基于造纸工业废弃物的生物炭薄膜传感器：农业食品副产物高值化的循环经济创新方案

本研究针对农业食品副产物中高价值生物活性成分的检测需求，创新性地利用造纸工业废弃物黑液制备生物炭(BH)纳米薄膜，开发出全回收纤维纸基电化学传感器(BH-PS)。该传感器通过超声辅助液相剥离技术实现水相分散，采用模板印刷工艺集成三电极系统，成功实现对咖啡酸(CF)、绿原酸(CHL)等酚类化合物的高灵敏度检测(LOD低至0.03 μM)。研究构建了"废弃物-传感器-废弃物增值"的完整循环经济模式，经White Analytical Chemistry评估获得94%的可持续性评分，为农业废弃物资源化提供了新型分析工具。

　　

在传统线性经济模式主导的工业化进程中，造纸行业每年产生大量黑液(BL)副产物，每吨纸浆约产生7吨富含木质素的黑液，这些废弃物通常仅作为低值燃料处理。与此同时，全球农业食品加工业每年产生数以亿吨计的植物副产物——如咖啡壳、可可壳、橄榄叶等——这些材料富含具有抗氧化、抗炎等生物活性的酚类化合物，但由于缺乏高效、经济的检测手段，其高值化利用受到严重制约。

为破解这一双重困境，来自意大利的研究团队在《Green Analytical Chemistry》发表创新成果。研究团队创造性地将造纸工业废弃物转化为高性能分析工具，再反哺农业废弃物资源化评估，构建了完整的循环经济闭环。该研究通过将黑液衍生生物炭(BH)与再生纸基板结合，开发出完全源自废弃物的纳米传感器系统，为解决两大行业的废弃物协同处理提供了范式级解决方案。

研究采用超声辅助液相剥离技术将BH纳米纤维分散于水相，通过真空过滤在纤维素膜上形成自支撑导电薄膜；采用CO₂激光切割制备工作电极(WE)，结合模板印刷碳/银浆料构建三电极系统。电化学阻抗谱(EIS)和循环伏安法(CV)证实BH₈-PS传感器具有最优的电荷转移性能(R_CT=0.14 kΩ)和双电层电容(38 μF cm^-2)。

研究结果部分显示：

3.1 BH-PS表征与传感能力
通过系统优化BH负载量(1-12 mg mL^-1)，发现8 mg mL^-1制备的BH₈-PS在电活性表面积(ECSA)和电容特性间取得最佳平衡。扫描电镜(SEM)显示BH纳米纤维(直径约100 nm)与再生纸纤维素形成互穿网络结构，这种独特形貌使传感器对邻二酚类化合物的氧化过电位降低达183 mV。

3.2 BH-PS分析性能
差分脉冲伏安法(DPV)检测显示，传感器对橄榄苦苷(OL)和儿茶素(CT)的灵敏度分别达0.3387 μA/μM和0.6994 μA/μM，LOD低至0.03 μM。与商业丝印电极(SPE)相比，CT的氧化电流增强16倍，且不可逆反应转变为可逆过程(ΔE=47 mV)。

3.3 农业副产物应用
在咖啡渣、可可壳等真实样品检测中，BH-PS表现出优异抗干扰能力，对K⁺、葡萄糖等共存物质无响应。标准添加回收率达97-114%，与金纳米粒子(AuNPs)比色法的相关性达r≥0.99。

3.4 WAC评估模型
采用白分析化学(WAC)RGB评估体系，BH-PS在分析效能(R=87%)、绿色指标(G=96%)和经济效益(B=99%)三方面全面超越传统方法，总体"白度"评分94%，显著高于HPLC-DAD(59%)和Folin-Ciocalteu法(80%)。

该研究首次实现了从废弃物原料、传感器基材到终端应用的全循环设计，其创新性体现在三个方面：材料层面开创了黑液衍生BH纳米薄膜的可控制备工艺；方法学层面建立了纸基设备与纳米生物炭的集成新策略；应用层面构建了工业-农业废弃物协同增值的新范式。这种"以废治废"的研究思路为发展符合联合国可持续发展目标(SDGs)的分析技术提供了重要参考，特别适合在资源受限地区推广，助力实现分析检测技术的民主化。