便携式硫化氢检测利器：金纳米棒粉末助力环境监测与污染追踪

研究背景

硫化氢（H₂S）是一种由微生物分解有机物产生的有毒气体，也是多种工业过程（如化工制造、石油精炼和废水处理）的副产物。美国职业安全与健康管理局（OSHA）规定建筑环境中 8 小时工作日的容许暴露限为 2.94×10⁻⁴ M。H₂S 对水生系统危害极大，会降低水体氧含量、恶化水质，是追踪污染源和分析微生物群落分布的关键指标。现有检测技术如气相色谱（GC）、电化学传感器、荧光光谱法和表面增强拉曼散射（SERS）虽灵敏特异，但常需复杂样品预处理和昂贵设备，限制了其便携现场应用。因此，亟需简单、可靠、便携的检测方法，以满足监测工业污染、评估污水处理和追踪污水排放口的需求。

比色传感器因其操作简单、可视化读数和成本效益高而备受关注。金纳米棒（AuNRs）凭借独特且灵敏的局域表面等离子共振（LSPR）特性，在比色分析中脱颖而出。其各向异性结构可通过调整长宽比精确调控 LSPR 吸收峰，实现明显颜色变化，适用于多种分析物的检测。然而，传统 AuNRs 基 H₂S传感器存在依赖酶活性、稳定性差等问题，制约了实际应用。

研究原理

该研究构建了一种无酶的 “开启型” H₂S 传感策略及便携检测装置。其原理是H₂S能还原 KIO₃ 生成 I₂。由于 AuNRs 尖端富含 Au（111）晶面，且 CTAB 稳定剂未覆盖该区域，在 I₂、Br⁻和 CTAC⁺协同作用下，I₂从 AuNRs 尖端沿纵向轴氧化 Au⁺，改变其长宽比，引发 LSPR 吸收峰蓝移，产生明显颜色变化（从红褐色变为蓝色再到紫色），且蓝移程度与 H₂S 浓度相关。研究通过实验验证了 H₂S与 KIO₃反应生成 I₂，以及 I₂对 AuNRs 的刻蚀作用，明确了 NaBr 和 CTAC 能显著增强刻蚀效率。

研究亮点

1. 高灵敏度与低检测限：该方法视觉检测限达 0.05 μM，比传统甲基蓝（MB）方法低约 10 倍。在 0.3 - 3 μM Na₂S 浓度范围内，AuNRs 胶体系统中 LSPR 峰移与浓度呈线性关系；结合 HS-SDME 后，在 0.05 - 0.5 μM H₂S浓度范围内线性关系良好，检测限低至 0.034 μM，远优于单独 MB 方法及直接标准 MB 法。

2. 优异选择性：在 0.1 μM H₂S 浓度下，AuNRs 纵向 LSPR 吸收峰蓝移约 40 nm，溶液颜色显著变化，而 1 μM 或 10 μM 其他无机离子单独或混合存在时，吸收峰无位移。即便是 10 μM 的 8 种挥发性生物胺和多种常见挥发性有机化合物，也未引起吸收峰位移或颜色变化，有效排除了复杂环境基质中其他物质的干扰。

3. 便携性与稳定性：采用真空冷冻干燥法将 AuNRs 制成粉末，以十八烷基三甲基溴化铵（C₁₈TAB）为保护剂，使 AuNRs 粉末在室温下至少稳定保存 4 个月，光学和化学性质保持良好，克服了传统胶体 AuNRs 稳定性差的缺陷，便于携带和长期储存，极大地拓展了其在实际检测中的应用场景。

4. 现场检测能力强 ：搭配便携加热装置，该装置由 12 V 便携电源、高精度温控单元和铝多孔槽及石墨烯基柔性加热夹套组成，可在 3 分钟内快速升温至 60℃并稳定加热，实现 H₂S的现场快速检测，整个检测流程包括加热、混合和摇晃等简单操作，耗时仅 45 分钟，适用于实际环境样品的检测，无需复杂繁琐的操作步骤和大型实验设备，为现场即时检测提供了便利。

效果及展望

该研究通过实际水样（包括水库、湖泊、海水和饮用水等）的检测实验，验证了该方法的可靠性和实用性。在不同水样中添加H₂S标准溶液进行回收率实验，结果表明回收率在 92.40% - 109.51% 之间，相对标准偏差（RSD）小于 10%，与国家标准 MB 方法的实验结果对比无显著差异，充分证明了该方法在环境水样中检测H₂S的高可靠性。此外，将此方法应用于烟台市广当河的H₂S 浓度监测，发现其入海口附近 H₂S 浓度急剧上升，超出中国海水水质标准的一类和二类标准限值，这为追踪河流污染源提供了有力依据，有助于及时关注和管理受污染区域，保障生态环境和人类健康。

这项基于 AuNRs 粉末的无酶便携式 H₂S检测技术为环境监测领域带来了一场革新。它不仅解决了传统检测方法中酶稳定性差、胶体 AuNRs 易变性等问题，还凭借其卓越的灵敏度、选择性和便携性，为现场快速检测 H₂S 提供了全新的解决方案。展望未来，该技术有望在更广泛的环境监测领域发挥重要作用，如大气污染监测、土壤污染评估等。同时，其研发思路和方法也为其他环境污染物的现场检测提供了有益的借鉴和启示，推动了环境监测技术向更加便捷、高效、精准的方向发展，助力实现对环境污染的实时监控和有效治理，为保护生态环境和人类健康保驾护航。

图1 检测原理示意图

图2 AuNRs 胶体系统单独使用以及与 HS-SDME 结合时，在不同 Na₂S 浓度下的颜色变化、吸收光谱和峰移，以及 MB 方法与 HS-SDME 结合时的相应变化

图3 不同无机离子和有机分子对 AuNRs 检测 H₂S 的干扰情况

图4 实际水样中 H₂S 检测结果及广当河不同采样点的 H₂S 浓度分布

图5 AuNRs 胶体和粉末的示意图、自建便携加热装置示意图及组件分解图、AuNRs 粉末检测不同浓度 H₂S 的颜色变化、吸收光谱和峰移，以及实际水样中 H₂S 检测情况

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.138389