综述：近期在利用光学和电化学技术对铀进行监测的功能材料方面取得了进展

《RSC Advances》：Recent advances in functional materials for uranium monitoring through optical and electrochemical techniques

　　铀是一种天然存在的元素，被广泛应用于核能生产和各种工业应用中。然而，由于其放射性和化学毒性，它对环境和人类健康构成了重大威胁，因此快速、准确且可在现场使用的检测技术显得至关重要。传统的检测方法，包括原子吸收光谱法、荧光光谱法和电感耦合等离子体质谱法，由于成本高昂、操作程序复杂以及依赖于专门的实验室设施，这些方法在实际现场应用中受到严重限制。为了解决这些问题，近年来在用于铀检测的功能材料开发方面取得了显著进展，特别是金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）、纳米材料、DNA酶和其他新兴材料。这些材料支持多种光学和电化学检测策略，如荧光、比色法和电化学传感，提供了高灵敏度、快速响应和实时现场监测的巨大潜力。本综述重点介绍了各种检测机制、传感性能以及实际应用中的优势和局限性，并进行了比较分析，以确定未来高效可靠铀检测技术发展的关键挑战和方向。

1. 引言

铀是一种天然存在的放射性元素，在能源和国防领域都扮演着关键角色，作为主要的核燃料。作为一种高能量密度能源，铀对于核能发电是不可或缺的；然而，它也被用于核武器试验、原子弹爆炸和贫铀弹药的部署，导致了广泛的核污染。包括切尔诺贝利和福岛在内的重大核事故进一步加剧了环境污染。铀的放射性和化学毒性对生态系统和人类健康构成了巨大风险。在水环境中，铀主要以铀酰离子（UO22+）的形式存在，其过量积累会导致持续的环境污染。铀衰变过程中释放的辐射会导致细胞损伤并增加癌症风险，而其化学毒性会对肾脏、肝脏和骨骼等重要器官产生负面影响。世界卫生组织规定了饮用水中铀的最大污染物限值为30 μg L?1，这突显了有效监测技术的迫切需求。因此，开发用于水系统中UO22+的快速、高选择性检测材料已成为一个主要的研究方向。

传统的检测UO22+的方法，如原子吸收光谱法、原子荧光光谱法和电感耦合等离子体质谱法，由于成本高和操作要求复杂而在广泛应用中受到限制。相比之下，荧光法、比色法和电化学检测提供了更实用的替代方案。荧光法以其高灵敏度和快速响应而受到特别关注，而比色法则因其简单性和可视化读数能力而受到重视。电化学检测以其低检测限而适用于复杂的环境样本。近年来，包括金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）、纳米材料和DNA酶在内的先进材料因其在铀检测中的潜力而受到广泛关注。MOFs和COFs因其多孔结构、高比表面积和可调功能基团而成为理想的UO22+检测候选材料。纳米材料凭借其优异的光学和电学性能，可以通过表面改性实现UO22+的选择性检测。这些功能材料为铀检测技术的发展提供了巨大优势。过去几年中，发表了几篇关于UO22+检测的综述。例如，2022年Liu等人回顾了基于MOF的材料在水中U(vi)的吸附、检测和同步应用方面的进展；2023年Rani等人总结了各种纳米材料（如金属纳米粒子和碳基材料）在铀检测和去除方面的研究进展；2024年Sharma等人分析了基于化学修饰电极的电化学技术在检测放射性核素（如铀和铯）方面的优势和局限性；2025年Sun等人详细介绍了碳点的制备和表征及其在铀和其他放射性元素检测和吸附中的应用、机制和挑战。然而，大多数综述倾向于关注特定材料类别或个别检测方法，而不是提供全面的概述。鉴于此，本综述总结了UO22+检测的最新进展，涵盖了MOFs、COFs、纳米材料、DNA酶和其他功能系统等代表性检测材料。值得注意的是，这项工作首次提供了跨材料和跨技术的UO22+传感平台的全面比较分析。我们系统地研究了各种材料系统的传感机制、分析性能和结构-性质关系，严格评估了它们的优势和局限性，并进一步讨论了阻碍其实际应用的关键挑战以及未来改进的可行途径。通过这种综合和前瞻性的视角，本综述旨在提供对UO22+检测的全面理解，并为下一代高性能铀传感平台的合理设计提供有价值的指导。

2. 荧光

荧光是一种基于光致发光的分析技术，其机制取决于所使用的材料类型。通过调整荧光探剂的化学结构或表面性质，这些探剂可以被设计成与目标分析物特异性相互作用，从而引起荧光的变化，从而实现目标物质的检测（见图1）。

2.1 MOFs

金属有机框架（MOFs）是一类新型多孔材料，在过去几十年中迅速发展起来。它们由金属离子或簇通过配位键与有机配体连接而成，形成具有周期性网络、高孔隙率和大比表面积的晶体结构。凭借这些独特性质，MOFs被广泛应用于多个领域，其中基于其荧光特性的荧光传感器的设计已成为一个突出的研究焦点。

2.1.1 MOFs的荧光机制

MOFs中的发光主要与镧系离子（如Eu3+和Tb3+）相关。这种发光源于4f–4f电子跃迁；由于这些跃迁是Laporte禁戒的，直接激发镧系离子是低效的。为了解决这一问题，有机配体起到天线的作用：它们吸收入射光并将吸收的能量传递给金属中心。这一过程通常被称为“天线效应”，促进镧系离子进入激发态。然后离子通过辐射衰变返回基态，发出其特征性的尖锐线荧光。这种高效的敏化策略使得镧系离子成为发光MOFs中的理想发射中心。

除了金属中心发光外，配体中心的发光主要源于有机配体π共轭体系内的π → π*或n → π*电子跃迁。MOFs的刚性晶体框架通过空间限制效应显著抑制了非辐射松弛过程（如分子的振动和旋转），从而大幅提高了荧光量子产率。在某些系统中，还涉及其他机制，如分子间电荷转移（CT）或聚集诱导发射（AIE）。此外，通过调节金属和有机配体之间的能级对齐、电子性质和几何结构，可以实现多种发光机制，包括配体间的电荷转移、金属间的电荷转移以及金属到配体或配体到金属的电荷转移。

2.1.2 用于UO22+检测的荧光MOFs

UO22+具有线性几何结构，在其赤道平面上有多个空配位位点，能够与MOF有机连接剂的羧基或氨基组的氧或氮供体原子配位。这种配位相互作用会引起MOF荧光强度的变化，因此通过监测这些荧光变化（包括荧光淬灭、增强或比率荧光信号）来实现UO22+的检测。

荧光淬灭主要通过三种机制发生：光诱导电子转移（PET）、荧光共振能量转移（FRET）和内滤光效应（IFE）。在PET中，荧光MOF中的激发态电子转移到UO22+，形成非辐射松弛路径回到基态，导致荧光显著减弱。FRET发生在MOF的发射光谱与UO22+的吸收光谱显著重叠时，允许能量非辐射传递给UO22+，从而导致荧光淬灭。IFE发生在荧光材料本身或其他吸光物质吸收激发光或发射光时，导致荧光强度降低。Qin等人合成了一种基于Zn的MOF（HNU-50），其荧光源自吡罗美酸（PMA）配体的π共轭体系。配体上的未配位氧原子作为UO22+的结合位点（见图2A）。观察到PMA配体的发射光谱与铀酰硝酸盐的吸收光谱在335–476 nm区域有显著的重叠。因此，UO22+吸收了PMA配体的发射光，通过FRET机制导致HNU-50的荧光淬灭。

2.2 COFs

与MOFs类似，COFs也是由轻元素通过共价键连接而成的晶体材料，形成二维或三维拓扑结构。它们主要由芳香族有机配体（如苯基、呋喃和联吡啶单元）组成，形成扩展的共价网络。与MOFs相比，COFs完全由非金属轻元素组成，这赋予了它们卓越的热稳定性和化学稳定性。此外，COFs还具有高比表面积、多孔结构、强荧光性和可调的化学功能，使它们成为广泛应用的多功能材料。

2.2.1 COFs的荧光机制

COFs的荧光主要来源于其有机构建块的光物理性质以及在框架形成过程中诱导的独特效应。发光机制可以分为三种主要类型：（1）构建单元的固有荧光。大多数荧光COFs含有大的π-共轭芳香基团，如吡咯、联吡啶、三苯苯和咔唑，这些基团由于高S0 → S1跃迁概率和高效的π* → π辐射弛豫而表现出强荧光。（2）框架诱导的荧光增强和调制。刚性的共价骨架限制了分子内的旋转和振动，从而抑制了非辐射衰减途径，显著增强了发光强度。此外，框架内发光单元的紧密有序排列可以进一步调制激发态寿命和发光波长。（3）聚集诱导的发光效应。引入AIE活性单元（例如吖啶酮或四苯乙炔）会导致孤立分子的荧光淬灭；相比之下，在COF结构内的限制限制了这些运动，从而在聚集时产生强荧光。

2.2.2 用于UO22+检测的荧光COFs

设计有特定官能团（如羟基、羧基、亚胺和吡啶）的荧光COFs可以通过配位键与UO22+离子结合。结合后，UO22+改变了局部电子环境，触发光诱导的电子或能量转移，导致荧光淬灭。Cui等人开发了一种含有三嗪和氰基的sp2-碳共轭荧光COF（TFPT-BTAN-AO），它具有优异的π-共轭性，能够有效吸收和发射光。UO22+与COF的酰胺肟基团的配位促进了从COF到UO22+的电子转移，导致显著的荧光淬灭，检测限为6.7 nM（图3）。类似地，Zhen等人合成了一种新型的烯烃连接COF（GC-TFPB-AO），其π-共轭系统产生稳定的荧光。UO22+与COF中的酰胺肟、吡啶和羟基团配位，诱导电子从有机配体转移到UO22+，有效淬灭COF的荧光。

2.3 纳米材料

除了MOFs和COFs之外，纳米材料也因其独特的理化性质（包括异常高的表面积、超小尺寸、量子效应和内在荧光性）而成为检测和修复放射性废物的有希望的候选者。近年来，它们在基于荧光的UO22+检测中的应用显著增加，金属纳米团簇和量子点是主要的例子。

2.3.1 纳米材料的荧光机制

金属纳米团簇是由几十到几百个金属原子（例如金、银或铜）组成的纳米级聚集体，通常尺寸小于2纳米。它们处于离散分子和块状固体之间的过渡状态。由于量子限制效应，纳米团簇展现出离散的电子能级，允许电子在这些能级之间发生辐射跃迁并返回基态。

另一种用于基于荧光的UO22+检测的纳米材料是量子点（QDs），它们是典型的半导体纳米晶体，尺寸一般在2到10纳米之间。它们的超小尺寸将电子和空穴限制在纳米尺度范围内，产生量子限制效应，从而产生离散且可调的电子能级。量子点的荧光发射源自这些量化能态之间的辐射跃迁。

2.3.2 用于UO22+检测的荧光纳米材料

金纳米颗粒（AuNPs）通常表现出弱荧光，主要以其表面等离子体共振（SPR）吸收带为特征。通过利用AuNPs的吸收光谱与金纳米团簇（AuNCs）的发射光谱之间的互补光谱重叠，可以开发基于内滤光效应的比率荧光传感器。例如，Nan等人使用蓝光发射的碳点（B-CDs）作为内部参考，其荧光不受UO22+浓度变化的影响。当UO22+与AuNP表面的PO和P–O基团相互作用时，会引发AuNPs的聚集。这种聚集事件导致AuNP SPR吸收峰的红移和展宽。最初，AuNP吸收与AuNC发射之间的有限光谱重叠导致IFE较弱，从而产生来自AuNCs的强红光荧光。随AuNP聚集，增强的光谱重叠引起显著的IFE介导的AuNC荧光淬灭，导致红光发射强度显著下降（图4）。

2.4 DNA酶

DNA酶是能够在目标金属离子激活下特异性切割底物链的催化DNA分子，表现出高选择性。这一特性使DNA酶成为开发敏感且选择性强的UO22+检测传感器的理想选择。

2.4.1 用于UO22+检测的DNA酶

DNA酶是功能化的核酸，通常由一个催化性的“酶链”和一个互补的“底物链”组成。酶链在UO22+激活后在底物链上的关键腺苷核苷酸位点催化序列特异性切割。利用这种识别机制，可以通过用荧光团和淬灭剂标记DNA末端或特定碱基来构建荧光传感器，创建一个可逆的“信号开关”。为了提高灵敏度，采用基于DNA自组装的信号放大策略。最初的UO22+-触发的切割释放出引物，启动级联杂交反应，组装出大的DNA纳米结构。这一过程在空间上分离了荧光团和淬灭剂，将单个分子事件转化为放大的荧光输出，从而实现高灵敏度的UO22+检测。Chen等人开发了一种超灵敏的DNA网络荧光生物传感器，其中UO22+-激活的DNA酶切割释放出引物，引发双发夹探针（Hab、Hbc和Hca）的循环组装，形成广泛的DNA网络。这使得荧光团（FAM）和淬灭剂（BHQ）标签分离，产生显著增强的荧光信号，检测限低至2 pM（图5）。

2.5 不同材料之间的性质比较

表1总结了从不同类别中选出的代表性材料在基于荧光的UO22+检测中的性能。不同材料表现出不同的性质，这些性质本质上与其分子和结构特征的变化有关。分析结构-性质关系有助于我们设计出性能更优越的材料。

在不同的材料中，用于UO22+荧光检测的性质比较如下：

| 材料类型 | 材料名称 | pH值 | 响应时间 | 线性范围（μM） | LOD（nM） |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| MOFs | Tb-MOF | 4 | — | 0.74–1296 | 3.33 | 80 |
| HNU-50 | 3 | — | 0.01–1000 | 12 | 52 |
| CSMCRI-21 | 5 | 20秒 | 1.26–1680 | 130 | 81 |
| Eu3+@UiO-67-bpydc | 6 | — | 0.01–0.1 | 3 | 54 |
| IRMOF-3-DPC | 4 | — | 26.25–1260 | 1510 | 82 |
| Eu-DATP | — | — | 0.01–100 | 2.7 | 55 |
| COFs | TFPT-BTAN-AO | 6 | 2秒 | 0.02–6 | 6.7 | 62 |
| TP-COF-AO | 6 | 2秒 | 0–10 | 8.3 | 83 |
| PyTT-Tp | 5 | 2秒 | 0.015–4.5 | 4.92 | 84 |
| TAPM-DHBD | 5 | 2秒 | 0.01–3.7 | 4.08 | 28 |
| GC-TFPB-AO | 7 | — | 0.05–0.5 | 21.25 | 63 |
| 纳米材料 | AuNCs@AuNPs@B-CDs | 2.5 | 12分钟 | 0.2–5 | 8.4 | 69 |
| DA-MoOx QDs | 6 | 5分钟 | 0.005–1 | 3.85 | 71 |
| CMH-NCDs | 4–5 | 0.5秒 | 0–20 | 8.4 | 85 |
| DNA酶 | DNA网络生物传感器 | 6.6 | 100分钟 | 0.00001–1 | 0.002 | 75 |
| DNA@SYBR green I | 7.4 | 20分钟 | 0.01–1 | 4.6 | 86 |
| DNA发夹@39E DNA酶 | 5.5 | 50分钟 | 0.00005–0.02 | 0.017 | 76 |

在酸性到中性条件下，UO22+是主要存在形式，可以发生阳离子交换并直接与大多数结合位点配位。在pH > 7时，它主要以高度稳定的阴离子复合物 [UO2(CO3)3]4? 的形式存在，这可能导致原本设计用于捕获UO22+的材料和传感器完全失去功能，特别是那些具有阴离子框架的材料，如MOFs和COFs。如表1所示，大多数材料的最佳检测pH范围为3到7，这对应于UO22+的有利形态。阴离子MOFs在微酸性条件下表现良好；然而，极端酸性或碱性会损害检测性能并破坏MOF结构，这归因于配位键的固有不稳定性。许多MOF配体含有含氮基团（例如咪唑或吡啶）或含氧基团（例如羧基）。过量的质子浓度与UO22+竞争结合位点，并可能使配体质子化，从而破坏配位框架。在碱性条件下，氢氧根离子会诱导金属节点（例如锌或铜离子）的水解，导致框架塌陷。与MOFs相比，COFs由于其完全有机的框架和强的共价键而表现出更好的稳定性。荧光纳米材料，如金属纳米团簇和量子点，在极端pH条件下容易受到结构损伤：金属纳米团簇上的配体可能发生质子化或水解，而量子点纳米晶体易于腐蚀，这两者都会导致不可逆的荧光损失。DNA酶对极端pH特别敏感，因为嘌呤碱基或磷酸二酯键的水解会破坏它们精确折叠的三维结构，导致变性和催化活性及特异性UO22+识别能力的丧失。荧光响应时间是一个反映材料传感效率的关键参数。如表1所示，关于MOFs的研究中很少报告明确的荧光响应时间，而基于COFs的传感器通常表现出快速响应，大多数在2秒内实现信号稳定。COFs和MOFs都通过铀酰离子与孔壁上的功能基团之间的特异性配位来检测UO22+；这种配位事件触发电子转移和能级变化，进而改变材料的荧光性质。这种快速的物理化学相互作用通常在几秒到一分钟内达到平衡。纳米材料的荧光是其结构本身的特性，一旦UO22+通过碰撞或弱配位相互作用扩散到纳米材料表面，荧光淬灭就会立即发生。然而，报告的响应时间差异很大，从0.5秒到几分钟不等，取决于实验设置。例如，UO22+诱导的AuNPs聚集需要一定的时间来形成稳定的团簇——这一过程对于基于IFE实现显著的比率荧光检测至关重要。因此，这类传感器的响应速度受到AuNP聚集动力学的限制。相比之下，基于DNA酶的传感器表现出更长的响应时间，从几十分钟到几小时不等，因为它们的催化过程涉及UO22+结合、DNA酶的构象变化和催化活性。与具有大比表面积和多个结合位点的多孔材料（如MOFs和COFs）不同，单个DNA酶分子通常只包含少数几个催化位点，从而导致相对较低的传感效率。检测限定义为可以可靠量化的最低UO2+浓度，较低的检测限表示材料的传感灵敏度更高。如表1所示，MOFs的线性检测范围覆盖一到五个数量级，检测限从几纳摩尔到几微摩尔不等。他们的多孔结构提供了丰富的结合位点，这些位点能够抵抗快速饱和，从而产生相对宽的线性检测范围；然而，这些范围的上限受到UO22+在孔内扩散速率的限制。UO22+与MOFs上高亲和力功能基团之间的强协同作用使得这些材料能够实现低检测限。相比之下，COFs通常表现出一到两个数量级的线性检测范围，检测限在几到几十纳摩尔之间。尽管COFs具有比MOFs更稳定的共价键和开放的孔结构，但其性能同样受到UO22+在孔内扩散的限制。纳米材料表现出一到三个数量级的线性检测范围，检测限一般在个位纳摩尔范围内。它们的纳米级尺寸赋予了高的荧光效率和大的比表面积，从而具有出色的传感灵敏度；然而，由于表面结合位点有限，容易发生饱和，这限制了它们的线性检测范围。DNA酶提供了两个到五个数量级的线性检测范围，检测限从皮摩尔到纳摩尔水平。

2.5.1

荧光性能的提高

基于荧光的检测的核心在于荧光信号的强度和稳定性，这从根本上取决于传感材料的卓越发光性能。对于基于配体的发光MOFs，选择具有AIE（聚集诱导发光）特性的配体具有明显优势。这样的配体在单体状态下表现出微弱的荧光，但在MOFs的固定有序框架内时，其发光显著增强。对于金属中心的发光MOFs，仔细选择有机配体对于匹配其与镧系离子（例如Eu3+和Tb3+）的三能级至关重要，从而实现有效的能量转移。或者，强荧光团，如有机染料或量子点，可以在合成后接枝到MOF的孔或框架上，作为新的发光中心。例如，Ahmad等人使用ZIF-8作为多孔载体，在其通道内均匀分散量子点，有效地抑制了聚集，保持了高荧光效率，从而提高了光致发光的量子产率。Cui等人制备了Tb-MOF和铽藻酸盐水凝胶（Tb-AG）的复合材料；这种复合材料提高了材料的稳定性，并通过Tb-AG中的羧氧原子为铀酰离子提供了额外的结合位点，从而大大增强了荧光淬灭效率，实现了高灵敏度和稳定性。与MOFs相比，COFs虽然具有更稳定的共价键和开放的孔结构，但其性能同样受到UO22+在孔内扩散的限制。纳米材料表现出一到三个数量级的线性检测范围，检测限通常在个位纳摩尔范围内。它们的纳米级尺寸赋予了高荧光效率和大的比表面积，从而具有出色的传感灵敏度；然而，由于表面结合位点有限，容易发生饱和，这限制了它们的线性检测范围。DNA酶提供了两个到五个数量级的线性检测范围，检测限从皮摩尔到纳摩尔水平。适配体-UO22+结合的催化放大效应和高特异性允许单个UO22+离子触发显著的信号变化，从而实现超低检测限。

2.5.1

荧光性能的提高

荧光检测的核心在于荧光信号的强度和稳定性，这根本上依赖于传感材料的优异发光特性。对于基于配体的发光MOFs，选择具有聚集诱导发光（AIE）特性的配体具有明显优势。这样的配体在单体状态下表现出微弱的荧光，但在MOFs的固定有序框架内时，其发光显著增强。对于金属中心的发光MOFs，仔细选择有机配体对于与镧系离子（如Eu3+和Tb3+）的三能级相匹配至关重要，从而实现有效的能量转移。或者，强荧光团（如有机染料或量子点）可以在合成后接枝到MOF的孔或框架上，作为新的发光中心。例如，Ahmad等人使用ZIF-8作为多孔载体，在其通道内均匀分散量子点，有效地抑制了聚集，保持了高荧光效率，从而提高了光致发光的量子产率。Cui等人制备了Tb-MOF和铽藻酸盐水凝胶（Tb-AG）的复合材料；这种复合材料提高了材料的稳定性，并通过Tb-AG中的羧氧原子为铀酰离子提供了额外的结合位点，从而大大增强了荧光淬灭效率，实现了高灵敏度和稳定性。与MOFs相比，COFs的荧光通常较弱，因为动态共价键促进了非辐射衰变路径。引入与COFs配位的镧系离子可以作为天线部分，将吸收的能量从有机框架传递出去，增强镧系离子的特征发射，显著提高荧光性能。Mao等人将Eu3+与COFs中的联吡啶单元的氮原子配位，限制了联吡啶的自由旋转，抑制了由分子内旋转引起的非辐射能量耗散。这种修饰显著增强了COF的固有荧光，并通过共振能量转移实现了铀酰离子的开启式荧光检测。

2.5.1

荧光性能的提升

荧光检测的核心在于荧光信号的强度和稳定性，这取决于传感材料的优异发光特性。对于基于配体的发光MOFs，选择具有聚集诱导发光（AIE）特性的配体具有显著优势。这样的配体在单体状态下发光较弱，但在MOFs的固定有序框架内发光显著增强。对于金属中心的发光MOFs，精心选择有机配体对于与镧系离子（如Eu3+和Tb3+）的三能级相匹配至关重要，从而实现有效的能量传递。或者，强荧光团（如有机染料或量子点）可以在合成后接枝到MOF的孔或框架上，作为新的发光中心。例如，Ahmad等人使用ZIF-8作为多孔载体，在其通道内均匀分散量子点，有效地抑制了聚集，保持了高荧光效率，从而提高了光致发光的量子产率。Cui等人制备了Tb-MOF和铽藻酸盐水凝胶（Tb-AG）的复合材料，提高了材料的稳定性，并通过Tb-AG中的羧氧原子为铀酰离子提供了额外的结合位点，从而大大增强了荧光淬灭效率，实现了高灵敏度和稳定性。

2.5.1

荧光性能的提升

荧光检测的关键在于荧光信号的强度和稳定性，这主要取决于传感材料的优异发光特性。对于基于配体的发光MOFs，选择具有聚集诱导发光（AIE）特性的配体具有显著优势。这样的配体在单体状态下发光较弱，但在MOFs的固定有序框架内发光显著增强。对于金属中心的发光MOFs，精心选择有机配体对于与镧系离子（如Eu3+和Tb3+）的三能级相匹配至关重要，从而实现有效的能量传递。或者，强荧光团（如有机染料或量子点）可以在合成后接枝到MOF的孔或框架上，作为新的发光中心。例如，Ahmad等人使用ZIF-8作为多孔载体，在其通道内均匀分散量子点，有效地抑制了聚集，保持了高荧光效率，从而提高了光致发光的量子产率。Cui等人制备了Tb-MOF和铽藻酸盐水凝胶（Tb-AG）的复合材料，提高了材料的稳定性，并通过Tb-AG中的羧氧原子为铀酰离子提供了额外的结合位点，从而大大增强了荧光淬灭效率，实现了高灵敏度和稳定性。

2.5.1

荧光性能的提升

荧光检测的关键在于荧光信号的强度和稳定性，这根本上取决于传感材料的优异发光特性。对于基于配体的发光MOFs，选择具有聚集诱导发光（AIE）特性的配体具有显著优势。这样的配体在单体状态下发光较弱，但在MOFs的固定有序框架内发光显著增强。对于金属中心的发光MOFs，精心选择有机配体对于与镧系离子（如Eu3+和Tb3+）的三能级相匹配至关重要，从而实现有效的能量传递。或者，强荧光团（如有机染料或量子点）可以在合成后接枝到MOF的孔或框架上，作为新的发光中心。例如，Ahmad等人使用ZIF-8作为多孔载体，在其通道内均匀分散量子点，有效地抑制了聚集，保持了高荧光效率，从而提高了光致发光的量子产率。Cui等人制备了Tb-MOF和铽藻酸盐水凝胶（Tb-AG）的复合材料，提高了材料的稳定性，并通过Tb-AG中的羧氧原子为铀酰离子提供了额外的结合位点，从而大大增强了荧光淬灭效率，实现了高灵敏度和稳定性。

2.5.1

荧光性能的提升

荧光检测的核心在于荧光信号的强度和稳定性，这取决于传感材料的优异发光特性。对于基于配体的发光MOFs，选择具有聚集诱导发光（AIE）特性的配体具有显著优势。这样的配体在单体状态下发光较弱，但在MOFs的固定有序框架内发光显著增强。对于金属中心的发光MOFs，精心选择有机配体对于与镧系离子（如Eu3+和Tb3+）的三能级相匹配至关重要，从而实现有效的能量传递。或者，强荧光团（如有机染料或量子点）可以在合成后接枝到MOF的孔或框架上，作为新的发光中心。例如，Ahmad等人使用ZIF-8作为多孔载体，在其通道内均匀分散量子点，有效地抑制了聚集，保持了高荧光效率，从而提高了光致发光的量子产率。Cui等人制备了Tb-MOF和铽藻酸盐水凝胶（Tb-AG）的复合材料，提高了材料的稳定性，并通过Tb-AG中的羧氧原子为铀酰离子提供了额外的结合位点，从而大大增强了荧光淬灭效率，实现了高灵敏度和稳定性。

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荧光性能的提升

荧光检测的关键在于荧光信号的强度和稳定性，这主要取决于传感材料的优异发光特性。对于基于配体的发光MOFs，选择具有聚集诱导发光（AIE）特性的配体具有显著优势。这样的配体在单体状态下发光较弱，但在MOFs的固定有序框架内发光显著增强。对于金属中心的发光MOFs，精心选择有机配体对于与镧系离子（如Eu3+和Tb3+）的三能级相匹配至关重要，从而实现有效的能量传递。或者，强荧光团（如有机染料或量子点）可以在合成后接枝到MOF的孔或框架上，作为新的发光中心。例如，Ahmad等人使用ZIF-8作为多孔载体，在其通道内均匀分散量子点，有效地抑制了聚集，保持了高荧光效率，从而提高了光致发光的量子产率。Cui等人制备了Tb-MOF和铽藻酸盐水凝胶（Tb-AG）的复合材料，提高了材料的稳定性，并通过Tb-AG中的羧氧原子为铀酰离子提供了额外的结合位点，从而大大增强了荧光淬灭效率，实现了高灵敏度和稳定性。

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荧光性能的提升

荧光检测的关键在于荧光信号的强度和稳定性，这根本上取决于传感材料的优异发光特性。对于基于配体的发光MOFs，选择具有聚集诱导发光（AIE）特性的配体具有显著优势。这样的配体在单体状态下发光较弱，但在MOFs的固定有序框架内发光显著增强。对于金属中心的发光MOFs，精心选择有机配体对于与镧系离子（如Eu3+和Tb3+）的三能级相匹配至关重要，从而实现有效的能量传递。或者，强荧光团（如有机染料或量子点）可以在合成后接枝到MOF的孔或框架上，作为新的发光中心。例如，Ahmad等人使用ZIF-8作为多孔载体，在其通道内均匀分散量子点，有效地抑制了聚集，保持了高荧光效率，从而提高了光致发光的量子产率。Cui等人制备了Tb-MOF和铽藻酸盐水凝胶（Tb-AG）的复合材料，提高了材料的稳定性，并通过Tb-AG中的羧氧原子为铀酰离子提供了额外的结合位点，从而大大增强了荧光淬灭效率，实现了高灵敏度和稳定性。

2.5.1

荧光性能的提升

荧光检测的关键在于荧光信号的强度和稳定性，这取决于传感材料的优异发光特性。对于基于配体的发光MOFs，选择具有聚集诱导发光（AIE）特性的配体具有显著优势。这样的配体在单体状态下发光较弱，但在MOFs的固定有序框架内发光显著增强。对于金属中心的发光MOFs，精心选择有机配体对于与镧系离子（如Eu3+和Tb3+）的三能级相匹配至关重要，从而实现有效的能量传递。或者，强荧光团（如有机染料或量子点）可以在合成后接枝到MOF的孔或框架上，作为新的发光中心。例如，Ahmad等人使用ZIF-8作为多孔载体，在其通道内均匀分散量子点，有效地抑制了聚集，保持了高荧光效率，从而提高了光致发光的量子产率。Cui等人制备了Tb-MOF和铽藻酸盐水凝胶（Tb-AG）的复合材料，提高了材料的稳定性，并通过Tb-AG中的羧氧原子为铀酰离子提供了额外的结合位点，从而大大增强了荧光淬灭效率，实现了高灵敏度和稳定性。

2.5.1

荧光性能的提升

荧光检测的关键在于荧光信号的强度和稳定性，这根本上取决于传感材料的优异发光特性。对于基于配体的发光MOFs，选择具有聚集诱导发光（AIE）特性的配体具有显著优势。这样的配体在单体状态下发光较弱，但在MOFs的固定有序框架内发光显著增强。对于金属中心的发光MOFs，精心选择有机配体对于与镧系离子（如Eu3+和Tb3+）的三能级相匹配至关重要，从而实现有效的能量传递。或者，强荧光团（如有机染料或量子点）可以在合成后接枝到MOF的孔或框架上，作为新的发光中心。例如，Ahmad等人使用ZIF-8作为多孔载体，在其通道内均匀分散量子点，有效地抑制了聚集，保持了高荧光效率，从而提高了光致发光的量子产率。Cui等人制备了Tb-MOF和铽藻酸盐水凝胶（Tb-AG）的复合材料，提高了材料的稳定性，并通过Tb-AG中的羧氧原子为铀酰离子提供了额外的结合位点，从而大大增强了荧光淬灭效率，实现了高灵敏度和稳定性。

2.5.1

荧光性能的提升

荧光检测的关键在于荧光信号的强度和稳定性，这根本上取决于传感材料的优异发光特性。对于基于配体的发光MOFs，选择具有聚集诱导发光（AIE）特性的配体具有显著优势。这样的配体在单体状态下发光较弱，但在MOFs的固定有序框架内发光显著增强。对于金属中心的发光MOFs，精心选择有机配体对于与镧系离子（如Eu3+和Tb3+）的三能级相匹配至关重要，从而实现有效的能量传递。或者，强荧光团（如有机染料或量子点）可以在合成后接枝到MOF的孔或框架上，作为新的发光中心。例如，Ahmad等人使用ZIF-8作为多孔载体，在其通道内均匀分散量子点，有效地抑制了聚集，保持了高荧光效率，从而提高了光致发光的量子产率。Cui等人制备了Tb-MOF和铽藻酸盐水凝胶（Tb-AG）的复合材料，提高了材料的稳定性，并通过Tb-AG中的羧氧原子为铀酰离子提供了额外的结合位点，从而大大增强了荧光淬灭效率，实现了高灵敏度和稳定性。

2.5.1

荧光性能的提升

荧光检测的关键在于荧光信号的强度和稳定性，这根本上取决于传感材料的优异发光特性。对于基于配体的发光MOFs，选择具有聚集诱导发光（AIE）特性的配体具有显著优势。这样的配体在单体状态下发光较弱，但在MOFs的固定有序框架内发光显著增强。对于金属中心的发光MOFs，精心选择有机配体对于与镧系离子（如Eu3+和Tb3+）的三能级相匹配至关重要，从而实现有效的能量传递。或者，强荧光团（如有机染料或量子点）可以在合成后接枝到MOF的孔或框架上，作为新的发光中心。例如，Ahmad等人使用ZIF-8作为多孔载体，在其通道内均匀分散量子点，有效地抑制了聚集，保持了高荧光效率，从而提高了光致发光的量子产率。Cui等人制备了Tb-MOF和铽藻酸盐水凝胶（Tb-AG）的复合材料，提高了材料的稳定性，并通过Tb-AG中的羧氧原子为铀酰离子提供了额外的结合位点，从而大大增强了荧光淬灭效率，实现了高灵敏度和稳定性。

2.5.1

荧光性能的提升

荧光检测的关键在于荧光信号的强度和稳定性，这根本上取决于传感材料的优异发光特性。对于基于配体的发光MOFs，选择具有聚集诱导发光（AIE）特性的配体具有显著优势。这样的配体在单体状态下发光较弱，但在MOFs的固定有序框架内发光显著增强。对于金属中心的发光MOFs，精心选择有机配体对于与镧系离子（如Eu3+和Tb3+）的三能级相匹配至关重要，从而实现有效的能量传递。或者，强荧光团（如有机染料或量子点）可以在合成后接枝到MOF的孔或框架上，作为新的发光中心。例如，Ahmad等人使用ZIF-8作为多孔载体，在其通道内均匀分散量子点，有效地抑制了聚集，保持了高荧光效率，从而提高了光致发光的量子产率。Cui等人制备了Tb-MOF和铽藻酸盐水凝胶（Tb-AG）的复合材料，提高了材料的稳定性，并通过Tb-AG中的羧氧原子为铀酰离子提供了额外的结合位点，从而大大增强了荧光淬灭效率，实现了高灵敏度和稳定性。

2.5.1

荧光性能的提升

荧光检测的关键在于荧光信号的强度和稳定性，这根本上取决于传感材料的优异发光特性。对于基于配体的发光MOFs，选择具有聚集诱导发光（AIE）特性的配体具有显著优势。这样的配体在单体状态下发光较弱，但在MOFs的固定有序框架内发光显著增强。对于金属中心的发光MOFs，精心选择有机配体对于与镧系离子（如Eu3+和Tb3+）的三能级相匹配至关重要，从而实现有效的能量传递。或者，强荧光团（如有机染料或量子点）可以在合成后接枝到MOF的孔或框架上，作为新的发光中心。例如，Ahmad等人使用ZIF-8作为多孔载体，在其通道内均匀分散量子点，有效地抑制了聚集，保持了高荧光效率，从而提高了光致发光的量子产率。Cui等人制备了Tb-MOF和铽藻酸盐水凝胶（Tb-AG）的复合材料，提高了材料的稳定性，并通过Tb-AG中的羧氧原子为铀酰离子提供了额外的结合位点，从而大大增强了荧光淬灭效率，实现了高灵敏度和稳定性。

2.5.1

荧光性能的提升

荧光检测的关键在于荧光信号的强度和稳定性，这根本上取决于传感材料的优异发光特性。对于基于配体的发光MOFs，选择具有聚集诱导发光（AIE）特每个UO22+离子都可以触发多个DNA酶底物的切割，启动G-四链体形成和类似过氧化物酶的催化作用，从而使比色信号呈指数级放大，从而能够在亚纳米摩尔水平上进行检测。相比之下，使用AuNP会导致相对较高的检测限。这是因为该机制需要足够浓度的UO22+来中和AuNP表面的大量负电荷，从而克服静电排斥并触发纳米粒子聚集，这伴随着随后的颜色变化。在UO22+浓度较低时，只发生有限的聚集，产生的颜色变化太微弱，无法通过肉眼或分析仪器可靠地检测到。此外，AuNP的聚集是一个非催化性的、按化学计量的过程，没有信号放大，这进一步限制了其灵敏度，与催化放大的方法相比。对于基于MOF和COF的传感器，它们的LOD值介于基于DNA酶和AuNP的传感器之间，这可以通过它们的中间催化放大和结合亲和力来解释。作为多孔框架纳米酶，MOF和COF具有适度的催化活性和UO22+吸附能力，通过催化底物氧化实现信号放大；然而，它们缺乏DNA酶系统的极端特异性和指数级放大能力。这种平衡导致的灵敏度高于基于AuNP的聚集传感器，但低于基于DNA酶的检测方法，这与表2中观察到的趋势一致。

3.5.1

比色检测性能的改进

目前，关于UO22+的比色检测的报道仍然有限。基于MOF、COF和纳米材料的比色传感器依赖于酶-底物催化反应来生成单个信号单元的变化，缺乏有效的信号放大机制；这一限制阻碍了对超低浓度UO22+的检测。此外，溶液的固有颜色和浑浊度以及样品中其他有色物质的存在可能会直接干扰吸光度测量，从而影响检测结果的准确性和可靠性。通过提高传感材料的固有选择性，可以提高UO22+检测的灵敏度。可以通过合成后引入特定的功能团（包括氨基肟或磷酸基团）来修改材料，如MOF、COF和纳米材料，这些功能团对UO22+表现出强烈的配位亲和力。这些优化后的材料可以与智能手机平台集成，与视觉观察相比，产生更客观和可量化的结果，从而实现从定性到半定量分析的转变。这种集成方法促进了快速、现场和无设备的定量检测，显著提高了UO22+监测的实用性和可访问性。例如，Lei等人开发了一种方便且便携的智能手机辅助的比色方法来检测UO22+。利福平和Br-PADAP被用作显色剂，它们分别与UO22+发生配位反应，导致溶液颜色从橙色变为深红色（在利福平系统中）和从黄色变为浅粉色（在Br-PADAP系统中）。如图11所示，使用了定制的比色取景器来标准化智能手机的拍摄条件；然后将反应溶液的数字图像导入内置的“Detect”应用程序中，以提取HSV的S值（饱和度）和HSL的L值（亮度）。利用这些颜色参数与UO22+浓度之间的线性关系，实现了现场快速估计浓度范围。同时，结合使用紫外-可见分光光度计在375 nm（利福平系统）和562 nm（Br-PADAP系统）的特征峰检测，实现了低至0.89 μM的精确量化。该平台集成了“现场初步筛选和实验室精确测定”的双重模式，不仅满足了现场紧急检测的及时性要求，还确保了实验室分析的准确性，实现了“便携性”和“精确性”的统一。

4. 电化学检测

电化学检测是一种灵敏且选择性的检测方法，用于检测痕量的UO2+，它涉及测量UO2+在电极表面上的氧化还原反应所产生的电流信号，通过高灵敏度脉冲伏安法和功能化的电极修饰界面来促进这一过程（图12）。

4.1 MOFs

MOFs具有定义明确的孔隙和高比表面积，经过碳化处理后，它们形成了导电的三维网络。由此产生的MOF衍生的多孔碳材料具有带负电荷的表面，能够强烈吸引溶液中的带正电荷的UO22+离子，从而在电极界面有效富集UO2+。这使得UO2+在电极表面的电化学还原成为可能，产生了可测量的还原电流，用于铀的检测。2020年，Cao等人使用UiO-66-NH2作为前体，将PtRu双金属纳米粒子嵌入到MOF衍生的多孔碳中，创建了一种用于电化学UO2+检测的复合材料（图13）。嵌入的PtRu纳米粒子作为关键的催化中心，显著降低了UO2+还原所需的过电位，并加速了电子转移。多孔碳提供了大的表面积和快速的电子及离子传输通道，大大放大了电流信号。PtRu纳米粒子与MOF衍生的多孔碳之间的协同作用增强了整体电化学性能。

4.2 COFs

COFs可以用于UO2+的电化学发光（ECL）检测，该技术将电化学反应与光学信号测量结合起来。通过合理设计和选择COF内的电子给体和受体单元，可以实现高效的分子内电荷转移（ICT），激发COF中的电子产生光亮。UO2+与COF中功能基团的特异性结合改变了其电子结构，从而调节了ECL的强度。Cui等人开发了一种烯烃连接的COF，TBTN-COF，并通过将COF中的氰基团转化为氨基肟基团，合成了BCBA-TBTN-AO复合物，实现了UO2+的选择性配位。尽管单体本身不发光，但框架内的ICT诱导了强烈的ECL，其中TBTN作为电子受体，BCBA和DAFB作为电子给体，促进了有效的电荷转移。在施加电位下，COF中的电子被激发形成自由基阴离子，这些自由基阴离子与超氧阴离子碰撞时发出光，产生了强烈的ECL信号（图14）。UO2+与BCBA-TBTN-AO的配位将电子从给体单元转移到TBTN，增强了ECL响应，并建立了一个具有超低检测限的高度选择性的“开启”ECL传感系统。

4.3 纳米材料

纳米材料具有高比表面积、丰富的活性位点和优异的导电性，可作为载体固定多种识别元素，并与电极建立高效的电子传输通道，从而实现低浓度铀酰离子的高灵敏度检测。Han等人使用AuNPs修饰了玻璃碳电极（GCE），通过差分脉冲吸附剥离伏安法进行铀检测。所有电极上都观察到了明显的氧化还原峰。AuNP修饰后，氧化峰电流从454 μA增加到579 μA，相当于27.53%的增强，这清楚地展示了AuNPs/GCE的优越电子传输能力。在这种方法中，UO2+首先在负电位下被还原并沉积在电极上。随后的正电位扫描使沉积的铀氧化并剥离，产生与UO2+浓度相对应的氧化峰电流。AuNPs的高表面积显著增加了活性电极面积，放大了剥离信号并提高了检测灵敏度。

4.4 DNA酶

DNA本身是不导电的；因此，为了实现电化学检测，需要在DNA链的特定位置共价连接有电活性分子以及UO22+结合适配体。当UO22+与适配体结合时，它会引起DNA结构的构象变化。这种构象变化影响了电活性分子与电极之间的电子转移效率，从而产生了可测量的电流变化。Jett等人报道了一种基于DNA的电化学生物传感器，用于检测水中的UO2+。该传感器使用嵌入在寡核苷酸骨架中的修饰过的铀酰结合适配体，形成了一个可重复使用的、构象可切换的电化学DNA生物传感器（图15A）。当UO22+结合时，会触发DNA酶活性，导致在特定位点发生切割，并从未结合状态切换到结合状态（图15B）。这种结构变化改变了连接到DNA上的亚甲蓝电活性报告剂的位置和环境，从而调节了电极表面的电子转移，产生了相应的电化学信号变化。

4.5 不同材料之间的性能比较

如表3所示，不同材料系统在UO22+分析方面的电化学检测性能存在显著差异。具体来说，COFs和纳米材料在线性范围和LOD值方面优于MOFs和DNA酶，而后两类材料的报道相对较少，通常表现出较差的传感指标。这种性能差异根本源于每种材料类别的固有电子和结构特性，以及它们与电化学转换机制的兼容性。表3显示了不同材料在电化学检测UO22+方面的性能比较。

大多数MOFs和COFs本质上是半导体或绝缘体，具有较低的电导率，这严重限制了电极界面与材料本体之间的有效电子转移。这一限制直接导致电子动力学缓慢和信号生成弱，最终导致基于MOF的传感器（如PtRu-PCs）的LOD相对较高（24 nM）和线性范围较窄（0.168–3.528 μM）。相比之下，导电纳米材料（如AuNPs和PNPs）具有出色的电子迁移率、大的比表面积和强大的电催化活性。这些特性促进了电极表面的快速电子转移，实现了更宽的线性范围（例如，PNPs覆盖0.00000037–0.00037 μM）和更低的LOD值（例如，pH 3时AuNPs/GCE达到0.44 nM）。然而，未经修饰的导电纳米材料缺乏对铀酰离子的特异性识别位点，使其容易受到共存离子的干扰，影响了检测的选择性——这是它们实际应用受限的一个关键缺点。COFs在原始MOFs的低导电性和裸纳米材料的非选择性之间架起了桥梁。它们的多孔框架结构不仅为UO22+的吸附提供了丰富的活性位点，而且当与导电成分（例如AuNCs@COF）集成时，还提高了电子传输效率。这种协同作用解释了基于COF的传感器的优越性能：AuNCs@COF实现了超低的LOD（0.347 nM）和宽的线性范围（0.0005–25 μM），而BCBA-TBTN-AO/GCE则设置了令人印象深刻的LOD（0.00036 nM（0.000001–0.001 μM）。这些结果验证了将COFs与导电纳米材料结合可以解决纯框架的导电性限制，同时保留了它们的特异性识别能力。对于基于DNA酶的电化学传感器，由于DNA酶本身的电惰性，其性能较差（例如，SG@dsDNA@[Fe(CN)6]3?/4?的LOD为0.13 nM，线性范围为0.001–1 μM）。与催化活性纳米材料或半导体框架不同，DNA酶缺乏内在的电子转移能力；它们的信号转导依赖于UO22+诱导的DNA切割，必须与电活性探针（例如[Fe(CN)6]3?/4?）或导电基底结合才能产生可测量的电化学响应。这种多步骤的耦合过程引入了额外的电子转移和信号放大障碍，导致LOD相对较高，线性范围也比基于COF和纳米材料的传感器更窄。即使电化学生物传感器的参考值也显示了1200 nM的高LOD，进一步突出了使用未经修饰的DNA酶进行直接电化学检测的挑战。总之，表3中的性能差异受每种材料系统的电子导电性、特异性识别能力和结构协同作用的严格控制。复合结构，即将多孔金属有机框架（MOFs）/碳有机框架（COFs）与导电纳米材料结合，或将DNA酶与电活性换能器耦合，已经成为一种通用策略，用于克服内在限制，从而实现高灵敏度和宽线性范围的对UO22+的电化学检测。

4.5.1 电化学检测性能的提高

在高温下碳化的MOFs可以转化为具有高比表面积的多孔碳材料。这些碳化材料不仅保留了原始MOF的多孔结构，还形成了高效的三维导电网络，极大地促进了电极表面的快速电子转移。对于COF材料，通过引入掺杂剂或整合导电组件来构建连续的导电网络，可以改善其整体导电性。纳米材料通常被用作电极修饰剂，以提高电子转移效率，并且经常与MOFs、COFs、DNA酶或对UO22+具有高亲和力的官能团结合，以提检测选择性和吸附能力。例如，Jiang等人首次将酰胺肟基团接枝到氟化石墨烯上，用于UO22+的电化学检测。氟化石墨烯的二维层状结构为加载大量的酰胺肟基团提供了较大的比表面积，这些基团能够特异性地结合UO22+，从而增强了传感器的灵敏度和铀的富集效率。Chen等人开发了一种双信号放大电化学平台，使用金纳米颗粒作为信号放大器，并通过杂交链反应（HCR）合成银纳米簇。金纳米颗粒增加了电极表面铀酰特异性DNA酶的负载量。在UO22+的存在下，DNA酶被激活并切割底物链，触发HCR，在电极表面生成长双链DNA（dsDNA）。这种dsDNA作为模板，促进了大量银纳米簇的原位合成，从而显著放大了电化学信号。

5. 不同检测方法的比较

如表4所示，全面的性能比较揭示了每种检测方法都有其独特的优势和局限性，这些在下面系统中进行了总结。表4总结了不同方法检测UO22+的性能。

检测方法
线性范围
LOD
选择性
便利性
响应时间

荧光
普通
低
高
普通
快速

比色法
狭窄
高
普通
优秀
快速

电化学检测
宽
极低
普通
有限
中等

基于荧光的检测展现了平衡的性能特点，具有出色的灵敏度和选择性。通过复杂的探针设计（例如DNA酶）和信号放大策略，它可以在纳摩尔到皮摩尔级别实现超低的LOD。高选择性本质上来源于铀酰离子与功能探针（例如G四聚体结构或酰胺肟基团）之间的特异性分子识别，有效减少了来自共存离子的干扰。在操作上，这种方法很方便，因为它通常只需要样品与探针的混合，而不需要复杂的预处理，从而可以通过荧光强度变化进行定量分析。动力学研究受益于快速响应，因为荧光淬灭或增强在目标结合后瞬间发生，通常在几分钟内，便于实时监测。然而，其主要限制在于依赖于复杂的光学仪器（例如荧光计），这限制了其在现场快速检测中的应用，主要适用于实验室环境。比色法在操作便利性和速度方面表现出色，在表4中被评为“优秀”和“快速”，使其成为无需仪器、现场分析的首选方法。它通过可见颜色变化在几秒到几分钟内提供结果。然而，这种便利性是以牺牲灵敏度为代价的，其LOD较高，线性范围较窄。这种性能权衡源于基本机制：比色信号依赖于足够多的发色团的积累以产生可测量的吸光度变化。在低浓度下，信号太弱而无法检测；而在高浓度下，颜色饱和，导致强度与浓度之间的非线性关系。此外，该方法极易受到环境干扰。其“普通”的选择性归因于显色反应对pH的高度敏感性；即使pH的微小变化或其它金属离子的直接竞争也会改变反应平衡，导致虚假信号或背景干扰。电化学检测以最高的灵敏度脱颖而出，具有“极低”的LOD和“宽”的线性范围（表4），使其非常适合在复杂样品中的痕量分析。这种高灵敏度源于其直接的信号转换机制，其中痕量的UO22+在电极表面发生快速的红氧化还原反应并产生可测量的电流信号，而有效的电子转移和界面信号放大进一步降低了检测限并扩展了线性范围。尽管有这些优势，该方法也存在一些实际限制：电极修饰通常涉及复杂且耗时的组装步骤，需要熟练的操作，并产生不稳定的界面，导致“有限”的便利性。其“中等”的响应时间可以归因于在有效信号生成之前必须对UO22+进行必要的吸附和积累，以及对昂贵且专用的电位计的依赖，这限制了其真正的便携性和实时现场应用。此外，其“普通”的选择性源于电化学转换的固有性质，因为其他红氧化还原活性金属离子可能产生重叠的干扰电流或竞争活性位点，使得在没有高度特异性功能修饰的情况下难以实现铀酰离子的独特识别。总之，表4清楚地描述了性能谱：荧光提供高灵敏度和速度，但需要实验室设备；比色法提供无与伦比的现场便利性，但牺牲了线性范围和灵敏度；电化学检测提供超灵敏度，但缺乏便携性和简单性。这种比较强调了根据具体应用场景选择方法的重要性，无论是优先考虑实验室精度、现场便携性还是痕量检测。为了应对这些性能权衡并实现全面的检测能力，将多种互补技术集成到单一平台中已成为一种有前景的策略。这种双模方法不仅利用了各个方法的优点，还缓解了它们各自的局限性，从而显著提高了传感器的整体可靠性和实际适用性。Chen等人开发了一种创新的双模比色和电化学传感器，用于UO22+检测，使用了AuNCs@COF复合材料（图16A和B）。这种材料结合了优异的电催化活性和光学性质，嵌入了具有过氧化物酶模拟活性的纳米簇，这些纳米簇在UO22+存在下催化底物，引起颜色变化。同时，电极上的复合材料催化与UO22+的电化学反应以产生电流信号。电化学和比色信号的双重测量允许相互验证，提高了准确性和可靠性。Xiong等人基于磺化杯[4]芳烃（SC4A@Ce）设计了荧光/比色双模传感器策略。这种方法巧妙地利用了SC4A与Ce3+和Ce4+的配位：Ce3+与SC4A结合时荧光被淬灭，但在添加UO22+后Ce3+被置换，从而恢复了荧光。同时，Ce4+的氧化酶样活性催化TMB氧化为oxTMB，使溶液颜色从蓝色变为无色。通过结合高灵敏度的荧光和可见比色分析，这种方法实现了灵敏度、准确性和可靠性的提升。Wu等人开发了一种基于自组装TMB-CuO2纳米片的双模比色和光热传感器，用于UO22+检测。在酸性环境中，纳米片自发分解产生Cu2+、H2O2和TMB。然后Fenton反应将TMB氧化为蓝色的oxTMB，产生强烈的比色信号和高效的光热效应。UO22+选择性与oxTMB的亚胺基团配位。这种配位破坏了oxTMB的共轭结构，导致颜色褪色，并同时抑制了其光热转换效率。这些效应共同产生了浓度依赖的双信号响应。通过将底物、催化剂和信号单元集成到单个纳米片中，而无需外部H2O2，这种传感器实现了高度选择性的检测。它允许通过肉眼直接视觉筛查，并基于热信号变化进行现场定量。图16

(A) COF、AuNCs@COF和Apt/AuNCs@COF的制备。经参考文献111许可复制。版权2025，Springer。(B) UO22+的比色和电化学双模传感器检测原理示意图。经参考文献111许可复制。版权2025，Springer。

6. 总结与展望

总之，本综述全面审视了近期在UO22+的光学和电化学检测材料研究方面的进展，特别关注了MOFs、COFs、纳米材料和基于DNA的材料。这些材料在选择性和灵敏度检测UO22+方面具有独特优势，有助于开发高效的监测平台。尽管在这一领域取得了显著突破，但在UO22+检测的实际应用中仍存在若干挑战。

6.1 实际应用中的挑战

6.1.1 复杂基质干扰

现实世界中被铀污染的样品是复杂的多组分基质，与实验室验证中使用的纯缓冲溶液明显不同。海水、工业废水、土壤渗滤液和地下水都含有共存的离子、溶解的有机物、腐殖酸和悬浮颗粒，这些物质对检测性能产生双重不利影响。这些物质与传感材料发生非特异性结合，与UO22+竞争活性识别位点，降低检测选择性，并引起假阳性或假阴性信号。它们还引起物理和化学干扰，干扰信号传输：溶解的有机物在荧光检测中吸收激发和发射光，加剧了内滤光效应；而悬浮颗粒在比色测定中引起浑浊，妨碍了视觉和光谱读数。电化学检测也面临类似的脆弱性，因为红氧化还原活性的共存离子在电极表面产生重叠的电流信号，而改良电极的有机污染阻塞了活性位点并阻碍了电子转移。海水对于海洋铀资源勘探和核废水监测来说是一个特别关键的基质，对检测系统提出了极端挑战。其高盐度导致传感材料上的带电识别基团发生静电屏蔽，严重削弱了传感材料与UO22+之间的结合亲和力。

6.1.2 现场环境稳定性问题

传感材料的结构和功能稳定性是实际应用的前提条件，然而大多数最先进的材料，包括MOFs、COFs、DNA酶和一些纳米材料，在现实世界采样环境的恶劣条件下稳定性较差。多孔MOFs建立在不稳定的配位键上，在极端pH和高离子强度条件下会发生水解或塌陷，导致多孔结构和识别位点的丧失。COFs具有更坚固的共价骨架，但它们的动态共价键在水环境中长时间使用容易发生水解，影响长期稳定性。DNA酶和基于核酸的传感器对环境因素非常敏感；极端pH、高温和自然水体中的核酸酶会导致DNA变性和切割，从而丧失催化和识别活性，限制了它们在未经处理的自然样品中的应用。即使是无机纳米材料也存在稳定性问题：高盐度溶液中的表面配体解吸会降低它们的胶体稳定性，金属纳米颗粒的氧化腐蚀会削弱它们的光学和电化学性质，导致信号漂移和可重复性差。

6.1.3 现场检测的仪器和操作限制

现场、实时和便携式监测是UO22+检测技术的关键目标，但目前的方法在操作复杂性和对昂贵仪器的依赖性方面受到很大限制。两种最敏感的方法，荧光和电化学检测，依赖于复杂、笨重且昂贵的实验室设备，这些设备不便于现场携带，并需要可控的电源和操作环境。虽然比色检测允许肉眼读数，但其低灵敏度需要光谱验证来进行定量分析，这在大多数情况下削弱了其便携性优势。实验室规模的检测还需要费力的样品预处理以减轻基质干扰。这些过程耗时且需要专门的试剂和设备，使其不适合快速现场筛查。因此，未经优化的传感器对原始样品的分析会导致由于缺乏必要的预处理资源而在现场环境中性能大幅下降。此外，实际操作也面临显著障碍：特别是电化学检测，需要受过培训的人员进行精确的电极修饰、校准和操作，这些步骤在技术支持有限的现场环境中难以实施；甚至光学方法也需要严格控制实验参数，这在没有标准化自动化设备的条件下是一个挑战。

6.1.4 可扩展性和成本限制

UO22+检测技术的实际应用需要可扩展的合成和低生产成本，然而大多数最先进的传感材料都是通过复杂的、低产量的实验室规模合成方法制造的。这些方法不适合大规模工业生产，导致材料成本过高，阻碍了其广泛的现场应用。此外，较差的重复使用性使得大多数传感器是一次性的，增加了长期监测的成本，并在铀污染场所产生额外的环境负担。尽管一些材料显示出再生潜力，但相关的处理过程通常需要使用强烈的化学试剂和额外的处理步骤，这使得它们在现场使用变得不可行。总之，UO22+检测技术的实际应用不仅受到分析性能的限制，还受到基质干扰、材料稳定性、仪器设备、操作障碍、性能与实用性之间的权衡以及可扩展性问题的综合影响。要解决这些挑战，需要从实验室规模的检测限和选择性优化转向针对实际应用的设计优化。这涉及到整合材料工程、基质适应性和设备微型化，以开发出在复杂环境条件下稳定、便携、低成本且性能可靠的传感系统，这对于将本文概述的功能性材料中的显著进展转化为可实际应用的现场铀监测技术至关重要。

6.2 未来改进方向

6.2.1 提高UO22+的选择性

在存在多种干扰离子的情况下实现高选择性对于有效的UO22+检测至关重要。通过用选择性吸附基团（如氨基肟、羧基和磷酸基团）对多孔材料和纳米材料进行功能化，可以提高选择性。此外，通过调整多孔材料的孔径以适应UO22+离子的大小，可以利用限制效应来增强吸附选择性，从而减少干扰离子的进入。基于DNA的材料由于其固有的分子识别能力，可以通过引入定制的核酸序列（如DNA酶、寡核苷酸或适配体）显著提高选择性。

6.2.2 提高材料稳定性

提高检测材料在恶劣环境（例如极端pH值、海水或工业废料）中的稳定性仍然是一个关键挑战。多孔材料（如MOFs和COFs）在极端条件下常常容易发生水解和结构崩溃。为了提高稳定性，可以设计具有更强化学键的材料，或者通过引入疏水性功能团（如氟化物、烷基或芳香族基团）来对其进行改性。此外，将多孔材料与其他材料（如纳米材料、水凝胶或聚合物）结合使用，可以增强结构稳定性，并引入新的功能特性，从而提高整体性能。

6.2.3 提高灵敏度和准确性

在复杂的环境样品中检测时经常会遇到多种干扰因素，这些因素会影响现有材料的准确性和灵敏度。一种有前景的解决方案是采用多模式检测，结合多种传感技术提供互补数据，从而提高准确性。例如，COFs在光照下的类似氧化酶的活性可以引起颜色变化，而纳米材料的高导电性可以实现电化学测量。通过将这两种特性结合在一个颜色-电化学双模式系统中，可以显著提高检测灵敏度和可靠性。此外，将MOFs的固有荧光、基于DNA的材料的特异性识别能力和氧化铁纳米粒子的超顺磁性整合到一个统一的多模式系统中，可以实现更可靠和准确的检测平台。

6.2.4 简化仪器设备和操作流程

为了克服现场UO22+监测中的仪器设备和操作障碍，未来的研究应专注于设备微型化、工作流程简化以及无需预处理的传感系统开发，目标是实现便携、自动化且适用于现场的环境监测，无需依赖大型实验室设备或专业的技术支持。对于高灵敏度的荧光和电化学检测，微制造和微流控技术将使得便携式检测器实现微型化，并配备集成核心模块以便现场使用；颜色检测将通过智能手机辅助读取系统和定制的光学附件及图像分析算法进行优化，从而实现无需光谱验证的现场定量分析。通过开发用于电化学检测的预製改性电极和标准化的、自动化的一体化检测套件，可以简化操作流程，降低专业操作要求并提高现场结果的可重复性。无需预处理的传感系统是解决繁琐现场样品处理问题的关键，可以通过赋予传感材料抗干扰、抗污染和现场目标富集特性来实现直接、高灵敏度的UO22+检测，而无需离心、过滤等预处理步骤。

6.2.5 提高可扩展性和降低成本

为了克服限制UO22+检测技术广泛应用的可扩展性和成本限制，未来的研究应专注于开发可扩展、低成本的材料合成方法，并设计可重复使用的传感系统。需要优化复杂的、低产率的实验室规模合成方法，以实现工业可扩展性，采用简单、高产量的制造工艺和低成本原材料以降低生产成本并实现大规模生产。应通过合理的材料工程来提高传感器的可重复性，构建坚固的、抗污染的结构，从而减少更换频率并降低长期监测成本。对于具有再生潜力的材料，应采用温和的、适用于现场的再生协议来替代基于强化学物质的处理过程，简化现场再利用并消除与化学废物相关的环境负担。通过简单修改设计出适用于UO22+检测的通用传感平台，也可以进一步降低成本，促进低成本、可靠的铀检测技术的大规模实际应用。展望未来，关于UO22+检测的研究应侧重于开发具有光学、电化学或多模式传感能力的功能性复合材料，这些材料应具有更高的选择性、灵敏度和环境稳定性。这样的材料将解决核心的实际挑战，包括复杂的基质干扰、在恶劣现场环境中的材料稳定性差、仪器设备和操作限制，以及可扩展性和成本约束。利用计算化学和机器学习的进步，将提供有关UO22+识别机制和材料降解途径的宝贵原子级见解，从而实现高性能传感材料的合理、预测性设计，超越经验性的实验室规模优化。更重要的是，将这些先进材料与微型化、便携且适用于现场的检测设备无缝集成，结合简化的、自动化的操作流程和无需预处理的传感系统，将是实现实时、现场和可靠的铀污染监测的关键。最终，将这些实验室规模的创新转化为高效、成本效益高且可靠的UO22+检测技术，将在保护环境和人类健康方面发挥重要作用，支持全球核能的可持续发展，并促进铀污染地区的有效污染控制和环境修复。通过解决本文概述的实际应用挑战，我们可以推进铀监测技术的发展，为环境保护和更可持续的未来带来长期价值。

作者贡献

KaiZeng Quan：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、研究。YuMin Wang：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、研究。Meng Qi：撰写——初稿。Peng Xu：监督、方法论。YaXing Wang：监督、方法论。GuoXun Ji：撰写——审稿与编辑、研究。

利益冲突

没有需要声明的利益冲突。

数据可用性

本综述未包含任何原始研究成果、软件或代码，也没有生成或分析任何新的数据。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（22476144）的支持。