一、研究背景

Cu(II)是人体必需的微量营养素之一。Cu(II)摄入不足会导致贫血、中性粒细胞减少和骨骼异常。然而，过量的Cu(II)会抑制生物胞内酶的活性，进而影响生物体的正常代谢。此外，还会破坏水环境的自净能力，导致水质恶化。美国环境保护署认为饮用水中的Cu(II)应低于20 µmol L^-1。因此，研究和开发一种快速高效的Cu(II)检测技术非常重要。

二、工作简介

为了实现Cu(II)的高选择性和灵敏性检测，将表面印迹与电化学聚合沉积相结合，构筑了一种基于离子印迹聚合物作为识别元件的电化学传感器。该传感器由离子印迹磁性碳纳米球修饰而成，对Cu(II)具有特定的选择性和敏感性。电化学性能表明，与非印迹电极和裸电极相比，印迹电极对Cu(II)具有更强的选择性和更高的灵敏度。当Cu(II)相对浓度在10^-6⁓10^-10 mol L^-1范围内变化时，传感器的检出限低至5.138×10^-16 mol L^-1 (S/N=3)。此外，该传感器具有良好的抗干扰性、重复性和稳定性，为金属离子的电化学检测提供了一种可行的策略。

三、核心图文解析

以磁性碳纳米球(Fe₃O₄@C)为载体基质，Cu(II)为靶离子，吡咯为功能单体，结合表面印迹和电化学聚合沉积。采用恒电位聚合法制备碳基表面Cu(II)离子印迹聚合物，并将其作为识别元件，构建离子印迹型电化学传感器，如图1所示。

图1 Cu(II)离子印迹电化学传感器构建示意图

从图2可以看出，随着浓度的降低，离子印迹电化学传感器对Cu(II)响应电流依次减小，电流与浓度呈现良好的线性关系。当Cu(II)相对浓度在10^-6⁓10^-10 mol L^-1范围内变化时，传感器的检出限低至5.138×10^-16 mol L^-1 (S/N=3)。

图2 离子印迹电化学传感器在不同Cu(II)浓度溶液中的DPV测试曲线

通过理论模拟揭示了Cu(II)与吡咯分子的相互作用模式。结合活化能和前沿轨道能级能差的计算，确定了Cu(II)与吡咯之间的具体相互作用。进一步佐证离子印迹效应实现了电化学传感器的高选择性和灵敏性检测。

图3 (a)功能单体吡咯及其与(b)Cu(II)形成配合物的结构示意图；配合物的(c)HOMO和(d)LUMO轨道

四、结论

综上所述，本研究将单极脉冲电聚合方法与表面离子印迹技术相结合，制备了一种特异性识别Cu(II)的离子印迹聚合物电化学传感器。电化学性能测试结果表明，印迹聚合物电极对Cu(II)具有优异的选择性。响应电流与Cu(II)浓度在10^-6⁓10^-10 mol L^-1范围内呈良好的线性关系，检出限为5.138×10^-16 mol L^-1 (S/N=3)。DFT计算结果进一步验证了印迹聚合物电极与Cu(II)之间的特异性选择性。这种选择性主要来自于带正电的Cu(II)与印迹位点上来自吡咯的N上的孤对电子的相互作用。此外，印迹聚合物电极具有良好的再现性和稳定性，是检测低浓度重金属离子的理想材料。

New Carbon Materials 文章信息

LI Rui-zhen, QIN Lei, FU Dong-ju, WANG Mei-ling, SONG Xing-fu, BAI Yong-hui, LIU Wei-feng, LIU Xu-guang. A highly selective and sensitive electrochemical Cu(II) detector based on ion-imprinted magnetic carbon nanospheres. New Carbon Mater., 2023, 38(6): 1092-1103. doi: 10.1016/S1872-5805(23)60772-3

李瑞珍, 秦蕾, 符冬菊, 王美玲, 宋兴福, 白永辉, 刘伟峰, 刘旭光. 离子印迹磁性碳纳米球基电化学传感器用于铜（II）的选择性检测. 新型炭材料（中英文）, 2023, 38(6): 1092-1103. doi: 10.1016/S1872-5805(23)60772-3

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