大的比表面积和良好的表面渗透性，非常适合多种应用场景。人们已经制备出了各种定制化的WO3纳米结构，如纳米粒子、纳米棒、纳米片和薄膜，用于气体传感[4]、电致变色应用[5]、水分解[6]、光催化[7,8]、存储器件[9]、光电探测器[10]以及高温二极管[11]等。

一般来说，传感器由两个核心要素构成：一种能对目标刺激作出响应的材料，以及一种能将这种响应转化为可测量信号的转换器。这两者协同工作，将目标分析物与传感器之间的化学或物理相互作用转化为可测量的信号，通常无需信号放大。输出信号可以是电信号、热信号或光信号，随后会被处理成数字数据以便分析。根据输出信号的类型，传感器通常被分为不同类别[12]。其中，电化学传感器因其能够在几乎不干扰被测系统的情况下高灵敏度地检测分析物而备受青睐。电化学传感器已成为许多现代分析系统的重要组成部分，广泛应用于临床、制药、食品和环境实验室，是多种分析工具的基础。此外，许多市面上的即时检测设备也完全或部分依赖于化学传感器或生物传感器才能正常工作。生物传感器与电化学传感器的结合，已成为现代实验室工作以及便携式实时检测设备功能实现的关键。

在传感器开发过程中，选择并优化合适的敏感材料仍是一个重要挑战。这类材料可作为催化剂，用于检测特定的分析物或特定类别的分析物。纳米技术的进步带来了许多具有特殊性能的新材料，提升了电化学传感器的性能。WO3可以制成多种纳米结构，包括一维、二维和三维结构，这使得人们能够灵活调节其表面性质和功能性能，以适应不同的传感需求。此外，基于WO3的电化学传感器在稳定性、低成本以及制造便捷性方面，相比酶传感器、免疫条带传感器和适配体传感器具有明显优势。与容易发生酶变性且操作稳定性较差的酶传感器不同[13]，WO3传感器具备出色的化学和热稳定性。另外，与需要抗体或适配体作为生物识别元素的免疫条带传感器和适配体传感器不同，基于WO3的传感器可通过直接电催化机制发挥作用，简化了设备设计和存储要求[14,15]。不过，虽然免疫传感器和适配体传感器通常通过选择性生物分子识别实现更高的目标特异性，但WO3传感器往往需要通过表面功能化才能达到类似的选择性。正是这些特点，使得基于WO3的电化学传感器在低成本、耐用性和快速检测方面具有很大优势。

本文对基于WO3的纳米材料进行了全面评估，重点分析了它们的结构特征、合成策略以及电化学传感性能。同时，详细探讨了基于WO3的纳米复合材料在电化学传感应用中的最新进展。此外，还总结了当前面临的挑战、未来发展趋势以及新的研究方向，为理解WO3纳米材料在电化学传感技术中的不断发展提供了有益见解。

**节选内容**
**氧化还原活性与电催化机制**
WO3的电催化行为主要取决于其混合价态（W6+ / W5+）、缺陷丰富的结构以及半导体特性，这些因素共同作用，使得WO3能够高效地介导电化学氧化还原反应。WO3可在W6+和W5+状态之间实现可逆的氧化还原转变，从而充当分析物与电极表面之间的电子传递介质，降低活化能并加速反应速率[16,17]。这种氧化还原灵活性是其发挥电催化作用的重要基础。

**WO3纳米结构的合成策略**
目前，人们已通过多种技术合成了WO3纳米结构材料，包括水热法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、微波辅助合成法、水相沉淀法以及机械化学法。这些方法能够精确控制WO3的尺寸、形态和维度，从而形成一维、二维和三维的各种纳米结构[31]。在后续章节中将进一步详细介绍这些合成方法。

**电极与电化学技术**
在电化学传感中，电极的选择是决定传感器灵敏度、稳定性和整体适用性的关键因素。在传统电极中，玻璃碳电极因具有优异的导电性、宽的电位窗口、极低的背景电流以及较强的化学耐受性，仍是一种广泛使用的标准电极[46,47]。图3a展示了一种经过WO3和rGO纳米复合材料改性的玻璃碳电极。相比之下，

**用于药物检测的WO3基电极**
近年来，电化学传感技术取得了显著进展，尤其是在药物化合物的分析领域[60]。电化学技术逐渐被视为常规药物分析的可靠替代方法，广泛应用于临床研究、质量控制和药品配方检测中。在各种传感平台中，经过WO3改性的电极因其纳米结构特性而展现出巨大潜力，能够实现高效的检测功能。

**双酚A**
双酚A是聚碳酸酯塑料和环氧树脂的主要成分，由于其在食品包装、饮料罐以及牙科材料等消费品中的广泛使用，引发了越来越多的担忧。作为一种具有雌激素模拟作用的环境内分泌干扰物，双酚A会带来严重的健康风险，包括糖尿病、肝脏疾病、癌症以及生殖异常[76]。因此，开发高度灵敏且可靠的检测技术，用于检测微量的双酚A，具有重要意义。

**用于生物医学和临床诊断的WO3基电极**
生物分子的检测至关重要，因为它们是生物过程的关键指标，也是医学、食品安全、环境监测以及法医学等领域应用的基础[90]。在医疗保健领域，生物分子分析在疾病早期诊断、治疗监测、药物研发以及个性化医疗的发展中发挥着核心作用[91,92]。

**结论、挑战与未来方向**
本文总结了基于WO3的纳米材料在电化学传感和生物传感领域的设计、合成及应用方面的重大进展。在形态控制（如纳米棒、纳米片、分层结构）、相工程（如单斜相、六方相和水合相）以及表面功能化方面的进步，显著提升了电化学性能。鉴于WO3的化学稳定性、低毒性、生物相容性以及可调控的带隙，它具有巨大的应用潜力。

**未来发展方向**
未来的研究应重点关注合理的缺陷与界面工程，以克服WO3的固有局限性。通过可控引入氧空位、应变工程以及异质结构设计，可以优化其电子结构，提升电荷传输能力，同时保持材料的稳定性。此外，深入理解传感过程的机制也极为重要。未来应发展更先进的原位和操作过程中的检测技术，例如原位拉曼光谱、电化学阻抗谱等。

**作者贡献声明**
莫赫德·阿里：撰写——初稿。苏弗纳·特里维迪：撰写——初稿。阿布尔·卡拉姆：撰写——初稿。德班詹·吉恩：指导，撰写——审阅与编辑。钱德拉·谢卡尔·帕蒂·特里帕蒂：指导，撰写——审阅与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
DG和CSPT感谢比哈尔大学IoE小组根据IoE计划提供的启动资金（开发计划编号6031）。作者们还感谢国王哈立德大学研究与研究生院通过“大型研究团队计划”为这项工作提供的资助，资助编号为RGP 2/409/47。