《Coordination Chemistry Reviews》：Unlocking POCT potential: Multifunctional nano-enhanced lateral flow immunoassay for multiplexed detection of Alzheimer's disease biomarkers in diverse biological fluids
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PFAS污染治理研究综述了MOFs、COFs等先进材料吸附机理及性能，比较了材料对长短链PFAS选择性差异，指出再生技术及规模化应用挑战，提出融合计算模拟与工程优化的未来方向。
Selvan Sathish | Manivannan Madhu | Subbaiah Muthu Prabhu | Wei-Lung Tseng
印度安得拉邦阿马拉瓦蒂VIT-AP大学高级科学学院（SAS）化学系，邮编522241
摘要
- 全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类具有表面活性的合成化学品，自20世纪40年代以来在各个行业中得到广泛应用。尽管PFAS被广泛使用，但由于其强C-F键的存在，它们具有显著的热稳定性和化学稳定性，这导致其在环境中长期存在、在生物体内积累，并引发日益严重的全球健康问题。这些物质在地表水和地下水中的浓度范围从ng/L到μg/L不等，因此迫切需要有效且可扩展的处理方法。在各种修复选项中，吸附技术因其操作简便、成本效益高以及可再生性而脱颖而出。本文深入评估了使用先进材料平台（包括MOFs、COFs、MXenes、石墨烯衍生物和其他选择性纳米吸附剂）进行PFAS吸附的效果。重点研究了PFAS分子与吸附剂表面之间的相互作用机制，如静电吸引、疏水分配、阴离子交换和氢键作用，并通过实验证据和性能趋势进行了分析。同时比较了各种吸附剂的优缺点，探讨了其对长链和短链PFAS的选择性、再生过程中的挑战以及去除效率受基质的影响。总之，本文概述了当前的研究进展，指出了知识空白，并提出了未来研究方向，以开发可持续、高效吸附剂，用于从受污染的水系统中彻底去除PFAS（包括长链和短链分子）。此外，还提出了从实验室到工业应用的整合系统的未来前景，包括可扩展的成本、再生可行性以及与实际水系统的兼容性。
引言
- PFAS是一类包含超过10,000种合成化学品的家族，其历史可追溯至50多年前[1]。这些化合物被广泛应用于多种领域，包括喷雾抑制、疏水和疏油表面处理以及用于消防的含水成膜泡沫（AFFFs）[2]。由于其分子结构赋予的化学特性，PFAS是一类脂肪族化合物，其特征是一个或多个碳原子的所有氢取代基都被氟原子取代。这使得PFAS含有全氟烷基团，表示为CnF2n+1[3]。PFAS中的强C-F键（键能536 kJ/mol）使其在环境中难以降解，因此常被称为“永久化学品”[4]。PFAS的持久存在、生物毒性效应和生物累积性严重威胁了饮用水的安全，引发了人们对其消除的关注[5]。
- PFAS通常分为四个主要亚组：PFCAs、PFSAs、新型醚基替代品（如GenX）以及氟化药物或前体型PFAS[6,7]。常见的PFCAs（C4-C12）和PFSAs（C4-C10）是强酸，pKa值非常低（<1），这意味着在饮用水的pH值（6.5–8）下它们几乎完全去质子化，以稳定的阴离子形式存在。相比之下，GenX型PFAS（七氟丙烯氧化物二聚酸，HFPO-DA）的pKa值略高（3.80），但在环境条件下仍主要以阴离子形式存在[8],[9],[10]。环境监测显示，PFAS经常在地表水和地下水中被检测到，典型中位浓度范围为10至100 ng/L；而在高度工业化的地区，95%的浓度可达到μg/L[11,12]。然而，美国环境保护署（USEPA）为PFOA和PFOS制定了严格的饮用水限值（4 ng/L），对于GenX和PFBS则为10 ng/L，实际PFAS浓度往往超过这些限值[13]。
- 与传统处理方法（如高级氧化过程、膜过滤、光降解、混凝、阴离子交换树脂和生物修复）相比，吸附是去除PFAS的更优方法[14],[15],[16],[17],[18],[19],[20],[21]。吸附适用于长链和短链PFAS，即使在低浓度下也能有效去除，因为它利用物理和化学作用捕获PFAS[22]。此外，吸附系统成本低廉、易于扩展，并可使用多种吸附剂（如功能化纳米材料和活性炭），所有这些都有助于优化去除效率[22],[23],[24]。作为PFAS修复的最可行和可持续选择，吸附技术的吸引力还在于其与现有水处理系统的兼容性以及吸附剂的再生可能性。
- 使用先进吸附剂（包括MOFs、COFs、基于石墨烯的材料和其他纳米材料）吸附PFAS化合物的研究已广泛开展[25],[26],[27],[28]。MOFs具有高度可调的框架、大的表面积和可调节的功能基团，通过静电相互作用、疏水效应和氢键等协同机制表现出出色的PFAS去除潜力[1]。MOF功能化的最新进展（如引入带电或亲水基团）进一步增强了其选择性和吸附能力。同样，COFs凭借其晶体多孔结构和模块化化学设计，可实现孔径调节和功能化，从而实现选择性PFAS吸附[29]。基于石墨烯的材料（如GO和rGO）由于π-π相互作用、疏水表面和高化学稳定性，在PFAS吸附方面表现出色[30]。活性炭（AC）是最传统且经济的吸附剂之一，具有高表面积。最新研究强调了其对有机污染物的强吸附能力，使其成为评估先进PFAS吸附剂的重要基准[31],[32],[33],[34]。其他纳米材料（如碳纳米管（CNTs）、功能化二氧化硅和聚合物复合材料）也通过结合静电和疏水相互作用展示了独特的吸附性能[35],[36],[37],[38]。这些材料可以进一步优化，以捕获包括短链和支链变体在内的各种PFAS，这些物质通常难以从环境中去除。
- 本文重点介绍了使用前沿纳米材料（包括活性炭、MOFs、COFs、基于石墨烯的材料、MXenes和多孔有机聚合物）从受污染水中去除PFAS的最新进展。通过探讨这些材料的结构特性、功能化方法、吸附机制和性能指标，本文在基础材料设计与实际水修复应用之间架起了桥梁。此外，以往的综述主要关注吸附能力，同时也批判性地分析了环境影响、再生性和可扩展性等相关挑战，并提出了应对策略。然而，一些主题（如短链PFAS的选择性捕获、稳定性和浸出问题以及标准化的机制评估和计算分析）在文中未得到充分讨论，这些内容在补充部分的表S1中提供。本文为开发可持续、高效且经济的技术提供了路线图，以解决PFAS污染问题，为定制吸附剂材料以针对性去除PFAS提供了全面的方法和有价值的信息。
文章检索和选择过程
- 本文相关研究的来源、筛选和选择过程如图1所示。数据来源包括ACS Publications、Elsevier和Web of Science Core Collection（WOSCC）。搜索策略涉及与PFAS吸附、MOFs、COFs和基于石墨烯的纳米材料相关的关键词。最初通过数据库搜索确定了112篇记录，并通过查看标题和摘要进行了筛选。对54篇文章进行了全文审查，其中24篇被选为最终研究对象。
基于MOF的材料及其对PFAS化合物的吸附行为
- 近年来，MOFs及其衍生材料在多个领域（包括吸附、超级电容器、能量存储系统、光降解、太阳能转换、传感和气体净化）的应用显著增长[39],[40],[41],[42],[43]。MOFs作为有效的PFAS吸附剂，具有独特的结构、可调的孔径和大的表面积（表1）。UiO-66是最早被开发的MOFs之一
用于从水中吸附PFAS化合物的基于COF的吸附剂
- 鉴于MOFs在水环境中的稳定性有限，寻找替代品对于水净化至关重要。虽然MOFs具有出色的PFAS吸附能力，但它们对湿气和金属的敏感性以及可能的金属浸出限制了其在实际水系统中的应用[53]。COFs通过坚固的共价键、出色的水解稳定性和完全不含金属的框架克服了这些缺点，使其特别适合用于去除PFAS
用于PFAS吸附的选择性纳米材料
- 其他二维纳米材料的独特物理化学性质使其在多种应用中表现出高效性。文献中研究的用于PFAS吸附的纳米材料包括GO、MXenes、POPs和AC。AC因其大的表面积和疏水性质而成为经济实惠的选择。相比之下，GO具有许多促进与PFAS化合物静电相互作用和氢键形成的功能基团。MXenes的特点是
PFAS吸附的计算视角：当前进展和未来方向
- 密度泛函理论（DFT）提供了实验无法单独实现的机制清晰度。例如，仅凭等温线或光谱数据无法明确确认由氢键、静电吸引或亲氟相互作用引起的吸附。DFT计算通过电子层面明确模拟PFAS-吸附剂相互作用并量化吸附过程，解决了这一限制
总结与展望
- PFAS在环境中的长期存在和毒性引发了对其高效吸附技术的迫切需求。本文系统地研究了使用三种不同材料类别（MOFs、COFs和其他纳米材料，如基于碳的吸附剂和聚合物复合材料）去除PFAS的进展。目的是整理高性能材料，并提供关于其结构优势和工作性能的比较分析
利益冲突声明
- 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
- SS和SMP感谢安得拉邦阿马拉瓦蒂VIT-AP大学提供的支持，以及RGEMS基金（VIT-AP/SpoRIC/RGEMS/2025-26/009）的资助。SS和WLT还要感谢台湾教育部的国际实习试点计划（IIPP/IIPP2024432）对他们在台湾国立中山大学（NSYSU）进行研究实习的支持和协助。本研究还得到了台湾环境保护行政机构的资助。
