构建高效便携式传感器检测食品和环境中的叔丁基对苯二酚（TBHQ）

引言

随着现代工业的发展，合成抗氧化剂如叔丁基对苯二酚（TBHQ）被广泛应用于食品和食用油中，以延长其保质期并保持质量。然而，过量使用TBHQ可能对人体健康和生态环境造成潜在威胁。因此，开发一种高效、便携且灵敏的检测方法显得尤为重要。本文将介绍一项创新性研究成果——基于MOF-545@PANI-800复合材料的电化学传感器，用于快速、准确地检测TBHQ。

正文

1. 研究背景与动机

TBHQ作为一种高效的合成抗氧化剂，在食品加工和储存中广泛应用。尽管其具有良好的抗氧化性能，但研究表明，高浓度的TBHQ可能导致DNA损伤、细胞死亡以及增加癌症风险。此外，TBHQ还可能进入水体，影响水生生态系统。因此，开发一种快速、准确且便携的检测方法对于食品安全和环境保护至关重要。

2. 材料制备与结构优化

为了构建高性能传感器，研究人员首先合成了MOF-545材料，并在其表面通过原位聚合生长了聚苯胺（PANI）。随后，将MOF-545@PANI复合材料在氮气气氛下于800°C进行碳化处理，形成MOF-545@PANI-800。这一过程不仅保护了MOF-545的结构，还增强了其导电性和比表面积，从而提高了传感器的性能。

MOF-545的合成：通过溶剂热法制备了具有三维网络结构的MOF-545，该材料具有高比表面积和明确的孔道结构。

MOF-545@PANI的合成：在MOF-545表面吸附苯胺分子，通过原位氧化聚合生成PANI壳层，有效保护了MOF-545的结构。

MOF-545@PANI-800的合成：将MOF-545@PANI在氮气气氛下高温碳化，形成具有优异导电性的复合材料。

3. 电化学性能评估

通过电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）测试，研究人员评估了不同材料修饰电极的电子转移电阻和氧化还原峰电流。结果显示，MOF-545@PANI-800修饰电极表现出显著改善的导电性和电催化活性。特别是在检测TBHQ时，该传感器展示了更高的灵敏度和更宽的线性范围（0.03-100.0 μM），检测限低至12.6 nM。

4. 性能优化

为了进一步优化传感器性能，研究人员进行了以下几个方面的实验：

材料比例优化：通过差分脉冲伏安法（DPV）研究了不同PANI比例对TBHQ检测的影响，确定了最佳比例为2:1（MOF-545:PANI）。

测量条件优化：研究了pH值、扫描速率等因素对电化学信号的影响，确定了最佳pH值为7.5，扫描速率为0.1 V/s。

重复性和稳定性测试：通过多次重复实验验证了传感器的稳定性和重复性，结果显示其相对标准偏差（RSD）低于3%，表明传感器具有良好的重现性和稳定性。

5. 实际样品检测

为了验证传感器的实际应用效果，研究人员对土豆片、芝麻油和西湖水样进行了检测。结果表明，MOF-545@PANI-800传感器对TBHQ的检测回收率在99.0%-104.0%之间，与高效液相色谱（HPLC）检测结果高度一致，证明了该传感器在实际样品检测中的可靠性和准确性。

结论

本研究成功开发了一种基于MOF-545@PANI-800复合材料的高效便携式电化学传感器，用于快速、准确地检测食品和环境中的TBHQ。该传感器具有出色的灵敏度、宽广的线性范围和低检测限，同时表现出良好的选择性、重复性和稳定性。未来的研究可以进一步探索MOF和导电聚合物在其他领域的应用，开发更多高性能纳米复合材料，为电催化和传感技术提供新的可能性。

参考文献

[1] Y. Wang et al., Polyaniline-on-MOF protects the MOF structure during carbonization for the construction of a portable sensor to detect tert-butylhydroquinone, Nano Energy, 2025.

Fig. 1. （A）SPE 制造过程的示意图。（B）MOF - 545 的合成过程。（C）MOF - 545@PANI - 800 的合成过程。（D）MOF - 545@PANI - 800 传感器的构建和检测过程。

Fig. 2. （A - D）MOF - 545–800、（E - H）PANI - 800、（I - L）MOF - 545@PANI、（M - P）MOF - 545@PANI - 800 的扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像。（Q - V）MOF - 545@PANI - 800 的能谱（EDS）映射图像。

Fig. 3. 在 TBHQ 浓度为 10.0 μM 时，（A）DPV 曲线以及相应的（B）不同比例的 ipa 如下。在不同的 pH 值下，（C - E）20.0 μM TBHQ 在 MOF - 545@PANI - 800/SPE 上的 CV 曲线，以及来自 CV 测试的氧化峰电位和氧化还原峰电流，以及（F - G）DPV 曲线和来自 DPV 测试的相应 ipa。（H - I）10.0 μM TBHQ 在 MOF - 545@PANI - 800/SPE 上以不同扫描速率（0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14、0.16、0.18 和 0.20 V s^-1）的 CV 曲线和氧化还原峰电流的变化。