Fe3O4/月桂酸电化学传感器用于水中快速、选择性且低成本的微塑料检测

《Talanta》：Fe 3O 4 / Lauric Acid Electrochemical Sensor for Rapid, Selective and Cost-Effective Microplastic Detection in Water

　　

摘要

微塑料（MPs）是一类新型的持久性和顽固性污染物，对生态系统和人类健康构成严重威胁，因此迫切需要开发高效简便的检测技术。本研究设计了一种基于Fe₃O₄@月桂酸（La）修饰电极的MP检测平台，结合了高性能的MP吸附材料Fe₃O₄@La和电化学分析方法。Fe₃O₄@La复合材料通过液相沉积法由Fe₃O₄和月桂酸制备，用于捕获聚苯乙烯（PS）微塑料。随后将呋喃酚（Fc）信号分子吸附到被捕获的微塑料活性位点上，并通过差分脉冲伏安法（DPV）进行定量分析。该策略利用了目标物质的疏水性和负电荷特性，在存在阳离子、阴离子和有机物质的情况下仍保持高选择性和优异性能。传感器在5 – 500 μg/L的微塑料浓度范围内表现出良好的线性，检测限（LOD）为1.91 μg/L。在实际样品分析中，该方法显示出89.0%至107.1%的满意回收率，相对标准偏差（RSD）≤8.03%。这项研究提供了一种灵敏、快速且经济的方法，具有检测水中微塑料的巨大潜力。

引言

由于微塑料（MPs）在全球范围内广泛分布，并对生态系统和人类健康造成潜在风险，它们已成为日益关注的污染物。MPs通常定义为直径小于5毫米的塑料颗粒，来源于工业排放以及较大塑料碎片的物理、化学和生物降解[1]，[2]。由于其持久性和难以降解的特性，MPs已在海洋、淡水、陆地甚至大气环境中被广泛检测到，对全球环境管理构成了重大挑战[3]。因此，高效稳定的检测技术对于了解MPs的环境行为和生态影响至关重要。

当前的微塑料检测方法包括光学显微镜、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱、热解气相色谱-质谱（Py-GC/MS）和电化学技术[4]，[5]。近年来，电化学检测技术因高灵敏度、快速响应和低成本而受到越来越多的关注[5]，[6]。电化学检测微塑料的关键在于利用MPs与电极表面的特定相互作用来诱导电化学信号的变化，从而实现对MPs的定性和定量分析。例如，Vidal等人[7]使用玻璃碳电极（GCE）检测直径为0.1-10 μm的聚苯乙烯颗粒，检测限低至0.005 pM。Woo等人[8]利用结合肽的疏水相互作用同时检测多种类型的微塑料。此外，Urso等人[9]使用γ-Fe₂O₃/Pt/TiO₂复合材料进行磁富集，能够在10⁶-10¹⁴ mL^-1的线性范围内检测50纳米的羧基化聚苯乙烯。上述研究丰富了电化学微塑料检测技术，为其发展奠定了基础。然而，仍存在一些问题，如检测时间较长、材料制备复杂和成本较高，需要解决。

开发一种制备简单且成本低廉的高性能电极材料是解决这些问题的关键。近年来，具有优异电化学性能和生物相容性的Fe₃O₄已被广泛用于生物分子和环境污染物的检测[10]，[11]，[12]。Fe₃O₄成本低廉且易于修饰。大量研究表明，由Fe₃O₄和长链脂肪酸形成的复合材料不仅具有优异的分散性和稳定性，还具有特定的表面化学功能[13]，[14]，[15]，[16]。月桂酸（La）是一种含有12个碳原子的长链饱和脂肪酸，可通过液相沉积法与Fe₃O₄形成稳定且高度疏水的复合材料[17]，[18]。这种复合材料主要通过静电相互作用有效吸附微塑料[18]，[19]，[20]。为了解决上述问题，Fe₃O₄@La复合修饰电极适用于微塑料的电化学检测。

为了进一步降低成本并简化电化学微塑料检测过程，我们引入了一种新型策略，使用Fe₃O₄@La修饰电极来定量水中的微塑料。Fe₃O₄@La复合材料通过液相沉积法制备并涂覆在玻璃碳电极上，有效捕获水样中的PS微塑料。呋喃酚（Fc）信号分子通过疏水相互作用吸附到微塑料的活性位点上，并通过差分脉冲伏安法（DPV）进行定量。该方法同时利用了目标物质的疏水性和负电荷特性，表现出良好的特异性。实际样品中的常见干扰物（包括阳离子、阴离子和大分子有机化合物）对检测性能影响很小。在各种实际水样中也展示了满意的回收率，证实了该方法在复杂基质中的适用性和准确性。这项研究展示了一种快速、灵敏且低成本的电化学方法，无需复杂的仪器或预处理，为研究微塑料的全生命周期提供了有价值的工具。

章节片段

材料与试剂

C₁₂H₂₄O₂、Fe₃O₄、KCl、Fe(C₅H₅)₂、200纳米PS微球和30纳米SiO₂从上海麦克林生化科技有限公司购买。杜邦膜溶液来自上海楚西工业有限公司。MgSO₄、KNO₃、K₂C₂O₄、CH₃COONa、CaCl₂、(NH₄)₃C₆H₅O₇、CaCO₃、Na₂S₂O₈、L-抗坏血酸和葡萄糖来自成都Chron Chemicals。腐殖酸和多巴胺来自天津光复科技有限公司，尿素来自TMRM?。

仪器与表征

所有

传感器制备与可行性

开路电位（OCP）定义为

结论

CRediT作者贡献声明

刘照强：撰写——初稿、可视化、验证、方法学、研究、数据分析、概念化。李思琪：撰写——审阅与编辑。邱发成：撰写——审阅与编辑。周子远：监督、项目管理、资金争取。王玲桥：资金争取。程志良：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金争取、概念化。卢福英：撰写——初稿

利益冲突声明

致谢

中国国家自然科学基金（U23A20494）、重庆市自然科学基金（CSTB2024NSCQLZX0142）、国家大学生创新与创业培训计划（202511660007）以及重庆大学研究生创新计划（gzlcx20243239）的支持。

Zhaoqiang Liu|Fuying Lu|Zhiliang Cheng|Shengmei Tan|Feifei Duan|Facheng Qiu|Siqi Li|Lingqiao Wang|Ziyuan Zhou

重庆大学化学与化学工程学院，重庆400054，中国