两亲性量子点嵌入聚丙烯酰胺水凝胶作为荧光传感器用于Hg2+和Pb2+离子的快速同步检测

本研究开发了一种基于两亲性量子点（QDs）-水凝胶的荧光传感器，解决了水体中重金属离子快速、选择性检测的难题。通过将疏水性CdSe/ZnS QDs经两亲性聚合物封装后嵌入聚丙烯酰胺 hydrogel 基质，实现了对Hg2+（0.6?ppb）和Pb2+（0.8?ppb）的高灵敏度、快速（1分钟内）及稳定（24小时）检测，结合XPS证实了金属-硫相互作用机制，并通过CIE 1931色度分析实现裸眼识别，为现场实时监测有毒金属污染物提供了可靠平台。

　　

随着工业化和城市化的快速发展，水体重金属污染已成为全球性的环境与健康问题。汞（Hg²⁺）和铅（Pb²⁺）离子因其高毒性、生物累积性和不易降解性，对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统检测方法如原子吸收光谱和电感耦合等离子体质谱虽灵敏度高，但依赖大型仪器、操作复杂且成本高昂，难以实现现场快速筛查。因此，开发一种能够实时、高选择性且易于操作的检测技术迫在眉睫。

在这一背景下，研究人员致力于探索新型传感器平台。量子点（Quantum Dots, QDs）作为一种纳米材料，具有荧光强度高、光谱可调等优点，但疏水性限制了其在水相中的应用。水凝胶（hydrogel）以其高含水率、生物相容性和可调控的网络结构，成为封装纳米材料的理想基质。结合两者优势，构建QDs-水凝胶复合传感器，有望实现重金属离子的快速响应与可视化检测。本研究由Wen Hsin-Yi和Pan Fu-Chuan团队开展，成果发表于《Reactive and Functional Polymers》，旨在开发一种基于两亲性量子点嵌入聚丙烯酰胺水凝胶的荧光传感器，用于同步检测Hg²⁺和Pb²⁺离子。

研究团队通过以下关键技术方法实现目标：首先，将疏水性CdSe/ZnS核壳量子点经 amphiphilic polymer（两亲性聚合物）封装，使其具备水分散性；其次，将改性后的QDs嵌入 polyacrylamide（聚丙烯酰胺）水凝胶基质，形成复合传感材料；利用X射线光电子能谱（XPS）分析金属-硫相互作用机制；通过国际照明委员会（CIE）1931色度系统量化荧光猝灭后的色度变化；最后，以实际河水样本验证传感器的可靠性。

研究结果主要包括以下方面：

荧光猝灭性能与检测限

复合传感器对Hg²⁺和Pb²⁺表现出快速且稳定的荧光猝灭响应。Hg²⁺在1分钟内即可引发显著猝灭，而Pb²⁺的响应可持续24小时。检测限分别达到0.6?ppb（Hg²⁺）和0.8?ppb（Pb²⁺），远低于世界卫生组织规定的饮用水安全标准，凸显其高灵敏度。

猝灭机制分析

XPS分析证实，荧光猝灭源于重金属离子与QDs表面的硫原子相互作用，形成HgS和PbS，导致非辐射复合（non-radiative recombination）。这一机制确保了检测的选择性，其他常见金属离子如Na⁺、K⁺、Ca²⁺等均未引起明显干扰。

可视化检测与实地验证

通过CIE 1931色度分析，传感器在猝灭过程中呈现明显的色度坐标移动，实现了裸眼可视化的定性识别。在河水样本测试中，传感器表现出与标准方法一致的可靠性，证实其适用于复杂实际环境。

研究结论表明，两亲性QDs-水凝胶复合传感器成功实现了对Hg²⁺和Pb²⁺离子的快速、高选择性与可视化检测。其优势在于：一是将疏水QDs转化为水分散形式，拓宽了应用场景；二是利用水凝胶基质增强稳定性和响应速度；三是通过金属-硫特异性结合机制保障选择性。该平台为现场实时监测有毒金属污染物提供了低成本、易操作的解决方案，在环境监测、饮用水安全及健康医学领域（如重金属暴露相关疾病筛查）具有重要应用潜力。未来研究可进一步优化传感器的复用性和抗干扰能力，推动其实际部署。