基于CuNPs@rGO@AgNWs纳米复合传感器的硝酸盐实时电化学监测

《IEEE Sensors Journal》：Real-Time Electrochemical Monitoring of Nitrate Using a CuNPs@rGO@AgNWs Nanocomposite Sensor

　　

摘要：由于地质和人类活动导致的饮用水中硝酸盐（NO??）浓度升高，环境正面临严重威胁。在此，我们提出了一种基于铜纳米颗粒（CuNPs）@还原氧化石墨烯（rGO）@银纳米线（AgNWs）纳米复合材料的电化学传感系统，用于硝酸盐检测，具有极高的有效性。在玻璃碳电极（GCE）上，硝酸盐传感器表现出极为可靠且持久的电化学性能。该系统整合了CuNPs的催化活性、rGO的大比表面积和导电性，以及互联AgNWs提供的快速电子传输通道。该传感器的线性检测范围为10–100 μM，检测限为0.128 μM，稳定性可达5周（信号损失仅约1.5%），并对NO??具有良好的选择性（P ≤ 0.03）。此外，该传感器成功实现了实际土壤样品中NO??的鉴定，相对标准偏差（RSD）小于2%，表现出良好的可靠性。由于其出色的稳定性和重现性，该可靠传感器为实时硝酸盐环境评估提供了一种有用工具，有助于保护公众健康。

一、引言

各种天然矿物循环（如碳循环和氮循环）使陆生生物得以存在。硝酸盐（NO??）在痕量状态下是氮循环的重要组成部分，对植物生长至关重要，但过量存在时则会对环境和健康构成危害。由于集约化农业方式、过度使用化肥以及工业废水排放，水体系统中硝酸盐浓度升高已成为一个全球性问题[1]。饮用水和天然水体中硝酸盐水平的增加引发了严重的环境和公共卫生担忧。因此，世界卫生组织（WHO）和美国环境保护署（US EPA）建议在饮用水中将硝酸盐的最大污染水平（MCL）限制在50 mg/L，以降低相关风险[2]、[3]。长期暴露于高浓度硝酸盐环境（主要与人类活动相关）可能导致严重的健康疾病，如高铁血红蛋白症（"蓝婴综合征"），对儿童尤其危险[4]、[5]、[6]。此外，硝酸盐可作为致癌性亚硝胺的前体物，与胃肠道肿瘤、甲状腺疾病和生殖系统疾病的发病机制有关[4]、[7]、[8]。除健康影响外，硝酸盐污染在退化水生生态系统方面也起着重要作用。富营养化以地表水营养盐过量富集为特征，促进藻华和缺氧，从而进一步因氧气耗竭而损害水生生物[9]。