重金屬污染尤其是鉛、汞污染，始終是環(huán)境與食品安全領(lǐng)域的突出難題，痕量的鉛（Pb）、汞（Hg）離子即可對人體神經(jīng)系統(tǒng)造成不可逆的嚴(yán)重?fù)p害。長期以來，電感耦合等離子體質(zhì)譜法等傳統(tǒng)檢測手段雖檢測精度高，但受設(shè)備造價昂貴、操作流程復(fù)雜、檢測周期長等因素限制，難以滿足現(xiàn)場快速檢測的實際需求，開發(fā)高效、便捷、精準(zhǔn)的重金屬離子檢測技術(shù)成為行業(yè)迫切需求。近日，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院與浙江大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊在這一領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，其研發(fā)的基于活性 - 導(dǎo)電層堆疊結(jié)構(gòu)的電化學(xué)傳感器及配套實時檢測平臺，成功解決了這一行業(yè)痛點，相關(guān)研究成果發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》。

據(jù)悉，該研究團(tuán)隊創(chuàng)新設(shè)計了活性 - 導(dǎo)電層堆疊結(jié)構(gòu)的電化學(xué)傳感器 MgFe-LDH@SnO?/NF，以負(fù)載有 SnO?的泡沫鎳作為導(dǎo)電層，在其表面合成 MgFe 層狀雙氫氧化物構(gòu)建活性層，并借助氧空位的輔助作用，實現(xiàn)了吸附能力與電子傳輸效率的雙重提升。實驗檢測結(jié)果顯示，這款新型傳感器展現(xiàn)出卓越的重金屬離子檢測性能，對 Pb (II) 的檢測靈敏度達(dá) 417 μA/μM，檢測限低至 1.21 nM；對 Hg (II) 的靈敏度更是達(dá)到 986 μA/μM，檢測限僅 3.7 nM，且二者均擁有 1.1-2.2 μM 的寬線性檢測范圍，檢測指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。

為探明傳感器高性能的背后機(jī)理，研究團(tuán)隊通過密度泛函理論計算與電化學(xué)測量分析證實，氧空位與 SnO?的協(xié)同作用是核心關(guān)鍵：氧空位通過降低結(jié)合能，顯著增強(qiáng)了傳感器對重金屬離子的吸附能力；而 SnO?則有效降低了電荷轉(zhuǎn)移電阻，推動電子實現(xiàn)快速傳輸，二者相輔相成，讓傳感器的檢測性能實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

在傳感器研發(fā)的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊進(jìn)一步構(gòu)建了一套完整的重金屬離子實時檢測平臺，將新型電化學(xué)傳感器與自主提出的微型電化學(xué)檢測網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)算法及微信小程序深度融合。該平臺創(chuàng)新性地通過深度學(xué)習(xí)完成電化學(xué)信號的定性與定量計算，檢測得到的 Pb (II)、Hg (II) 污染類別及濃度信息可實時上傳至云服務(wù)器，并同步至智能手機(jī)微信小程序，實現(xiàn)檢測結(jié)果的可視化展示。在實際水樣檢測驗證中，該平臺表現(xiàn)出優(yōu)異的實用性，檢測準(zhǔn)確度達(dá) 0.98，水樣回收率處于 91.6%-106.8% 區(qū)間，檢測結(jié)果與傳統(tǒng)精密檢測手段 ICP-MS 無顯著差異。此外，該傳感器還具備出色的穩(wěn)定性與重復(fù)性，10 天內(nèi)檢測響應(yīng)保持 90% 以上，為其商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

據(jù)了解，該研究還首次開發(fā)出 ECDNet-tiny 輕量級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提升了檢測平臺的智能化與便攜性，同時大幅降低了檢測設(shè)備的成本，相較于傳統(tǒng)檢測電極擁有明顯的價格優(yōu)勢。業(yè)內(nèi)專家表示，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)與浙江大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的這一新型重金屬離子檢測平臺，打造了一套低成本、高效能、智能化的檢測解決方案，不僅為鉛、汞等典型重金屬離子的現(xiàn)場快速檢測提供了全新的傳感器平臺，顯著提升了重金屬檢測的靈敏度、準(zhǔn)確性與智能化水平，也為后續(xù)關(guān)鍵重金屬離子檢測技術(shù)的優(yōu)化升級提供了重要的理論與技術(shù)指導(dǎo)，在環(huán)境監(jiān)測、食品檢測等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。