引言

在现代社会中,水体污染问题日益严重,其中重金属离子污染尤为突出。镉、铅和汞等重金属离子具有高毒性和生物累积性,即使微量也会对人体健康和生态环境造成严重威胁。因此,迫切需要开发更加高效可靠的检测技术,以实现对重金属离子的快速监测和精准分析。

电化学检测和比色检测是两种常见的重金属离子分析方法,各有优缺点。电化学检测具有灵敏度高、检测范围广、操作简单等优势,但结果往往难以直观判断。而比色检测简单快速,能够裸眼观察颜色变化,但灵敏度相对较低。如果能将这两种方法结合,发挥各自的优势,必将大大提高重金属离子检测的可靠性和实用性。

本研究设计了一种基于NiSe/ZIF复合材料的双重检测系统,能够同时实现电化学和比色两种检测模式,为重金属离子的快速、准确分析提供新的技术支撑。

结果与讨论

1. NiSe/ZIF复合材料的表征与性能

XRD和FTIR分析证明,NiSe和ZIF-67在复合材料中共存,且各组分的结构特征得到很好保留。XPS进一步表征了NiSe/ZIF中各元素的化学态,显示了Ni、Se、Co、C和N等元素的特征峰。FESEM观察发现,NiSe呈现花朵状纳米片结构,与ZIF-67的多面体结构相结合,形成了富于孔隙和高导电性的复合材料。

电化学性能测试表明,与单一修饰电极相比,NiSe/ZIF/GCE电极具有更低的电荷传输电阻,有利于提高电化学性能。这是由于NiSe/ZIF复合材料良好的导电性和电子传输能力,为电化学过程提供了优异的反应动力学。

2. 电化学和比色双重检测性能

基于NiSe/ZIF复合材料的电化学检测表现出优异的线性范围和低检出限。对于Cd²⁺、Pb²⁺和Hg²⁺的同步检测,线性范围分别为0.029-764.8 μM、0.299-355.5 μM和0.29-153.2 μM,检出限分别为5.2 nM、4.7 nM和6.2 nM,远优于单一检测方法。

此外,NiSe/ZIF复合材料还表现出良好的过氧化酶样活性,能够催化TMB的氧化,从而实现对重金属离子的裸眼比色检测。检测线性范围为0.199-429.9 μM (Cd²⁺)、0.199-90.8 μM (Pb²⁺)和0.149-276.8 μM (Hg²⁺),检出限分别为0.043 μM、0.050 μM和0.091 μM。这种同步电化学和比色检测的策略,不仅提高了分析结果的可靠性,还为现场快速检测提供了更加便捷的选择。

结论

通过NiSe和ZIF-67的协同作用,成功构建了一种双重检测系统,实现了对Cd²⁺、Pb²⁺和Hg²⁺的同时电化学和比色检测。NiSe/ZIF复合材料不仅具有优异的电化学性能,还表现出良好的过氧化酶样活性,为重金属离子的快速、准确分析提供了新的技术手段。与单一检测方法相比,这种双重检测策略大幅提高了分析的灵活性和可靠性,为环境监测和危险物质分析开辟了新的应用前景。未来,通过进一步优化和改性,该检测方法也可拓展至其他目标物的检测,为构建高性能、多功能的分析平台提供有益参考。

参考文献

Nataraj, N.; Dash, P.; Sakthivel, R.; Lin, Y.-C.; Fang, H.-W.; Chung, R.-J., Simultaneous electrochemical and colorimetric detection of tri-heavy metal ions in environmental water samples employing 3D-MOF/nickel selenide as a synergistic catalyst. Chem. Eng. J. 2024, 485, 149965.