喹啉功能化四甲氧基雷琐酚[4]芳烃超分子传感器用于环境水样中铀酰离子的选择性检测

《Talanta》：Quinoline Functionalized Tetramethoxyresorcin[4]arene Supramolecular Sensors for Selective Uranyl Detection in Environmental Water Samples

本文报道了一种新型四甲基喹啉取代超分子传感器TMTQS (1a-1d)，该传感器通过结合荧光猝灭与智能手机辅助RGB比色法的双模式检测平台，实现了对环境水样中铀酰离子(UO22+)的高选择性检测。研究表明TMTQS 1a对UO22+具有最高结合亲和力(Ka = 8.55×107 M-1)，检测限达1.04 nM（荧光法）和0.11 μM（智能手机法），在实际水样中回收率>95%，为铀污染监测提供了新型现场检测方案。

　　

随着核能产业的快速发展，铀污染已成为全球性的环境健康问题。铀在自然环境中主要以水溶性的铀酰离子(UO₂²⁺)形式存在，这种离子具有高度迁移性，可通过土壤和水体扩散，造成广泛污染。更令人担忧的是，铀既具有化学毒性又具有放射性毒性，长期暴露可导致肾损伤、血管病变甚至癌症风险增加。尽管世界卫生组织(WHO)规定饮用水中铀含量不得超过30 ng/mL，但传统检测方法如电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等需要昂贵设备和专业操作，难以实现现场快速监测。

针对这一技术瓶颈，来自萨达尔帕特尔大学的研究团队在《Talanta》上发表论文，开发了一种创新型超分子传感器TMTQS (1a-1d)。这种传感器巧妙地将四甲氧基雷琐酚[4]芳烃的超分子识别能力与喹啉基团的光学特性相结合，构建了荧光-比色双模式检测平台。特别值得一提的是，研究人员将智能手机RGB分析技术融入检测体系，使该方法兼具实验室精度与现场检测便利性。

关键技术方法包括：通过核磁共振(NMR)和电喷雾电离质谱(ESI-MS)表征传感器结构；采用荧光滴定和紫外-可见光谱研究传感器与UO₂²⁺的相互作用；利用Job曲线确定结合计量比；通过智能手机RGB分析实现便携式检测；使用实际环境水样（地下水和海水）进行方法验证。

光物理性质研究显示，TMTQS传感器在甲醇中表现出最优的荧光响应。当加入UO₂²⁺后，传感器发生明显的荧光猝灭现象，而其他金属离子几乎不产生干扰。通过修饰的Stern-Volmer分析计算得出，TMTQS 1a与UO₂²⁺的结合常数高达8.55×10⁷ M^-1，表明二者之间存在极强的亲和力。

结合机理研究表明，Job曲线确认TMTQS传感器与UO₂²⁺以1:1化学计量比结合。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、核磁共振(NMR)和质谱分析共同支持了 proposed 的结合机制。热力学分析揭示，在298 K时复合反应是自发的(ΔG°₂₉₈ = -46.14 kJ mol^-1)，这一过程由强非共价相互作用和去溶剂化驱动，与静态荧光猝灭和[TMTQS–UO₂²⁺]复合物的稳定性相一致。

在实际应用评估中，研究人员使用加标的地下水和海水样品验证方法的可靠性。地下水样品pH为7.4，离子强度约12 mM，总溶解固体(TDS)为520 mg L^-1；海水样品pH为8.0，离子强度约550 mM，TDS为34 g L^-1。在这两种复杂基质中，TMTQS传感器均表现出优异的性能，回收率超过95%，相对标准偏差(RSD)低于2%，完全满足环境监测的要求。

稳定性测试结果显示，TMTQS传感器具有出色的光稳定性和储存稳定性。在连续照射下光漂白可忽略不计(<3%)，10天内信号损失极小(<5%)，确保了长期监测的可靠性。智能手机RGB分析方法的建立，使非专业人员也能在现场进行准确检测，大大扩展了该方法的应用范围。

该研究的创新之处在于将超分子化学的分子识别优势与数字化检测手段完美结合，不仅实现了对UO₂²⁺的高灵敏度、高选择性检测，还解决了传统方法无法现场应用的痛点。双模式检测平台相互验证，既保证了数据的可靠性，又适应了不同应用场景的需求。

这项研究为环境铀污染监测提供了新的技术路径，特别是其预处理简单、可现场部署的特点，使其在核设施周边监测、饮用水安全评估等领域具有广阔应用前景。同时，该工作符合可持续发展目标6（清洁饮水和卫生设施）的要求，为保护公共健康和环境安全做出了重要贡献。超分子传感器与智能手机技术的结合，代表了环境监测仪器向便携化、智能化方向发展的重要趋势，为其他重金属离子的检测提供了可借鉴的研究思路。