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生物炭基材料及其在电化学传感领域的应用

王宝丽, 张逸君, 张宇航, 陈艳

王宝丽,张逸君,张宇航,等. 生物炭基材料及其在电化学传感领域的应用[J]. 岩矿测试,2024,43(6):967−981. DOI: 10.15898/j.ykcs.202403170058
引用本文: 王宝丽,张逸君,张宇航,等. 生物炭基材料及其在电化学传感领域的应用[J]. 岩矿测试,2024,43(6):967−981. DOI: 10.15898/j.ykcs.202403170058
WANG Baoli,ZHANG Yijun,ZHANG Yuhang,et al. Research Progress of Biochar Based Materials and Their Applications Using Electrochemical Sensors[J]. Rock and Mineral Analysis,2024,43(6):967−981. DOI: 10.15898/j.ykcs.202403170058
Citation: WANG Baoli,ZHANG Yijun,ZHANG Yuhang,et al. Research Progress of Biochar Based Materials and Their Applications Using Electrochemical Sensors[J]. Rock and Mineral Analysis,2024,43(6):967−981. DOI: 10.15898/j.ykcs.202403170058

生物炭基材料及其在电化学传感领域的应用

基金项目: 自然资源综合调查指挥中心科技创新基金项目“海洋环境微塑料快速监测预警技术研究”(KC20220016);中国地质调查局地质调查项目“战略性矿产勘查岩矿测试技术支撑”(DD20243121)
详细信息
    作者简介:

    王宝丽,博士,副教授,研究方向为海洋生物质转化及分析电化学。E-mail:baoli_0916@163.com

    通讯作者:

    陈艳,硕士,工程师,研究方向为食品农药残留及土壤重金属检测。E-mail:244627189@qq.com

  • 中图分类号: O657

Research Progress of Biochar Based Materials and Their Applications Using Electrochemical Sensors

  • 摘要:

    电化学传感技术以其成本低、灵敏度高、选择性好、反应速度快等优点成为分析化学领域的研究热点。将电极敏感材料修饰在传感电极表面,实现电化学信号放大是提高电化学传感器分析检测性能的关键。生物炭材料因其有丰富的孔道结构、较大的比表面积、优异的吸附能力,并且表面含有较多的含氧活性官能团,成为优质的电极修饰材料。然而,因生物炭材料的合成方法多样且生物炭的组成复杂性,导致基于生物炭的电化学传感器检测限还有较大的提高空间,且基于生物炭的电化学传感器的传感机理目前仍不明晰。本文以生物炭基材料在电化学传感检测领域的应用为例,简述了生物炭基材料的合成方法以及不同方法所合成炭材料的结构特性,在此基础上,总结了基于生物炭材料的电化学传感器在环境污染物、药物及生物分子分析领域的研究进展。目前,环境污染物的分析主要集中在酚及醌类化合物领域,正逐渐向新污染物如微塑料等领域拓展。药物检测的目标物质主要为抗生素类化学药品和黄酮类中药,其他物质的检测研究相对较少。而生物分子检测中,葡萄糖、多巴胺、尿酸、抗坏血酸等检测分析应用较多,检测机理也比较明晰。整体来说,构建传感器的检出限、灵敏度还有较大提高空间,并且基于大型电化学工作站的传感器也逐渐向集中化、微小化和便携式传感平台过渡。在此基础上,本文提出基于生物炭材料的电传感分析技术的发展方向:①优化炭材料结构,调控炭材料组成,制备更适配电化学传感器的高性能炭基材料,降低检出限,提高灵敏度;②构建基于生物炭的便携式传感器,实现快速智能化分析检测;③传感机理及检测限降低原因的剖析是生物炭基电化学传感器发展过程中需要深入探讨的问题。

     

    要点

    (1)电化学传感器作为一种新的检测分析装置,其检出限、灵敏度及线性范围等参数受电极修饰敏感材料的影响。

    (2)归纳总结了三种不同的生物炭制备方法的优缺点及所合成材料的性能参数及技术指标。

    (3)评述了基于生物炭的电化学传感器在环境污染物、药物及生物分子分析中的最新应用进展。

    (4)拓宽检测目标物范围、提高检测性能、实现现场检测及剖析检测机理,是生物炭基电化学传感器发展的趋势。

    HIGHLIGHTS

    (1) As a new detection and analysis device, the detection limit, sensitivity and linear range of the electrochemical sensor are affected by the electrode modification materials.

    (2) The advantages and disadvantages of three different biochar preparation methods and the performance parameters and technical indexes of the synthesized materials were summarized.

    (3) The latest application progress of biochar based electrochemical sensors in the analysis of environmental pollutants, drugs and biomolecules was reviewed.

    (4) The development direction of biochar based electrochemical sensors is to broaden the detection range, improve the detection performance, determine the field detection and explore the detection mechanism.

  • 电化学传感器是一种通过测定目标物质的电化学信号进行定性或定量检测分析的装置1,较传统的仪器分析方法,如高效液相色谱、电感耦合等离子体质谱、紫外光谱法,电化学传感技术以其便宜、灵敏度高、选择性好、反应速度快等优点成为分析化学领域的研究热点2-5。其基本原理是利用待测物质与电极表面发生物理、化学作用,引起电化学信号发生变化,经过电化学工作站转为可视化的电化学谱图,通过对谱图的分析实现对目标分子的定性或定量检测6。常用的电化学谱图采集方法主要包括循环伏安法(CV)、差分脉冲伏安法(DPV)、线性扫描伏安法(LSV)、方波伏安法(SWV)、电化学交流阻抗法(EIS)、差分脉冲吸附溶出伏安法(DPASV)及计时安培法(i-t)等。分析检测过程中,电极系统中的工作电极表面实现对目标分子的特异性捕获与识别,是影响电化学传感器性能的关键部件7-9。而未经修饰的工作电极检测线性范围窄,检出限不足,灵敏度差。因此,有效地将电极敏感材料修饰在电极表面实现电化学信号放大,是提高电化学传感器分析检测性能的关键。

    生物炭基材料因其结构独特、广泛可用、高度可持续、经济兼容和可再生等特性,引起了学者们广泛的研究兴趣10,其应用主要包括催化11、CO2捕获12、吸附分离13、储氢14、太阳能电池15、水处理16、储能17和电化学传感18等领域。经过合理设计和调控所制备的炭材料具有规则的表面形态、高导电性、高孔隙率、化学稳定性和表面功能化等特点,使其具有重要的研究意义和实际应用价值。将生物炭基材料用于电化学传感领域,不仅可以构建快速、灵敏和稳定的传感器,还可以实现废物再利用。近年来,学者们致力于提高生物炭材料的电化学传感性能,主要方法包括:活化、杂原子掺杂,以及金属/金属合金/金属化合物纳米颗粒的负载19-20,通过此类方法增加反应活性位点和表面缺陷、增大材料电活性面积、提高材料物质传输和电子传输能力、改善材料导电性,进而优化检测性能。

    本文主要总结了生物质衍生炭基材料在电化学传感领域的应用研究现状。概述了生物炭材料的主要合成策略,对生物炭基材料在环境污染物、药物及生物分子分析中的应用进行概括总结,并对其应用性能进行详细评价和比较,讨论了相关的技术难点。在此基础上,分析了该领域存在的困难,提出未来的发展方向。

    生物炭的合成方法根据生物质类型及其应用领域而不同,主要包括热解炭化、水热炭化及熔盐炭化等方法。合成方法和相关参数,如温度、压力、炭化时间、pH、气体气氛、溶剂和底物浓度,在决定所得材料的结构和活性方面起着关键作用,合理调控这些合成参数对于调整炭材料的性能以满足特定的要求至关重要。

    大多数生物炭材料是通过在N2、Ar等惰性气氛下高温热解炭化的方法制备。材料在处理过程中经历不同的化学路径:首先在100~300℃挥发水分,紧接着在400~600℃炭化,生成CO2、CH4、CO等气体;最后在600℃以上进一步转变为石墨化炭骨架。不同的生物质原料,其热解温度和具体合成步骤会稍有差异。

    采用热解炭化法制备炭材料时,可以将生物质进行简单的处理,不引入其他试剂直接炭化。直接炭化所制备的炭材料其石墨化程度一般较低,炭化温度高于900℃时,石墨化程度逐渐提高。所制备材料的形貌及孔道结构也主要受其在炭化过程中所产生的气体的影响。例如,Yin等21收集螃蟹腮进行粉碎、干燥等前处理后,在高纯度N2气氛下,首先在400℃下预炭化1h,随后在700℃、800℃、900℃各炭化1h,获得不同结构的活性炭材料CGC-700、CGC-800和CGC-900。实验结果表明,CGC-900具有最高的石墨化程度,而CGC-800具有最大的比表面积(1144.8m2/g)。通过在生物质中引入其他的催化剂及活化剂,可以有效地提高所制备炭材料的石墨化度和孔道结构等。除了在制备过程中原位引入催化剂或活化试剂达到对炭材料进行改性或功能化的目的,也可以通过物理或化学方法后活化处理,以提高性能。一般采用如KOH、ZnCl2及K2CO3等物质活化,进一步改善材料的孔隙结构和比表面积,以得到多孔炭。例如,Chang等22以蚕丝为原料,进行脱胶处理并原位引入FeCl3和ZnCl2为催化剂和活化试剂,将得到的丝素蛋白在Ar气环境下加热至220℃保持45min,随后加热至900℃炭化2h,自然冷却后获得蚕丝衍生炭,所制备材料经X射线衍射分析证明具有较高的石墨化。其中FeCl3催化无定形炭向石墨化炭转变,而ZnCl2首先被还原成金属Zn,随着温度继续升高,Zn挥发后在炭基体上产生孔结构,提高材料的比表面积。Jin等23收集杜鹃花经过洗涤、干燥后研磨成粉末,将杜鹃花粉末在KOH溶液中浸泡3h,过滤、干燥处理后在N2气氛下800℃碳化3h得到多孔炭材料,其比表面积788.9m2/g,而在制备过程中未加入KOH所得炭材料的比表面积为417.4m2/g。可见,KOH的引入是提高炭材料的比表面积的有效方法。热解炭化过程中涉及的步骤非常复杂,但其机理因反应条件的复杂性,至今尚不完全清楚。根据文献研究结果分析,在较低温度下(400~500℃)热解所制备的生物炭,其表面具有备丰富的官能团,更适用于污染物吸附领域。例如,Sun等24通过将稻草在450℃热解2h,粉碎处理得到炭材料。经表征,所得炭材料具有丰富的羧基、内脂基和酚羟基,在减缓黏性土壤中水的渗透方面展现出良好的应用前景。Huang等25分别采用小麦秸秆、玉米秸秆和水稻秸秆为原料,通过在550℃热解2h,得到不同的碳材料,系统地研究了其对酸性土壤保水性的影响。在大于700℃炭化所制备的生物炭,其具有一定的石墨化程度,且具有较大的比表面积,更有利于其电化学应用。热解方法的主要缺点是反应比较缓慢,制备过程较长,以及所释放气体对环境有污染,必须采用适当的气体吸收装置对气体进行处理。

    1913年,Titirici等26首次采用水热炭化法(HTC)将纤维素转变为类炭材料,使用的生物质材料主要包括植物原料、动物废弃物、农业废料或林业副产品。炭化机理主要涉及反应物和溶剂的物理反应及化学反应,化学相互作用包括水解、脱水、脱羧、聚合和芳构化。HTC可以分为四类,即高温HTC、低温HTC、微波辅助HTC和添加剂辅助HTC。高温HTC有助于生产各种具有高孔隙率和高表面积的炭质材料或者碳量子点(CQDs);低温HTC所制备的材料大多为单分散的炭质胶球/颗粒。

    Yang等27以香蕉皮为原料,乙二胺水溶液为溶剂,在220℃反应24h,制备氨基修饰CQDs-NH2。结果表明,姜黄素的加入对CQDs-NH2的蓝色荧光有猝灭作用。在1~15μmol/L的浓度范围内对姜黄素的响应呈良好的线性关系,检出限为18.56nmol/L。Xu等28采用橘子皮为原材料,通过将橘子皮浸入在乙醇溶液中浸提,收集浸提液至水热釜中,在200℃反应10h,最终获得尺寸在2~4nm的CQDs溶液。Chen等29将玉米芯干燥、粉碎,在去离子水中浸泡30min后,于水热反应釜中200℃反应6h,将得到的黑褐色悬浮液离心、过滤、干燥处理之后得到CQDs粉末,采用同样的方法以瓜子壳和葡萄籽为原料也得到CQDs。作者系统研究了三种CQDs的光谱学特征,并以玉米芯CQDs为研究对象,利用其过氧化物酶活性和荧光特性研制了荧光传感平台,定量检测生物分子多巴胺。采用水热方法制备生物炭时,所采用的溶剂可以是纯水也可以是其他溶剂,同时可以在反应体系中引入其他活化试剂或者催化剂。例如,Silva等30以甘蔗渣为原料,加入磷酸溶液为辅助试剂,在相对较低的温度下(150℃)反应14h制备水热炭,所制备炭材料呈块状且表面具有丰富的羟基。Sun等31将松木用FeCl3和CoCl2溶液混合浸泡,在水热反应釜中200℃下加热6h,再使用800W微波作为辅助手段将样品加热活化,制备复合炭基材料将其应用于催化领域。

    水热方法的优势在于,所用试剂毒性小,炭材料的形态通过改变温度即可调节及所用仪器简单。主要缺点之一是水热反应是在密闭高压水热釜中进行的,若操作不当容易引起安全事故。其次,水热炭化法的最终产物为量子点或者大尺寸的炭颗粒,并不是传感电极材料最佳备选,在发光及催化领域应用较多。

    熔盐炭化法是将生物质在熔盐介质中转化为炭材料的方法,所制备产物具有较好的热稳定性和良好传热特性。大多数无机盐在室温下是离子晶体,但在高于其熔点的温度下会转化为相应的离子液体,即熔盐。常用的熔盐主要包括碱和碱土金属阳离子的卤化物、硝酸盐、硅酸盐、碳酸盐、氢氧化物和磷酸盐。熔盐具有工作温度范围广、热稳定性好、蒸气压低、热容量大、黏度低、对许多杂质溶解性好等优点,使其成为生物质炭化和活化的良好反应介质,既可以作为制备过程中的造孔剂,又可以实现生物炭掺杂。

    熔盐炭化法与热解炭化法过程类似,生物质的炭化和活化在熔盐中同时进行,从而大大节省了能源消耗。两者的主要区别在于,以熔盐为导热介质处理生物质,能使炭化、活化、除杂同时完成,生物质在熔盐炭化过程中释放的热量能被熔盐快速吸收、转移和储存,故熔盐炭化生物质在一定程度上是一个自热过程,熔盐起到加速生物质到生物炭转化的作用。Liu等32以葡萄糖为原料,在熔融盐(LiCl)辅助下合成了强疏水性、大比表面积的多孔炭。Li等33通过在600~800℃热解大米壳与LiCl的混合物制备炭材料,利用不同的表征技术研究了该生物炭的物理和化学性质。在25℃和100kPa条件下,测试了热解温度和盐/生物质比例对生物炭结构和CO2吸附性能的影响。结果表明:生物炭的CO2吸收量随热解温度的升高先上升后下降,随熔盐和生物质比例的升高而增加。除了使用单一熔盐辅助合成外,也可以同时采用多种熔盐辅助合成生物炭。Jia等34将不同的盐(即NaCl、KCl和LiCl)和KOH按1∶1的摩尔比混合后,分别加入酪蛋白溶液中,并将其置于封闭的石英管中进行热化学处理,在氩气(99.99%)保护下,依次加热到300℃和820℃,并保持45min得到黑色固体,用盐酸浸泡去除氯化物、碳酸盐和未消耗的KOH,获得最终的产物。根据SEM图像和N2吸附等温线,发现单独的KOH与KOH和熔盐的组合之间存在不同的造孔机理,最终获得的材料比表面积差异较大。Cheng等35分别用KHCO3-KCl和K2CO3-KCl两种熔盐体系制备玉米秸秆基多孔碳,并采用系列表征方法探讨熔盐体系对材料理化性质的影响。结果表明,两种熔盐体系均能显著提高炭材料的含氧官能团的含量。不同的是,KHCO3-KCl体系可以显著提高超微孔比例(48.6%~66.2%)和比表面积 (1551~2512m2/g),而K2CO3-KCl体系则不能。机理研究表明,KHCO3-KCl体系可以显著影响木质纤维素三组分热解反应之间的相互作用,从而调节材料的理化性质,实现协同活化。

    采用熔盐炭化法制备生物炭时,通过选用不同的熔盐,或者不同熔盐的组合,或者熔盐与碱的组合,可以制备具有大比表面积的多孔炭基材料,此类炭材料一般具有优异的吸附性能,所以其应用领域也主要集中的吸附污染物及电容器领域,熔盐炭化法目前存在的主要问题是如何处理合成过程中所使用的盐,反应结束后所得物质为炭材料与熔盐的混合物,产物处理时,一般采用过滤水洗的方式去除熔盐,滤液为大量的熔盐废液,回收再利用较困难。此外,反应容器的腐蚀问题也较难解决36-38

    不同生物炭制备方法比较见表1

    表  1  不同生物炭制备方法比较
    Table  1.  Comparison of different biochar preparation methods
    制备方法 反应温度 制备材料主要特性 主要应用范围 参考文献
    热解炭化法 400~600℃ 表面官能团丰富、石墨化度低 吸附 2124-25
    热解炭化法 700~1200℃ 石墨化程高、导电性良好 电容器、电催化、电化学传感、CO2捕获 22-23
    水热炭化法 100~300℃ 表面官能团丰富、石墨化度低、形貌多为炭量子点或炭颗粒 荧光传感、电催化 27-31
    熔盐炭化法 900~1200℃ 石墨化程度高、比表面积大 电容器、吸附、电化学传感、CO2捕获 32-35
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    通过设计具有不同结构和尺寸的炭基材料,将其修饰在电极表面,可以制备出具有独特性能的新型电化学传感器39-40。下面主要总结生物炭基电化学传感器在环境污染物、药物及生物分子分析中的应用及研究进展。

    人类生活方式的转变、工业化扩张及过度城市化,使得环境污染已成为一个世界性的问题。因此,生物质衍生炭材料在电化学检测环境污染物方面的应用研究日益广泛,常被用来检测有机化合物及重金属等环境污染物。

    有机污染物具有高毒、持久、生物积累性和远距离迁移性,这些特性使得它们在环境中难以降解,并通过食物链累积,最终对位于生物链顶端的人类造成极大的危害。检测有机污染物的常见方法包括分光光度法、气相色谱法等,具体方法取决于污染物的性质和检测需求‌。近年来,电化学传感技术在有机污染物分析方面也取得了较大进步,文献报道的基于生物炭的传感器,其检测分析的目标物主要包括N2H4、有机农药及酚类化合物。

    Sha等41开发了一种新型的油菜籽衍生CQDs传感器用于检测N2H4。传感器对肼的灵敏度为151.5mA/(mmol•cm2) (R2=0.997),检出限低至39.7μmol/L。使用加标回收法测定了实际样品包括饮用水和模拟废水中肼的浓度,回收率为97%~102%,证明其具有较好的实际应用前景。Adiraju提出了一种通过在缓冲溶液中电化学循环活化来提高杏仁壳生物炭(AS-BioC)的电化学性能的方法42。这种电化学活化方法增强了AS-BioC表面官能团和孔隙度,提高了电极电导率和电化学活性表面积。经活化的AS-BioC修饰的丝网印刷电极表现出更强的电化学性能,检测对硫磷灵敏度为17.3µA/nmol,检出限为1.35nmol/L,线性范围较宽 (25~2500nmol/L)。Madhu等43以芒果叶为碳源制备氮掺杂活性炭,所制备的电极被用于4-硝基苯酚的传感检测。由于杂原子N的存在增加了活性位点的数量,所构建传感器表现出良好的电化学活性,检测范围为1~500μmol/L,检出限为0.16μmol/L,灵敏度5.810μA/(μmol•cm2)。Xu等44以竹荪为碳源,开发了一种环境友好型的多孔氮掺杂碳用于双酚A的电化学传感检测,掺杂的氮原子提供了丰富的反应位点和足够的缺陷,因此所构建传感器具有良好性能。

    通过对生物炭的结构和组成的合理优化,可以实现同时检测水体中的不同酚类化合物。例如,Zhao等45利用棉花衍生炭作为电极敏感材料构建电化学传感器,同时测定对苯二酚(HQ)和邻苯二酚(CC)。该传感器对HQ (0.5~3000μmol/L)和CC (1~3000μmol/L)具有较宽的线性范围,检出限分别为0.47μmol/L和0.4μmol/L。此外,所制备的传感器还具有特定选择性、长寿命和良好的适用性。对中国湖泊水样的实际检测结果表明,该传感器具有良好的应用前景。Mahfoz等46课题组采用热解和球磨工艺的直接结合,从椰枣叶废料中合成生物炭,并开发了一种修饰玻碳电极(GCE),用于高灵敏度和同时检测酚类污染物,特别是1-萘酚(1-NP)和2-萘酚(2-NP)。该项研究开发了两种创新的电化学传感器,第一种方法采用1-NP和2-NP的直接氧化电流信号定量,而第二种方法利用了目标物质与二羟基萘形成醌相关的氧化还原峰电流信号定量。电化学结果表明,直接电氧化法1-NP的检出限为14μmol/L,而醌生成法的检出限为0.64μmol/L。同样,直接电氧化法2-NP的检出限为11μmol/L,通过醌生成法降至0.61μmol/L,这些结果超越了传统的检测方法。

    微量金属元素如锰、铁、铜、锌、硒对生物体的新陈代谢非常重要,而其他重金属如铅、镉、汞、砷和锑等会对环境造成严重威胁,进而通过食物链影响人体中枢神经系统、皮肤、肾脏、骨骼和牙齿47。目前,电化学传感技术在Hg2+、Pb2+、Cd2+及Cu2+的分析中应用较多,其检测机理主要是电极敏感材料和被测目标物质之间发生氧化还原反应,导致电极的电流信号发生变化,进而达到定量的目的。基于不同电极材料所构建的传感器,因为材料本身物理化学性质的不同,传感器的检出限、灵敏度及稳定性各有差异。

    Silva等30将甘蔗渣炭修饰在碳纸电极上制备了Pb2+传感器,采用差分脉冲吸附阳极溶出伏安法(DPAdSV)测定Pb2+ 。通过优化检测Pb2+离子的重要参数和伏安技术参数,得到0.50~7.06μmol/L的线性响应范围,检出限和定量限分别为55.0nmol/L和181.5nmol/L。采用所建立的伏安法测定自来水和河水样品中Pb2+,回收率为91.19% ~109.22%。Xu等48以冬瓜为原料,同时引入氮源合成了具有丰富边缘缺陷位点的蠕虫状氮掺杂碳框架(WNCF)。采用Nafion-WNCF设计了一种高灵敏度电化学传感器,用于DPAdSV痕量测定重金属Pb2+,线性范围为0.5~100μg/L,检出限为0.2μg/L。Valenga等49将甘蔗渣炭化并采用硝酸活化处理后,建立了一种测定Cu2+的DPAdSV方法。线性动力学范围为1.0 ~ 15.0μmol/L,检出限为1.09μmol/L,并具有良好的抗干扰性。Bressi等50以啤酒渣为原料,经过简单处理之后,利用水热方法于240℃反应9h制备炭材料CNDs,以CNDs为电极敏感材料所构建的传感器可以同时检测Hg2+、Pb2+、Cd2+和Ni2+,检出限分别为124、551、453和608ng/L,对应的灵敏度依次为34.1μA/(nmol•cm2)、21.3μA/(nmol•cm2)、32.2μA/(nmol•cm2)和11.4μA/(nmol•cm2)。检测实际海水和废水样品的加标回收率为99.8% ~102.6%。Sharma等51利用水热结合高温炭化方法制备银胶菊废弃物衍生炭CGC-600,进一步利用该材料构建Hg2+传感器,采用DPV对Hg2+进行定量检测,检出限为6.17μmol/L,定量限和灵敏度分别为18.7μmol/L和0.4723μmol/(μA•cm−2)。Ganaie等52将SnS2修饰在雄花衍生炭上制备复合材料SnS2@BC,以此材料修饰在GCE表面构建传感器,DPV检测结果显示,对Pb2+和Hg2+的检出限分别为0.28μmol/L和0.55μmol/L。

    塑料制品的广泛使用及其缓慢的自然降解过程导致废弃塑料的大量积累,塑料进入水体环境并在其中停留数百或数千年,被光化学过程分解产生微塑料颗粒。近年来,微塑料已经对水生和陆地生态系统产生较大干扰,摄入这些颗粒会对野生动物、水生生物及人类健康产生严重后果。微塑料的常用检测方法包括傅里叶变换红外光谱法(FTIR)、拉曼光谱法(Raman)、热重-光谱联用分析方法及热裂解-质谱联用分析方法。其中,Raman和FTIR能够检测到微米级别的样品,Micro-Raman能够检测到1μm的样品。而联用技术检测程序复杂,单个样品检测时间长,对操作人员要求高,缺乏专用的微塑料热裂解器,质谱图解析困难,这些因素都制约着联用方法的普及应用。

    最近,电化学传感器在环境微塑料的检测方面取得突破性进展,能在较短时间内对微纳级的微塑料颗粒进行定性和定量分析。Nguyen等53合成疏水性氧化铈纳米颗粒(CeO2 NPs),并将其作为电极修饰材料构建传感器,首次采用电化学传感方法检测两种不同类型微塑料[聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)]。CV和LSV电化学分析结果表明,传感器对PE(直径27~32μm)的检测限为0.226mg/mL,对PP (直径~600μm)的检出限为0.338mg/mL,两者的检测范围均为0.2~1.0mg/mL。此外,研究人员通过将天然存在的海星和芦荟炭化,制备了海星炭和芦荟炭两种类型的生物炭,将其作为传感电极材料,用于~100nm聚苯乙烯微塑料(PS)的电化学检测54。电化学结果表明,海星炭电极的灵敏度为0.2562μA/(μmol•cm2),检出限为0.44nmol/L,而芦荟炭的灵敏度为3.263μA/(μmol•cm2),检出限为0.52nmol/L。其检测机理为:所合成的炭材料中的K、Mg、Ca和Cl等掺杂元素(M)与PS的活性位点相连接,炭表面的M−O或M−S或M−C键使PS微塑料氧化,从而产生电子变化,导致电流信号增强。虽然通过材料调控实现了对~100nm的PS的定性及定量检测,但是所检测的PS只仅仅是微塑料的理论模型,实际水体中的微塑料无论是成分还是颗粒尺寸都要复杂得多,这也是目前基于电化学传感技术检测微塑料遇到的普遍性问题,要采用电化学传感器实现对实际水体样品中的微塑料进行检测,还需要开展更深入的研究。

    在污染物检测领域,生物炭基传感器目前涵盖了有机污染物、重金属及微塑料等多种类物质的检测。表2列举了不同生物炭基电化学传感器方法对环境污染物监测的参数,不同修饰电极及检测方法对检测目标物的线性范围不同。整体而言,传感器对环境污染物检测的检出限已达到μmol/L甚至nmol/L级,检出范围大多介于几μmol/L到几百μmol/L之间。虽然在现实环境中检测的一些问题已经解决,但是对于特殊样品的处理,如何实现现场快速检测等问题仍然需要进一步探讨。期待未来相关研究机构可以制定一套用于开发、数据处理和实施检测的污染物传感器的指南,以快速准确地检测、分析、跟踪和管理污染55

    表  2  不同生物炭基电化学传感器方法对环境污染物的检测参数
    Table  2.  Detection parameters of environmental pollutants by different biochar based electrochemical sensor methods
    修饰电极名称 检测方法 检测目标物 方法线性范围

    方法检出限

    参考文献
    CQD /GCE 计时安培 / 39.7μmol/L 41
    AS-BioC/SPCE SWV 对硫磷 0.025~2.5μmol/L 1.63×10−3μmol/L 42
    AC900/GCE LSV 4-硝基苯酚 1~500μmol/L 0.16μmol/L 43
    NDC/GCE DPV 双酚A 1.0~50.0μmol/L 1.068μmol/L 44
    CLC/GCE CV HQ 0.5~3000μmol/L 0.47μmol/L 45
    CC 1.0~3000μmol/L 0.40μmol/L
    DLSNC/GCE CV 1-NP 1.0~25μmol/L 0.64μmol/L 46
    2-NP 1.0~25μmol/L 0.61μmol/L
    HC/CPE DPAdSV Pb2+ 0.50~7.06μmol/L 0.055μmol/L 30
    WNCF/BFGCE DPAdSV Pb2+ 0.5~100μg/L 0.2μg/L 48
    Biochar+CPE DPAdSV Cu2+ 1.0~15.0μmol/L 0.36μmol/L 49
    CNDS/SPCE SWASV Hg2+
    Pb2+
    Cd2+
    Ni2+
    / 124ng/L
    551ng/L
    453ng/L
    608ng/L
    50
    CGC-600/GCE DPV Hg2+ 10~100μmol/L 6.17μmol/L 51
    SnS2@BC/GCE DPV Pb2+
    Hg2+
    / 0.28μmol/L
    0.55μmol/L
    52
    AL-1/GCE I-V PS (100nm) / 520μmol/L 53
    SF-1/GCE I-V PS (100nm) / 440μmol/L 53
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    药物检测分析中,基于生物炭的电化学传感器在化学药品及中药分析中的研究都取得一定进展。整体来看,化学药品分析中比较常见的检测目标物为对乙酰氨基酚及抗生素类物质,主要是因为所合成炭材料的表面官能团包括—OH、—COOH等比较容易与此类物质发生物理、化学相互作用,使得电化学信号发生明显变化而被识别,检测机理也比较明晰。

    Kim等56课题组制备了ZnCl2-KOH活化的海藻衍生炭,采用此材料修饰GCE,并进一步对对乙酰氨基酚进行检测,检出限较低且灵敏度较高。Yalikun 等57通过浸渍法在沙枣胶衍生的多孔炭中引入氮、硫和磷三种杂原子,制备异质元素掺杂型炭材料NSP-PC。将NSP-PC修饰在GCE表面,得到工作电极NSP-PC/GCE,用于检测甲硝唑(MNZ),检出限低至 0.013μmol/L。同时,氯霉素、多巴胺、硝基苯酚、尿酸、葡萄糖、抗坏血酸、维生素E和氟苯尼考对MNZ的检测无干扰作用。Veerakumar等58以决明子壳为生物质碳源,炭化后负载金属制备了Pt-Re NPs/PAC复合物,并用于电化学测定呋喃唑酮,检测范围为1~299μmol/L,检出限低至0.075μmol/L,灵敏度为5.52μA/(mmol•cm2)。Malode等59使用稻壳衍生的石墨烯修饰碳糊电极用于检测非甾体抗炎药甲芬那酸。所构建的修饰电极对十六烷基三甲基溴化铵介质中甲芬那酸的检测具有较高的灵敏度和选择性,检出限为2.13nmol/L,线性动态范围为0.001~6000μmol/L,对共存分子的干扰可以忽略不计,适用于检测人尿、血清、母乳样品和药物片剂中的甲芬那酸,回收率较高。Liu等60将蟹壳废弃物在高温下转化为多孔生物炭,用于建立呋喃西林的定量检测的电化学传感器。采用SEM、XRD、FTIR和N2吸附-脱附等分析手段对不同温度下蟹壳碳的形貌和结构特性进行了表征。电化学结果表明,在700℃炭化条件下制备的蟹壳碳具有更强的快速检测呋喃西林的传感能力,线性范围为0.40~80μmol/L,灵敏度为0.55μA/μmol,检出限为0.11μmol/L (S/N=3),该传感器可用于实际药物(复方鱼肝油软膏)中硝基呋喃酮的定量,回收率满意。Chang22课题组利用所制备的蚕丝炭复合材料作为电极材料制备了修饰电极,利用DPV技术检测氯霉素,DPV峰电流随浓度的增加呈线性关系,检测范围为1~200μmol/L,低检出限为0.57μmol/L (S/N=3)。在此基础上,评价了该传感器用于氯霉素检测的实用性,以鱼、吓和鸡肉为分析对象,采用加标回收法检测,回收率为85.96%~106.72%,RSD较低。

    除了在化学药品检测中应用广泛外,生物炭修饰电极也可以用于中药分子的检测分析。Cheng等61通过将平菇热解炭化后水热负载Au和Pt纳米粒子,制备Au-Pt@BPC复合体,将其修饰于CILE表面作为检测黄芩素的工作电极。在最佳条件下,该传感器的线性范围为0.48~2.0μmol/L和4.0~140.0μmol/L,检出限低至0.01μmol/L。该修饰电极成功应用于药物和人体尿液样品中黄芩素含量的检测。Ai等62采用高温热解方法合成香蕉皮衍生多孔炭,进一步采用自组装方法将其与多壁碳纳米管复合,并修饰在GCE表面,构建一种用于黄芩素灵敏测定的电化学传感器。采用CV研究了黄芩素的电化学响应,结果表明所构建的传感器具有较高的灵敏度和较低的检出限。

    此外,该类物质的检测机理目前一直认为是黄芩素中的羟基被电极材料氧化成羰基,产生明显的氧化还原峰信号。文献报道的基于生物炭或者其他材料的电化学传感器用于中药分析时,黄酮类物质报道相对较多,其他中药物质的分析相对较少,可能与中药被测物质的成分复杂等因素相关,目前的研究重点也比较倾向于降低此类传感器的检出限,扩大检测范围。表3对上述生物炭基传感器检测不同药物的检测参数进行了总结。化学药物检测时,实际样品的处理相对简单,检测便捷且结果可靠。中药实际样品检测时,样品处理阶段稍微复杂,且同一中药中结构类似的化合物较多,对传感器的选择性要求高,或者要求传感器可以同时检测多种物质。

    表  3  不同生物炭基电化学传感器方法对药物的检测参数
    Table  3.  Detection parameters of drugs by electrochemical sensor methods based on different biochar materials
    修饰电极名称 检测方法 检测目标物 方法线性范围
    (μmol/L )
    方法检出限
    (μmol/L )
    参考文献
    PNC/PGE DPV 氯霉素 1~200 0.57 22
    ZKAKC/GCE DPV 对乙酰氨基酚 0.01~20 0.004 60
    NSP-PC/GCE LSV 甲硝唑 0.1~45
    50~350
    0.013 57
    Pt−Re NP/PAC/GCE LSV 呋喃唑酮 1~299 0.075 58
    RHG/CPE SWV 甲芬那酸 0.001~6000 2.13×10−3 59
    C-CS-700/GCE DPV 呋喃西林 0.4~80 0.11 60
    Au-Pt@BPC/CILE DPV 黄芪素 0.48~2.0
    4.0~140.0
    0.01 61
    BPBC-MWCNT/GCE DPV 黄芪素 0.004~100 1.33×10−3 62
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    生物分子是存在于细胞和活体器官中的具有不同功能的物质,主要包括碳水化合物、脂类、蛋白质、氨基酸、维生素和核酸等物质。目前,生物炭基传感器在生物分子的检测方面,主要集中在葡萄糖、多巴胺、尿酸及抗坏血酸等几种物质分析中,其他物质的检测应用相对较少。

    Li等63以柳絮为生物质前驱体,制备竹叶状CuO 纳米棒和空心碳纤维复合材料(CuO NRs@PC),用于构建非酶葡萄糖传感器,检测范围较宽(5~8000μmol/L),检出限低至0.1μmol/L,灵敏度为609μA/(mmol•cm2)。检测性能的提高可能是因为炭基质三维多孔结构明显改善了传质速率,且材料良好的电导率有利于生物分子与电极表面之间电子的传递。此外,材料本身的缺陷和微孔提供了有效的葡萄糖分析吸附的活性位点。Qu等64采用玫瑰为碳源,通过炭化后负载CoS纳米花,制备CoS@C复合材料,修饰在GCE表面得到 Nafion/CoS@C/GCE工作电极,用于葡萄糖检测,检测范围为10~960μmol/L,检出限为2μmol/L。上述非酶法的主要缺点是选择性低及灵敏度较差。为了获得更好的选择性和优异的灵敏度,Shan等65通过将葡萄糖氧化酶(GOD)固定在葡萄藤衍生3D多孔炭(3D-CVS)上,制备了一种新型的葡萄糖生物传感器,线性响应范围为0.58~16mmol/L,并且具有较高的灵敏度和较低的检出限。

    Padmapriya等66提出了一种以香蕉花苞叶提取物为原料水热合成磷氮双掺杂碳量子点(N,P-CQDs)的简便方法,以N,P-CQDs为修饰材料构建传感器用于检测多巴胺。因为杂原子的掺杂提高了CQDs的电导率,材料表面的—COOH、—NH2和—$\mathrm{PO}_4^{3-} $等基团选择性地吸引阳离子,由于静电斥力而在溶液中留下阴离子。因此,所构建传感器对多巴胺具有较高的选择性和灵敏度、较低的检出限 (~500pmol/L)和较宽的线性范围(6.0~0.1mmol/L)。此外,在多巴胺注射实时样品中成功检测多巴胺,检出限低至630pmol/L,线性范围为2.5mol/L至0.16mmol/L。

    生物分子分析中,所构建的传感器大多不是基于纯生物炭材料,而是非金属N、P掺杂生物炭,或者负载了如上述CuO和CoS等金属化合物的复合体,这可能是生物分子的特殊结构决定的,其较难与纯的生物炭骨架发生作用,必须通过引入其他非金属或者金属促进反应发生。此外,可以通过在电极上引入其他物质间接地实现生物分子检测。例如,Jin等23以杜鹃花为碳源,经高温煅烧和KOH活化制备分级多孔碳材料(KACM),将KACM和硫堇(Thi)同时组装在GCE表面上,构建了用于检测抗坏血酸和尿酸的Thi/KACM电化学传感器。电化学测试结果表明,该传感器对抗坏血酸和尿酸氧化具有较强的催化活性,两个氧化峰具有较好的分离性。在优化条件下,线性范围宽(0.05~9mmol/L),检出限低(抗坏血酸6.4μmol/L,尿酸10μmol/L)。此外,该生物传感器具有良好的选择性、稳定性和重复性。采用Thi/KACM/GCE同时检测人体尿液中尿酸的回收率为99.4%~101.0%。Valenga提出了一种基于铜离子(Cu2+)固定在生物炭上的电化学传感器,用于间接地测定目标物质67。首先,将Cu2+富集在甘蔗渣生物炭修饰的碳糊电极表面,然后继续将肌酐富集在表面上,因为肌酐-铜络合物的形成导致Cu2+的伏安信号抑制,以此响应作为电化学分析指标,线性检测范围为300~700µmol/L,检出限和定量限分别为91.0µmol/L和300µmol/L。采用标准加入法对模拟尿液样品中肌酐进行测定,定量限浓度为300µmol/L,加标回收率为101%±7%。

    整体而言,除了上述葡萄糖、多巴胺、抗坏血酸和尿酸等物质的分析,未来应该探索更多的可以检测的生物分子,在提高传感器灵敏度等特异性指标的基础上,扩大其检测目标物质范围,进一步拓宽传感器的应用领域。

    基于生物炭的电化学传感器的检测性能,主要受炭材料的组成、结构、表面官能团及形貌等因素影响。此外,传感器的检出限、检测范围及灵敏度与具体的传感器构建参数,如电解液类型、修饰在电极表面的炭材料体积、电解液pH、离子强度等因素有关。目前,在环境污染物、药物及生物分子分析中所构建的传感器主要以传统大型电化学工作站为检测系统,而便携式传感器的发展相对欠缺。此外,所构建传感器的性能增强机制及传感机理需要进一步深入探索。对于生物炭基电化学传感器的发展,未来需要关注以下三方面。

    (1)电化学传感器检测性能的提高依赖于修饰电极的合理设计,主要与电极敏感材料的本征电化学活性和表面修饰技术相关。未来在炭材料合成方面,应实现生物炭的组成明确、形貌结构可调的特性,既有利于提高检测性能,也有利于探究传感机理。另外,利用新兴的分子印迹技术修饰电极,可以提高电极的亲和力和选择性,对于炭材料与分子印迹技术的结合应用还有待深入研究。

    (2)电化学传感器件在检测各种有毒环境样品领域具有良好的发展趋势,生物炭基电化学传感器也逐步向便携式传感器发展。新的3D打印技术及微型化电化学工作站结合,可以开发低成本、高灵敏度的便携式电化学传感器件。未来可以将该技术进一步扩展到构建生物炭基智能便携传感器,实现现场、快速、智能化分析检测。

    (3)对于传感机理及性能增强机制的剖析,也是生物炭基电化学传感器发展过程中必须深入探讨的问题。未来需要将实验结果和理论计算相结合,明晰传感器的检测机理及性能增强机制,进一步优化传感器的性能,促进生物炭基电化学传感器的发展。

  • 表  1   不同生物炭制备方法比较

    Table  1   Comparison of different biochar preparation methods

    制备方法 反应温度 制备材料主要特性 主要应用范围 参考文献
    热解炭化法 400~600℃ 表面官能团丰富、石墨化度低 吸附 2124-25
    热解炭化法 700~1200℃ 石墨化程高、导电性良好 电容器、电催化、电化学传感、CO2捕获 22-23
    水热炭化法 100~300℃ 表面官能团丰富、石墨化度低、形貌多为炭量子点或炭颗粒 荧光传感、电催化 27-31
    熔盐炭化法 900~1200℃ 石墨化程度高、比表面积大 电容器、吸附、电化学传感、CO2捕获 32-35
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    表  2   不同生物炭基电化学传感器方法对环境污染物的检测参数

    Table  2   Detection parameters of environmental pollutants by different biochar based electrochemical sensor methods

    修饰电极名称 检测方法 检测目标物 方法线性范围

    方法检出限

    参考文献
    CQD /GCE 计时安培 / 39.7μmol/L 41
    AS-BioC/SPCE SWV 对硫磷 0.025~2.5μmol/L 1.63×10−3μmol/L 42
    AC900/GCE LSV 4-硝基苯酚 1~500μmol/L 0.16μmol/L 43
    NDC/GCE DPV 双酚A 1.0~50.0μmol/L 1.068μmol/L 44
    CLC/GCE CV HQ 0.5~3000μmol/L 0.47μmol/L 45
    CC 1.0~3000μmol/L 0.40μmol/L
    DLSNC/GCE CV 1-NP 1.0~25μmol/L 0.64μmol/L 46
    2-NP 1.0~25μmol/L 0.61μmol/L
    HC/CPE DPAdSV Pb2+ 0.50~7.06μmol/L 0.055μmol/L 30
    WNCF/BFGCE DPAdSV Pb2+ 0.5~100μg/L 0.2μg/L 48
    Biochar+CPE DPAdSV Cu2+ 1.0~15.0μmol/L 0.36μmol/L 49
    CNDS/SPCE SWASV Hg2+
    Pb2+
    Cd2+
    Ni2+
    / 124ng/L
    551ng/L
    453ng/L
    608ng/L
    50
    CGC-600/GCE DPV Hg2+ 10~100μmol/L 6.17μmol/L 51
    SnS2@BC/GCE DPV Pb2+
    Hg2+
    / 0.28μmol/L
    0.55μmol/L
    52
    AL-1/GCE I-V PS (100nm) / 520μmol/L 53
    SF-1/GCE I-V PS (100nm) / 440μmol/L 53
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    表  3   不同生物炭基电化学传感器方法对药物的检测参数

    Table  3   Detection parameters of drugs by electrochemical sensor methods based on different biochar materials

    修饰电极名称 检测方法 检测目标物 方法线性范围
    (μmol/L )
    方法检出限
    (μmol/L )
    参考文献
    PNC/PGE DPV 氯霉素 1~200 0.57 22
    ZKAKC/GCE DPV 对乙酰氨基酚 0.01~20 0.004 60
    NSP-PC/GCE LSV 甲硝唑 0.1~45
    50~350
    0.013 57
    Pt−Re NP/PAC/GCE LSV 呋喃唑酮 1~299 0.075 58
    RHG/CPE SWV 甲芬那酸 0.001~6000 2.13×10−3 59
    C-CS-700/GCE DPV 呋喃西林 0.4~80 0.11 60
    Au-Pt@BPC/CILE DPV 黄芪素 0.48~2.0
    4.0~140.0
    0.01 61
    BPBC-MWCNT/GCE DPV 黄芪素 0.004~100 1.33×10−3 62
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-16
  • 修回日期:  2024-10-10
  • 录用日期:  2024-11-14
  • 网络出版日期:  2024-11-24
  • 发布日期:  2024-11-26
  • 刊出日期:  2024-12-30

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