《Progress in Natural Science: Materials International》：Recent advances and field-deployable applications of nanomaterial-based sensors for the targeted PFAS detection
编辑推荐：
全氟和多氟烷基物质（PFAS）作为持久性污染物，其检测技术面临高成本、复杂样本前处理等挑战，纳米材料与先进传感技术结合可提升检测灵敏度与实用性。
阿卜杜勒莫奈姆·阿祖兹（Abdelmonaim Azzouz）|拉米亚·赫吉（Lamia Hejji）|金基贤（Ki-Hyun Kim）
摩洛哥特图安阿卜杜勒马利克·埃萨迪大学（Abdelmalek Essaadi University）理学院，水、研究与环境分析实验室
引言
合成化学物质在环境中的普遍存在对人类健康、生态完整性和可持续发展构成了日益增加的风险[1]、[2]、[3]。在所有类型的污染物中，全氟和多氟烷基物质（PFAS）因其作为持久性环境污染物的特性而受到了全球范围内的广泛关注[1]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。PFAS是一类广泛应用于工业产品和消费品中的合成化合物，包括灭火泡沫、不粘炊具、防污织物和食品包装，这得益于它们卓越的热稳定性和化学稳定性[4]、[9]、[10]、[11]。灭火泡沫尤其令人担忧，因为短时间内大量使用会显著增加土壤和地下水污染的风险。在多种商业产品中检测到了PFAS的含量升高，例如滑雪蜡（全氟辛酸PFOA含量约为2000 μg/kg）、皮革（五氟苯甲酸PFBA含量高达200 μg/kg和全氟丁烷磺酸PFBS含量高达120 μg/kg）、户外纺织品（PFOA含量高达19 μg/m2）以及烘焙纸（PFOA含量高达15 μg/m2）[12]、[13]、[14]。PFAS常被称为“永久性化学物质”，因为它们具有极强的抗环境和代谢降解能力，从而导致其在生态系统和生物体内的持久性、迁移性和生物累积[15]、[16]、[17]。多项研究表明，PFAS暴露可能与严重的健康问题有关，如内分泌紊乱、免疫抑制、肝毒性和致癌性[10]、[18]、[19]、[20]，因此迫切需要严格的全球监管、监测和治理措施。
为了减轻PFAS污染，世界各地的监管机构正在实施或提议限制措施。例如，欧洲食品安全局（EFSA）建议每周可容忍的摄入量为4.4 ng/kg体重，并推荐某些PFAS的饮用水浓度上限约为0.1 μg/L[21]。在美国，环境保护署（US-EPA）将饮用水中PFOA的指导限值修订为低至0.004 ppt[22]。该机构还制定了PFOA和PFOS的联合健康建议限值为0.004 μg/L[23]。此外，世界卫生组织（WHO）也为PFOS和PFOA设定了低风险阈值[24]、[25]。这些指南规定，成人饮用水中PFO的最大浓度为12 ng/L，儿童为3 ng/L；PFOOS的成人最大浓度为12 ng/L，儿童为3 ng/L；PFOA的成人最大浓度为18 ng/L，儿童为4 ng/L[21]、[27]。
尽管付出了这些努力，但由于PFAS种类繁多且毒理学特性各异[28]、[29]、[30]、[31]，实现全球范围内的统一监管仍具有挑战性。PFAS通过意外排放以及广泛的大气和水文传输进入环境[32]、[33]、[34]，从而存在于多种介质中，包括饮用水、土壤、海洋生物和人体血液[22]、[35]。与慢性低水平暴露相关的健康问题凸显了有效监测和治理方案的必要性。因此，精确可靠的检测技术对于评估暴露情况、确保合规性以及指导环境治理工作至关重要。目前，不同环境和生物环境中PFAS的检测和测量依赖于已建立的分析方法，如液相色谱-质谱（LC-MS）、液相色谱串联质谱（LC-MS/MS）、气相色谱-质谱（GC–MS）、离子色谱（IC）、超高效液相色谱-高分辨率质谱（UHPC-HRMS）和酶联免疫吸附试验（ELISA）[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]。尽管当前的分析方法在PFAS检测方面具有出色的灵敏度和特异性，但它们也存在一些缺点[46]、[47]、[48]，包括高昂的成本、繁琐且耗时的样品制备过程，以及需要专门的实验室设备和熟练的技术人员[22]、[47]、[49]。此外，这些方法不适合快速、现场或实时的监测，尤其是在偏远或资源有限的地区[46]、[49]、[50]、[51]。鉴于这些限制，人们越来越关注便携、经济高效、响应迅速且能够检测超痕量（ppt或更低水平）PFAS的替代传感技术[12]、[52]、[53]、[54]。
其中，纳米技术显得特别有前景[55]、[56]、[57]、[58]。纳米科学的最新进展使得基于纳米材料的传感器具备了卓越的灵敏度、选择性和多功能性[53]、[59]、[60]、[61]、[62]、[63]。因此，人们投入了大量精力开发基于各种纳米结构材料的传感系统，包括二维（2D）材料（如石墨烯、MXenes）[64]、[65]、[66]、金属有机框架（MOFs）[67]、[68]、[69]、[70]、共价有机框架（COFs）[71]、[72]、[73]、分子印迹聚合物（MIPs）[74]、[75]、[76]、[77]、[78]、[79]、贵金属纳米颗粒（如金纳米颗粒AuNPs、银纳米颗粒AgNPs和上转换纳米颗粒UCNPs）[17]、[80]、[81]、[82]、[83]、[84]、[85]、混合纳米复合材料[86]、[87]、[88]、碳基材料（如碳纳米管（CNTs）、碳点（CDs）、石墨烯/碳量子点（G/CQDs）和金刚石材料[89]、[90]、[91]、[92]、[93]、[94]、[95]、[96]、[97]、[98]、[99]、[100]、半导体量子点（QDs）[94]、[101]、[102]、[103]、[104]、[105]以及可生物降解材料（如壳聚糖（CS）和海藻酸盐（Alg）[46]、[106]、[107]、[108]、[109]、[110]、[111]。这些材料通常具有独特的物理化学性质（如可调的表面化学性质、较大的表面积和增强的信号放大能力），能够与PFAS分子发生稳健且针对性的相互作用。因此，这些材料是构建先进传感平台的理想候选者。
将这些基于纳米材料的传感器集成到多种检测平台中已经取得了成功，包括光子系统（如表面等离子体共振（SPR）、表面增强拉曼光谱（SERS）和局域表面等离子体共振（LSPR）[75]、[82]、[112]、[113]、[114]、[115]，以及不同的光学传感器（如比色、荧光、化学发光和电化学发光（ECL）传感器[54]、[63]、[80]、[84]、[86]、[102]、[116]、[117]）。此外，这些基于纳米材料的平台还被用于电化学和光电化学（PEC）传感器。这些传感器以其快速的响应时间、超低的检测限以及与便携式和可穿戴技术的出色兼容性而受到认可[59]、[103]、[118]、[119]、[120]。这些先进的传感技术的集成为传统分析方法提供了有力的替代方案，有助于实时、现场检测PFAS，从而用于环境监测、公共卫生监督和工业质量保证。它们具备微型化潜力，能够与微流控系统集成，并与无线和智能手机平台无缝对接，极大地提升了其在现场应用的适用性[121]、[122]。
本综述重点介绍了用于靶向检测PFAS的新纳米平台，特别是光子、光学和电化学传感系统。文章深入探讨了先进纳米材料（包括2D材料、MOFs和COFs）的设计原理和识别机制，涵盖了关键性能指标（如检测限（LOD）、线性动态范围（LDR）、选择性和可重复性），并讨论了在实际样品中的应用，以及无线技术和人工智能（AI）辅助分析的集成。尽管潜力巨大，但仍存在一些障碍，如PFAS的覆盖范围有限和传感器稳定性问题。综述最后强调了开发耐用、紧凑且环保的现场监测传感器的途径。本文的创新之处在于全面整合了尖端纳米材料和先进的传感技术，为将实验室研究转化为实用、可现场部署的解决方案提供了独特的路径。展望未来，未来的研究应致力于开发标准化的制造方法，并利用新兴技术克服当前的限制，为新一代智能传感器的开发铺平道路，以服务于全球环境保护。
部分摘录
针对PFAS检测的设计策略
基于这些基本设计原则，最近的研究开发了多种专门用于PFAS检测的纳米材料基传感平台[46]、[104]、[123]、[124]、[125]。因此，探索这些新兴技术的关键类别非常重要，重点关注它们的独特架构、传感机制和潜在应用。
光子和等离子体传感器
基于光子和等离子体的平台已成为检测PFAS的强大工具，具有出色的灵敏度（例如检测限在阿托摩尔（aM）到皮摩尔（pM）范围内）、快速的响应时间以及现场可部署性[46]、[140]。SERS已被证明非常有效，它利用等离子体纳米结构（如AgNPs和Au@AgNRs）和功能性材料（如F-MOFs、MIPs）显著放大微量分析物的拉曼信号（见表1）。
基于2D纳米材料的传感器
追踪有毒化合物和污染物对科学家来说仍然是一个重大挑战。在这方面，使用2D材料的传感器被证明是非常有效的系统。石墨烯及其衍生物、过渡金属硫族化合物（TMDCs）、黑磷（BP）、金属氧化物（MoS?）、MXenes、石墨碳氮化物（g-C?N?）和六方氮化硼（h-BN）等材料由于其超薄层状结构而展现出独特的物理化学性质。
基于框架的传感系统（MOFs和COFs）
基于框架的材料，尤其是MOFs和COFs，由于具有可调的孔隙率、较大的表面积和结构模块化特性，已成为化学传感的高度多功能平台[154]、[155]、[156]、[157]、[158]、[159]。其中，MOFs在荧光和比色检测方面尤其具有吸引力，因为它们的框架可以通过特定的配体或金属中心进行功能化，从而与目标分析物发生选择性相互作用[160]、[161]、[162]、[163]。
PFAS选择性的合成识别系统
MIPs对于各种传感系统至关重要，因为它们可以创建与目标分子的大小、形状和功能基团精确匹配的识别位点[198]、[199]、[200]、[201]。通过将MIP壳和荧光异硫氰酸酯（FITC）染料接枝到二氧化硅纳米颗粒（SiO? NPs）上，开发了一种先进的PFOS检测平台[117]。合成过程分为两步：首先将FITC与氨基硅烷（APTS）结合，然后...
基于混合材料的传感器
混合材料结合了两种或更多种不同的材料，由于其协同效应而成为创建先进传感器的有希望的类别，包括增强的光学、电学和机械性能[222]、[223]。混合材料以其热响应性、出色的机械强度、光学透明度、化学稳定性、导电性和阻燃性而闻名[222]、[224]，因此成为...
基于量子点和金属纳米颗粒的传感器
尽管前面的章节主要讨论了高度结构化的材料（如2D纳米材料和MOFs），但其他多种有效的纳米材料对于推进PFAS传感技术仍然至关重要。这些多样化的结构，包括贵金属纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒、碳点（CDs）、量子点（QDs）和可生物降解材料，提供了独特的尺寸依赖性光学和电子特性，可用于实现高灵敏度（见表6）。在贵金属纳米颗粒中，金纳米颗粒（AuNPs）因其优异的性能而脱颖而出...
基于纳米材料的PFAS传感器的性能评估和比较分析
纳米材料已成为开发多种传感技术的高度多功能平台，包括光子、电化学和光学系统。值得注意的是，将多种传感模式（如结合电化学和光学检测）集成到一个平台中，可以通过正交测量通道交叉验证分析物信号，从而减少误报并提高复杂PFAS混合物的分类准确性。
可扩展PFAS传感的挑战和未来方向
尽管基于纳米材料的传感器取得了显著进展，但仍需解决一些挑战，以实现可扩展的现场PFAS检测。关键的技术障碍包括：
i) 材料合成和集成：高性能纳米材料（如MOFs、2D复合材料）的可重复、大规模合成及其在传感器架构中的均匀集成仍然复杂。研究正朝着更简单、可溶液处理的材料方向发展...
CRediT作者贡献声明
阿卜杜勒莫奈姆·阿祖兹（Abdelmonaim Azzouz）：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、方法学、研究、概念化。拉米亚·赫吉（Lamia Hejji）：撰写——审稿与编辑、验证、软件、方法学、研究。金基贤（Ki-Hyun Kim）：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目协调、方法学、研究、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
