通过荧光检测分析物来反映有毒染料的降解过程：一种绿色化学方法

《Materials Research Bulletin》：Fluorometric sensing of analytes as an output of toxic dye degradation: A green chemical approach

甲基蓝光催化降解与铁基纳米颗粒荧光传感研究。采用绿茶提取液绿色合成铁基纳米颗粒（FeTA），在过氧化氢辅助下实现甲基蓝高效降解，并利用生成的荧光产物（λ??=360 nm，λ??=450 nm）同步检测Fe3?和H?O?。本研究首次将光催化降解与环境原位传感结合，为污染治理提供新策略。

　　

普里扬卡·夏尔玛（Priyanka Sharma）| 曼玛塔·萨胡（Mamta Sahu）| 安基塔·多伊（Ankita Doi）| 根岸雄一（Yuichi Negishi）| 马伊纳克·甘古利（Mainak Ganguly）

印度斋浦尔马尼帕尔大学（Manipal University, Jaipur）化学系太阳能转换与纳米材料实验室，德米卡兰（Dehmi Kalan），斋浦尔303007

摘要

甲基蓝（Methyl Blue，简称MB）是一种广泛使用的有毒染料，对环境构成威胁，因此迫切需要对其进行清除。与其他有毒染料（如罗丹明B、亚甲蓝、刚果红、结晶紫等）相比，关于通过纳米途径去除MB的研究报道较少。我们利用绿茶提取物合成了基于铁的纳米颗粒（FeTA），在阳光下能够快速且经济高效地降解MB，其中共催化剂过氧化氢（H?O?）在生成羟基自由基（•OH）的过程中发挥了关键作用。降解产生的碎片具有荧光性（λ?? = 360 nm，λ?? = 450 nm）。通过荧光法和比色法可以检测到铁和H?O?的存在。这种同时实现环境修复和检测的方法具有独特性，有望为专注于环境技术的研究领域提供帮助。

引言

工业产品（如纸张、塑料、皮革、药品、食品、化妆品以及染料废水）对环境始终存在重大风险[[1], [2], [3]]。许多有毒染料会对水生环境产生直接影响[[4], [5], [6]]。染料分子属于有机化合物，具有复杂的芳香分子结构，能够赋予材料鲜艳的色彩[[7]]。然而，这种复杂的结构也使得它们的生物降解变得十分困难。甲基蓝（MB）是一种广泛应用的多功能染料，既可用作着色剂，也可用于清漆、颜料、橡胶、药品、纺织品、印刷以及生物染色和农药等领域[[8,9]]。急性接触MB会刺激皮肤、眼睛和呼吸道，吸入其粉尘或烟雾可能引发红肿、炎症和呼吸问题；摄入MB则可能导致恶心、呕吐和腹泻等胃肠道症状[[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]]。

地球上丰富的铁资源非常适合用于制造多种磁性纳米材料[[26,27]]。这些纳米材料可用作MRI中的对比剂、计算机中的磁存储设备，以及通过光辅助电解水制氢的电极。零价铁（NZVI）和氧化铁纳米颗粒因其独特的性质（如磁性、高表面积和优异的吸附及光催化性能）而受到广泛关注[[30]]。绿茶（Green Tea，简称TA）是日常生活中常见的饮品[[31]]，也被用于化妆品、食品和传统疗法中[[32], [33], [34]]。由于绿茶中的多酚具有还原性和稳定性，其在纳米颗粒制备中的应用日益增多[[35,36], [37,38]]。

铁离子作为人体生理功能中的重要重金属离子，对环境和人类健康具有重要影响。例如，Fe3?在代谢过程中起着关键作用，并是动物蛋白质的组成部分。体内Fe3?的缺乏或失衡会导致贫血，进而引发心脏病和癌症[[39]]。因此，当人们饮用含有Fe3?的受污染水源时，异常的Fe3?水平会扰乱人体正常功能。

过氧化氢因其强氧化性而在食品加工、环境监测和临床护理等领域得到广泛应用。作为关键活性氧物种，H?O?在生物系统中至关重要，但过量会引发阿尔茨海默病、心肌梗死和动脉粥样硬化等疾病[[40], [41], [42], [43], [44]]。因此，在饮用水和生物应用中检测Fe3?和H?O?非常重要。传统方法（如比色法、发光法[[45], [46], [47]]、色谱法和视觉分析）虽然有效，但往往复杂、成本高昂且易受干扰。因此，亟需开发高选择性、高灵敏度和高效的技术来准确可靠地检测铁和过氧化氢，以确保医疗、环境和工业应用的准确性[[45,48]]。我们首次采用绿色化学方法合成的基于铁的纳米颗粒来降解MB并实现双重检测功能，这一过程还产生了新的荧光材料，有助于传感应用的研究。

材料与仪器

研究中使用的所有化学试剂均具有分析纯度。实验过程中始终使用蒸馏水。清洗玻璃器皿后，再使用肥皂水和大量蒸馏水进行彻底清洗，并经过长时间干燥后才投入使用。

基于铁的纳米颗粒（FeTA）的合成

取100毫克市售绿茶，加入100毫升水中，加热至...

紫外-可见光谱（UV–Vis Spectroscopy）

所有紫外-可见光谱均在Shimadzu UV-2600（双光束光学系统）光谱仪上记录。液体样品被置于1厘米长、带有塞子的石英比色皿中，光谱数据以水为溶剂进行测量。

扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy）

使用JSM-7610FPlus超高分辨率扫描电子显微镜观察颗粒形态。FeTA样品经过离心处理后干燥，再置于碳涂层带上进行显微镜观察。

结论

在基于纳米催化剂的光降解研究中，甲基蓝染料受到的关注相对较少。我们使用绿色化学合成的氧化铁纳米颗粒作为高效光催化剂，实现了对该有毒染料的快速、经济且可重复的降解。值得注意的是，在降解过程中检测到了水相中的过氧化氢和离子铁，这一过程类似芬顿反应（Fenton reaction），产生了羟基自由基（•OH）。

作者贡献声明

普里扬卡·夏尔玛（Priyanka Sharma）：撰写初稿。曼玛塔·萨胡（Mamta Sahu）：审稿与编辑。安基塔·多伊（Ankita Doi）：审稿与编辑。根岸雄一（Yuichi Negishi）：数据整理。马伊纳克·甘古利（Mainak Ganguly）：审稿与编辑、监督及概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

参与同意

所有参与者均已审阅论文并同意发表。

作者贡献

普里扬卡·夏尔玛（Priyanka Sharma）：数据分析；撰写初稿安基塔·库马瓦特（Ankita Kumawat）：审稿与编辑曼玛塔·萨胡（Mamta Sahu）：审稿与编辑根岸雄一（Yuichi Negishi）：数据整理安基塔·多伊（Ankita Doi）：审稿与编辑马伊纳克·甘古利（Mainak Ganguly）：监督；审稿与编辑

发表同意

所有参与者均同意发表本文。

资金情况

本文未获得任何资助。

数据与材料的获取

相关数据和材料可免费公开。

致谢

作者感谢CAF & SAIF（MUJ）提供的实验设施，同时感谢马尼帕尔大学斋浦尔分校2025-2026年度捐赠基金的支持，以及安基塔·库马瓦特（Ankita Kumawat）在研究中的协助。