利用基于细菌纳米纤维素纸的试纸进行镍离子的比色检测

《Macromolecular Materials and Engineering》：Colorimetric Detection of Nickel Ions Using Bacterial Nanocellulose Paper-Based Strips

BNC@TAR试纸通过TAR染料与BNC膜的高效结合实现Ni2?检测，在0.5-10 mg/L范围内线性响应（R2=0.996），LOD为0.18 mg/L，适用于多种真实水样检测，成本仅0.03美元/片。

　　细菌纳米纤维素（BNC）因其独特的物理化学性质，被广泛认为是一种极具潜力的可持续材料，用于开发环境监测领域的新型光学（生物）传感器。BNC具备光学透明性、高孔隙率和较大的比表面积，这些特性使其成为构建高效、低成本、可重复使用的传感器的理想基底。相比于传统的纸质传感器，BNC在染料固定和颜色响应均匀性方面具有明显优势，能够有效避免纸质传感器常见的染料固定不充分或颜色响应不一致的问题。本文介绍了一种基于BNC的简单、经济且环保的比色试纸，用于检测Ni2?离子，并通过数字图像分析实现现场快速检测。该试纸的制造成本仅为每条约0.03美元，显示出其在实际应用中的可行性。

BNC是由某些细菌如*Komagataeibacter xylinum*和*Komagataeibacter hansenii*在糖类和有机底物的发酵过程中合成的。这种材料具有三维纤维网络结构，孔隙率高，表面富含羟基，为染料的均匀分布和固定提供了良好的条件。这些特性使得BNC能够作为传感器的优良基底，实现对金属离子的高效检测。本文选择的染料是4-(2-噻唑基偶氮)邻苯二酚（TAR），这是一种在金属离子检测中广泛应用的显色剂，具有较强的配位能力。TAR能够与Ni2?形成稳定的络合物，从而引发颜色变化，这种变化可以通过数字图像分析进行量化。

为了验证BNC@TAR试纸的性能，研究团队对其进行了详细的物性表征。通过场发射扫描电子显微镜（FEG-SEM）观察，BNC的表面呈现出典型的多孔结构，由细小的纤维网络组成，且染色后仍能保持原有的形态和结构。这表明TAR能够均匀地分布在BNC膜上，而不会破坏其物理结构。X射线衍射（XRD）分析进一步证实了BNC膜的结晶性，显示了其与天然纤维素相似的晶体结构。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析揭示了TAR在BNC表面的吸附行为，表明其主要通过物理吸附固定在膜上，而不是化学键合。这一发现对于理解试纸的工作原理至关重要，因为物理吸附方式可以确保染料的稳定性，同时避免复杂的化学反应过程。

紫外-可见漫反射光谱（UV–vis DRS）和紫外-可见吸收光谱（UV–vis）分析表明，TAR的引入显著改变了BNC膜的光学特性。未染色的BNC膜在紫外-可见光谱中几乎不显示吸收峰，而染色后的BNC@TAR膜则表现出三个明显的吸收峰，分别对应于TAR分子中的不同化学键，如C＝N和N＝N的π-π*跃迁，以及N＝N的n-π*跃迁。这些吸收峰的出现表明TAR成功地固定在BNC膜表面，为后续的Ni2?检测提供了可靠的光学基础。在Ni2?存在的情况下，TAR的吸收峰发生显著变化，出现了新的吸收峰，对应于Ni2?与TAR形成的络合物的d-d跃迁。这种颜色变化的可预测性和可重复性，使得试纸能够作为有效的检测工具。

在实际检测中，研究团队对Ni2?的检测性能进行了系统评估。首先，通过调节pH值（2.0、4.0、6.0、8.0）和反应时间（5–30分钟）来优化检测条件。实验结果表明，在pH 4.0时，试纸表现出最佳的检测性能，红通道的吸收值变化最为显著。这可能是由于TAR在该pH值下能够更有效地与Ni2?发生络合反应，同时避免了因酸碱条件变化导致的染料流失或反应不稳定。在反应时间方面，试纸在15分钟内吸收值达到最大值，但随着时间延长，吸收值开始下降，这可能是由于络合物从膜表面渗出，导致信号减弱。因此，选择15分钟作为最佳反应时间，既保证了信号强度，又兼顾了检测效率。

此外，试纸的灵敏度和选择性得到了充分验证。在Ni2?浓度范围为0.5–10 mg/L时，试纸表现出良好的线性响应，相关系数R2达到0.996，表明其检测结果具有较高的准确性。同时，通过与常见的干扰离子（如Na?、Ca2?、Fe3?、Cd2?、NO??、F?、Cr3?、CO?2?、Co2?和Cu2?）进行对比实验，发现除了Co2?和Cu2?外，其他离子对试纸的检测性能影响较小。这一结果表明，BNC@TAR试纸在复杂环境样品中具有较高的选择性。为了进一步提高检测的准确性，研究团队引入了硫代硫酸钠作为掩蔽剂，有效抑制了Co2?和Cu2?对Ni2?检测的干扰。

试纸的稳定性也是评估其实际应用价值的重要指标。实验结果显示，即使在40天的储存条件下，试纸的吸收值变化仍小于10%，表明其具有良好的长期稳定性。这种稳定性对于现场检测尤为重要，因为试纸可能需要在不同环境下保存较长时间，才能确保检测结果的一致性。同时，试纸的重复性和可重复性也得到了验证，通过分析同一膜片上6条试纸和不同膜片上4条试纸的吸收值，其相对标准偏差（RSD）分别达到2.1%和3.7%，说明试纸在不同批次和不同条件下仍能保持一致的性能。

为了进一步验证试纸的实用性，研究团队将其应用于真实水样分析，包括自来水、溪水（过滤和未过滤）以及瓶装水。实验结果表明，试纸在这些水样中均能实现较高的回收率（93.1%–103.4%），显示出其在实际环境中的广泛应用潜力。值得注意的是，未过滤的溪水样品在检测过程中仍能保持良好的响应，说明试纸对水样中的悬浮物和有机物质具有一定的耐受性。这种性能使得BNC@TAR试纸能够适用于多种水样类型，为环境监测提供了更加灵活和可靠的解决方案。

与传统的纸基比色传感器相比，BNC@TAR试纸不仅具有更低的制造成本，还展现出更高的灵敏度和更宽的检测范围。许多现有的纸基传感器依赖于常规滤纸（如Whatman N°.1）和不同的显色剂（如二甲基甘醇肟，DMG），这些系统虽然在某些情况下能够提供较宽的线性范围，但其检测限（LOD）通常较高，部分研究的LOD甚至超过50 mg/L。相比之下，BNC@TAR试纸的LOD为0.18 mg/L，具有更高的灵敏度，同时仍能保持良好的检测范围（0.5–10 mg/L）。这表明BNC@TAR试纸在检测低浓度Ni2?时具有优势，而不会因浓度范围过窄而限制其应用。

此外，BNC@TAR试纸的检测过程不需要复杂的仪器设备，只需使用数字图像分析即可完成。这一特点使得试纸在资源有限或现场检测环境中具有更高的适用性。传统的比色检测通常依赖于分光光度计，这不仅增加了检测成本，还限制了其在偏远地区的使用。而数字图像分析技术的引入，使得检测过程更加便捷，减少了对专业设备的依赖，同时提高了检测的可重复性和准确性。通过使用统一的图像采集条件和相同的感兴趣区域（ROI）设置，研究团队有效降低了图像采集过程中的误差，确保了检测结果的一致性。

综上所述，BNC@TAR试纸在检测Ni2?方面表现出优异的性能，包括高灵敏度、良好选择性、稳定性和低成本。这些特性使其成为一种理想的环境监测工具，特别是在需要快速、低成本、现场检测的场景中。然而，尽管该试纸在性能和成本方面具有明显优势，仍需进一步评估其在整个生命周期中的环境影响，以确保其在商业应用中的可持续性。未来的研究可以关注如何优化试纸的制造工艺，提高其在不同环境条件下的稳定性，并探索其在其他金属离子检测中的应用潜力。此外，开发更高效的图像分析算法，以提高检测精度和自动化程度，也将是推动该技术进一步发展的关键方向。