Sci Total Environ：基于氧空位和铋膜修饰的MXene气凝胶-CuO/碳布柔性电极同时电化学检测Cd²⁺和Pb²⁺

      随着工业化和城市化的加速，重金属污染对生态系统和人类健康构成严重威胁。其中，镉（Cd²⁺）和铅（Pb²⁺）是两种常见且极具毒性的重金属污染物，它们通过生物地球化学循环污染饮用水源，并在农作物中积累，直接威胁食品安全。为此，重庆大学研究团队在《Science of the Total Environment》上发表了一项研究成果，成功开发出一种基于MXene气凝胶-CuO/碳布（MXA-CuO/CC） 的柔性电化学传感器，能够同时高灵敏检测Cd²⁺和Pb²⁺，其性能优于多数现有传感器，甚至可与ICP-MS、AAS等大型仪器媲美。

     本研究构建了一种新型的MXene气凝胶-CuO/碳布（MXA-CuO/CC）电化学传感器，并以Cd²⁺和Pb²⁺为检测目标，研究了氧空位和铋膜（Bi(III)）对重金属离子的协同吸附作用。CuO的氧空位对重金属离子具有强亲和力，促进了Cd²⁺和Pb²⁺在电极表面的吸附。此外，引入的Bi(III)可与重金属离子形成合金，有效增强了传感电极对Cd²⁺和Pb²⁺的吸附能力。采用差分脉冲阳极溶出伏安法（DPASV）研究了MXA-CuO/CC敏感电极分别和同时检测Cd²⁺和Pb²⁺的性能。所构建的传感电极具有优异的检测性能，可同时检测Cd²⁺（4–800 µg L⁻¹）和Pb²⁺（4–1200 µg L⁻¹），检测限分别为0.3 µg L⁻¹（Cd²⁺）和0.2 µg L⁻¹（Pb²⁺）。该传感器电极还具有良好的抗干扰性能、优异的稳定性和重现性。值得一提的是，该方法可准确检测食品和水样中的Cd²⁺和Pb²⁺，其结果与电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和原子吸收光谱（AAS）的检测结果一致。

• 创新性电极材料设计：构建了基于 MXene 气凝胶（MXA）与 CuO 纳米颗粒复合的柔性碳布电极（MXA-CuO/CC），显著提升了电极的比表面积（是裸碳布的 3.1 倍）和导电性

• 协同吸附机制：利用 CuO 的氧空位对重金属离子的强亲和力，结合 Bi(III) 与 Cd²⁺/Pb²⁺ 形成合金的能力，实现了对目标离子的高效协同吸附与预富集

• 高灵敏度与宽线性范围：实现了对 Cd²⁺（4–800 μg/L） 和 Pb²⁺（4–1200 μg/L） 的同步检测，检测限分别低至 0.3 μg/L 和 0.2 μg/L，性能优于或媲美多数已有传感器

• 优异的抗干扰性与稳定性：在多种干扰离子存在下仍保持高选择性，重复测试10次的RSD小于 1.64%，表现出良好的稳定性和重现性

• 实际样品应用验证：在粮食和水样中成功应用，回收率在 93.0%–111.5% 之间，与标准方法（ICP-MS、AAS）结果一致，显示出良好的实际应用潜力

  
  

示意图1. MXA-CuO/CC传感电极的构建过程及同时检测Cd²⁺和Pb²⁺的示意图

图 1. (A) CC, (B) CuO/CC, (C) MXA/CC 和 (D) MXA-CuO/CC 的SEM图像以及MXA-CuO/CC的EDS元素分布图

图 2. (A) CuO/CC, MXA/CC 和 MXA-CuO/CC 的XRD图谱; (B) MXA-CuO/CC 的XPS全谱; 以及高分辨率XPS谱图: (C) C 1s, (D) Ti 2p, (E) O 1s 和 (F) Cu 2p

图 3. (A) CC、CuO/CC、MXA/CC和MXA-CuO/CC在5.0 mmol L⁻¹ [Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻溶液中的CV曲线（扫描速率：50 mV s⁻¹）；(B) MXA-CuO/CC传感器电极在仅存在Cd²⁺、仅存在Pb²⁺以及同时存在Cd²⁺和Pb²⁺时的DPASV响应；(C) 不同修饰电极（CC、CuO/CC、MXA/CC、MXA-CuO/CC）对Cd²⁺和Pb²⁺的DPASV响应比较

图 4. MXA-CuO/CC传感器电极在不同浓度 (A) Cd²⁺ 和 (B) Pb²⁺ 中的DPASV曲线；(C) Cd²⁺ 和 (D) Pb²⁺ 的溶出峰电流与浓度之间的线性拟合曲线

图 5. (A) MXA-CuO/CC传感器电极同时检测不同浓度Cd²⁺和Pb²⁺的DPASV曲线；溶出峰电流与 (B) Cd²⁺ 和 (C) Pb²⁺ 浓度之间的线性拟合曲线

表 1. 不同传感器电极同时检测Cd²⁺和Pb²⁺的性能比较

图 6. 添加干扰离子前后，MXA-CuO/CC传感器电极上 (A) Cd²⁺和Pb²⁺的溶出峰值电流及 (B) 电流变化百分比；在另一种离子浓度恒定的情况下，分别改变 (C) Cd²⁺ 和 (D) Pb²⁺ 浓度的DPASV响应

图 7. MXA-CuO/CC传感器电极连续测试10次的稳定性 (A 和 B)；10个MXA-CuO/CC传感器电极的重现性测试 (C 和 D)

      本研究通过在柔性碳布表面引入MXene气凝胶与CuO的复合材料，构建了用于同时检测Cd²⁺和Pb²⁺的MXA-CuO传感电极。CuO中丰富的氧空位增强了传感电极捕获电子的能力，其对金属离子的强亲和力促进了金属阳离子在电极表面还原为金属单质。MXA显著提高了CuO的电导率，并增强了电极表面的电子传输速率。此外，将可与Cd²⁺和Pb²⁺形成合金的Bi³⁺引入MXA-CuO/CC传感系统中。氧空位与Bi³⁺的协同预富集作用增强了传感器同时检测Cd²⁺和Pb²⁺的性能，并获得了良好的抗干扰性、稳定性和重现性。更重要的是，MXA-CuO/CC传感电极成功应用于粮食和水样中Cd²⁺和Pb²⁺的测定，其结果与标准方法（ICP-MS和AAS）的检测结果一致，证明了其在实际样品中的应用潜力。

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