钐掺杂SrCeO3纳米结构的光催化诺氟沙星降解与电化学传感应用研究

　　为解决药物污染物（如扑热息痛）在水源中的检测难题，研究人员通过溶液燃烧法合成了Sm3+掺杂SrCeO3纳米结构，实现了对诺氟沙星的高效光催化降解（96.03%）和对扑热息痛的高灵敏度电化学检测，为环境和生物医学传感提供了多功能材料解决方案。

　　

随着现代医药和医疗行业的快速发展，药物残留物在生物和环境基质中的选择性、可靠性和精确检测变得日益重要。扑热息痛（Paracetamol，又称对乙酰氨基酚）作为一种广泛使用的解热镇痛药，在全球范围内被用于治疗发热和疼痛。然而，由于其广泛使用，扑热息痛在地表水、废水甚至饮用水中的存在越来越普遍。长期暴露于高剂量扑热息痛，即使是微量，也与多种生理疾病相关，包括肝毒性、肾毒性和肾功能衰竭。因此，开发灵敏、可靠的检测系统用于临床和环境样品中的定量分析成为迫切需求。

电化学传感因其固有的优势，如低检测限、快速反应时间、成本效益、易于小型化以及能够用于现场分析，成为一种流行的分析方法。然而，此类传感器的性能和特异性在很大程度上取决于所使用的电极材料。传统的电极材料，如玻碳、碳纳米管和金属氧化物，存在选择性差、电子转移速率慢、稳定性差和易污染等问题。这些限制促使人们寻找具有调控物理化学和电化学特性的新型功能纳米材料，以提高电化学传感器的性能。

稀土掺杂钙钛矿氧化物因其独特的物理化学、电学和发光特性，成为最有前途的功能纳米材料之一。锶铈酸盐（SrCeO₃）作为一种钙钛矿型氧化物，因其优异的化学稳定性、丰富的氧空位、多样的铈氧化态（Ce³⁺/Ce⁴⁺）以及增强的离子/电子导电性而受到科学界的特别关注。这些特性使SrCeO₃成为催化、传感和能量转换设备中一个有前途的选择。然而，其在电化学传感中的应用，特别是在扑热息痛等药物检测方面，仍然 largely untested。这 addressing 了一个关键的研究空白，并为探索这种钙钛矿氧化物的传感能力提供了机会。

将稀土离子添加到SrCeO₃晶格中已被证明可以有效地改变其电子结构，提高缺陷浓度，并改善电荷载流子动力学。钐（Sm³⁺）在稀土掺杂剂中特别引人注目，因为其离子半径与Ce⁴⁺相似，并且能够产生重要的电子跃迁，从而增强化合物的氧化还原活性。Sm³⁺掺杂提高了SrCeO₃的催化活性和光致发光特性，这可能用于双模式传感或研究电极-分析物界面处的电荷转移过程。

尽管光致发光（PL）行为在传统的电化学传感器研究中经常被忽视，但它可以为纳米材料的表面能量学、缺陷态和电子-空穴复合速率提供重要见解。为了实现更好的灵敏度和更快的分析物相互作用，电化学传感器必须减少复合，同时增加表面活性位点。Sm³⁺掺杂SrCeO₃的光致发光活性可以作为诊断工具，将电学和结构特性与电化学传感性能联系起来。例如，具有较低PL强度的材料可能表明有效的电荷分离，这对于提高电催化活性和传感器响应性是有利的。因此，将PL研究纳入电化学传感研究为传感器材料的合理设计提供了一种协同方法。

最佳的合成方法在决定纳米材料的形态、结构和功能特性方面至关重要。溶液燃烧合成（SCS）技术是一种简单、省时且节能的方法，用于生产具有大表面积、可控化学计量和改善缺陷拓扑结构的高结晶度纳米材料。SCS中固有的放热氧化还原过程确保了均匀的掺杂和原子水平上的均匀混合，这是持续和可重复传感器响应所必需的。与其他合成路线（如溶胶-凝胶、水热、共沉淀和微波辅助方法）相比，这些方法需要较长的反应时间、复杂的工艺管理或有毒化学品，SCS允许一步、低温过程，实现即时生产，且资源消耗最小。燃烧过程中产生的这种多孔设计增加了表面积，并为分析物扩散和吸附提供了容易的途径，从而提高了传感器响应性。SCS产生具有受调控掺杂剂掺入的缺氧结构的能力，使其成为生产高性能电活性材料的理想选择。

对现有文献的全面回顾表明，虽然一些金属氧化物（如ZnO、TiO₂和Fe₂O₃）已被研究用于扑热息痛检测，但它们通常受到低选择性、低响应电流以及来自共存分析物（如抗坏血酸和尿酸）的显著干扰等缺点的困扰。此外，它们的小电化学窗口和差的氧化还原特性限制了它们在实时系统中的应用。将稀土离子添加到这些材料中以改善其电化学特性已显示出一些前景，但稳定性和可重复性仍然是挑战。因此，存在研究空白和 urgent need，以创建一种用于扑热息痛检测的新型传感平台，该平台具有高灵敏度、选择性和可重复性。

在这项工作中，采用溶液燃烧技术生产了Sm³⁺掺杂SrCeO₃纳米结构，并通过电化学传感测试了扑热息痛检测。对材料的结构、表面和发射特性进行了仔细检查，并建立了它们与传感能力的相关性。尽管存在各种干扰物质，开发的传感器对扑热息痛表现出高灵敏度和选择性。它还展示了材料的发光特性如何帮助和简化其在传感过程中的操作，证明了其作为有效多功能传感材料的适用性。

本研究通过溶液燃烧法成功合成了Sm³⁺掺杂的SrCeO₃纳米结构，并利用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、漫反射光谱（DRS）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）和光致发光（PL）光谱等技术对其进行了全面表征。电化学传感性能通过循环伏安法（CV）在0.1 M盐酸电解质中评估，使用屏幕印刷碳电极（SPCE）作为工作电极。光催化降解性能通过对诺氟沙星（Norfloxacin, NF）在紫外光照射下的降解实验进行评估，并通过紫外-可见分光光度法监测降解过程。毒性评估通过琼脂井扩散法使用大肠杆菌（Escherichia coli）进行。

结构表征显示，所有Sm³⁺掺杂样品均保留了正交钙钛矿相，随着Sm³⁺含量的增加，结晶尺寸从52.4 nm增加到76.2 nm。形态学研究表明，纳米结构为聚集的准球形颗粒，尺寸在68-72 nm之间。DRS分析显示所有样品的直接带隙接近3.0 eV。XPS分析证实了Ce³⁺和Ce⁴⁺氧化态的存在以及氧空位的形成。PL光谱显示了明显的Sm³⁺发射，其中3 mol%样品在600 nm处表现出最强的橙红色发射（CIE: x=0.58, y=0.39），超过此浓度后发生浓度淬灭。

电化学研究表明，9 mol% Sm³⁺掺杂的SrCeO₃纳米结构在扑热息痛存在下表现出增强的电流响应性，这通过2e^-/2h⁺氧化过程验证。该材料还被用于诺氟沙星的光催化降解，在350 mg催化剂剂量下，紫外照射下实现了96.03%的降解率，遵循伪一级动力学（R²=0.96）。通过优化抗生素剂量（10 ppm）和pH（~7）增强了降解效果。LC-MS分析证实了逐步的分子碎片化和完全矿化为无害的最终产物。

所有研究结果表明，Sm³⁺掺杂的SrCeO₃是一种多功能的材料，能够实现光致发光、光催化抗生素降解和精确的电化学药物检测，使其适用于环境和传感应用。该研究为开发高效、多功能的传感和环境修复材料提供了新的思路和方法，具有重要的科学价值和实际应用前景。

该研究的主要局限性在于合成过程的可扩展性，确保大体积中一致的掺杂剂分布和保持相纯度存在显著挑战。未来的研究可以专注于优化合成工艺以提高大规模生产的可行性，并探索这些材料在其他药物污染物检测和降解中的应用潜力。