文章导读
静电纺丝纳米纤维因其独特的物理化学特性，在环境污染物检测领域实现了技术性的飞跃。这些纤维作为化学传感器材料，展现出高比表面积、多孔性结构、卓越的机械性能及功能化能力，极大提高了传感器的灵敏度、选择性和响应速度。上海理工大学余灯广与澳门理工大学易涛团队在 Chemosensors 期刊发表的综述文章中，全面探讨了静电纺丝纳米纤维在环境监测中的应用，文章总结了该技术在环境检测领域的最新研究进展，并讨论了未来环境监测领域对化学传感器的需求，包括对新材料、新结构、操作便利性和功能集成或协同的需求。此外，文章还分析了静电纺丝纳米纤维在水、空气和土壤污染检测中的优势与挑战，并对其在环境传感领域的未来发展潜力进行了展望。
研究过程和结果
1. 静电纺丝纳米纤维的制备与特性
静电纺丝纳米纤维的制备过程涉及利用高电压使带电聚合物溶液喷射成纤维。该技术能够产生具有高比表面积和多孔结构的纳米纤维，这些特性赋予了它们卓越的吸附能力和传感灵敏度。在环境监测领域，静电纺丝纳米纤维被广泛用于吸附污染物、检测重金属离子以及识别有毒气体。随着单液、双液和多液体系的发展，电纺技术已经能够制备出多种复合结构的纳米纤维，例如核-壳结构、Janus结构、空心结构和多级结构。这些不同结构的静电纺丝纳米纤维能够实现针对污染物的多样化功能化改性，从而对多种环境污染物进行高效检测。
2. 水污染检测中的静电纺纳米纤维应用
水污染是环境问题中的重点之一，静电纺纳米纤维在水污染检测中具备独特的优势。其高比表面积和多孔结构可有效吸附水中的污染物质，包括重金属、药物残留、染料等。研究表明，功能化的静电纺纳米纤维膜能够检测和富集痕量的重金属离子，同时通过荧光或比色响应实现对污染物的实时定量分析。这种高灵敏度和选择性的检测方法能够帮助快速识别水体污染状况，为污染源追踪和环境修复提供科学依据。例如，特定的核-壳结构或多孔结构纳米纤维能够用于捕捉重金属离子或农药残留等水污染物，通过电化学或光学传感器反馈出污染物浓度 (图1)。这种创新的检测方法显著提高了检测灵敏度，能够实现极低浓度的检测，并且反应时间短、成本低，适合现场检测。
图1. 基于静电纺纳米纤维的水污染物化学传感器；(a) 磺酰基杯芳烃功能化APAN纳米纤维吸附去除Tb3+的制备工艺及光致发光行为；(b) 浸入Tb3+水溶液 (0—100 ppm) 后的NFs照片；(c) NFs的荧光光谱。
3. 气体污染检测与纳米纤维化学传感器
空气污染中的有毒气体 (如二氧化硫、氮氧化物等) 对人体健康危害重大，静电纺纳米纤维在气体检测方面同样展现出广阔的应用前景。静电纺纳米纤维的高孔隙率和结构多样性可以极大地增强其与目标气体的相互作用，从而提高传感器的灵敏度。通过引入金属氧化物或石墨烯等纳米材料，研究人员开发出了对特定气体具有高选择性的静电纺纳米纤维传感器。这类传感器可以通过电化学或光学信号反馈出不同浓度的有毒气体，并实现快速恢复和高稳定性。例如，以ZnO和In2O3复合的纳米纤维传感器可以高效检测氢气、氮氧化物等气体，其优异的气敏性能使其成为空气质量监测的理想选择 (图2)。
图2. 用于气体污染物的静电纺nfs化学传感器；(A) PL光谱；(B) In2O3/ZnO异质结及相应能带图；(C) PEDOT/PVA/AgNPs-纤维改性SPCE的制备。
4. 土壤污染检测与环境修复
土壤污染往往包含重金属和有机污染物的残留，难以通过传统方法实现实时和高效的检测。静电纺纳米纤维在土壤监测中具有潜力，特别是在重金属的检测和吸附方面。通过将纳米纤维传感器埋入土壤中，可以实现污染物的就地检测，同时其高表面积和多孔结构能够有效吸附污染物，减少环境负担。某些纳米纤维复合材料通过催化作用提高了土壤污染物检测的精确度，例如铜掺杂的还原氧化石墨烯复合纤维在检测农药和重金属时展示了优异的电催化性能，能够在极低浓度下实现高精度的污染物识。
文章总结
静电纺纳米纤维在环境污染物检测中具有独特优势，其多样化的结构和优异的性能为提高传感器的灵敏度、选择性和稳定性提供了有力支持。多流体电纺丝技术的发展使得制备具有复杂结构和功能的纳米纤维成为可能，为环境检测领域带来了新的机遇。未来，传感器的发展需要不断探索新的化学合成功能物质和纳米结构材料，提高检测性能，实现功能集成与协同。静电纺纳米纤维的高孔隙率和大比表面积使其在吸附和传感方面具有良好性能，结合其吸附和降解污染物的特性，有望实现环境污染物的检测与治理一体化。电纺丝技术在合成新型纳米材料方面的作用日益重要，通过与其他材料 (如量子点、MOFs等) 的结合，可进一步提升纳米纤维的性能。此外，借鉴其他化学分支学科的知识和策略，有助于开发新型的静电纺纳米纤维化学传感器，为环境保护和可持续发展提供更有效的技术支持。
原文出自 Chemosensors 期刊：https://www.mdpi.com/2227-9040/11/4/208
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/chemosensors
Chemosensors 期刊介绍
主编：Nicole Jaffrezic-Renault, CNRS/Univeristy of Lyon, France; Jin-Ming Lin, Tsinghua University, China
期刊范围涵盖化学传感理论；机理和检测原理；开发、制造技术；化学分析方法在食品、环境监测、医药、制药、工业、农业等方面的应用。
2023 Impact Factor：3.7
2023 CiteScore：5.0
Time to First Decision：17.1 Days
Acceptance to Publication：2.6 Days
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