Chem Eng J：使用氨基噻唑工程化碳量子点的双离子特异性电化学传感器

       随着工业化和城市化的快速发展，重金属污染已成为全球性的环境与健康问题。铅（Pb²⁺）和汞（Hg²⁺）作为最具毒性的重金属离子之一，广泛存在于水体、土壤和大气中，并通过食物链进入人体，引发肾脏损伤、神经系统疾病、癌症等严重健康问题。欧盟和世界卫生组织（WHO）对食品和饮用水中的铅、汞含量设定了严格标准：铅不得超过0.2 μg/g，汞不得超过0.5 μg/g。因此，开发一种快速、灵敏、低成本的重金属检测方法，成为环境监测领域的迫切需求。为此，印度克里斯大学与阿育王大学的研究团队近期在《Chemical Engineering Journal》上发表了一项重要成果，成功开发了一种基于氨基噻唑修饰碳量子点（CQD-AT） 的双离子特异性电化学传感器，可同时检测水中的Pb²⁺和Hg²⁺。

       本研究构建了一种能够同时检测Pb²⁺和Hg²⁺离子的创新型电化学传感器。该传感器采用方波阳极方波阳极溶出伏安法（SWASV）溶出伏安法（SWASV），并结合碳量子点与氨基噻唑（CQD-AT）复合材料。碳量子点与氨基噻唑共同显著贡献了电活性表面积，且其富含含氧氮功能基团可作为活性位点，通过促进基于静电作用的重金属离子吸附来增强传感器灵敏度。氨基噻唑表面均匀覆盖着碳量子点，这些量子点对于金属的再氧化至金属离子以进行分析至关重要。基于此独特修饰，采用碳纤维纸电极涂覆CQD-AT复合材料的Pb²⁺和Hg²⁺电化学传感器（CQD-AT/CFP）展现出卓越的分析性能：宽线性范围（Pb²⁺：0.6×10⁻¹¹～160×10⁻⁶M；Hg²⁺：0.6×10⁻¹¹～160×10⁻⁶ M），检测限分别为3.0 pM和6.2 pM。该修饰电极有望成为水样中铅离子与汞离子电化学同步测定的理想材料。

• 双离子同步检测能力：开发出一种新型电化学传感器，基于氨基噻唑修饰的碳量子点（CQD-AT）复合材料，能够同时检测Pb²⁺和Hg²⁺，实现高选择性、高灵敏度分析

• 极低检测限与宽线性范围：利用方波阳极溶出伏安法（SWASV），该传感器对Pb²⁺和Hg²⁺的检测限分别达到3.0 pM 和 6.2 pM，线性范围为0.6×10⁻¹¹ – 160×10⁻⁶ M，优于多数已报道方法

• 绿色合成与表面功能化策略：碳量子点来源于生物质（鸡冠花），通过绿色水热法合成，并利用EDC/NHS化学偶联氨基噻唑，实现表面功能化，增强对重金属离子的吸附与电子转移能力

• 优异的抗干扰性能与实用性：在多种共存离子（如Zn²⁺、Cd²⁺、Fe²⁺等）存在下，传感器仍表现出良好的选择性；在实际水样（湖水、河水、自来水）中检测Pb²⁺和Hg²⁺，回收率高达98–115%，RSD < 2%，验证其在环境监测中的实用性

• 可重复性与稳定性优异：传感器具备良好的重复性（RSD = 4.75%）和长期稳定性（15天后保持94.5%响应），可重复多次使用，适合现场快速检测

• 双机制协同作用模型：结合XPS与电化学分析，提出静电吸附与络合吸附协同机制，解释了CQD-AT复合材料对Pb²⁺和Hg²⁺的高效捕获与富集行为

  
  

Scheme 1.Synthesis of CQD and CQD-AT composite.

Scheme 2.Schematic illustration for the simultaneous detection of Pb²⁺ and Hg²⁺ by CQD-AT composite.

Figure 1.(a) HR–TEM image of CQD with high magnification;(b) HR–TEM image of CQD with low magnification;(c) SAED Pattern of CQD;(d) HR–TEM image of CQD-AT composite with high magnification;(e) HR–TEM image of CQD-AT composite with low magnification;(f) SAED Pattern of CQD-AT composite;(g) CQDs Particle size histogram;(h) Particle size histogram of CQD-AT composite.

Figure 2.XPS spectrum of (a) Survey spectrum;(b) C 1s;(c) O 1s;(d) N 1s;(e) S 2p regions of CQD-AT/CFP electrode.

Figure 3.XPS spectrum of (a) Survey spectrum;(b) C 1s;(c) O 1s;(d) N 1s;(e) S 2p regions;(f) Pb⁰;(g) Hg⁰ of CQD-AT + Pb⁰ + Hg⁰/CFP electrode.

Figure 4.(a) CV of Bare, CQD/CFP, AT/CFP, and CQD-AT/CFP in the −0.4 V to 0.8 V potential range vs SCE at 0.05 V s⁻¹ at redox probe and 0.1 M KCl;(b) Nyquist plots for bare CFP electrode;(c) Nyquist plots for CQD/CFP, AT/CFP and CQD-AT/CFP in redox probe in 0.1 M KCl.

Figure 5.Effect of (a) various supporting electrolytes on the stripping signal of 20 µM of Pb²⁺ and Hg²⁺ using CQD-AT/CFP;(b) Effect of pH in the range of −1.0 V to 0.8 V for the stripping signal of Pb²⁺ and Hg²⁺;(c) Effect of deposition potential on the Pb²⁺ and Hg²⁺ stripping signal;(d) Effect of accumulation time on the stripping signal of Pb²⁺ and Hg²⁺.

Figure 6.(a) Electrochemical behavior of 20 µM Pb²⁺ and Hg²⁺ in Bare, CQD/CFP, AT/CFP and CQD-AT/CFP;(b) SWASVs for individual analysis of Pb²⁺;(c) Linear calibration curves for individual determination of Pb²⁺;(d) SWASVs for individual determination of Hg²⁺;(e) Linear calibration curves for individual analysis of Hg²⁺.

Figure 7.(a) Simultaneous measurement of Pb²⁺ and Hg²⁺ using SWASVs;(b) Linear calibration graph for Pb²⁺;(c) Linear calibration curves for Hg²⁺.

Table 1.Comparison of the current method for detecting Pb²⁺ and Hg²⁺ with previously reported analytical techniques.

Figure 8.Selectivity study of CQD-AT/CFP electrode towards Pb²⁺ and Hg²⁺ in the presence of interfering ions.

Figure 9.(a) Reproducibility of the modified CQD-AT/CFP electrode; (b) Repeatability of the modified CQD-AT/CFP electrode.

Table 2.Analysis of Pb²⁺ and Hg²⁺ ions in various industrial water effluents.

     本研究采用碳量子点与氨基噻唑（CQD-AT）复合材料，开发出一种简便、快速且高灵敏度的电化学传感器，可同时检测Pb²⁺和Hg²⁺离子。通过单因素法对CQD-AT复合材料的pH值、支持电解质性质及电化学参数进行优化。制备的电化学传感器在0.6×10⁻¹¹至160×10⁻⁶浓度范围内对Pb²⁺和Hg²⁺均呈现良好的双线性电流响应，最佳条件下检测限分别为3 pM和6.2 pM。通过对多种离子进行选择性测试，证实该电极在宽离子范围内具有可接受的选择性。而且，本研究开发的传感器在应用性、响应速度及成本效益方面均具有显著优势。最终在实际水样中成功检测到Pb²⁺和Hg²⁺，证明CQD-AT的CFP电极适用于痕量重金属离子的实际应用研究。

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