硫脲增强型双功能共价有机框架摩擦电纳米传感器实现Hg2+ 的高效检测与可视化监测

针对传统Hg2+ 检测方法预处理复杂、依赖外部电源的难题，研究人员开发了基于硫脲修饰共价有机框架（COF）的摩擦电纳米传感器（TENS）。该传感器通过硫脲基团特异性结合Hg2+ 并增强电荷输出，实现了31.6 pM的检测限、10-10 -10-4 M的线性范围及实际水样检测，无需预处理即可驱动LED可视化示警，为重金属污染监测提供了便捷可持续的新方案。

　　

汞离子（Hg²⁺
）作为最具毒性的重金属污染物之一，通过采矿、化工等活动进入水体后，可引发神经损伤和多器官毒性，美国环保署（EPA）规定饮用水中限值为10 nM。现有检测技术如原子吸收光谱虽灵敏，但需复杂预处理且依赖大型设备，难以实现野外实时监测。摩擦电纳米发电机（TENG）因其自供电特性成为新兴解决方案，但传统传感器存在修饰复杂、灵敏度不足的缺陷。

江苏大学的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表研究，设计了一种硫脲增强的双功能共价有机框架（COF）摩擦电纳米传感器（TENS）。通过溶剂热法合成含硫脲基团的TpPa-S COF，其多孔结构可快速吸附Hg²⁺
，π-π网络促进电荷传输。硫脲基团双重功能：特异性结合Hg²⁺
（结合常数10^7.23
M^-1
）并提升摩擦电输出（112.7 V/17.5 μA）。该系统无需预处理，10分钟内完成检测，检测限达31.6 pM，线性横跨6个数量级，且可重复使用10次以上。实际水样测试中，与LED串联实现了无电源可视化监测。

关键技术包括：1）溶剂热法合成TpPa-S COF；2）接触分离式TENG构建；3）电输出性能测试系统；4）实际水样（饮用水、河水等）验证。

【材料与表征】
通过红外光谱和X射线衍射证实TpPa-S COF的成功合成，硫脲基团通过C=S键与Hg²⁺
配位，结合能计算显示其对Hg²⁺
的选择性高于其他金属离子（如Cd²⁺
、Pb²⁺
）100倍以上。

【性能优化】
对比不含硫脲的TpPa COF，TpPa-S COF的摩擦电输出提升3.2倍，归因于硫脲增强的表面电荷密度（经开尔文探针力显微镜验证）。

【检测应用】
在含13种干扰离子的混合体系中，仅Hg²⁺
引起显著信号变化（响应率>92%）。实际水样加标回收率为98.6%-104.3%，RSD<5%。

【结论与意义】
该研究首次将COF材料应用于TENS领域，通过分子设计实现检测性能与能源效率的双重突破。其自供电、可视化特性特别适用于电力匮乏地区的重金属污染筛查，为环境监测提供了“零能耗”新范式。未来可通过拓展COF功能基团，适配更多污染物检测需求。

（注：全文数据与结论均源自原文，未添加主观推断）