通过一步熔盐法从橡胶废弃物中合成分级多孔碳，并将其用于苯酚生物传感器的改性以实现信号放大

《Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers》：Synthesis of hierarchical porous carbon from rubber wastes by one-step molten salt method and its use in the modification of phenol biosensor for signal amplification

多孔碳材料（HPC）通过熔盐法从橡胶废料制备，并修饰玻璃碳电极用于酚生物传感器，检测限10.45 μM，准确率达99.38%，显著提升信号强度，实现废水酚类高效电化学检测。

　　

Muhammet Samet Kilic | Atakan Toprak | Seyda Korkut Uru

土耳其宗古尔达克布尔伦特·埃杰维特大学生物医学工程系，邮编67100

摘要

背景

本研究利用来自土耳其宗古尔达克-德夫雷克地区Cilas橡胶公司的橡胶废弃物，制备了一种层次多孔碳材料（HPC），并将该材料应用于苯酚生物传感器的设计中。

方法

采用环保的熔盐法进行碳化处理。通过将壳聚糖与HPC复合，在玻璃碳电极表面形成薄膜，并将漆酶化学固定在该薄膜上。随后利用差分脉冲伏安法在+0.44 V电压下测试该电极对苯酚的检测性能。

主要发现

熔盐法导致碳基体中形成了不同孔径的孔结构。该生物传感器对苯酚的检测范围为30 μM（2.82 ppm）至300 μM（28.2 ppm），检测限（LOD）为10.45 μM，测量准确率为99.38% ± 3.62%，相对标准偏差（RSD）为4.46%。HPC改性电极和未改性电极上的活性漆酶含量分别为116 μg和32 μg。该生物传感器在自来水和流动水中对苯酚的检测准确率分别为97.7%和92.3%。与未改性电极相比，HPC改性电极使生物传感器的信号强度提高了1.83倍。本研究首次将橡胶废弃物作为原料用于多孔碳材料的制备，并将其应用于生物传感器电极的制造中。

引言

多孔碳通常通过多种方法制备，包括物理活化（使用CO₂和H₂蒸汽）和化学活化（使用KOH、NaOH、ZnCl₂、H₃PO₄等）在惰性环境中进行，原料主要为碳基材料。熔盐碳化法是一种重要的制备技术。物理活化过程能耗较高，导致微孔和表面积形成不佳。尽管化学活化具有较高的表面积和可调的表面化学性质，但存在使用腐蚀性活化剂（如ZnCl₂、KOH和NaOH）的缺点，同时碳产率较低且存在环境问题[1]。熔盐法在控制多孔碳材料的制备方面非常有效。熔盐在高温下呈均匀溶液状态，有利于热量均匀传递，形成惰性环境，并在热解过程中实现碳材料的全面活化。该过程的特点是活化发生在初始碳材料的碳化过程中，这使其区别于单纯的热解过程。研究表明，盐类的低共晶点可在低温活化条件下增加碳材料与活化剂之间的接触面积，从而提高产率[[2], [3], [4]]。

废水处理和接收环境中需要监测的重要参数之一是苯酚及其衍生物。这些化合物广泛存在于塑料、涂料、制药、抗氧化剂生产、造纸和纸浆等工业过程中[5]。即使苯酚浓度低于1 ppb，也会影响水的口感和气味[6]。含苯酚的水经氯化处理后产生的氯酚对生物体具有毒性[8]。常用的苯酚定量分析方法包括高效液相色谱（HPLC）、电化学毛细管电泳（CE）、分光光度法、纸电泳[9]。此外，还采用薄层色谱、气相色谱（GC，配备ECD或FID）、质谱（MS）、紫外薄层色谱和微波诱导等离子体发射光谱（MIP-ES）[10]。由于样品中的苯酚通常以微量形式存在且以多种衍生物形式存在，因此需要经过提取、清洗和稀释等预处理步骤。这些方法耗时、劳动强度大且灵敏度较低。因此，人们正在开发更可靠、更灵敏、更具选择性和快速性的苯酚生物传感器。漆酶是一种含有多个铜原子的氧化还原酶，可催化多种有机物质（包括苯酚）的氧化反应[11]。尽管其对单酚、联酚、多酚、氨基酚和芳香二胺没有选择性，但其广泛的氧化能力使其在总苯酚检测中得到广泛应用。该酶能通过4电子转移将氧气直接还原为水，因此在生物传感器中具有优势[12]。在电极表面，漆酶首先被氧气氧化，随后被酚类化合物还原。在此过程中，酚类化合物被转化为醌或酚氧基自由基。这些生物催化反应产生的电子流在生物传感器系统中转化为电流，其大小与底物浓度及漆酶与酚类物质的相互作用密切相关。这些相互作用受基质电子导电性、表面积和多孔结构的影响。近年来开发的生物传感器通常采用具有这些特性的基质，并对其进行各种改性。特别是基于碳的基质（如多孔碳、碳纳米管（CNTs）、还原氧化石墨烯和导电聚合物）被用于酶的固定。

本研究采用一步熔盐法从橡胶废弃物制备了多孔碳材料。所得碳材料用于改性壳聚糖基底，以增强苯酚生物传感器的信号强度。只有信号强度较高的生物传感器才能有效检测水中的微量苯酚。为此，将漆酶固定在壳聚糖/层次多孔碳复合材料中制备工作电极，用于检测不同浓度下的苯酚。同时，工业废弃物也被转化为有用的产品。

试剂与设备

试剂

Trametes versicolor菌株来源的漆酶（冻干粉，12.9单位/mg）、六氰合铁酸钾（K₃Fe(CN)₆）、高氯酸锂（LiClO₄（99%）、壳聚糖（Ch）、戊二醛（25%溶于H₂O）、醋酸（≥99.7%）、碳酸钾（K₂CO₃、氯化钠（NaCl）、发烟盐酸（HCl，37%）和苯酚均购自Sigma-Merck公司（德国）。酶溶液（20 mg/mL）和苯酚储备液每天在pH 4的50 mM醋酸盐缓冲液中配制。

HPC的表征

为确定HPC的表面积和孔结构，图1展示了77 K下的氮吸附-脱附等温线和NLDFT孔分布曲线。根据IUPAC分类，多孔碳表现出典型的IV型等温线和H3型滞后环[16,17]。如图1a所示，低相对压力（P/P₀ < 0.1）下的高氮吸附体积表明其含有大量微孔。

结论

本研究采用环保的熔盐碳化法成功合成了多孔碳材料。所得HPC具有较高的比表面积（161 m2/g）、发达的中孔结构（0.118 cm3/g）和平均孔径（23.4 ?），为酶的固定和电子转移提供了理想条件。基于HPC改性的漆酶生物传感器表现出优异的电化学性能。

CRediT作者贡献声明

Muhammet Samet Kilic：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、研究设计、实验方法、数据分析、概念构建。 Atakan Toprak：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、研究设计、实验方法、数据分析。 Seyda Korkut Uru：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、研究设计、实验方法、数据分析、概念构建。