基于单原子镍复合电极间接测定环境中的聚乳酸微塑料残留

4月前浏览824

研究背景

聚乳酸（PLA）薄膜作为农业覆盖膜已被广泛地应用，这也导致土壤生态系统中微塑料（MPs）的囤积，造成严重的白色污染。同时微塑料可通过摄入等途径进入人体，引发肠炎、哮喘等多种疾病，因此迫切需要一种简便、快速且灵敏的环境微塑料检测方法用以控制污染。

然而，现有的传统检测技术（如光谱法、热分析、GC/MS等）虽能实现定性定量分析，但通常存在样品前处理复杂、维护成本高、操作专业性强、有机质干扰导致回收率低等问题；而电化学方法虽具有响应快、成本低等优点，却因微塑料本身几乎无电化学活性而难以直接检测，且已有的电化学阻抗谱等方法受限于微塑料粒径范围（如仅能检测300–1000 μm）、易受共存离子干扰，加之传统电极材料在复杂土壤环境中稳定性差、重现性低，导致“直接检测微塑料难”的技术瓶颈一直以来都未能突破。

本研究采用掺杂单原子镍的氮碳纳米片结合金钯纳米粒子，实现了对乳酸的高灵敏度检测。通过单原子金属催化氧化，乳酸的检测范围为50 μmol·L⁻¹至50 mmol·L⁻¹，检测限为10 μmol·L⁻¹。该方法通过检测Ni-N-C + AuPdNPs上的乳酸，间接定量了微塑料中的聚乳酸。

梯度浓度（50 μmol·L⁻¹~50 mmol·L⁻¹）乳酸的电流-时间曲线；b 电流-乳酸浓度关系曲线（50 μmol·L⁻¹~50 mmol·L⁻¹）

这是首次通过电化学方法间接测定解聚后的聚乳酸，以实现环境中聚乳酸的定量分析。该检测电流在7天内波动极小，且不受常见土壤干扰物的影响。该方法通过检测微塑料的解聚产物来间接评估其残留量，避免了复杂的分离过程，在实际环境中表现出良好的适用性。在水和土壤中聚乳酸的高回收率凸显了其在环境监测中的潜力。本研究为此类检测方法提供了稳定的微塑料单体电化学检测手段。文章发表于An al. Bioan al. Chem.，DOI：10.1007/s00216-025-06046-0

研究过程与结果

研究首先合成了单原子镍掺杂的氮碳纳米片，并进一步电沉积金-钯纳米颗粒，制得具有优异电催化性能的复合电极材料。通过多种表征手段确认了材料的原子级结构和良好导电性。在碱性条件下，该电极能够高效催化乳酸氧化，并表现出良好的稳定性与抗干扰能力。

电极制备及乳酸检测示意图

研究的计算部分均使用PWmat完成，首先对Ni-N-C催化剂在碱性条件下的电化学氧化过程进行了系统模拟，揭示了Ni²⁺在碱性条件下氧化为Ni³⁺，通过构建完整的反应路径，计算进一步阐明了乳酸被氧化为丙酮酸并生成过氧化氢的详细过程，验证了Ni³⁺作为活性态的关键作用。此外，PWmat的计算数据还为实验中金-钯纳米颗粒的协同增强效应提供了理论解释，即其有助于稳定反应中间体、降低反应能垒。