ACS Appl Mater Interfaces：沸石咪唑酯骨架衍生的氨基功能化多级孔碳用于水体重金属超灵敏电化学传感

      水是生命之源，然而水体重金属离子（HMI）污染（如铅Pb²⁺、铜Cu²⁺、汞Hg²⁺）因其剧毒性、难降解和生物富集性，已成为全球性的环境与健康难题。即使浓度极低，它们也能对人体神经系统、消化系统、骨骼等造成不可逆的损伤。世界卫生组织(WHO)和美国环保署(EPA)对饮用水中的重金属含量设定了极其严格的限定标准。目前，检测水中重金属离子的方法主要是原子吸收光谱(AAS)和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等技术。它们虽然精准，但也存在明显短板。相比之下，电化学传感器因其响应快、成本低、便携性好、操作简便等优势，被视为极具前景的替代方案。

      近期，南京大学付鹤云教授、郑守荣教授团队另辟蹊径，将目光投向了沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs)。这类材料结构规整、比表面积巨大、导电性良好，且本身富含氮元素。将其在高温下热解，就能得到性能优异的多孔碳材料。这种ZIF衍生的碳材料不仅继承了前驱体的优点（丰富的微孔、氮掺杂），导电性还显著提升。本文采用模板诱导法，以ZIF-8为前驱体、聚苯乙烯微球为模板，通过碳化及氨基的可控化学接枝工艺，制备了一种新型氨基功能化多级孔碳材料，用于水体中重金属离子的高效电化学检测。

• 创新材料设计： 巧妙结合了ZIF前驱体、PS微球模板法和精准氨基功能化

• 三重协同增效： 高导电碳骨架（快的电子传输速率）、分级多孔结构（快的物质传输）、丰富氨基（强特异性吸附）共同作用

• 性能指标卓越： 灵敏度达纳摩尔级、选择性好、重复性稳定性高、抗干扰能力强

• 实际应用可行： 在真实水样（河水、自来水）中表现优异

图1. 通过纳米铸造法制备E-C-HP-ZIF-8及其在重金属离子检测中的应用。

图2.PS微球模板化ZIF-8及其衍生碳材料的SEM和TEM图像。（a）、（b）、（g）和（h）为HP-ZIF-8；（c）、（d）、（i）和（j）为O-C-HPZIF-8；（e）、（f）、（k）和（l）为E(6)-C-HP-ZIF-8。

图3.(a) ZIF-8 和 HP-ZIF-8 的 XRD 图谱； (b) HP-ZIF-8、C-HP-ZIF-8、O-C-HP-ZIF-8 和 E(6)-C-HP-ZIF-8 的 FTIR 谱图； (c) ZIF-8 和 HP-ZIF-8以及 (d) O-C-HP-ZIF-8 和 E(6)-C-HP-ZIF-8的氮吸附-脱附等温线及孔径分布（插图）；(e)E(6)-C-HP-ZIF-8在吸附HMI前后XPS全谱图，以及(f) N 1s精细谱图

图4.(a) 不同反应时间下E-C-HP-ZIF-8经氨基化处理后的氨基含量; (b) DPSV曲线和(c)相应的响应峰电流值，用于同时检测HMI，以及(d)裸的GCE与不同E-C-HP-ZIF-8修饰GCE的电化学活性表面积（ECSA）。

图5.单独检测DPSV曲线及其对应的线性校准图（插图）。E(6)-C-HP-ZIF-8/GCE对(a) Pb²⁺、(b) Cu²⁺和(c) Hg²⁺的检测结果。

图6. (a) E(6)-C-HP-ZIF-8/GCE在0.1 M ABS（pH = 5.5）中同时检测不同浓度的Pb²⁺、Cu²⁺和Hg²⁺的DPSV曲线; (b) 响应峰电流与HMI浓度关系的曲线图。

图7. 共存离子对E(6)-C-HP-ZIF-8/GCE同时检测(a) Pb²⁺、(b) Cu²⁺和(c) Hg²⁺的影响

      本研究成功开发了一种基于氨基功能化多孔碳E-C-HP-ZIF-8的高灵敏度和选择性电化学传感器，该传感器具有分级孔隙结构，成功用于检测水中的Pb²⁺、Cu²⁺和Hg²⁺。该传感器具有石墨化程度高、分层孔隙结构独特、表面氨基丰富等突出优点。多孔碳的高石墨化程度为电子转移提供了高导电性。由大孔、介孔和微孔组成的分级孔结构有利于HMI的快速传质。此外，丰富的表面氨基导致重金属在电极表面的有效富集。这些独特的结构特征赋予了传感器极低的LOD，单独检测Pb²⁺、Cu²⁺和Hg²⁺的LOD分别为0.93 nM、2.9 nM 和1.2 nM，同时检测则分别为0.62 nM、1.8 nM 和0.85 nM。该传感器有望为监测水中的HMIs提供了一种可行方法。

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